甘蔗渣乙醇化预处理方法比较*

舒雪梅，刘建本，刘红艳

(吉首大学化学化工学院，湖南 吉首 416000)

甘蔗渣乙醇化预处理方法比较*

舒雪梅，刘建本，刘红艳

(吉首大学化学化工学院，湖南 吉首 416000)

用稀硫酸、氢氧化钠及超声波辅助碱法对甘蔗渣进行乙醇化预处理，研究酸、碱的质量分数、温度、时间、质量浓度对甘蔗渣预处理的影响.在硫酸质量分数为0.8%、质量浓度为1∶25(g/mL)、温度为135 ℃ 的条件下反应4 min，经酶水解后糖质量分数为17.81%(g/g)；在氢氧化钠质量分数为9%、质量浓度为1∶8(g/mL)、温度为40 ℃的条件下反应15 min，经酶水解后糖质量分数为14.50%(g/g)；超声波能够强化甘蔗渣碱预处理，处理液经酶水解后的糖质量分数达18.65%(g/g).

甘蔗渣；燃料乙醇；预处理

乙醇是生物质液体能源的主要形式，清洁可再生，是化石燃料的理想替代品.在石油资源日趋枯竭的严峻形势下，发展燃料乙醇等生物能源，是能源研究的一个重要方向[1-4].

中国南方蔗区每年总产甘蔗量7 000 多万t，甘蔗渣纤维的产量约700 万t[5]，主要作为燃料烧掉或废弃，将由此造成大量的资源浪费和生态环境污染.目前，世界各国特别是能源短缺的国家正加大对甘蔗渣等制糖副产物能源利用的研究.将这些丰富的纤维素转化为清洁燃料的关键，是寻找有效的预处理技术来提高酶水解纤维素为葡萄糖等可溶性发酵糖的水平,进而通过酵母发酵将糖转化为乙醇[6].预处理的目的是去除阻碍糖化和发酵的生物质内在结构，粉碎木质素对纤维素的保护，瓦解纤维素的晶体结构，使之与生物酶充分接触，取得良好的水解效果.

对生物质进行预处理方法主要分为4类，即物理法、化学法、生物法以及综合法[7-8].化学法常用的是酸法和碱法.其中酸法是研究得最早、最深入的化学预处理方法，稀硫酸预处理法操作简单、反应时间短，稀硫酸法可以破坏原料中纤维素的晶体结构，使原料变得疏松，从而使生物质原料得到充分利用[9-10]；碱法是利用木质素能够溶于碱性溶液的特点，脱除木质素，引起木质纤维原料润胀，导致纤维内部表面积增加，聚合度降低，结晶度下降，在预处理后进行酶水解时，有利于纤维素与酶充分的接触，从而促进酶水解的进行[11-12]；利用超声波在纤维表面引起的物理、化学变化可以达到对纤维表面改性的目的，所以可以利用超声波产生的强烈振动、高的加速度、强烈的空化效应、搅拌作用等促进纤维离析过程中对纤维表面的破坏.笔者针对甘蔗渣的特点，研究以上3种方法处理甘蔗渣,经纤维素酶水解,测定水解后含糖量，间接比较甘蔗渣的预处理效果.

1 材料与方法

1.1材料

1.1.1 供试甘蔗渣 取源于广西的甘蔗，处理后所得甘蔗渣(纤维素质量分数为36.42%)，经过洗净、烘干、粉碎至30～120目备用.

1.1.2 仪器与试剂 仪器：DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，AN0887电子天平，数显鼓风干燥箱，SHB-III 循环水式多用真空泵，KQ-250超声波仪.

试剂：浓硫酸、葡萄糖、五水硫酸铜、次甲基兰、酒石酸钾钠、氢氧化钠、亚铁氰化钾[K4Fe(CN)6]，以上试剂均为分析纯；纤维素酶(生化试剂).

1.2方法

1.2.1 甘蔗渣稀硫酸法预处理单因素条件实验 每次取1 g样品加入一定质量分数的稀硫酸溶液，置于油浴(硅油)中进行预处理，将处理液冷却至室温且调节pH值为4.8，加入0.1 g纤维素酶于50 ℃恒温水浴中水解12 h，抽滤，将滤液定容，采用费林试剂热滴定法测定糖含量[13].按上述步骤分别研究硫酸质量分数、质量浓度(g/mL)、反应温度、反应时间对预处理的影响.

1.2.2 甘蔗渣氢氧化钠法预处理单因素条件实验 每次取1 g样品加入一定质量分数的氢氧化钠溶液，置于水浴中进行预处理，将处理液冷却至室温且调节pH值为4.8，加入0.1 g纤维素酶于50 ℃恒温水浴中水解12 h，抽滤，将滤液定容，采用费林试剂热滴定法测定糖含量.按上述步骤分别研究氢氧化钠质量分数、质量浓度(g/mL)、反应温度、反应时间对预处理的影响.

1.2.3 优化及超声辅助处理 根据以上单因素条件试验结果，综合找出合适范围，进行四因素三水平正交优化实验及优化验证实验.对于氢氧化钠甘蔗渣乙醇化预处理，在正交实验优化条件基础上再进行超声波强化研究.

2 结果与讨论

2.1单因素试验筛选结果

2.1.1 稀硫酸预处理 稀硫酸法预处理的因素水平表见表1，单因素试验筛选结果见图1.由图1可知，升高温度既能提高反应的速度，同时也加快了副产物的生成，从而使糖含量降低，在硫酸质量分数、质量浓度和反应时间一定的情况下，选择预处理温度范围为135～165 ℃.在一定的反应时间、温度和质量浓度条件下，还原糖浓度随酸质量分数增加而增加，但到某一程度会下降.在反应中，随着酸质量分数的增加，氢离子浓度增加，使反应速度加快，单位时间内产糖量提高，但当酸质量分数增加到一定程度后，生成副产物的速率加快，使还原糖含量降低，故选择硫酸质量分数范围为0.6%～1.0%.随着质量浓度的增加，还原糖质量分数升高，当质量浓度增加到一定程度后，还原糖质量分数随质量浓度的增加而降低.质量浓度增大，酸也增加，副产物也随之增多，糖质量分数降低，还增加了酸耗，因此试验选择质量浓度范围为1∶20～1∶30.预处理时间的选择也是很重要的，时间过短则反应不完全，随着处理时间的增加，糖含量逐渐增大，但处理时间过长，副产物增多，还原糖浓度反而降低，而且延长了设备的运转周期.根据结果显示，选择反应时间范围为2～4 min.

表1 稀硫酸法预处理的因素与水平

图1 稀硫酸预处理单因素试验筛选结果

2.1.2 氢氧化钠预处理 氢氧化钠预处理的因素水平表见表2，单因素试验筛选结果见图2.由图2可知，随着温度的升高，木质素越易脱除，糖含量不断地增加；当温度上升至50 ℃以后，糖含量下降，这是因为当温度升高到一定值时，部分糖容易发生分解反应，生成糠醛等副产物，使糖含量降低.因此，选择温度范围为40～60 ℃.处理时间太短，氢氧化钠不能完全脱除木质素，影响水解效率；处理时间过长，会使纤维素部分溶解而减少处理液中的糖含量.考虑到糖产量和节约时间，选择处理时间范围为15～25 min.随着氢氧化钠质量分数的增加，酶与纤维素内部可及表面积逐渐增加，从而使糖质量分数逐渐增加；当碱质量分数增加到10%后，随着碱质量分数增加，有效碱对碳水化合物的损害作用增加，糖质量分数逐渐下降.所以，选择碱质量分数范围为9%～10%.随着质量浓度增加，还原糖质量分数升高，当质量浓度增加到一定程度后，还原糖质量分数随质量浓度的增加而降低.当质量浓度较低时，不易脱除木质素；当质量浓度大于1∶10后，多余的氢氧化钠会使纤维素遭到破坏.综合考虑，选择质量浓度范围为1∶8～1∶12.

表2 氢氧化钠预处理的因素与水平

图2 氢氧化钠预处理单因素试验筛选结果

2.2正交实验结果

2.2.1 稀硫酸预处理的优化 为确定预处理过程的优选工艺条件，以糖含量为考察指标，根据单因素实验的最佳范围设计L9(34)正交试验.因素水平见表3，正交试验结果数据及极差分析见表4.由表4的极差可以看出影响预处理水解后糖含量的主要因素是硫酸质量分数，其次是处理时间，再次是质量浓度，影响最小的是温度.根据正交试验的结果，选择优化组合是A1B2C2D3，即反应温度为135 ℃，硫酸浓度为0.8%，质量浓度为1∶25，反应时间为4 min.

2.2.2 氢氧化钠预处理的优化 为确定预处理过程的优选工艺条件，以糖含量为考察指标，根据单因素实验的最佳范围设计L9(34)正交试验.因素水平见表5，正交试验结果数据及极差分析见表6.由表5的极差可以看出影响预处理水解糖含量的主要因素是温度，其次时间，质量浓度次之，氢氧化钠质量分数的影响最小.根据正交试验的结果，选择优化组合是A1B1C1D1，即温度为40 ℃，时间为15 min，碱浓度为9%，质量浓度1∶8.

表3 稀硫酸预处理正交实验因素水平

表4 稀硫酸预处理L9(34) 正交实验结果及极差分析

表5 氢氧化钠预处理正交实验因素水平

表6 氢氧化钠预处理L9(34)正交实验结果及极差分析

2.3优化条件实验

2.3.1 稀硫酸和氢氧化钠预处理法 综合以上试验结果，稀硫酸预处理法选取温度为135 ℃，质量浓度为1∶25，硫酸质量分数为0.8%，时间为 4 min，按1.2.1节步骤进行3次重复实验，测得平均糖质量分数为17.81%；氢氧化钠法预处理法选取温度为40 ℃，质量浓度为1∶8，碱质量分数为9%，时间为15 min，按1.2.1节步骤进行3次重复实验，测得平均糖质量分数为14.50%.

2.3.2 超声波强化探究实验 在氢氧化钠预处理优化条件基础上进行超声波强化对比试验，结果见表7.由表7可知，超声波能够强化甘蔗渣碱预处理，糖质量分数增加了4.15%.超声波之所以能够强化甘蔗渣碱预处理，是因为超声波预处理表现为细纤维化作用和超声润胀作用，能够打开更多的纤维孔隙，增强纤维润胀性能，提高酶与纤维素反应的可接触面积.

表7 超声波辅助氢氧化钠预处理实验结果比较

3 结论

甘蔗渣经过稀硫酸处理后，半纤维素大量溶解，纤维素大量暴露出来，通过温度165 ℃、反应时间4 min、硫酸质量分数0.8%、质量浓度1∶20的优化处理，得出处理液中糖质量分数可达17.81%.而氢氧化钠预处理法能有效地脱除木质素，引起木质纤维原料润胀，导致纤维内部表面积增加，聚合度降低，结晶度下降.采用温度40 ℃，时间15 min，碱质量分数9%，质量浓度1∶8的优化处理，得出优化处理液中糖质量分数达14.50%.由此可以得出稀硫酸法相对于氢氧化钠法对甘蔗渣的预处理效果更好，使糖质量分数可增加3.31%.而超声波能够强化甘蔗渣碱预处理，糖质量分数可达18.65%，比只用氢氧化钠预处理甘蔗渣的情况下增加了4.15%，比用稀硫酸预处理甘蔗渣的情况下增加了0.84%.

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(责任编辑 易必武)

ComparativeStudyonMethodsofDretreatingBagassebyEthanol

SHU Xuemei,LIU Jianben,LIU Hongyan

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Jishou University,Jishou 416000,Hunan China)

Bagasse is pretreated by sulphuric acid,sodium hydroxide and alkalinity with supplementary of ultrasonic ware.The effects of different concentration,solid-liquid ratio,different temperature and processing time on pretreatment are studied.With the mass fraction of the sulphuric acid 0.8%,the ratio of liquid to material (g/mL)1∶25,and the temperature 135 ℃ for 4 min,sugar content hydrolyzed by enzyme reaches 17.81% (g/g).With concentration with the mass fraction of the sodium hydroxide 9%,the ratio of liquid to material (g/mL)1∶8,and the temperature 40 ℃ for 15 min，the sugar content hydrolyzed by enzyme achieves 14.50% (g/g).Ultrasonic wave can strengthen the bagasse alkali pretreatment and the sugar content hydrolyzed by enzyme is 18.65%(g/g).

bagasse;fuel ethanol;pretreatment

1007-2985(2014)01-0083-05

2013-10-27

吉首大学化学实验中心大学生研究性学习和创新性实验计划(2012ZXJJ10)

刘建本(1955-)，女(土家族)，湖南攸县人，吉首大学化学化工学院教授，主要从事天然产物研究.E-mail：Liujianben@163.com.

S216.2

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.01.019