水熱耦合稀乙酸拆解楊木纖維的條件優(yōu)化及表征

馬欣宇 詹 鵬 卿 彥 劉 進 黃一磊 余志強

（中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南省木質(zhì)資源定向轉(zhuǎn)化國際科技創(chuàng)新合作基地，湖南長沙，410004）

隨著地球上不可再生能源的減少，如何減少碳排放，降低對化石燃料的依賴，是世界各國面臨的重大問題[1]。目前，利用可再生的林木生物質(zhì)原料制備高效清潔的燃料是解決這一問題的途徑之一[2-4]。但由于林木生物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、更為致密，抗降解性強，嚴重制約了后續(xù)醇類燃料的轉(zhuǎn)化與生產(chǎn)[5]。而現(xiàn)有傳統(tǒng)的預(yù)處理技術(shù)大都存在反應(yīng)條件苛刻、毒性大以及成本高的缺點[6-8]。因此，需要尋找一種綠色、高效、低毒的預(yù)處理技術(shù)來拆解分離林木三大組分，提高纖維素的拆解分離得率（亦稱纖維素回收率或纖維素保留率），并促進其向醇類的轉(zhuǎn)化[9-10]，同時使用拆解過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物來生產(chǎn)高值化的產(chǎn)品，從而降低醇類燃料的生產(chǎn)成本。近年來，水熱預(yù)處理技術(shù)在分離結(jié)構(gòu)較為疏松的農(nóng)林剩余物方面取得了不錯的進展。王安等人[11]對玉米秸稈進行水熱預(yù)處理，其半纖維素去除率達92.9%。但對于結(jié)構(gòu)更為致密的林木生物質(zhì)來說，往往要耦合其他預(yù)處理技術(shù)才能達到較好的拆解分離效果[12]。通過加入適量的HCl、H2SO4等無機強酸可以提高拆解分離效果。Cara 等人[13]使用水熱耦合質(zhì)量分數(shù)1%稀硫酸拆解橄欖樹，取得了很好的效果，但其高達75%的總糖去除率說明在去除半纖維素的同時也破壞了大量的纖維素，并產(chǎn)生了大量的抑制物影響了后續(xù)的酶解發(fā)酵。

采用低濃度的乙酸耦合水熱預(yù)處理可以對半纖維素特別是木糖進行有效地去除，也不會引入新的酸性物質(zhì)[14]。而且在合適的反應(yīng)條件下，對纖維素和木質(zhì)素的破壞較小，可以避免纖維素的損失和酚類抑制物的產(chǎn)生，不會影響后續(xù)的酶解發(fā)酵[15]。因此本研究采用水熱耦合稀乙酸的方法對楊木進行預(yù)處理，研究乙酸質(zhì)量分數(shù)、溫度、時間、固液比等對楊木纖維拆解的影響規(guī)律，分析預(yù)處理前后楊木、水熱預(yù)處理液中化學(xué)成分以及結(jié)構(gòu)的變化，從而構(gòu)建綠色低毒的拆解分離技術(shù)，以實現(xiàn)對楊木組分的拆解分離，增加纖維素酶解可及性。同時獲得高品質(zhì)木糖和木質(zhì)素進一步轉(zhuǎn)化為高附加值的化學(xué)品，用來降低林木生物質(zhì)制備醇類燃料的成本，實現(xiàn)增值聯(lián)產(chǎn)。

1 實 驗

1.1 實驗原料及試劑

實驗所用楊木為山東省德州市木材加工剩余物（40～60 目），乙酸（GR 級，阿拉丁試劑公司，純度99.8%）。

1.2 實驗方法

將乙酸稀釋到指定濃度后與適量楊木共同置于高壓反應(yīng)釜中，開啟攪拌槳，使楊木與乙酸混合均勻，然后升溫至反應(yīng)溫度，并保溫一定時間。反應(yīng)結(jié)束后，迅速通入冷凝水終止反應(yīng)并抽濾得到預(yù)處理液。殘渣用純水多次洗滌過濾，于105℃下干燥備用。

1.3 分析方法

1.3.1 固體殘渣和預(yù)處理液的成分分析

水熱耦合稀乙酸預(yù)處理固體殘渣和預(yù)處理液中葡萄糖、木糖、乙酸、糠醛、5-羥甲基糠醛和木質(zhì)素含量的測定參照美國能源部NREL/TP510-42618 標(biāo)準(zhǔn)[16]，均采用日本島津LC-16 高效液相色譜儀（HPLC）測定。

葡萄糖、木糖和乙酸的含量測試采用的色譜柱為Aminex HPX-87P，示差折光檢測器。測試條件為：流動相0.05 mol/L H2SO4、流速0.6 mL/min，進樣量20 μL；糠醛和5-羥甲基糠醛含量測試采用的色譜柱為Shim-pack GIST C18，UV 檢測器，流動相為乙腈∶水=10∶90，流速1 mL/min，進樣量20 μL。所測樣品均用0.22 μm水系濾膜過濾后進樣。

水解液中低聚合度木糖含量的檢測方式為再水解，即水解液與同體積質(zhì)量分數(shù)8% H2SO4溶液混合（即H2SO4質(zhì)量分數(shù)稀釋為4%），隨后在121℃的高壓滅菌鍋中水解60 min。水解后的溶液經(jīng)HPLC 檢測后可得到水解液的總木糖濃度，即預(yù)處理后水解液中木糖和低聚合度木糖含量的總和，總木糖含量減去再水解之前水解液測得的木糖含量即為低聚合度木糖含量。

纖維素是林木生物質(zhì)轉(zhuǎn)化醇類燃料的最主要組分，通過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理將纖維素與半纖維素、木質(zhì)素分離，從而增加纖維素酶的可及性，即為纖維素拆解分離。纖維素拆解分離得率是指林木生物質(zhì)經(jīng)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理固體殘渣中的纖維素質(zhì)量與原料中的纖維素質(zhì)量之比。本研究中纖維素拆解分離得率（ε）、木糖去除率（σ）及木質(zhì)素去除率（μ）分別按式（1）、式（2）和式（3）計算。

式中，X1表示楊木中纖維素質(zhì)量，g；X2表示楊木經(jīng)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理后固體殘渣中纖維素質(zhì)量，g；Y1表示楊木中木糖質(zhì)量，g；Y2表示楊木經(jīng)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理后固體殘渣中木糖質(zhì)量，g；Z1表示楊木中木質(zhì)素質(zhì)量，g；Z2表示楊木經(jīng)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理后固體殘渣中木質(zhì)素質(zhì)量，g。

采用美國安捷倫科技有限公司7890A-5975C型氣質(zhì)聯(lián)用儀（GC-MS）對水熱耦合稀乙酸預(yù)處理液的成分進行分析。色譜條件：色譜柱為HP-5MS(30.0 m×250 μm, 0.25 μm)，氣化室溫度250℃，載氣He，載氣流量1.0 mL/min，不分流進樣。質(zhì)譜條件：EI 源，電子能量70 eV，離子源溫度230℃，掃描質(zhì)量范圍為20～500 amu。

1.3.2 固體殘渣孔隙結(jié)構(gòu)與化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

水熱耦合稀乙酸預(yù)處理前后楊木的比表面積、孔容和孔分布情況采用美國康塔NOVA2000e 氮吸附儀測定。采用日本島津IRTracer100 傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）表征固體殘渣結(jié)構(gòu)，掃描范圍為400～4000 cm-1，分辨率為2 cm-1，掃描次數(shù)為2 次。采用日本理學(xué)UItimaIV X 射線衍射儀（XRD）對比分析楊木、固體殘渣的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，實驗條件：管壓40 kV，管流40 mA，入射線波長0.15418 nm，掃描范圍2θ=3°～90°，掃描步長0.04°，掃描速度38.4 s/步。纖維素結(jié)晶度（CrI）計算如式（4）所示。

式中，I002和Iam分別表示2θ=22°時結(jié)晶區(qū)的最大峰強度和2θ=18°時非結(jié)晶區(qū)的最小峰強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 水熱耦合稀乙酸預(yù)處理條件優(yōu)化

2.1.1 乙酸質(zhì)量分數(shù)對拆解楊木纖維三大組分的影響

圖1 為溫度170℃、反應(yīng)時間30 min、固液比1∶20 條件下，乙酸質(zhì)量分數(shù)對拆解楊木纖維三大組分的影響。從圖1中看出，純水水熱對楊木的拆解作用比較溫和，能保留絕大部分的纖維素，但對木糖的去除效果有限，去除率僅為73.2%。加入低濃度的乙酸可以提高催化活性，促進楊木纖維中聚木糖的水解。隨著乙酸質(zhì)量分數(shù)的提高，木糖去除率不斷上升，但纖維素拆解分離得率會略有下降。而當(dāng)乙酸質(zhì)量分數(shù)為0.5%時，木糖去除率提高到92.9%，木質(zhì)素去除率為11.8%，同時纖維素拆解分離得率仍可以達到94.0%。繼續(xù)增加乙酸質(zhì)量分數(shù)為1.0%時，纖維素拆解分離得率大幅下降至78.2%，木質(zhì)素的去除率增加到21.2%，而木糖去除率相差不大。由此可見乙酸水熱法所加入的乙酸含量不宜過高，加入質(zhì)量分數(shù)0.5%的乙酸可以在最大程度保留纖維素不被破壞的前提下，實現(xiàn)對木糖的高去除率。

圖1 乙酸質(zhì)量分數(shù)對楊木纖維拆解效果的影響Fig.1 Effect of acetic acid mass fraction on the deconstruction of poplar fiber

2.1.2 固液比對拆解楊木纖維三大組分的影響

圖2 為乙酸質(zhì)量分數(shù)0.5%、溫度170℃和反應(yīng)時間30 min條件下，固液比對拆解楊木纖維三大組分的影響。從圖2中可以看出，固液比對纖維素拆解分離得率影響不大，而木糖去除率隨著固液比的增加先上升后下降。在固液比為1∶20時木糖去除率達到峰值92.9%，而在固液比為1∶30 時木糖去除率驟降至81.1%，這是由于過量的水反而吸收了反應(yīng)體系的空化能量，導(dǎo)致木糖去除率下降[7]。木質(zhì)素去除率隨固液比的增大略有上升并逐漸呈現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢，大都在10%左右，由此可見，固液比對木糖的去除率影響較大，而對纖維素和木質(zhì)素的影響較小，選擇固液比為1∶20較為合適。

圖2 固液比對楊木纖維拆解效果的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the deconstruction of poplar fiber

2.1.3 反應(yīng)時間對拆解楊木纖維三大組分的影響

圖3 為乙酸質(zhì)量分數(shù)0.5%、溫度170℃和固液比1∶20 條件下，反應(yīng)時間對拆解楊木纖維三大組分的影響。當(dāng)反應(yīng)時間為10 min時，雖然纖維素的拆解分離得率高達98.3%，但此時木糖和木質(zhì)素的去除率均處于較低水平，不利于楊木纖維三大組分的拆解。延長反應(yīng)時間，纖維素的拆解分離得率隨反應(yīng)時間的延長呈線性降低，當(dāng)反應(yīng)時間為120 min 時，纖維素拆解分離得率降至86.4%。與此同時，木糖的去除率隨反應(yīng)時間的增加呈先升高后降低的趨勢，當(dāng)反應(yīng)時間為30 min時，木糖去除率大幅升高至92.9%，此時木糖去除率與纖維素的拆解分離得率均保持在較高水平，當(dāng)反應(yīng)時間為60 min時，木糖去除率與30 min時相當(dāng)。繼續(xù)延長反應(yīng)時間，木糖去除率開始下降，120 min時僅為83.5%。木質(zhì)素去除率隨著反應(yīng)時間的延長沒有特別明顯的變化趨勢，大都在7%～13.3%的范圍內(nèi)。在反應(yīng)時間為120 min 時，木質(zhì)素去除率達到最大值13.3%，這也說明反應(yīng)時間過長會導(dǎo)致木質(zhì)素的降解，綜上所述可以初步確定反應(yīng)時間為30 min。

圖3 反應(yīng)時間對楊木纖維拆解效果的影響Fig.3 Effect of holding time on the deconstruction of poplar fiber

2.1.4 溫度對拆解楊木纖維三大組分的影響

圖4 為乙酸質(zhì)量分數(shù)0.5%、反應(yīng)時間30 min 和固液比1∶20 條件下，溫度對拆解楊木纖維三大組分的影響。從圖4 中可以看出，纖維素拆解分離得率隨溫度的升高逐漸降低，木糖去除率隨溫度的升高呈先升高后略有下降的趨勢。當(dāng)溫度低于180℃時，能保持較高的纖維素拆解分離得率且均在91.3%以上，木糖的去除率在170℃時達到最大值92.9%。當(dāng)溫度超過185℃時，纖維素拆解分離得率由于纖維素的降解而開始下降，同時木質(zhì)素的去除率顯著增加，其所形成的水溶性物質(zhì)可能因為再凝結(jié)作用而附著于水熱濾渣的表面[17]，從而導(dǎo)致木糖去除率也隨之下降。木質(zhì)素去除率隨溫度的升高呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，在200℃時達到15.2%，這也間接地說明溫度對木質(zhì)素去除率的影響并不大。因此，水熱耦合稀乙酸預(yù)處理的溫度不宜過高，170℃時較為合適。

圖4 溫度對楊木纖維拆解效果的影響Fig.4 Effect of temperature on the deconstruction of poplar fiber

綜上所述，水熱耦合稀乙酸拆解楊木纖維的較優(yōu)條件為：乙酸質(zhì)量分數(shù)0.5%、固液比1∶20、溫度170℃、反應(yīng)時間30 min。此時，纖維素拆解分離得率為94.0%，木糖去除率為92.9%，木質(zhì)素去除率為11.8%。

2.2 水熱耦合稀乙酸固體殘渣的分析

2.2.1 孔隙結(jié)構(gòu)分析

采用氮吸附儀對楊木經(jīng)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理前后的孔隙結(jié)構(gòu)變化情況進行分析，未經(jīng)預(yù)處理的楊木比表面積和孔體積較小，其比表面積為1.46 m2/g，孔體積為0.004 cm3/g，說明楊木結(jié)構(gòu)較為致密，使得纖維素酶難以和纖維素形成有效的接觸。而采用水熱耦合稀乙酸的方法對楊木進行預(yù)處理后，楊木的比表面積增加至2.25 m2/g，孔體積增大至0.01 cm3/g，說明此預(yù)處理可以有效地破壞楊木的致密結(jié)構(gòu)，從而使更多的纖維素暴露出來，提高了纖維素酶的可及性[18]。

2.2.2 組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

采用FT-IR和XRD對水熱耦合稀乙酸預(yù)處理產(chǎn)生的固體殘渣進行結(jié)構(gòu)表征（見圖5）。FT-IR 振動峰對應(yīng)的官能團歸屬參考文獻[19-20]。如圖5（a）所示，1740 cm-1處的振動峰為聚木糖的特征峰，經(jīng)過水熱耦合稀乙酸預(yù)處理后，1740 cm-1處振動峰明顯減弱，說明大部分半纖維素被脫除。1024、1112、898 cm-1處的振動峰為纖維素特征峰，其中898 cm-1處是纖維素I 型特征峰，表明預(yù)處理不會改變纖維素的晶型。固體殘渣的XRD 衍射結(jié)果如圖5（b）所示。從圖5（b）可以看出，處理前后主要信號峰均在2θ=18°～22°，均為纖維素I 型的晶面。這表明纖維素的晶態(tài)結(jié)構(gòu)并沒有因為預(yù)處理而發(fā)生明顯改變，與紅外分析結(jié)果一致。由式（4）計算得出楊木的結(jié)晶度為35.4%。經(jīng)預(yù)處理后，固體殘渣結(jié)晶度為41.5%，結(jié)晶度略有提高，這說明在水熱耦合稀乙酸預(yù)處理過程中，隨著木糖的去除，使得纖維素組分比例增加，從而表現(xiàn)為纖維素結(jié)晶度的增加。

圖5 水熱耦合稀乙酸預(yù)處理前后楊木的FT-IR譜圖和XRD譜圖Fig.5 FT-IR and XRD spectra of poplar before and after hydrothermal coupling dilute acetic acid pretreatment

2.3 水熱耦合稀乙酸預(yù)處理液成分的分析

表1為GC-MS分析的水熱耦合稀乙酸預(yù)處理液中的主要成分，包括游離酸、醛、酚、芳香族等多種物質(zhì)。由于預(yù)處理中除了加入的少量乙酸外，在預(yù)處理過程中由于乙?；拿摮矔a(chǎn)生一定量的乙酸，因此預(yù)處理液體中乙酸相對含量較高，約為71.55%。同時糠醛的相對含量達到了11.38%，說明預(yù)處理過程中有木糖降解成單糖并轉(zhuǎn)化成糠醛。預(yù)處理液中少量的5-羥甲基糠醛、乙酰丙酸和苯基類化合物反映了水熱耦合稀乙酸對楊木中纖維素和木質(zhì)素的破壞很小。采用HPLC 進一步分析了各主要化學(xué)成分的含量，結(jié)果見表2。從表2 可以看出，預(yù)處理液中含有6.52 mg/L 糠醛、138 mg/L 木糖和2628 mg/L 低聚合度木糖，說明半纖維素中的木糖主要轉(zhuǎn)化成了低聚合度木糖，反映出生產(chǎn)高價值低聚木糖的巨大潛力；雖然其也發(fā)生了過度降解產(chǎn)生了糠醛，但是含量很少。預(yù)處理液中僅含有少量的葡萄糖和5-羥甲基糠醛說明水熱耦合稀乙酸對楊木中纖維素的影響較小，這也與前述預(yù)處理后楊木纖維高拆解分離得率的結(jié)果相符。因此水熱耦合稀乙酸是一種溫和的楊木預(yù)處理技術(shù)，在實現(xiàn)對楊木中木糖的高值高效分離的同時，對纖維素和木質(zhì)素的破壞較小，從而減少了副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

表1 GC-MS分析的預(yù)處理液中的主要成分Table 1 Main components of pretreated solution analyzed by GC-MS

表2 HPLC測定的預(yù)處理液中的主要成分Table 2 Main components of pretreated solution determined by HPLC mg/L

3 結(jié) 論

3.1 水熱預(yù)處理過程中加入少量的乙酸能夠促進楊木纖維的拆解分離，可以實現(xiàn)在去除大部分木糖的同時，仍能夠保持較高的纖維素拆解分離得率以及較低的木質(zhì)素去除率。結(jié)果表明，在乙酸質(zhì)量分數(shù)0.5%、固液比1∶20、溫度170℃、反應(yīng)時間30 min 條件下，木糖去除率為92.9%，纖維素拆解分離得率為94.0%，木質(zhì)素去除率為11.8%。

3.2 水熱耦合稀乙酸預(yù)處理主要去除楊木中的半纖維素，導(dǎo)致纖維孔容增大、比表面積增大，同時纖維素的結(jié)晶度略有增加。

3.3 楊木拆解分離出半纖維素中的木糖主要轉(zhuǎn)化成了高價值的低聚合度木糖，只有少量過度降解成葡萄糖和糠醛。葡萄糖、5-羥甲基糠醛以及苯基類化合物含量少說明預(yù)處理對纖維素和木質(zhì)素的破壞小，在去除不利于酶解發(fā)酵的五碳糖的同時，增加纖維素酶的可及性，有利于醇類原料的生產(chǎn)和木質(zhì)素的工業(yè)化利用。