稀硫酸预浸渍对玉米秸秆蒸汽爆破预处理的影响

赵鹏翔,吴 毅,赵正凯

(国网新源控股有限公司北京非粮醇电联产技术研发中心,北京100053)

稀硫酸预浸渍对玉米秸秆蒸汽爆破预处理的影响

赵鹏翔,吴 毅,赵正凯

(国网新源控股有限公司北京非粮醇电联产技术研发中心,北京100053)

为提高纤维素乙醇生产中传统蒸汽爆破预处理的效果,以稀硫酸(质量浓度0.2%)对玉米秸秆进行预浸渍,再于190～210℃对其进行汽爆预处理。结果表明:稀硫酸预浸渍有利于增强汽爆过程中半纤维素的水解程度,并能有效减少乙酸的生成;200℃预处理玉米秸秆经过96 h同步糖化发酵,最终乙醇浓度为22.5 g·L-1,为理论值的76%,较预浸渍前(19.0 g·L-1)明显提高。稀硫酸预浸渍能够增强玉米秸秆的汽爆预处理效果。

硫酸预浸渍;蒸汽爆破;纤维素乙醇;玉米秸秆

纤维素乙醇是最具发展前景的可再生清洁能源之一,其生产原料——木质纤维素,是世界上最为丰富、廉价的可再生资源。地球上每年光合作用形成的1000亿t植物生物量中80%是木质纤维素,其中89%未被利用[1-3]。按照每5 t木质纤维原料生产1 t乙醇的技术水平,这些原料能生产200亿t燃料乙醇。可见,开发纤维素乙醇对社会的可持续性发展有着极其重要的意义。

木质纤维素主要由纤维素、半纤维素以及木质素构成,三者相互结合在一起。纤维素由于被木质素与半纤维素包裹在内部,其水解糖化[4,5]受到阻碍。木质纤维素的结构特点决定了必须通过预处理来破坏其完整的物理结构,以提高可水解性[6]。蒸汽爆破法(STEX)是最常用的预处理方法之一,通过高压水蒸气的瞬间释放从内部破坏木质纤维素的物理结构[7,8],同时,水在高温下作为酸性催化剂促进半纤维素水解为木糖等单糖。由于水能提供的H+有限,通常需要较高的汽爆温度,而木糖在高温下会进一步分解为糠醛、乙酸等发酵抑制物[9,10]。

作者对蒸汽爆破法进行了改良,在蒸汽爆破(汽爆)前用稀硫酸对玉米秸秆进行预浸渍,使玉米秸秆在汽爆前便处于酸性环境中,促进秸秆中半纤维素的水解,从而降低汽爆温度,以避免单糖进一步分解为乙酸等发酵抑制物,同时,也能增强纤维素的酶水解性,提高玉米秸秆的利用率。

1 实验

1.1 材料

玉米秸秆,河北邯郸。将玉米秸秆洗净干燥后用锤式破碎机粉碎为2～10 mm的小段,在38℃烘箱中烘干,置于干燥处保存。

玉米秸秆组成成分采用NREL的相关方法进行分析[11]:干玉米秸秆的纤维素、半纤维素、木质素含量分别为33.6%、22.8%、14.1%(表1);可提取物中主要含有一些油脂、蛋白质、淀粉等易溶于水或有机溶剂的物质。

表1 玉米秸秆的组成成分/%Tab.1 Composition of corn stover/%

1.2 方法

1.2.1 预处理

首先在常温下用0.2%(质量浓度,下同)的硫酸对玉米秸秆以固液比1∶20(g∶m L)预浸渍2 h;之后以27 MPa的压力将原料中的水分压至50%左右;然后在预处理反应器中分别以190℃(1.25 MPa)、200℃(1.55 MPa)、210℃(1.90 MPa)保持10 min后,瞬间(小于0.5 s)释放压力。每个汽爆温度设置一个空白对照组(以水代替硫酸)。

1.2.2 酶水解

以预处理后的玉米秸秆草浆(包括液体与固体部分)为底物进行。其中,纤维素酶为Cellic Ctec2(诺维信,丹麦),酶用量为10 FPU·g-1底物,底物浓度为5%,在45℃、p H值为5的条件下酶水解96 h。

1.2.3 同步糖化发酵

底物浓度为10%,发酵温度为35℃,p H值为5.5,发酵时间为96 h;每升发酵液酿酒酵母(Jästbolaget,瑞典)用量为3 g,纤维素酶为Cellic Ctec2,酶用量为10 FPU·g-1底物;培养液中(NH4)2HPO3的浓度为0.5 g·L-1,MgSO4·7H2O的浓度为0.025 g·L-1。

1.3 分析测试

1.3.1 纤维素酶活

纤维素酶活测定试管中放入1 cm×6 cm的滤纸(约50 mg)一条,加入0.5 m L适当稀释的纤维素酶液和1 m L柠檬酸缓冲溶液(p H值4.8),于50℃保温振荡30 min。空白实验中酶液预先灭活,其余条件不变。

1个滤纸酶活力单位(FPU)定义为酶促反应中每分钟生成1.0μmol葡萄糖(以还原糖表示)所需的酶量[]。

1.3.2 糖及抑制物浓度分析

单糖、乙醇以及副产物用岛津Prominence LC-20AT型高效液相色谱仪进行定量分析,分析前所有测试样品以0.20μm的微滤膜过滤。检测器为折光检测器。色谱柱为Aminex HPX-87 H(Bio-Rad,Hercules,CA,USA)。葡萄糖和木糖等单糖:柱温85℃,流动相为超纯水,流速0.5 m L·min-1。乙醇、糠醛、羟甲基糠醛以及乙酸:柱温50℃,流动相为0.5 mmol ·L-1硫酸,流速0.5 m L·min-1。

2 结果与讨论

2.1 组成成分分析

0.2 %硫酸预浸渍前后玉米秸秆经不同温度汽爆预处理后的组成成分见表2。

从表2可以看出,经过汽爆预处理后,玉米秸秆中3种主要成分的含量均发生了较大变化,其中纤维素和木质素含量得到了一定程度的提高,而半纤维素含量则有所下降;且随着汽爆温度的升高,各成分含量变化的程度加大。其中,硫酸预浸渍玉米秸秆在汽爆温度从190℃上升至210℃时,纤维素含量从51.2%升至58.6%;半纤维素含量从6.7%降至3.6%;木质素含量则从27.6%升至31.8%。表明,玉米秸秆经硫酸预浸渍后,汽爆预处理对半纤维素的水解更为彻底。

表2 玉米秸秆预处理后的组成成分Tab.2 Composition of pretreated corn stover

2.2 葡萄糖和木糖回收率分析(表3)

表3 玉米秸秆预处理后的葡萄糖和木糖回收率Tab.3 Recovery of glucose and xylose of pretreated corn stover

从表3可以看出,硫酸预浸渍对玉米秸秆中的葡萄糖回收率几乎没有影响。葡萄糖回收率高于理论值是由于秸秆中存在一定量的淀粉。相比纤维素,大部分半纤维素在汽爆预处理过程中发生水解。经硫酸预浸过的秸秆在相对较低温度下获得较高的木糖回收率。当汽爆温度为190℃时,未经硫酸预浸渍秸秆固体中木糖回收率为57.3%,而硫酸预浸渍秸秆仅为24.2%;前者水解液中木糖回收率仅为47.7%,后者则为75.4%。这是因为,硫酸提供了更多的H+,H+作为催化剂促进半纤维素的水解。随着汽爆温度的升高,水解液中的木糖回收率逐渐降低。这是因为,汽爆温度的升高导致木糖分解为其它副产物。

2.3 抑制物分析

硫酸预浸渍前后玉米秸秆经不同温度汽爆预处理后,糠醛、羟甲基糠醛以及乙酸的生成情况见图1。

糠醛和羟甲基糠醛分别来源于木糖和葡萄糖的进一步分解,而乙酸则是由半纤维素侧链上的乙酰基生成的。由图1可知,相比未经硫酸预浸渍,同温度下硫酸预浸渍玉米秸秆汽爆预处理后羟甲基糠醛产量几乎没有增加,糠醛产量少量增加,而乙酸产量明显减少。这可能是因为,玉米秸秆经硫酸预浸渍后,其pH值更低,H+浓度的增大抑制化学平衡向生成乙酸方向移动。随着汽爆温度的升高,抑制物的产量也逐渐增加。

图1 玉米秸秆预处理后各抑制物的产量Fig.1 Yieldsofinhibitorsofpretreatedcornstover

2.4 酶水解

2.4.1 葡萄糖产量分析(图2)

图2 酶水解后的葡萄糖产量Fig.2 Glucoseyieldafterenzymatichydrolysis

从图2可以看出,未经硫酸预浸渍玉米秸秆于190℃、200℃以及210℃进行汽爆预处理后,酶水解得到的葡萄糖产量为20.7g·(100g原料)-1、25.8g ·(100g原料)-1和28.4g·(100g原料)-1,分别低于0.2%硫酸预浸渍玉米秸秆的21.1g·(100g原料)-1、26.6g·(100g原料)-1和29.4g·(100g原料)-1。这是因为,玉米秸秆经过硫酸预浸渍后,秸秆中的半纤维素更容易在预处理过程中发生水解,使更多被包裹在内的纤维素暴露出来,有利于纤维素与酶的接触,从而提高了纤维素的酶水解性。

2.4.2 木糖产量分析(图3)

图3 酶水解后的木糖产量Fig.3 Xyloseyieldafterenzymatichydrolysis

从图3可以看出,大部分木糖来源于预处理过程,只有小部分木糖来源于酶水解过程。这是因为,半纤维素较容易发生水解,在预处理过程中大部分半纤维素已经被水解为木糖,而0.2%硫酸预浸渍玉米秸秆更加明显。从图3还可以看出,0.2%硫酸预浸渍玉米秸秆最终获得的木糖产量要大于未经硫酸预浸渍玉米秸秆,两者的木糖产量均在汽爆温度为190℃时最大。

2.5 同步糖化发酵

0.2 %硫酸预浸渍前后的玉米秸秆在200℃下汽爆预处理后进行96 h的同步糖化发酵,发酵液中各成分的浓度见图4。

图4 发酵液中各成分的浓度Fig.4 Concentration of components in the fermentation broth

从图4可以看出,未经硫酸预浸渍的玉米秸秆发酵获得的最终乙醇浓度为19.0 g·L-1,相当于每100 g原料产生12.1 g乙醇,为理论值的60.1%;0.2%硫酸预浸渍玉米秸秆在相同发酵条件下可获得22.5 g· L-1的最终乙醇浓度,相当于每100 g原料产生15.0 g乙醇,为理论值的76%,较硫酸预浸渍前明显提高。这是因为,0.2%硫酸预浸渍玉米秸秆中半纤维素在预处理过程中的水解程度更大、发酵过程中的乙酸浓度更低。此外,由于未采用具有戊糖发酵能力的菌种,发酵过程中的木糖浓度始终保持在10 g·L-1左右,若使用具有较好戊糖发酵能力的菌种,可以提高最终乙醇得率,从而进一步提高原料利用率。

3 结论

(1)稀硫酸预浸渍可以增强玉米秸秆的汽爆预处理效果。稀硫酸预浸渍一方面可以降低预处理温度,减少能耗;另一方面可以增大半纤维素的水解程度及其回收率,增加纤维素的酶水解性。200℃预处理玉米秸秆经过96 h同步糖化发酵,最终乙醇浓度为22.5 g·L-1,为理论值的76%,较预浸渍前(19.0 g·L-1)明显提高。

(2)木糖在酸性条件下更容易继续分解为糠醛,而硫酸预浸渍会使玉米秸秆在预处理过程中产生更多的糠醛,但不会促进葡萄糖进一步分解为羟甲基糠醛。此外,稀硫酸预浸渍可以减少乙酸的生成,减轻了乙酸对同步糖化发酵生产乙醇的抑制作用,从而提高了乙醇产量。

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The Effect of Dilute Sulfuric Acid Impregnation on Steam Explosion Pretreatment of Corn Stover

ZHAO Peng-xiang,WU Yi,ZHAO Zheng-kai
(State Grid Xinyuan Beijing Bio-Ethanol Energy R&D Center,Beijing 100053,China)

To improve the effect of traditional steam explosion pretreatment in lignocellulosic ethanol production,the corn stover was impregnated with 0.2%sulfuric acid before steam explosion pretreatment at 190～210℃.The results showed that dilute sulfuric acid impregnation was beneficial to enhance the hydrolysis of hemicellulose and decreased the generation of acetic acid.In the following simultaneous saccharification and fermentation(SSF),a final ethanol concentration of 22.5 g·L-1was obtained,corresponding to 76%of the theoretical maximum ethanol yield,which was obviously higher than that obtained without dilute sulfuric acid impregnation(19.0 g·L-1).It is proved that dilute sulfuric acid impregnation can improve the effect of steam explosion pretreatment of corn stover.

sulfuric acid impregnation;steam explosion;lignocellulosic ethanol;corn stover

TQ 351.3

A

1672-5425(2013)05-0067-05

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.05.019

国家电网公司科技项目(SGKJKJ〔2010〕848)

2013-02-22

赵鹏翔(1975-),男,辽宁沈阳人,博士,高级工程师,从事生物质能源方面的研究,E-mail:pengxiang-zhao@sgxy.sgcc. com.cn;通讯作者:赵正凯,工程师,E-mail:williamzzk@163.com。