玉米秸稈制備乙醇預處理及水解工藝的研究

張西亞++袁紅++郜路珊

摘要：以玉米秸稈為原料，利用2%NaOH溶液對原料進行預處理，并研究預處理溫度、時間、秸稈粒度對纖維素、半纖維素、木質素的含量以及脫除率的影響。結果表明，當溫度為100 ℃、時間為4 h、粒度為16目時，半纖維素和木質素的脫降率達90.6%和86.4%，纖維素含量達53%。采用濃硫酸法對預處理后的秸稈進行水解工藝研究，在比較了液固比、時間、溫度、酸濃度等單因素影響后，采用正交試驗進行優化，得到最佳水解工藝的條件：溫度為50 ℃、時間為10 min、硫酸濃度為72%、液固比為10 mL ∶1 g。

關鍵詞：玉米秸稈；預處理；堿法；水解；濃硫酸

中圖分類號：TQ353.6+4文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2014）10-0273-03

收稿日期：2013-12-15

基金項目：國家自然科學基金（編號：21266001）；寧夏回族自治區科技支撐計劃（編號：2012zyg008）。

作者簡介：張西亞（1979—），女，碩士，講師，主要從事有機合成研究。E-mail：zhangxiya1212@163.com。

通信作者：袁紅，博士，副教授，從事可再生能源研究。 E-mail：yhyxw_co@163.com。我國經濟飛速發展，能源供應緊張的問題也日益突顯。相比較于汽油，乙醇燃料可減少90%的溫室氣體排放，因此是一種很好的環保能源[1]。自然界中有豐富的植物纖維，我國農作物秸稈年產近7×108噸[2]，采用秸稈進行能源轉化可以得到燃料乙醇，相對于以糧食為原料生產乙醇，不僅可充分利用農林廢棄物，而且可避免對糧食資源的消耗。秸稈主要組成是纖維素、半纖維素和木質素，秸稈制備乙醇的工藝主要由原料預處理、水解糖化和發酵3步構成。秸稈中的纖維素可水解為6碳糖，再通過生物發酵轉化成乙醇。由于纖維素被木質素層層包裹，而且其本身是高度有序晶體結構，因此須通過預處理，使纖維素、半纖維素、木質素分離開，破壞晶體結構，降低聚合度[3]。原料預處理方法主要有物理法、物理化學法、化學法和生物法。物理法主要包括機械粉碎和熱水法，機械粉碎是采用剪切或研磨縮小物料的粒度，以期提高原料的比表面積，降低植物纖維的結晶度，機械粉碎法現已不單獨使用，多與其他方法配合使用。熱水法是采用高溫熱水溶解半纖維素及脫出部分木質素，該方法存在消耗大量熱水的缺點[4]。物理化學法是采用高壓蒸汽處理原料，破壞原料細胞壁結構，使木質素和纖維素分離，缺點是對設備要求高，產生的副產物較多[5]。化學方法是在原料中加入酸或堿，破壞植物纖維的晶型結構，使木質素與纖維素相互剝離，同時溶解半纖維素。堿法預處理是通過堿與連接半纖維素間、半纖維素與木質素間的酯鍵發生皂化作用，從而破壞連接鍵，降低植物纖維的聚合度、結晶度，堿法可有效脫除木質素[6]。本研究采用玉米秸稈為原料，采用堿法進行原料預處理，考察了預處理工藝中溫度、時間和粒度對纖維素、半纖維素、木質素含量以及脫除率的影響；采用濃硫酸法對預處理后的秸稈進行了水解研究，考察水解工藝中液固比、時間、溫度、硫酸濃度對還原糖得率的影響，在此基礎上進行了水解工藝的正交優化。

1材料與方法

1.1原料與試劑

通過正交試驗數據可以看出，由離差平方和R數值的大小說明溫度、時間、硫酸濃度和液固比對還原糖得率的影響，R值越大說明影響越大，因此影響因素為溫度>液固比>時間>硫酸濃度，即A>D>B>C。因此，可以得出溫度對還原糖得率的影響最大，硫酸濃度最小，其他影響因素次之。k值的大小可以說明各因素對還原糖得率的影響程度，k值越大，說明還原糖得率越高，綜合比較各水平k值的大小可以得出秸稈水解的最優水平為A2B2C2D1，最佳工藝條件為：溫度為50 ℃，時間為10 min，硫酸濃度為72%，液固比為10 mL ∶1 g。

3結論

采用玉米秸稈為原料，選用堿法進行原料預處理，考察了預處理工藝中單因素溫度、時間、粒度對纖維素、半纖維素和木質素含量以及脫除率的影響，結果表明，當溫度為100 ℃、時間為4 h、氫氧化鈉濃度為2%、粒度為16目，半纖維素、木質素的脫除率分別達90.6%和86.4%，此時纖維素含量可高達53%。在濃硫酸水解工藝中，通過正交法得到最優水解工藝條件：溫度為50 ℃，時間為10 min，硫酸濃度為72%，液固比為10 mL ∶1 g。

參考文獻：

[1]王許濤，周恒濤，張百良. 秸稈生產乙醇的預處理方法分析[J]. 安徽農業科學，2007，35（22）：6883-6884，6886.

[2]趙巖. 秸稈制乙醇的超臨界亞臨界組合預處理與水解研究[D]. 北京：清華大學，2009.

[3]張亮，伍小兵，翟井振. 玉米秸稈發酵生產燃料乙醇的研究綜述[J]. 安徽農業科學，2007，35（11）：3365-3366.

[4]孫萬里. 稻草秸稈的預處理及生產乙醇的研究[D]. 無錫：江南大學，2010.

[5]陳明. 利用玉米秸稈制取燃料乙醇的關鍵技術研究[D]. 杭州：浙江大學，2007.

[6]王聯結，陳建華. 木質纖維原料預處理技術[J]. 現代化工，2007，27（6）：66-70.

[7]劉書釵. 制漿造紙分析與檢測[M]. 北京：化學工業出版社，2004：28-31.

[8]王林風，程遠超. 硝酸乙醇法測定纖維素含量[J]. 化學研究，2011，22（4）：52-55，71.

[9]熊素敏，左秀鳳，朱永義. 稻殼中纖維素、半纖維素和木質素的測定[J]. 糧食與飼料工業，2005（8）：40-41.

[10]麻越佳. 稻殼制備燃料乙醇及綜合利用[D]. 長春：吉林大學，2011.

[11]潘曉輝. 微波預處理玉米秸稈的工藝研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007：6-10.

摘要：以玉米秸稈為原料，利用2%NaOH溶液對原料進行預處理，并研究預處理溫度、時間、秸稈粒度對纖維素、半纖維素、木質素的含量以及脫除率的影響。結果表明，當溫度為100 ℃、時間為4 h、粒度為16目時，半纖維素和木質素的脫降率達90.6%和86.4%，纖維素含量達53%。采用濃硫酸法對預處理后的秸稈進行水解工藝研究，在比較了液固比、時間、溫度、酸濃度等單因素影響后，采用正交試驗進行優化，得到最佳水解工藝的條件：溫度為50 ℃、時間為10 min、硫酸濃度為72%、液固比為10 mL ∶1 g。

關鍵詞：玉米秸稈；預處理；堿法；水解；濃硫酸

中圖分類號：TQ353.6+4文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2014）10-0273-03

收稿日期：2013-12-15

基金項目：國家自然科學基金（編號：21266001）；寧夏回族自治區科技支撐計劃（編號：2012zyg008）。

作者簡介：張西亞（1979—），女，碩士，講師，主要從事有機合成研究。E-mail：zhangxiya1212@163.com。

通信作者：袁紅，博士，副教授，從事可再生能源研究。 E-mail：yhyxw_co@163.com。我國經濟飛速發展，能源供應緊張的問題也日益突顯。相比較于汽油，乙醇燃料可減少90%的溫室氣體排放，因此是一種很好的環保能源[1]。自然界中有豐富的植物纖維，我國農作物秸稈年產近7×108噸[2]，采用秸稈進行能源轉化可以得到燃料乙醇，相對于以糧食為原料生產乙醇，不僅可充分利用農林廢棄物，而且可避免對糧食資源的消耗。秸稈主要組成是纖維素、半纖維素和木質素，秸稈制備乙醇的工藝主要由原料預處理、水解糖化和發酵3步構成。秸稈中的纖維素可水解為6碳糖，再通過生物發酵轉化成乙醇。由于纖維素被木質素層層包裹，而且其本身是高度有序晶體結構，因此須通過預處理，使纖維素、半纖維素、木質素分離開，破壞晶體結構，降低聚合度[3]。原料預處理方法主要有物理法、物理化學法、化學法和生物法。物理法主要包括機械粉碎和熱水法，機械粉碎是采用剪切或研磨縮小物料的粒度，以期提高原料的比表面積，降低植物纖維的結晶度，機械粉碎法現已不單獨使用，多與其他方法配合使用。熱水法是采用高溫熱水溶解半纖維素及脫出部分木質素，該方法存在消耗大量熱水的缺點[4]。物理化學法是采用高壓蒸汽處理原料，破壞原料細胞壁結構，使木質素和纖維素分離，缺點是對設備要求高，產生的副產物較多[5]。化學方法是在原料中加入酸或堿，破壞植物纖維的晶型結構，使木質素與纖維素相互剝離，同時溶解半纖維素。堿法預處理是通過堿與連接半纖維素間、半纖維素與木質素間的酯鍵發生皂化作用，從而破壞連接鍵，降低植物纖維的聚合度、結晶度，堿法可有效脫除木質素[6]。本研究采用玉米秸稈為原料，采用堿法進行原料預處理，考察了預處理工藝中溫度、時間和粒度對纖維素、半纖維素、木質素含量以及脫除率的影響；采用濃硫酸法對預處理后的秸稈進行了水解研究，考察水解工藝中液固比、時間、溫度、硫酸濃度對還原糖得率的影響，在此基礎上進行了水解工藝的正交優化。

1材料與方法

1.1原料與試劑

通過正交試驗數據可以看出，由離差平方和R數值的大小說明溫度、時間、硫酸濃度和液固比對還原糖得率的影響，R值越大說明影響越大，因此影響因素為溫度>液固比>時間>硫酸濃度，即A>D>B>C。因此，可以得出溫度對還原糖得率的影響最大，硫酸濃度最小，其他影響因素次之。k值的大小可以說明各因素對還原糖得率的影響程度，k值越大，說明還原糖得率越高，綜合比較各水平k值的大小可以得出秸稈水解的最優水平為A2B2C2D1，最佳工藝條件為：溫度為50 ℃，時間為10 min，硫酸濃度為72%，液固比為10 mL ∶1 g。

3結論

采用玉米秸稈為原料，選用堿法進行原料預處理，考察了預處理工藝中單因素溫度、時間、粒度對纖維素、半纖維素和木質素含量以及脫除率的影響，結果表明，當溫度為100 ℃、時間為4 h、氫氧化鈉濃度為2%、粒度為16目，半纖維素、木質素的脫除率分別達90.6%和86.4%，此時纖維素含量可高達53%。在濃硫酸水解工藝中，通過正交法得到最優水解工藝條件：溫度為50 ℃，時間為10 min，硫酸濃度為72%，液固比為10 mL ∶1 g。

參考文獻：

[1]王許濤，周恒濤，張百良. 秸稈生產乙醇的預處理方法分析[J]. 安徽農業科學，2007，35（22）：6883-6884，6886.

[2]趙巖. 秸稈制乙醇的超臨界亞臨界組合預處理與水解研究[D]. 北京：清華大學，2009.

[3]張亮，伍小兵，翟井振. 玉米秸稈發酵生產燃料乙醇的研究綜述[J]. 安徽農業科學，2007，35（11）：3365-3366.

[4]孫萬里. 稻草秸稈的預處理及生產乙醇的研究[D]. 無錫：江南大學，2010.

[5]陳明. 利用玉米秸稈制取燃料乙醇的關鍵技術研究[D]. 杭州：浙江大學，2007.

[6]王聯結，陳建華. 木質纖維原料預處理技術[J]. 現代化工，2007，27（6）：66-70.

[7]劉書釵. 制漿造紙分析與檢測[M]. 北京：化學工業出版社，2004：28-31.

[8]王林風，程遠超. 硝酸乙醇法測定纖維素含量[J]. 化學研究，2011，22（4）：52-55，71.

[9]熊素敏，左秀鳳，朱永義. 稻殼中纖維素、半纖維素和木質素的測定[J]. 糧食與飼料工業，2005（8）：40-41.

[10]麻越佳. 稻殼制備燃料乙醇及綜合利用[D]. 長春：吉林大學，2011.

[11]潘曉輝. 微波預處理玉米秸稈的工藝研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007：6-10.

摘要：以玉米秸稈為原料，利用2%NaOH溶液對原料進行預處理，并研究預處理溫度、時間、秸稈粒度對纖維素、半纖維素、木質素的含量以及脫除率的影響。結果表明，當溫度為100 ℃、時間為4 h、粒度為16目時，半纖維素和木質素的脫降率達90.6%和86.4%，纖維素含量達53%。采用濃硫酸法對預處理后的秸稈進行水解工藝研究，在比較了液固比、時間、溫度、酸濃度等單因素影響后，采用正交試驗進行優化，得到最佳水解工藝的條件：溫度為50 ℃、時間為10 min、硫酸濃度為72%、液固比為10 mL ∶1 g。

關鍵詞：玉米秸稈；預處理；堿法；水解；濃硫酸

中圖分類號：TQ353.6+4文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2014）10-0273-03

收稿日期：2013-12-15

基金項目：國家自然科學基金（編號：21266001）；寧夏回族自治區科技支撐計劃（編號：2012zyg008）。

作者簡介：張西亞（1979—），女，碩士，講師，主要從事有機合成研究。E-mail：zhangxiya1212@163.com。

通信作者：袁紅，博士，副教授，從事可再生能源研究。 E-mail：yhyxw_co@163.com。我國經濟飛速發展，能源供應緊張的問題也日益突顯。相比較于汽油，乙醇燃料可減少90%的溫室氣體排放，因此是一種很好的環保能源[1]。自然界中有豐富的植物纖維，我國農作物秸稈年產近7×108噸[2]，采用秸稈進行能源轉化可以得到燃料乙醇，相對于以糧食為原料生產乙醇，不僅可充分利用農林廢棄物，而且可避免對糧食資源的消耗。秸稈主要組成是纖維素、半纖維素和木質素，秸稈制備乙醇的工藝主要由原料預處理、水解糖化和發酵3步構成。秸稈中的纖維素可水解為6碳糖，再通過生物發酵轉化成乙醇。由于纖維素被木質素層層包裹，而且其本身是高度有序晶體結構，因此須通過預處理，使纖維素、半纖維素、木質素分離開，破壞晶體結構，降低聚合度[3]。原料預處理方法主要有物理法、物理化學法、化學法和生物法。物理法主要包括機械粉碎和熱水法，機械粉碎是采用剪切或研磨縮小物料的粒度，以期提高原料的比表面積，降低植物纖維的結晶度，機械粉碎法現已不單獨使用，多與其他方法配合使用。熱水法是采用高溫熱水溶解半纖維素及脫出部分木質素，該方法存在消耗大量熱水的缺點[4]。物理化學法是采用高壓蒸汽處理原料，破壞原料細胞壁結構，使木質素和纖維素分離，缺點是對設備要求高，產生的副產物較多[5]。化學方法是在原料中加入酸或堿，破壞植物纖維的晶型結構，使木質素與纖維素相互剝離，同時溶解半纖維素。堿法預處理是通過堿與連接半纖維素間、半纖維素與木質素間的酯鍵發生皂化作用，從而破壞連接鍵，降低植物纖維的聚合度、結晶度，堿法可有效脫除木質素[6]。本研究采用玉米秸稈為原料，采用堿法進行原料預處理，考察了預處理工藝中溫度、時間和粒度對纖維素、半纖維素、木質素含量以及脫除率的影響；采用濃硫酸法對預處理后的秸稈進行了水解研究，考察水解工藝中液固比、時間、溫度、硫酸濃度對還原糖得率的影響，在此基礎上進行了水解工藝的正交優化。

1材料與方法

1.1原料與試劑

通過正交試驗數據可以看出，由離差平方和R數值的大小說明溫度、時間、硫酸濃度和液固比對還原糖得率的影響，R值越大說明影響越大，因此影響因素為溫度>液固比>時間>硫酸濃度，即A>D>B>C。因此，可以得出溫度對還原糖得率的影響最大，硫酸濃度最小，其他影響因素次之。k值的大小可以說明各因素對還原糖得率的影響程度，k值越大，說明還原糖得率越高，綜合比較各水平k值的大小可以得出秸稈水解的最優水平為A2B2C2D1，最佳工藝條件為：溫度為50 ℃，時間為10 min，硫酸濃度為72%，液固比為10 mL ∶1 g。

3結論

采用玉米秸稈為原料，選用堿法進行原料預處理，考察了預處理工藝中單因素溫度、時間、粒度對纖維素、半纖維素和木質素含量以及脫除率的影響，結果表明，當溫度為100 ℃、時間為4 h、氫氧化鈉濃度為2%、粒度為16目，半纖維素、木質素的脫除率分別達90.6%和86.4%，此時纖維素含量可高達53%。在濃硫酸水解工藝中，通過正交法得到最優水解工藝條件：溫度為50 ℃，時間為10 min，硫酸濃度為72%，液固比為10 mL ∶1 g。

參考文獻：

[1]王許濤，周恒濤，張百良. 秸稈生產乙醇的預處理方法分析[J]. 安徽農業科學，2007，35（22）：6883-6884，6886.

[2]趙巖. 秸稈制乙醇的超臨界亞臨界組合預處理與水解研究[D]. 北京：清華大學，2009.

[3]張亮，伍小兵，翟井振. 玉米秸稈發酵生產燃料乙醇的研究綜述[J]. 安徽農業科學，2007，35（11）：3365-3366.

[4]孫萬里. 稻草秸稈的預處理及生產乙醇的研究[D]. 無錫：江南大學，2010.

[5]陳明. 利用玉米秸稈制取燃料乙醇的關鍵技術研究[D]. 杭州：浙江大學，2007.

[6]王聯結，陳建華. 木質纖維原料預處理技術[J]. 現代化工，2007，27（6）：66-70.

[7]劉書釵. 制漿造紙分析與檢測[M]. 北京：化學工業出版社，2004：28-31.

[8]王林風，程遠超. 硝酸乙醇法測定纖維素含量[J]. 化學研究，2011，22（4）：52-55，71.

[9]熊素敏，左秀鳳，朱永義. 稻殼中纖維素、半纖維素和木質素的測定[J]. 糧食與飼料工業，2005（8）：40-41.

[10]麻越佳. 稻殼制備燃料乙醇及綜合利用[D]. 長春：吉林大學，2011.

[11]潘曉輝. 微波預處理玉米秸稈的工藝研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007：6-10.