玉米芯發酵乙醇殘余物中木素酸化分離過程的研究

王 霞，王高升，肖 林，夏蕊蕊

(1. 天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學造紙學院，天津 300457；2. 山東省秸稈生物煉制技術重點實驗室，山東龍力生物科技股份有限公司，德州 251200)

玉米芯發酵乙醇殘余物中木素酸化分離過程的研究

王 霞1，王高升1，肖 林2，夏蕊蕊2

(1. 天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學造紙學院，天津 300457；2. 山東省秸稈生物煉制技術重點實驗室，山東龍力生物科技股份有限公司，德州 251200)

為了提高纖維素乙醇生產的經濟效益，最大限度地利用發酵殘余物，木素的分離利用是十分重要的．以玉米芯發酵乙醇殘余物為原料，采用堿溶-酸沉淀的方法分離木素，討論酸沉淀過程pH、溫度對木素得率的影響，并且對木素酸化過程中Zeta電位、粒徑大小及分布、聚集體形態進行分析．從木素得率和分離操作性綜合考慮，pH為3左右，酸化溫度65,℃時，從玉米芯發酵乙醇殘余物中分離木素將會取得較好的效果．

玉米芯；發酵乙醇殘余物；木素；分離；酸化

近年來，隨著經濟的快速發展，世界能源需求量大幅增加，面對煤炭、石油等礦物資源日益枯竭以及環境污染日漸嚴重等問題，綠色替代能源的開發成為國內外亟待解決的問題之一，以燃料乙醇為代表的生物燃料能源以其環保、可再生的特點引起人們的廣泛關注，得到迅速發展．雖然，以甘蔗、玉米為原料的第一代燃料乙醇產業已形成規模，但是存在“與人爭糧、與糧爭地”的問題．同時，由于國家出臺相關政策不再批準新建糧食乙醇項目，鼓勵積極發展以纖維素生物質為原料的生物液體燃料技術，因而纖維素乙醇越來越引人注目，成為業界研發的一個重要方向[1]．

纖維素乙醇生產工藝主要包括預處理、酶解和發酵等關鍵步驟[2]．以玉米芯纖維素乙醇生產為例，玉米芯原料研磨后首先進入預處理反應器，經稀酸預水解后，絕大部分半纖維素轉化為木糖、低聚木糖等，木糖渣再經堿預處理后進入同步糖化發酵塔，產生粗乙醇，同時，從塔底得到發酵乙醇殘余物．最后，粗乙醇經蒸餾脫水得到燃料級乙醇．

在玉米芯纖維素乙醇生產過程中面臨兩方面的困難：一是纖維素酶成本較高，二是約占原料30%,的發酵殘余物的處理與利用問題[3]．通常，發酵殘余物被當作廢料堆積或直接燒掉，造成了資源的大量浪費，且污染環境．有相關研究數據顯示，發酵殘余物中含有大量的未酶解的纖維素、木素、半纖維素及其他物質[4]．因此可以充分分離、利用發酵殘余物中木素、纖維素組分，從而實現乙醇-高附加值產品聯產，這樣不僅為企業解決了大量殘余物浪費的問題，而且增加了纖維素乙醇生產的經濟效益．對此，國內外學者對發酵乙醇殘余物中的木素與纖維素的分離、利用進行了一些探究．Oksman等[5]從發酵乙醇殘余物中分離纖維素制備納米纖維素晶須，Song等[6]研究了納纖化纖維素(NFC)和葡萄糖的聯產技術，劉曉玲等[7]以玉米秸稈制備纖維素乙醇的殘余物為原料，采用堿性水溶液萃取法和有機溶劑萃取法從中分離得到木質素，并對其結構進行了研究，結果表明所得木素分子質量較小，木素分子上各種活性基團得到較好地保留．甦程賢等[8]研究發現采用上述兩種方法分離出的木素可溶解于1，4-丁二醇、苯酚和堿性水溶液，但不溶于水，紅外光譜與磨木木質素相似，具有較高的化學活性，能夠直接與醛、環氧氯丙烷或異氰酸酯等反應，形成木素的改性衍生物．Cotana等[9]研究了自發酵殘余物中分離的木素應用于熱塑性高分子材料的潛力．

本文采用堿溶和酸沉淀結合的方法，對玉米芯發酵乙醇殘余物中的木素進行分離．該方法操作簡便、成本低、作用條件溫和，同時不損傷殘余物中的纖維物質，便于進一步開發利用，如制備納米纖維素等．本文主要研究酸化過程中pH和溫度對木素沉淀的影響，同時研究了酸化過程中Zeta電位、粒徑及粒徑分布的變化，并對木素在水溶液中聚集狀態進行了探討，以期為木素進一步開發利用提供依據．

1 材料與方法

1.1 材料

玉米芯發酵乙醇殘余物由山東龍力生物科技股份有限公司提供，干度約45%,，自然風干，粉碎后待用．實驗中所使用的氫氧化鈉、硫酸等均為分析純化學試劑．

1.2 木素的分離方法

實驗所采用的木素分離工藝技術路線如圖1所示．稱取玉米芯發酵乙醇殘余物100,g(絕干)，放入三口燒瓶中，固液比1∶6(g：mL)，氫氧化鈉用量8%,(相對絕干原料)，在溫度80,℃下反應1.5,h，然后離心分離，轉速3,500,r/min，時間10,min，收集上層離心液備用，固體部分洗滌至中性．取100,mL堿溶出液放入250,mL燒杯中，邊攪拌邊加入2,mol/L的硫酸溶液，在規定溫度下輕輕攪拌5,min，之后用定性濾紙抽濾，用蒸餾水洗滌至中性，在(55±5)℃下真空干燥．

圖1 木素分離工藝流程Fig. 1Separation flowsheet of lignin from the residues of corncob bioethanol production

1.3 分析方法

1.3.1 原料成分分析

玉米芯發酵乙醇殘余物中纖維素、聚戊糖、木素、灰分的分析參見文獻[10]，蛋白質含量測定采用凱式定氮法．

1.3.2 堿溶出液中木素濃度的測定

堿溶出液中木素濃度采用紫外吸收光譜法測定，吸收波長為225,nm，具體方法參見文獻[11]．

1.3.3 Zeta電位分析

Zeta電位采用美國布魯克海文(Brokhaven)公司的Zeta 90,Plus Zeta型電位及粒度分析儀，在常溫下進行測量．

1.3.4 粒徑及粒徑分布分析

采用美國貝克曼庫爾特有限公司的LS13320型激光衍射粒度分析儀測量木素在酸化過程中平均粒徑及粒徑分布，激光衍射粒度分析儀的檢測范圍是0.4～2,000,μm．測量之前將溶液搖勻，按照儀器要求加入所需量的樣品(要求顆粒散射光百分比為8%,～12%,)，平行測量2次，取平均值，粒徑以體積平均粒徑D(4，3)表示．

1.3.5 木素形態分析

采用日本奧林巴斯(OLYMPUS)CX41型光學顯微鏡對木素聚集形態進行觀察并拍攝記錄．

1.4 木素得率與耗酸量的計算

木素得率與耗酸量的數值分別按照式(1)、式(2)進行計算．

式中：X1為木素得率；m1為酸沉淀分離后木素質量，g；m為堿溶出液中木素質量，g；X2為耗酸量；m2為質量分數98%,的硫酸用量，g．

2 結果與討論

2.1 玉米芯發酵乙醇殘余物的化學成分

玉米芯是一種富含半纖維素的農業廢棄物，是當前生產木糖、木糖醇和糠醛等產品的主要原材料，玉米芯的主要化學成分及含量分別是：纖維素32%,～36%,、半纖維素35%,～40%,、木素17%,～20%,、灰分1.2%,～1.8%,[12]．本文所用的原料是玉米芯聯產功能糖和燃料乙醇后的殘余物，玉米芯中的半纖維素先經過稀酸水解生產低聚木糖、木糖和木糖醇等功能糖，產生的木糖渣中纖維素含量可高達50%,～60%,，經過預處理、糖化發酵等過程生產燃料乙醇[13]，最終殘余物的主要化學組成見表1．

表1 玉米芯發酵乙醇殘余物主要化學成分Tab. 1 Chemical composition of the bio-residue from corncob bioethanol production

與玉米芯原料比較，半纖維素(以聚戊糖為代表)的含量大大降低，木素含量增加，而纖維素含量變化不大．由于在前面的加工過程中，添加了酸、堿等化學物質，以及酶、酵母，導致了灰分和蛋白質含量的增加．當然，由于酸、堿、酶和微生物等作用，殘留的纖維素、木素等物質的物理和化學結構及性質也發生了變化．

為了將玉米芯發酵乙醇殘余物中的木素分離，在堿性條件下將其中的木素溶解，成為堿木素，利用其不溶于酸性溶液的特性，用硫酸將木素沉淀分離．

2.2 酸化時的pH對木素分離的影響

對玉米芯發酵乙醇殘余物進行堿處理后，得到以堿木素為主的液體部分和以纖維素為主的固體部分．液體部分的初始pH在11.21左右，木素質量分數為4.23%,．用硫酸調節溶出液的pH，在酸化溫度為65,℃時，pH對木素得率的影響如圖2所示．

總體來看，隨著pH降低，木素得率升高．當pH在8附近時，開始有木素沉淀產生，當pH接近6時，木素得率大幅度增加．當pH為6.27時，木素得率為4.67%,，而當pH進一步降為5.28，木素得率快速升到75.02%,，此后隨著pH降低，木素得率緩慢升高，當pH為3時，木素得率達到85.02%,．

圖2 pH對木素得率和耗酸量的影響Fig. 2Effect of pH values on the yield of lignin and consumption of sulfuric acid

隨著pH降低，消耗的硫酸量逐漸增加，當pH大于8時，雖然硫酸消耗量在增加，但幾乎沒有木素沉淀，當pH從6.27降到5.28，雖然硫酸消耗量變化不大，但木素得率大幅度提高，pH低于3后繼續降低pH，硫酸消耗量快速增加，但木素得率變化不大，此時經濟性差．因此，pH為3左右作為酸沉淀終點是較好的選擇．

2.3 酸化溫度對木素分離的影響

在酸化過程中，溫度對分離木素的得率有較大的影響．不同酸化溫度下木素得率變化情況如圖3所示．可以發現，在所研究的25～70,℃范圍內，隨著酸化溫度升高，木素得率呈現先上升后下降的趨勢，在50,℃時達到最大值，此后緩慢下降．

圖3 不同酸化溫度下木素的得率Fig. 3 Yield of lignin at different acidification temperature

從木素生產的操作性來講，是否容易脫水分離是一個關鍵因素．在酸化溫度較低時(如50,℃)，木素的得率雖然較高，但是難以脫水過濾，并且不易干燥；而酸化溫度60,℃以上時，得到的木素易過濾和干燥．這是因為隨著pH降低，堿木素首先以膠體形式分散在溶液中，只有當體系含有過多的膠粒而無法穩定后，木素才沉淀出來．當溫度較低時，該膠體體系穩定性較高，易于生成凝膠，故木素得率升高，但濾水困難；當溫度提高以后，分子熱運動加劇，粒子之間碰撞幾率增加，不利于凝膠結構的形成，而容易發生聚沉，因此加熱酸化有利于沉淀絮聚，易于澄清過濾．當溫度為65,℃時，木素容易聚沉析出并出現明顯分層，雖然得率稍低于50,℃時的得率，但得到的木素易過濾和干燥，因此選用65,℃作為酸化溫度較為合適．

2.4 在酸化過程中木素Zeta電位的變化

為探求木素在酸化過程中的穩定性與所帶電荷的關系，研究在酸化過程中，隨著pH的降低，溶出物中木素聚集體Zeta電位的變化，結果如圖4所示．

圖4 不同pH下木素聚集體Zeta電位的變化Fig. 4 Changes of Zeta potential of lignin aggregates at different pH value

由圖4可見，堿處理后的溶出物木素聚集體帶負電，Zeta電位大小為-64.54,mV，這是因為木素與NaOH反應過程中，木素分子含有的—COOH、—OH等基團電離生成—COO-、—O-，使得木素粒子帶負電荷[13]．在pH由11.21減少到8.18的過程中，Zeta電位變化較小，從－64.54,mV升到－61.58,mV，此時，木素分子上的—OH、—COOH離子化程度高，表面分布著密集的負電荷，彼此之間存在較強的靜電斥力，因此，木素及其聚集體在溶液中能夠相對穩定的存在[14-15]．繼續加入硫酸，木素膠粒的Zeta電位開始緩慢升高，表面負電荷緩慢減少，靜電斥力減弱，導致體系中木素有聚沉析出的趨勢．當pH低于6時，Zeta電位開始急劇升高，表明體系中膠粒帶電量劇烈下降．從斯特恩擴散雙電層模型可知：反離子H+的加入，壓縮擴散層使其變薄，更多的H+擠進滑動面以內，與—COO-、—O-等陰離子電中和，造成滑動面與溶液本體之間的電勢差減小，表現為Zeta電位數值減小，此時，木素脫穩且逐步聚集．在pH為4左右出現等電點，此時Zeta電位趨近于0，繼續增加酸用量，Zeta電位沒有明顯的變化．在等電點附近時，由于木素之間斥力幾乎消失，體系產生大量絮體沉淀，此時木素得率最高．

2.5 在酸化過程中粒徑及粒徑分布的變化

從2.4節的分析可知，在酸化過程中，木素聚集體的Zeta電位發生明顯的變化，隨著pH的降低，Zeta電位逐漸升高，最后趨近于0，Zeta電位對膠體體系的穩定性有很大的影響．本節研究在酸化過程中木素在水溶液中的粒徑及其分布的變化，結果如圖5、6所示．

圖5 木素在不同酸化溫度下平均粒徑隨pH的變化Fig. 5Size of lignin aggregates with various pH values at different acidification temperature

由圖5可知：酸化溫度無論是25,℃還是65,℃，沉淀木素的平均粒徑大小隨著pH變化趨勢相似，在pH低于6后，隨著pH的降低，木素粒徑快速增長，由幾微米上升到幾十微米；而pH高于6時，木素粒徑相對來說變化不大，只是65,℃時的粒徑稍高于25,℃時的粒徑．與圖4對比可以發現，木素粒徑隨著pH的變化趨勢和木素Zeta電位隨著pH的變化趨勢非常相似，說明木素的聚沉和木素顆粒表面的Zeta電位關系密切．隨著硫酸的加入，木素分子上的—O-、—COO-等陰離子逐漸被中和，木素顆粒表面電荷逐漸降低，粒子之間的靜電斥力減小，使木素不斷聚集變大．

圖6是在酸化溫度分別為25,℃和65,℃時，不同pH下木素聚集體的粒徑分布．當pH在10附近時，粒徑分布出現2個或3個峰值，說明開始加入硫酸，木素溶出物體系就有顆粒形成，粒徑分布范圍從最低檢測值到幾微米．繼續加入硫酸，在pH為8左右時，粒徑分布范圍繼續增寬，從最低檢測值到幾十微米，說明此時木素在不斷的聚集，由小變大．當pH在5左右時，小于1,μm的木素顆粒幾乎消失，最大粒徑也超過了100,μm，平均粒徑在35,μm左右；pH繼續降低到3左右時，木素顆粒繼續增大，平均粒徑超過了50,μm．這說明在酸化過程中，木素由溶解狀態不斷聚集，先形成小顆粒，隨著pH下降，小顆粒不斷聚集變大，在一定條件下沉淀析出．

圖6 木素在不同酸化溫度下粒徑分布隨pH的變化Fig. 6 Size distribution of lignin aggregates with various pH values at different acidification temperature

2.6 酸化溫度對木素聚集體形態的影響

為了進一步了解在酸化過程中木素的形態，利用光學顯微鏡觀察了不同pH和溫度下木素聚集體的形態，結果如圖7所示．可以發現：相同放大倍數下，在酸化溫度為25,℃、pH為8.18時，大的木素聚集體呈花瓣狀，周圍散布著粒狀小聚集體，當pH降為5.17和3.17時，木素聚集體主要呈棒狀，且不同聚集體相互連接．而當酸化溫度為65,℃時，木素聚集體形態發生變化，呈不規則的塊狀，并且隨著pH降低，大的顆粒數目不斷增加．

對pH為11.21的木素溶出液進行觀察時，視野中看不到聚集體存在，這或許是因為此時木素以溶解的大分子的形式存在于溶液中[16]．硫酸的加入引起木素膠體粒子的形成，在低溫下，以膠體分散狀態析出的粒子既不沉降，也不能自由行動，而是形成棒狀結構，以此為骨架，在整個溶液中連接成連續的網狀結構，形成凝膠．以范德華力形成的凝膠骨架，其結構穩定性差，在外力作用下容易被破壞，但放置后又可以恢復，表現出觸變特性．隨著溫度的升高，分子熱運動加劇，不利于形成網絡結構，而傾向于無序聚集，形成塊狀顆粒，從分散介質中沉降下來．在酸化溫度較低時，由于木素凝膠的形成，使得木素聚集體脫水困難，當溫度大于60,℃時，木素聚集體形態發生改變，不容易形成凝膠結構，易于聚沉析出、脫水干燥．

圖7 不同酸化溫度和pH下木素聚集體形態Fig. 7Optical microscopy images of lignin aggregates with different pH values at different acidification temperature

3 結 論

對于玉米芯發酵乙醇殘余物，通過堿溶解和硫酸沉淀相結合的方法能夠實現木素的分離，其中酸化時的pH和溫度是影響木素分離的重要因素．在酸化過程中，隨著pH降低，木素得率、粒徑和Zeta電位均隨之增加，當pH小于6時，木素得率迅速上升、粒徑也大幅增長、Zeta電位趨向于零，在pH為4左右出現等電點，此后，木素得率變化變緩，但粒徑繼續增大．溫度對酸化時木素聚集體的形態有顯著影響，當酸化溫度低時(如25,℃)，木素聚集體成花瓣狀或棒狀，易形成凝膠，導致后續脫水和干燥困難；當酸化溫度高時(如65,℃)，木素聚集體成不規則塊狀，此時脫水和干燥容易．從木素得率和分離操作性綜合考慮，pH為3左右，酸化溫度65,℃時，由玉米芯發酵乙醇殘余物分離木素將會取得較好的效果．

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責任編輯：周建軍

Lignin Separation from Residues of Corncob Bioethanol Production

WANG Xia1，WANG Gaosheng1，XIAO Lin2，XIA Ruirui2
(1．Tianjin Key Laboratory of Pulp and Paper，College of Papermaking Science and Technology，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China；2．Shandong Key Laboratory of Straw Biorefinement Technologies，Shandong Longlive Bio-technology Co.，Ltd.，Dezhou 251200，China)

To improve the economic viability of the cellulosic ethanol production，it is of great importance to add value to residues of bioethanol production．In this research，lignin was separated from the fermentation residues of the corncob ethanol production with a solid-liquid extraction method using alkali solution and then precipitated by sulfuric acid．The yields of lignin and zeta potential change through the acidification process were reported，and the morphology and size distribution of lignin aggregates were investigated．While taking the lignin yield and practicability into consideration，pH about 3.0 and temperature 65,℃ are the most suitable acidification conditions for lignin separation.

corncob；fermentation residues of bioethanol production；lignin；separation；acidification

O636.2

A

1672-6510(2016)06-0044-06

10.13364/j.issn.1672-6510.20150201

2015-11-11；

2016-02-22

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2014AA021903)；天津市高等學校科技發展基金資助項目(20080522)

王 霞（1990—），女，山東日照人，碩士研究生；

王高升，教授，gswang@tust.edu.cn.