木質纖維素制燃料乙醇的預處理研究

徐 超，關東明，朱漢青，吳 濤，陳超正

（中國礦業大學 化學與環境工程學院，北京100083）

1 引言

隨著經濟的發展，環境問題以及能源緊缺問題日趨嚴峻，尋找可再生能源已經成為緩解化石燃料短缺和控制大氣中CO2濃度的重要途徑。作為一種清潔能源，有“綠色石油”和“液體黃金”之稱的乙醇有其獨特的優越性。乙醇與汽油相比，能夠增加氧的含量，燃燒時使碳氫化合物更加充分氧化，從而減少排放到大氣中的芳烴類化合物及一氧化碳量[1]。同時將一些農作物秸稈和含纖維素質的作物通過一定的方法轉換為人類所需的能源，也是一項變廢為寶的重大工程。其中通過稀酸水解木質纖維素來生產燃料乙醇已受到了國內外廣泛的關注。

2 燃料乙醇生產的國內外研究進展

纖維素制乙醇在19世紀即已提出，方法是把纖維素水解為單糖，再把單糖發酵成乙醇。但該工藝雖然原料價格便宜，生產成本卻很高，隨著以石油為原料的合成乙醇大量生產，這類工廠大都關閉。在20世紀石油危機后，西方國家又開始重視纖維素制乙醇的技術[2]。第一個燃料乙醇項目－ProAlcool于1975年誕生在巴西，1978年美國、加拿大也開展了類似的項目。目前開展此項目最為活躍的國家是美國和巴西，這兩個國家乙醇產量約占全球乙醇總產量的70%以上。歐洲各國也對發展生物燃料表現出極大興趣，開始加大力度進行研究、推廣和使用乙醇汽油[3]。

有著豐富甘蔗資源的巴西，利用甘蔗作為原料發展燃料乙醇產業，目前年產1 400t纖維素乙醇，幾乎全部作為汽車燃料使用[4]。美國已于2008年成為全球最大的纖維素乙醇生產國。美國政府發布多條目標和激勵政策，用以促進纖維素乙醇的生產，位于佛羅里達州的柑橘和亞熱帶產品實驗室與其合作伙伴可再生醇類公司聯合研發了一種替代過程，采用酶催化將這類殘渣轉化成糖類，糖類再發酵生成乙醇[5]。

我國燃料乙醇產業起步較晚，但發展迅速，2006年我國燃料乙醇的產量達到144萬t，成為世界第3大燃料乙醇生產國。由于乙醇等生物燃料產量的大幅增加，已導致了世界糧食價格的大幅上漲。美國作為全球最大的糧食乙醇生產與應用國，近年來加大了對纖維素乙醇發展的支持力度[3]。

3 木質纖維素的預處理

木質纖維素價廉、可再生、資源豐富[6]。將這物質轉化為葡萄糖、木糖等可發酵性糖，被認為是乙醇生產中極具前景的一個途徑。它經過水解可以制得單糖，單糖經微生物發酵可進一步供生產低聚糖、單細胞蛋白、酒精和有機酸等有機原料和燃料，可以取代目前的淀粉原料發酵生產的各種產品，是化石資源等不可再生能源的有效替代品。木質纖維素的開發利用早已引起人們的廣泛重視，但其利用率僅1%左右，木質纖維素資源現多作為燃料、織物、飼料、食品、藥品、肥料等，這不僅利用率低而且造成環境污染，因此纖維素資源作為能源物質開發具有很大前景。木質纖維素主要由纖維素、半纖維素和木質素組成。

在植物組織中木質素與半纖維素以共價鍵形式結合，并將纖維素分子包埋其中，形成一種堅固的天然屏障，使一般微生物很難進入使其降解。木質纖維素原料生產燃料乙醇的過程主要包括預處理、糖化、發酵等，其預處理是生物轉化的關鍵步驟，影響整個纖維素酒精生產過程。因此高效、便捷的預處理技術是木質纖維素原料生產燃料乙醇的關鍵所在。預處理的目的是使纖維素與木質素、半纖維素等分離，使纖維素內部氫鍵打開，使結晶纖維素成為無定型纖維素，以及進一步打斷部分β－1，4－糖苷鍵，降低聚合度，改變天然纖維素的結構，破壞纖維素－木質素－半纖維素之間的連接，降低纖維素的結晶度以及提高基質的孔隙率.常用的預處理方法可分為物理法、化學法、物理化學結合法和生物法4大類[7]。本文主要介紹化學法中的酸水解法。

木質纖維素來源于木材、干草、林業廢料、農業廢料和紙制品廢料等，主要成分包括纖維素（40%～50%）、半纖維素（25%～30%）和木質素（10～20%）[8]。在不同的原料中，這3種成分的組成不同。在農作物廢料玉米芯中纖維素含量約占45%，半纖維素約占35%，木質素約占15%[9]。

纖維素是D－葡萄糖以β－1，4糖苷鍵組成的大分子多糖，分子式為（C6H10O5）n，其纖維聚合度n由200～2 000kDa不等。半纖維素是一種分子量較小的帶有支鏈的多聚糖，相對來說聚合程度較低，一般不大于200kDa。其結構單元包括戊糖基、己糖基、糖酸基和乙酰基，其中的戊糖主要為木糖和阿拉伯糖。除了半乳糖組成的半纖維素以β－1，3糖苷鍵連接，半纖維素的主要聚合方式也是β－1，4糖苷鍵[10]。木質素是具有網狀空間立體結構的高分子芳香族化合物，由4種醇單體（對香豆醇、松柏醇、5－羥基松柏醇、芥子醇）的苯丙烷基單元通過醚鍵和碳－碳鍵連接而成。

木質纖維素經過預處理（包括粉碎處理、水處理、堿處理、稀酸處理、蒸汽爆破處理和氨處理等方法），使其結構變得松散，再通過水解產生可被微生物利用于發酵的單糖。木質纖維素的水解方法包括化學法和生物法（酶法）等[11]，其中以稀酸水解法應用得較為廣泛。稀酸水解法具有快速、廉價、易于操作的優點，但是會產生較多的副產物[12]。通常，該方法是通過木質纖維素原料與無機酸如硫酸、鹽酸混合，并經120～200℃的高溫處理完成[13，14]。

4 實驗方案

4.1 玉米芯半纖維素水解

4.1.1 玉米芯預處理

將玉米芯用機械粉碎法預處理得到20～30目的顆粒，烘干并測其含水量。

4.2 玉米芯含水量測定

測得試驗所用玉米芯含水率為5.3%（表1）。

表1 玉米芯含水量

4.3 玉米芯水解

4.3.1 水解液的制備

稱取20.0g粉碎后的玉米芯顆粒，按固液比1∶10（w/v）比例加入到盛有 1% （v/v）稀硫酸的500mL三角瓶中，浸泡過夜，在120℃滅菌鍋中水解1.5h。

4.3.2 水解后玉米芯的處理方法

將玉米芯水解液冷卻液抽濾得半纖維素水解液至容量瓶中定容，用NaOH中和至pH值為7，用DNS法測定樣品中木糖含量，利用540nm光長測其吸光度，根據標準曲線回歸方程計算出樣品木糖濃度。

4.3.3 木糖標準曲線的繪制

木糖吸光度標準曲線見圖1，不同濃度的木糖溶液對540nm光長的吸光值見表2。

圖1 木糖吸光度標準曲線

表2 不同濃度的木糖溶液對540nm光長的吸光值

4.4 玉米芯水解后木糖得率的計算

通過對玉米芯半纖維素水解液中木糖含量進行測定，確定每克干重玉米芯木糖得率，即木糖g/干重玉米芯g。

4.5 玉米芯半纖維素水解條件正交優化試驗

在一定的粒徑條件下，玉米芯中半纖維素的水解主要受水解溫度、時間、酸濃度、固液比4個因素的影響。所以本課題從水解溫度、時間、硫酸濃度、固液比4個因素做正交試驗研究其對玉米芯半纖維素水解的影響。玉米芯半纖維素水解產物中木糖為主要單糖產物，因此以下試驗主要以其中木糖含量為主要檢測標準。

表3 玉米芯半纖維素水解條件正交優化試驗

5 結果與討論

稀酸水解木質纖維素的工藝較簡單，原料處理時間短，污染小，技術相對成熟[15]。通過稀酸對玉米芯半纖維素進行水解可以使半纖維素水解的比較徹底，并且經稀酸水解處理后，纖維素的平均聚合度下降，對后續的纖維素的酶解有明顯的促進作用。但稀酸水解的溫度較高，水解過程中，生成了較多的對發酵有抑制作用的副產物。這些副產物極大地影響了半纖維素水解液的發酵性能，導致乙醇發酵總成本的居高不下。因此對半纖維素進行有效的預處理對于提高半纖維素水解液的發酵性能至關重要[16]。

本研究表明：玉米芯半纖維素酸水解制備木糖，影響木糖產率的主要因素有液固比、硫酸濃度、水解溫度和水解時間。為了確定適宜的玉米芯半纖維素酸水解工藝，取20～30目的玉米芯顆粒與不同濃度的硫酸溶液混合，在不同溫度下水解反應不同時間，設計L16（44）正交試驗場，以水解液中木糖濃度為指標考察玉米芯半纖維素酸水解工藝。表3結果表明，以上4個因素對木糖產量的影響大小順序為：水解時間＞硫酸濃度＞水解溫度＞液固比。最優水解條件為溫度120℃、時間90min、硫酸濃度1%、固液比1∶5，在此條件下玉米芯半纖維素水解液中木糖得率為0.30g/g。

在正交試驗考察的酸水解4因素中，水解時間對木糖產率影響最大，其主要原因是：在玉米芯半纖維素酸水解的過程中，隨著水解的進行，半纖維素中的戊聚糖逐步水解成木糖，但隨著水解生成的木糖的量的增多，再延長水解反應時間，則水解生成的木糖又會進一步反應降解成糠醛等副產物，導致最終木糖的量的減少，所以采用水解時間90min是合適的。

表3中正交試驗得到的最優組合中固液比為1∶5，但在實際操作中較大的固液比會產生大量濾渣且需要多次洗滌濾渣造成水解液中木糖濃度降低，這會增加下一步半纖維素水解液濃縮動能消耗，故在實際操作中選擇液固比1∶10更為合適。綜上所述玉米芯適宜的水解條件為溫度120℃、時間90min、硫酸濃度1%、固液比1∶10。

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