木质纤维素制燃料乙醇的预处理研究

徐 超，关东明，朱汉青，吴 涛，陈超正

（中国矿业大学 化学与环境工程学院，北京100083）

1 引言

随着经济的发展，环境问题以及能源紧缺问题日趋严峻，寻找可再生能源已经成为缓解化石燃料短缺和控制大气中CO2浓度的重要途径。作为一种清洁能源，有“绿色石油”和“液体黄金”之称的乙醇有其独特的优越性。乙醇与汽油相比，能够增加氧的含量，燃烧时使碳氢化合物更加充分氧化，从而减少排放到大气中的芳烃类化合物及一氧化碳量[1]。同时将一些农作物秸秆和含纤维素质的作物通过一定的方法转换为人类所需的能源，也是一项变废为宝的重大工程。其中通过稀酸水解木质纤维素来生产燃料乙醇已受到了国内外广泛的关注。

2 燃料乙醇生产的国内外研究进展

纤维素制乙醇在19世纪即已提出，方法是把纤维素水解为单糖，再把单糖发酵成乙醇。但该工艺虽然原料价格便宜，生产成本却很高，随着以石油为原料的合成乙醇大量生产，这类工厂大都关闭。在20世纪石油危机后，西方国家又开始重视纤维素制乙醇的技术[2]。第一个燃料乙醇项目－ProAlcool于1975年诞生在巴西，1978年美国、加拿大也开展了类似的项目。目前开展此项目最为活跃的国家是美国和巴西，这两个国家乙醇产量约占全球乙醇总产量的70%以上。欧洲各国也对发展生物燃料表现出极大兴趣，开始加大力度进行研究、推广和使用乙醇汽油[3]。

有着丰富甘蔗资源的巴西，利用甘蔗作为原料发展燃料乙醇产业，目前年产1 400t纤维素乙醇，几乎全部作为汽车燃料使用[4]。美国已于2008年成为全球最大的纤维素乙醇生产国。美国政府发布多条目标和激励政策，用以促进纤维素乙醇的生产，位于佛罗里达州的柑橘和亚热带产品实验室与其合作伙伴可再生醇类公司联合研发了一种替代过程，采用酶催化将这类残渣转化成糖类，糖类再发酵生成乙醇[5]。

我国燃料乙醇产业起步较晚，但发展迅速，2006年我国燃料乙醇的产量达到144万t，成为世界第3大燃料乙醇生产国。由于乙醇等生物燃料产量的大幅增加，已导致了世界粮食价格的大幅上涨。美国作为全球最大的粮食乙醇生产与应用国，近年来加大了对纤维素乙醇发展的支持力度[3]。

3 木质纤维素的预处理

木质纤维素价廉、可再生、资源丰富[6]。将这物质转化为葡萄糖、木糖等可发酵性糖，被认为是乙醇生产中极具前景的一个途径。它经过水解可以制得单糖，单糖经微生物发酵可进一步供生产低聚糖、单细胞蛋白、酒精和有机酸等有机原料和燃料，可以取代目前的淀粉原料发酵生产的各种产品，是化石资源等不可再生能源的有效替代品。木质纤维素的开发利用早已引起人们的广泛重视，但其利用率仅1%左右，木质纤维素资源现多作为燃料、织物、饲料、食品、药品、肥料等，这不仅利用率低而且造成环境污染，因此纤维素资源作为能源物质开发具有很大前景。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。

在植物组织中木质素与半纤维素以共价键形式结合，并将纤维素分子包埋其中，形成一种坚固的天然屏障，使一般微生物很难进入使其降解。木质纤维素原料生产燃料乙醇的过程主要包括预处理、糖化、发酵等，其预处理是生物转化的关键步骤，影响整个纤维素酒精生产过程。因此高效、便捷的预处理技术是木质纤维素原料生产燃料乙醇的关键所在。预处理的目的是使纤维素与木质素、半纤维素等分离，使纤维素内部氢键打开，使结晶纤维素成为无定型纤维素，以及进一步打断部分β－1，4－糖苷键，降低聚合度，改变天然纤维素的结构，破坏纤维素－木质素－半纤维素之间的连接，降低纤维素的结晶度以及提高基质的孔隙率.常用的预处理方法可分为物理法、化学法、物理化学结合法和生物法4大类[7]。本文主要介绍化学法中的酸水解法。

木质纤维素来源于木材、干草、林业废料、农业废料和纸制品废料等，主要成分包括纤维素（40%～50%）、半纤维素（25%～30%）和木质素（10～20%）[8]。在不同的原料中，这3种成分的组成不同。在农作物废料玉米芯中纤维素含量约占45%，半纤维素约占35%，木质素约占15%[9]。

纤维素是D－葡萄糖以β－1，4糖苷键组成的大分子多糖，分子式为（C6H10O5）n，其纤维聚合度n由200～2 000kDa不等。半纤维素是一种分子量较小的带有支链的多聚糖，相对来说聚合程度较低，一般不大于200kDa。其结构单元包括戊糖基、己糖基、糖酸基和乙酰基，其中的戊糖主要为木糖和阿拉伯糖。除了半乳糖组成的半纤维素以β－1，3糖苷键连接，半纤维素的主要聚合方式也是β－1，4糖苷键[10]。木质素是具有网状空间立体结构的高分子芳香族化合物，由4种醇单体（对香豆醇、松柏醇、5－羟基松柏醇、芥子醇）的苯丙烷基单元通过醚键和碳－碳键连接而成。

木质纤维素经过预处理（包括粉碎处理、水处理、碱处理、稀酸处理、蒸汽爆破处理和氨处理等方法），使其结构变得松散，再通过水解产生可被微生物利用于发酵的单糖。木质纤维素的水解方法包括化学法和生物法（酶法）等[11]，其中以稀酸水解法应用得较为广泛。稀酸水解法具有快速、廉价、易于操作的优点，但是会产生较多的副产物[12]。通常，该方法是通过木质纤维素原料与无机酸如硫酸、盐酸混合，并经120～200℃的高温处理完成[13，14]。

4 实验方案

4.1 玉米芯半纤维素水解

4.1.1 玉米芯预处理

将玉米芯用机械粉碎法预处理得到20～30目的颗粒，烘干并测其含水量。

4.2 玉米芯含水量测定

测得试验所用玉米芯含水率为5.3%（表1）。

表1 玉米芯含水量

4.3 玉米芯水解

4.3.1 水解液的制备

称取20.0g粉碎后的玉米芯颗粒，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，浸泡过夜，在120℃灭菌锅中水解1.5h。

4.3.2 水解后玉米芯的处理方法

将玉米芯水解液冷却液抽滤得半纤维素水解液至容量瓶中定容，用NaOH中和至pH值为7，用DNS法测定样品中木糖含量，利用540nm光长测其吸光度，根据标准曲线回归方程计算出样品木糖浓度。

4.3.3 木糖标准曲线的绘制

木糖吸光度标准曲线见图1，不同浓度的木糖溶液对540nm光长的吸光值见表2。

图1 木糖吸光度标准曲线

表2 不同浓度的木糖溶液对540nm光长的吸光值

4.4 玉米芯水解后木糖得率的计算

通过对玉米芯半纤维素水解液中木糖含量进行测定，确定每克干重玉米芯木糖得率，即木糖g/干重玉米芯g。

4.5 玉米芯半纤维素水解条件正交优化试验

在一定的粒径条件下，玉米芯中半纤维素的水解主要受水解温度、时间、酸浓度、固液比4个因素的影响。所以本课题从水解温度、时间、硫酸浓度、固液比4个因素做正交试验研究其对玉米芯半纤维素水解的影响。玉米芯半纤维素水解产物中木糖为主要单糖产物，因此以下试验主要以其中木糖含量为主要检测标准。

表3 玉米芯半纤维素水解条件正交优化试验

5 结果与讨论

稀酸水解木质纤维素的工艺较简单，原料处理时间短，污染小，技术相对成熟[15]。通过稀酸对玉米芯半纤维素进行水解可以使半纤维素水解的比较彻底，并且经稀酸水解处理后，纤维素的平均聚合度下降，对后续的纤维素的酶解有明显的促进作用。但稀酸水解的温度较高，水解过程中，生成了较多的对发酵有抑制作用的副产物。这些副产物极大地影响了半纤维素水解液的发酵性能，导致乙醇发酵总成本的居高不下。因此对半纤维素进行有效的预处理对于提高半纤维素水解液的发酵性能至关重要[16]。

本研究表明：玉米芯半纤维素酸水解制备木糖，影响木糖产率的主要因素有液固比、硫酸浓度、水解温度和水解时间。为了确定适宜的玉米芯半纤维素酸水解工艺，取20～30目的玉米芯颗粒与不同浓度的硫酸溶液混合，在不同温度下水解反应不同时间，设计L16（44）正交试验场，以水解液中木糖浓度为指标考察玉米芯半纤维素酸水解工艺。表3结果表明，以上4个因素对木糖产量的影响大小顺序为：水解时间＞硫酸浓度＞水解温度＞液固比。最优水解条件为温度120℃、时间90min、硫酸浓度1%、固液比1∶5，在此条件下玉米芯半纤维素水解液中木糖得率为0.30g/g。

在正交试验考察的酸水解4因素中，水解时间对木糖产率影响最大，其主要原因是：在玉米芯半纤维素酸水解的过程中，随着水解的进行，半纤维素中的戊聚糖逐步水解成木糖，但随着水解生成的木糖的量的增多，再延长水解反应时间，则水解生成的木糖又会进一步反应降解成糠醛等副产物，导致最终木糖的量的减少，所以采用水解时间90min是合适的。

表3中正交试验得到的最优组合中固液比为1∶5，但在实际操作中较大的固液比会产生大量滤渣且需要多次洗涤滤渣造成水解液中木糖浓度降低，这会增加下一步半纤维素水解液浓缩动能消耗，故在实际操作中选择液固比1∶10更为合适。综上所述玉米芯适宜的水解条件为温度120℃、时间90min、硫酸浓度1%、固液比1∶10。

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