螺带桨搅拌在木质纤维素稀酸预处理反应器中的应用

何燕青，张龙平，张 建，鲍 杰

(华东理工大学 生物工程学院 生物反应器工程国家重点实验室，上海 200237)

预处理是木质纤维素生物炼制过程的一个关键步骤［1］，其中稀酸预处理是当前最主流的预处理方法之一［2－5］，在纤维乙醇的生产中大规模应用。传统的稀酸预处理使用较多的稀H2SO4(m(稀酸)∶m(秸秆)=6∶1 ～10∶1)［6－7］，导致预处理后产生大量废液。针对上述问题，开发一种“干法”稀酸预处理的方法［8］，即通过降低预处理过程中的稀H2SO4用量(m(稀 H2SO4)∶m(干秸秆)=1∶2)，使预处理后的物料不含游离水。但由于固体含量超高(接近70%)，势必导致预处理反应器内大量的气液固三相难以混合均匀，影响预处理效果。先前的研究中，螺带搅拌桨已被成功应用于高固体含量木质纤维素同步糖化与发酵生产乙醇过程［9］，因此也可被尝试应用于干法预处理中。

笔者通过冷模实验的方法考察螺带桨反应器在处理高固体含量的秸秆和水的混合过程，初步验证螺带桨在处理高固体含量秸秆体系的良好性能;接着，研制螺带桨搅拌预处理反应器，并通过热模预处理实验评价预处理效果。最后，通过计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)方法模拟预处理反应器中的气固混合以验证螺带搅拌桨在反应器中的应用。

1 材料与方法

1.1 原材料与试剂

玉米秸秆产自河南新乡，收获于2011年秋季。秸秆经过水洗除尘、烘干、机械粉碎后密封备用。所用化学试剂都购自上海凌峰化学试剂公司。纤维素酶为湖南尤特尔公司提供的Youtell#6固体纤维素酶，纤维素酶的滤纸酶活以及纤维二糖酶酶活分别为135 FPU/g和344 CBU/g。

1.2 流体力学冷模实验

冷模实验在图1所示的3个带有扭矩仪的反应器中进行。反应器A体积为5 L，直径为170 mm;反应器B体积为50 L，直径为384 mm;反应器C体积为500 L，直径为786 mm。3个反应器中分别添加150 g、1.5 kg以及15 kg的干玉米秸秆，以自来水作为示踪剂，自反应器顶部加入秸秆中，体系的含水量作为表征体系混合程度的指标。含水量通过差质量法测定。

图1 冷模反应器Fig.1 Reactor for mock-up experiments

1.3 预处理反应器

在冷模实验的基础上，预处理反应器的设计如图2所示。反应器工作体积为20 L，为原先干式预处理反应器体积的2倍，直径260 mm，高400 mm，螺带桨是由反应器上方的电机驱动。

图2 螺带桨搅拌式预处理反应器Fig.2 Illustration of helical ribbon stir reactor for pretreatment

1.4 干式稀酸预处理

将1 400 g干基玉米秸秆与700 g质量分数5%的稀H2SO4溶液搅拌均匀，在室温下密封放置12 h。然后将预浸后的秸秆加入螺带桨搅拌预处理反应器中进行预处理，在185℃、1.2 MPa、50 r/min的条件下维持3 min。

1.5 预处理后秸秆的酶解糖化

预处理效果评价通过预处理秸秆的酶解糖化实验进行评价。酶解糖化条件:固含量5%、50℃、每克干固体纤维素酶用量15 FPU、pH 4.8的柠檬酸缓冲液体系、150 r/min搅拌转速、持续72 h。酶解实验在100 mL的三角瓶中进行，装液量20 mL，每个实验重复2次。

1.6 预处理后秸秆中可溶性组分以及寡糖的测定

称取5 g预处理秸秆，加入50 g去离子水，在摇瓶中180 r/min洗脱2 h，经过真空抽滤，吸取1 mL滤液测定可溶性组分。取5 mL滤液加入压力试管中，并添加1 mL 72%H2SO4，再添加23 mL去离子水稀释至4%(质量分数)稀酸浓度，于121℃反应60 min。反应结束后，用CaCO3粉末中和至pH 5.0，糖类损失通过校正曲线校正，中和后的试样离心取上清液进行HPLC分析，测定葡萄糖和木糖浓度，计算寡糖含量。

1.7 纤维素和木聚糖含量的测定

经过1.6节中真空抽滤后的固体用去离子水彻底水洗，并于105℃烘干12 h。称取烘干后的玉米秸秆0.1 g于压力试管中，并加入1 mL质量分数72%的浓H2SO4，用玻璃棒在30℃水浴中每隔5～10 min搅拌1次，反应持续60 min，随后添加28 mL去离子水，将酸浓度稀释到4%，密封后放入灭菌锅121℃反应60 min，反应结束后用CaCO3粉末中和至pH 5.0，离心后取上清液，进行HPLC分析，测定葡萄糖和木糖浓度，计算纤维素和木聚糖含量。高温高压反应后，糖类损失通过校正曲线进行校正。

1.8 计算流体力学(CFD)模拟

反应器设计使用Solidworks 2010软件(Dassault Inc.，法国)，网格划分使用网格生成器软件ICEM CFD 11.0(Ansys Inc.，美国)，数学模型处理使用CFX 11.0(Ansys Inc.，美国)软件。初始和边界条件设定如下:①桨叶和轴区相对流变区域是静止的;②没有避免边界条件;③残留误差设定为1×10－4;④本实验的模拟中应用Eulerian-Eulerian和kε湍流模型。本模拟实验中，秸秆被假设为假塑流体，蒸汽被假设为通入罐内的惰性气体。秸秆和水质量比2∶1的预浸条件下，通过测定扭矩的方法，测得其表观黏度为2.31 Pa·s，气体的密度被设定为14.18 g/L，该值相当于250℃、3.0 MPa下的蒸汽密度，通入反应器的气体流速设定为1.75 m/s，相当于在3 min内通入700 g热蒸汽时的气速。保守气含率用于表征模拟过程的气液混合情况。

1.9 检测方法

糖类和抑制物都使用HPLC(日本岛津公司)检测，检测条件:Aminex HPX-87H柱(美国Bio-Rad公司)、RID-10A示差检测器(日本岛津公司)，柱温65℃，流动相为 0.005 mol/L H2SO4，流速 0.6 mL/min。所有待测试样都经过稀释和0.22 μm滤膜过滤处理。

2 结果与讨论

2.1 螺带式搅拌对高固体含量秸秆的混合

为了考察螺带式搅拌桨在处理高固体含量秸秆时的混合性能，笔者首先采用不同尺度的带有螺带搅拌桨的冷模反应器进行实验。转速50 r/min、含水量50%条件下玉米秸秆和水的混合时间的模拟实验分别在5、50以及500 L反应器中进行，图3为不同规模反应器中进行的秸秆和水的混合实验结果。

图3 螺带式反应器中玉米秸秆和水的混合时间的模拟Fig.3 Mixing of corn stover and water in the helical ribbon stir reactor

图1中的P1～P8表示冷模实验的重复次数。由图3可知:在冷模实验中，水相的分布随着搅拌时间的延长渐渐趋于稳定，固液两相均匀混合(即含水量稳定在50%)，基本都在3 min左右完成。在不同规模的反应器中，其混合均匀的时间在2～3 min。因此，在螺带桨搅拌器反应器中，固体秸秆和液体的混合可以在短时间内完成，为真实预处理反应过程在螺带搅拌桨反应器内的可行性提供了基础。

2.2 螺带搅拌桨预处理反应器中的干式稀酸预处理

在静置预处理反应器中，反应器体积10 L(直径180 mm、高400 mm)，直筒型不带搅拌桨，预处理条件为190℃、酸用量2%或2.5%，停留时间3 min，通过蒸汽加热至190℃，升温时间10 min。运用同样的蒸汽发生器在20 L预处理反应器时，由于反应体积的增大造成了供气不足，使得从185℃升至190℃耗时过长;而在同样的升温时间内，预处理温度最高达到了185℃。因此在新型预处理反应器过程中，反应条件定为185℃、酸用量2%或2.5%、停留时间3 min、搅拌转速50 r/min。通过72 h的酶解糖化得率以及预处理秸秆中各组分的测定表征2种不同预处理方式的效率(图4)。

图4 螺带搅拌桨预处理反应器与静态预处理反应器中的预处理比较Fig.4 Comparison of the pretreatment efficiencies in the new and old reactors

图4(a)为不同条件下酶解糖化的纤维素转化率的比较，是最直观评价预处理效率的指标。从图4(a)中可以看出:在2%或2.5%酸用量下，螺带式搅拌预处理反应器中玉米秸秆的纤维素转化率分别达到了77.55%和87.11%，比静置预处理反应器中得到的玉米秸秆(72.13%和85.12%)提高了7.6%和2.4%，值得一提的是，该反应中，预处理温度因为反应器原因降低了5℃，而通常预处理的效率是随着温度的升高而逐渐增加的，但在搅拌式反应器中糖化效果反而略高，因此认为螺带桨在过程中的持续搅拌对预处理有一定的促进作用。

除了最直接的纤维素转化率之外，预处理秸秆中游离的糖类(图4(b))和抑制物(图4(c))也是评价预处理过程的重要指标。从图4(b)中可以看出:在2%酸用量条件下，单糖相差并不大，但是寡糖含量相差较大，搅拌式处理秸秆中木寡糖含量较高，每克干固体中产生了84 mg木寡糖，比静置预处理的秸秆高了10 mg左右。在稀酸预处理过程中，木聚糖非常容易降解为木糖以及木寡糖，随后在稀酸高温条件下，木糖和木寡糖会进一步降解为糠醛抑制物。从图4可以看出:搅拌式预处理得到的秸秆木寡糖含量较高，而糠醛含量则远小于静置预处理的秸秆，说明木聚糖的进一步降解作用在带有搅拌的预处理过程中被大大降低了，原因主要是搅拌作用能够避免静置预处理反应器中的部分过度预处理。同样在葡聚糖的降解过程也体现了这一点，静置预处理秸秆的葡寡糖以及葡萄糖含量都高于搅拌式预处理的秸秆;但静置预处理的秸秆中，每克干固体中产生了 2.35 mg 5-羟甲基糠醛(5-HMF)，比新处理秸秆中的含量(0.90 mg)高了2倍多。因为在静止的预处理过程中，堆积在底部的物料不断地和热蒸汽进行接触并吸收蒸汽［10］，因此这一部分的处理强度大于上部的物料，造成了葡聚糖降解为5-HMF的现象;而在带有搅拌的预处理过程中，玉米秸秆不停地被搅动，难以和蒸汽局部过度接触，所以产生了较少的抑制物。

在2.5%酸用量下，该现象也同样明显。从图4中还可以看出:新预处理秸秆中，每克干固体中产生了102 mg木糖，比静置预处理秸秆高了20 mg，而每克干固体中所产生的糠醛和乙酸含量(6.28和8.12 mg)都低于静置预处理秸秆(9.0和12.1 mg)，说明在搅拌作用下，木糖也得到了较多程度的保留。

从上述结果可以说明，螺带式预处理搅拌桨在玉米秸秆干式稀酸预处理过程中起到了重要的作用，可以在185℃下，得到与原先190℃条件下相类似的预处理效果，并且大大降低了预处理后的抑制物浓度。

2.3 螺带搅拌桨预处理反应器中气固两相CFD模拟

在2.2部分中，螺带式搅拌桨对预处理过程的促进作用非常明显，主要是促进了两相的混合，避免蒸汽在某个部位过度加热。因此，借助计算流体力学方法，对预处理过程中的两相混合做了简单的模拟。模拟中，将预浸后的秸秆假设为假塑流体，其表观黏度在先前的冷模实验中使用扭矩仪进行了测定，为2.31 Pa·S，而蒸汽被假设成为通入反应器的惰性气体，其气速根据高温高压下蒸汽密度进行计算，为1.75 m/s。

图5为保守气含率表征蒸汽在反应器中的分布情况。从图5可以看出:随着搅拌转速的提升，蒸汽的分布逐渐趋于均匀，分布到整个反应器中;当转速增大到50 r/min之后，蒸汽的分布基本相同。在没有搅拌的过程中，蒸汽的分布集中于靠近蒸汽入口的部分，使得那一部分与蒸汽过分接触，导致预处理强度的不均一以及过高的抑制物浓度，该CFD模拟简单说明了带有螺带式搅拌器的反应器在预处理反应过程中起到气固两相的混合作用，这也可能是带有螺带搅拌的预处理整体效果强于静态预处理的原因。

图5 不同转速下预处理反应器中蒸汽的分布Fig.5 Gas fraction of steam in helically agitated reactor

3 结论

通过冷模实验方法验证了螺带搅拌桨混合高固体含量秸秆和水的良好性能，并设计制造了20 L螺带桨预处理反应器。研究发现:在带有搅拌的预处理过程中，较低的处理温度下却得到了更高效的预处理效果，该条件下预处理秸秆的酶解糖化得率、单糖产生以及抑制物的生成等方面都优于静态预处理过程得到的秸秆。CFD模型简单解释了反应过程中气相与固相的混合情况，在带有搅拌的过程中，气相的分布更加均匀，达到更均匀的预处理效果，这也可能是预处理效果增强的原因。本研究为预处理过程的有效放大奠定了基础，为干式稀酸预处理方法运用于工业化纤维乙醇生产提供了有益的参考。

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