磷酸丙酮预处理中木质素的产生机理研究

康 鹏，覃 吴，郑宗明，杨勇平，董长青

(华北电力大学 可再生能源学院，北京102206)

0 引 言

目前以化石燃料为主的能源结构使得化石能源逐渐枯竭，对于环境和生态也造成极大的消极影响。实现能源多元化、寻求可再生的清洁能源和环境污染控制已经成为大势所趋。在人类的可再生能源开发过程中，生物燃料所占比重最大，它不仅是化石能源的替代物，更是石油化工产品的替代品，并具有清洁、高效、安全、可持续等特征。生物燃料产业已成为21 世纪最具活力的产业之一，并被许多发达国家列为国家能源战略和新的经济增长点。燃料乙醇是汽油替代能源中最为成熟、发展最快的一种能源载体，汽油引擎无需改进便可燃用15 %以下比例的乙醇汽油。利用富含淀粉、糖分的生物原料，直接经过发酵、蒸馏提纯即可获取燃料乙醇，中美两国大多使用玉米和小麦作为原料，巴西、印度等国的燃料乙醇制备原料主要是甘蔗。

中国工程院发布的《中国能源中长期(2030 ～2050)发展战略研究》表明，我国的石油缺口日益增大，从能源安全角度出发去控制进口依存度为60 %时，2020年需替代石油2 000 万t，目前燃料乙醇是最佳的替代能源。我国在《可再生能源中长期发展规划》中曾提出，到2010年新增非粮燃料乙醇达到200 万t 的目标，结果仅有中粮在广西年产20 万t 木薯燃料乙醇的项目投产，尚存在着很大的生产缺口。

发展纤维乙醇是为了替代粮食乙醇［1］，成为更为低碳、安全的新型汽油替代品。所有绿色植物的主要结构都是纤维素，这种天然高分子是由葡萄糖组成的长链，顺利高效打开高分子释放葡萄糖是进一步发酵生产乙醇的重要前提。纤维乙醇生产工艺通常包括:预处理、固液分离、酶解、发酵、蒸馏。预处理过程是第一步也是最为关键一步，并对后续各步骤具有很大的影响，关系到后续过程的固相和液相的成分、比例及后续的工艺路线、产品选择。

基于磷酸-丙酮法［2，3］对木质纤维素进行预处理，通过磷酸对纤维素进行溶解，部分木质素在丙酮加入时会发生溶解，半纤维素在水中会发生溶解，三大组分分别存在于有机溶剂相、水相和剩余固相中，最终得到了适于酶解糖化的无定型纤维素为主的固相物质。本过程涉及到三大组分在不同溶剂中的重分配，涵盖了组分溶解与沉淀的状态转变，可以同时实现纤维乙醇的预处理和木质素的获得，而木质素副产物可以大大提高产品附加值，进一步提升整体工艺的经济性，有效降低纤维乙醇的生产成本。这种预处理方法在常温、常压下即可实现，而且磷酸和丙酮均可被回收和循环利用，多组分综合利用技术将纤维乙醇技术推到了一个新的阶段。

木质素是单体间以碳-碳键和醚键随机聚合的极其复杂的网状高分子［4］。本研究针对木质素分子在磷酸和丙酮中的状态进行研究，将木质素大分子结构模型拆解为单个片段，将片段进一步拆解为苯丙烷单体分子作为研究模型，将复杂模型简化是模拟计算成功的最基本保证。具体而言，针对CAGG 模型结构，研究木质素小分子在磷酸、丙酮中的沉降和溶解变化过程，揭示磷酸-丙酮法中木质素能够溶解分离的内在机理，进一步阐述磷酸丙酮预处理方法在木质纤维素组分分离方面的内在机理。

1 理论模型和方法

β-O-4 键型的连接在木质素大分子中最为重要，例如针叶木木质素大约有一半的结构单元间是以β-O-4 键连接的，这其中包括桦木、杉木等多种木种的木质素，最具代表性的是CAGG［4］。本研究选取的简化模型就是CAGG，通过研究木质素的电子特性、内部氢键作用、β-O-4 键的断裂-缩合反应过程以及在不同溶剂中的溶解-沉降过程。

CAGG 模型结构如图1 所示。首先对愈创木基甘油-β-O-松柏醇醚模型结构进行几何优化，研究其结构和电子特性，然后研究β-O-4 键型断裂的动力学过程。计算采用DFT 的GGA 方法和PBE 函数［5～8］计算研究臭氧分子在Pt/graphene 表面的吸附分解反应和羟基自由基的生成反应。收敛指标:总能量2.0 ×10-5Ha Å-1，每个原子上的力均小于0.003 eV Å-1，公差偏移为1.0 ×10-3Å，应力偏差为0.05 GPa，自洽精度为1.0 ×10-5Ha atom-1。用线性同步转变/二次同步转变(Linear/quadratic synchronous transit，LST/QST)方法研究反应过程。

图1 愈创木基甘油-β-O-松柏醇醚模型结构Fig.1 Model structure of coniferyl alcohol guaiacyl glycerol

基于4 个CAGG 片段通过氢键等分子间力堆积在一起的木质素体系。按丙酮和水分子体积比为2∶1构建一个42.8 ×42.8 ×42.8 木质素-丙酮溶液体系，包含1 个木质素，200 个丙酮分子，1 600个水分子。按浓度为85 % 磷酸构建一个43.9 ×43.9 ×43.9 木质素-磷酸溶液体系，包含1 个木质素，690 个丙酮分子，1000 个水分子。分子动力学模拟采用COMPASS 力场，应用周期性边界条件，结合最速下降法和共轭梯度法，通过能量最小化来优化木质素-丙酮溶液体系和木质素-磷酸溶液体系的初始结构。采用NPT 系综［9］，研究亮氨酸和DNA 在石墨烯上的吸附。模拟时间步长为1。截断半径为10 Å。PME 方法用来计算长程静电相互作用［10］。

2 结果和讨论

2.1 木质素的特性

图2 木质素在磷酸、丙酮中结构、电子密度及s 和p 轨道的态密度Fig.2 Structure，electron density，s and p orbital density of states of lignin in phosphoric acid and acetone

CAGG 结构木质素片段在磷酸和丙酮中的稳定结构和电子密度图如图2 所示。在磷酸和丙酮中，木质素片段的整体结构几乎一模一样，其态密度也几乎一样，外层的s 电子主要填充在-16 eV～-2eV 能量范围，2p 轨道电子主要填充在-16 eV ～0 eV 能量范围。木质素体系内s 和p 电子在能级上重叠较好，发生sp 杂化。且出现一些分裂的小峰，这也是由于木质素内部有处于不同化学环境的H 原子、O 原子和C 原子的成键有关。木质素2p 电子在费米能级(0 eV)和靠近费米能级的左边发生离域作用，因此从态密度上看，木质素具有较强的化学活性。这主要和木质素分子中存在苯环离域π 电子和羟基等活性基团有关。木质素，和前期研究的纤维素一样［2］，由于其独特的结构和电子特性，化学活性都比较高。

2.2 木质素β-O-4 键断裂反应

从结构和态密度上看，木质素在磷酸和丙酮中的结构和性质变化不大。这里集中关注单体之间连接的键合，连接键的强弱将决定木质素在不同溶剂中是否能够保持木质素结构的完整性和溶解性。分别在磷酸和丙酮中优化愈创木基甘油-β-O-松柏醇醚模型结构作为初始态(IS)。然后断开CAGG 模型结构的β-O-4 键，进行几何优化，结果模型作为终态(FS)。连接IS 和FS，进行过渡态(TS)搜索。结果如图3 所示，其中路径1 对应CAGG 模型结构在磷酸中β-O-4 键断裂反应的反应路径和能量变化图，路径2 对应CAGG 模型结构在丙酮中β-O-4 键断裂反应的反应路径和能量变化图。CAGG 模型结构在磷酸和丙酮中β-O-4键断裂反应的虚频分别是-99.31 cm-1和-96.23 cm-1。图3 表明，CAGG 模型结构在磷酸中β-O-4键断裂反应的活化能Ea=2.169 eV，比在丙酮中断裂需要的活化能1.620 eV 高出0.549 eV。CAGG 模型结构在磷酸和丙酮中β-O-4 键断裂反应的活化能都高于0.75 eV，在常温常压下不易发生断裂反应［11，12］。因此，CAGG 模型结构在磷酸和丙酮中均能保持结构的相对完整性。若在外加搅拌等作用力下，CAGG 模型结构在丙酮中相对较易降低聚合度而发生一定程度的溶解。CAGG 模型结构在磷酸和丙酮中的β-O-4 键断裂反应的反应热分别为1.812 eV 和1.617 eV，均为吸热反应。因此，在低温下，愈创木基甘油-β-O-松柏醇醚模型结构的β-O-4 键断裂较难，分子结构可保持完整性。

图3 愈创木基甘油-β-O-松柏醇醚模型结构在磷酸和丙酮中的键断裂反应能量图( 路径1 对应磷酸;路径2 对应丙酮)Fig.3 Bond-breaking reaction energy figure of CAGG in phosphoric acid and acetone ( path 1 corresponds to phosphoric acid，path 2 corresponds to acetone)

2.3 木质素内部相互作用

进一步通过对比计算磷酸和丙酮中木质素之间氢键强弱，来分析不同溶剂中木质素内部相互作用强弱。图4 给出了木质素两个相互作用片段在磷酸和丙酮中的稳定构型。两个木质素片段之间通过氢键和原子之间的极化作用紧密靠近形成堆积结构。在不同磷酸和丙酮中形成的结构有所不同，因此片段之间的松散度也不一样。

图4 愈创木基甘油-β-O-松柏醇醚模型结构中两个相互作用片段在磷酸和丙酮中的稳定构型Fig.4 Stable configuration of the two interacting fragments( in CAGG model) in phosphoric acid and acetone

表1 对比给出了木质素一个片段(L)和2 个片段(2L)，在磷酸溶液和丙酮溶液中的总能量(Etotal)、所形成空穴的表面积(Scavity)、空穴的体积(Vcavity)以及木质素片段本身的体积(Vmolecule)。木质素片段的体积在磷酸和丙酮分别为271.37 cm3/mol 和269.88 cm3/mol。单片木质素在磷酸和丙酮溶液中所形成的表面积分别为379.15 cm2/mol 和376.79 cm2/mol。可见，单片木质素在磷酸溶液中受到溶剂分子的挤压较小，而在丙酮溶液中受到溶剂分子的挤压较大。

表1 形成空穴表面积和木质素片段体积的计算结果Tab.1 Calculation results of formed cavity surface area(Scavity)and lignin fragments volume (Vmolecule)

2 个木质素片段在磷酸中堆积形成的空穴表面积为585.10 cm2/mol，比一个木质素片段空穴表面积2 倍(379.15 ×2 =758.30 cm2/mol)小173.20 cm2/mol。2 个木质素片段在丙酮中堆积形成的空穴表面积为634.21 cm2/mol，比1 个木质素片段空穴表面积2 倍(376.79 ×2 =753.58 cm2/mol)小119.38 cm2/mol。虽然单片木质素在磷酸溶液中受到溶剂分子的挤压较小，但是堆积的木质素在磷酸中表面空穴却有较大收缩。表面空穴的收缩意味堆积内部作用更为紧密。然而，在丙酮溶液，堆积木质素内部作用力较为松散，导致堆积木质素形成空穴的表面积(634.21 cm2/mol)比其在磷酸中的表面积(585.10 cm2/mol)大。通过结构优化，对比体积和表面积，可以发现木质素在磷酸中堆积紧密，在丙酮中堆积较为松散。

可以通过分解能Edissolution，来判断堆积结构的两个木质素片段在磷酸和丙酮溶液溶解成两个独立的木质素片段的难易。Edissolution的计算公式如式(1):

式中:E2L是指2 个木质素片段形成的堆体系能量，eV;EL是指一个木质素片段的能量，eV。

根据公式(1)计算得到木质素在磷酸中溶解的Edissolution=0.19 eV，在丙酮中溶解的Edissolution=0.12 eV。木质素在磷酸和丙酮中溶解都是吸热过程。从2 个小片段的溶解能上来看，木质素在磷酸中溶解能是在丙酮中的1.58 倍。对于真实的木质素三维网状结构，考虑到其内部的缠绕等空间结构因素，相比于丙酮溶液，木质素在磷酸中较难溶解。

2.4 分子动力学运动过程

进一步通过分子动力学模拟，分析CAGG 模型结构在磷酸和丙酮中的聚集或溶解过程。丙酮溶液选择常温(298 K)下进行动力学模拟。图5(a)和5 (b)给出了木质素在丙酮中进行3 ns分子动力学过程模拟计算结果。在298 K 温度下，进行分子动力学计算，势能和非键作用能降低的趋势是一致的。前0.2 ns，木质素在丙酮中的势能和分子间作用能降低较大，其中势能降低约50 eV，非键能降低约70 eV;能量的降低证明了分子间氢键和β-O-4 键也会随之发生一定的变化。结合5 (b)图便可理解:木质素分子在丙酮溶液中会部分溶解，片段在此过程中会分散化。随着分子动力学运动达到2 ns 时，木质素在丙酮中的势能和分子间作用能降低至平衡，势能降低约为60 eV，非键作用能降低约为70 eV，其中的非键作用能包括范德华力、氢键和库伦力。

图5 愈创木基甘油-β-O-松柏醇醚模型结构在丙酮中( a) 能量和温度随时间的变化， ( b) 结构变化;以及在磷酸中( c) 能量和温度随时间的变化，( d) 结构变化Fig.5 CAGG model in acetone ( a) change of energy and temperature with the time，( b) structure change;and in phosphoric acid ( c) change of energy and temperature with the time，( d) structure change.

图5 (c)和5 (d)给出了木质素在磷酸中进行3 ns 分子动力学过程模拟计算结果。考虑到实验磷酸的粘稠性和易碳化性，以及与处理过程中纤维素在磷酸中60 ℃便会发生溶解，因此，木质素在磷酸中进行动力学计算的温度为60 ℃。随着木质素的运动变化，平均温度基本在60 ℃，而木质素-磷酸动力学体系的势能和非键作用能几乎都没有改变，能量的稳定证明了分子间氢键和β-O-4 键较为稳定，结合图5 (d)便可理解:木质素分子在磷酸溶液中较为稳定，几乎不会发生溶解现象，木质素片段仍然呈堆积状。

3 结 论

本文通过结构和特性分析发现，愈创木基甘油-β-O-松柏醇醚2p 电子在费米能级(0 eV)和靠近费米能级的左边发生离域，具有较强的化学活性。木质素片段在丙酮溶液中堆积木质素内部作用力较为松散，导致堆积木质素形成空穴的表面积(634.21 cm2/mol)比其在磷酸中的表面积(585.10 cm2/mol)大，在丙酮中木质素片段相对较易溶解。木质素在磷酸中溶解能是在丙酮中的1.58 倍，相比于丙酮溶液，木质素在磷酸中较难溶解，意味着其分子结构较为稳定。木质素在丙酮中β-O-4 键断裂和氢键断裂的反应活化能、反应能和氢键断裂能均低于在磷酸中的能量;且分子动力学过程显示木质素在丙酮中氢键断裂，分子间作用力的降低较为明显，会发生溶解而分散到丙酮中。

在低温下，木质素在磷酸中β-O-4 键断裂和氢键断裂都是吸热过程，且反应活化能、反应能和氢键断裂能都较高，CAGG 模型结构的β-O 键断裂较难，分子结构在磷酸和丙酮中均可保持完整性。木质素本身的完整性及其不同溶液的溶解性不同，决定了不同溶剂可用于木质素的溶解和沉降，可以实现木质素分离和原料预处理，有助于从电子本质和原子层面了解木质素在磷酸和丙酮中的结构变化和性质变化，本研究为生物质资源化利用和预处理技术的耦合发展提供了基础理论。

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