玉米秸秆制备乙醇预处理及水解工艺的研究

张西亚++袁红++郜路珊

摘要：以玉米秸秆为原料，利用2%NaOH溶液对原料进行预处理，并研究预处理温度、时间、秸秆粒度对纤维素、半纤维素、木质素的含量以及脱除率的影响。结果表明，当温度为100 ℃、时间为4 h、粒度为16目时，半纤维素和木质素的脱降率达90.6%和86.4%，纤维素含量达53%。采用浓硫酸法对预处理后的秸秆进行水解工艺研究，在比较了液固比、时间、温度、酸浓度等单因素影响后，采用正交试验进行优化，得到最佳水解工艺的条件：温度为50 ℃、时间为10 min、硫酸浓度为72%、液固比为10 mL ∶1 g。

关键词：玉米秸秆；预处理；碱法；水解；浓硫酸

中图分类号：TQ353.6+4文献标志码：A文章编号：1002-1302（2014）10-0273-03

收稿日期：2013-12-15

基金项目：国家自然科学基金（编号：21266001）；宁夏回族自治区科技支撑计划（编号：2012zyg008）。

作者简介：张西亚（1979—），女，硕士，讲师，主要从事有机合成研究。E-mail：zhangxiya1212@163.com。

通信作者：袁红，博士，副教授，从事可再生能源研究。 E-mail：yhyxw_co@163.com。我国经济飞速发展，能源供应紧张的问题也日益突显。相比较于汽油，乙醇燃料可减少90%的温室气体排放，因此是一种很好的环保能源[1]。自然界中有丰富的植物纤维，我国农作物秸秆年产近7×108吨[2]，采用秸秆进行能源转化可以得到燃料乙醇，相对于以粮食为原料生产乙醇，不仅可充分利用农林废弃物，而且可避免对粮食资源的消耗。秸秆主要组成是纤维素、半纤维素和木质素，秸秆制备乙醇的工艺主要由原料预处理、水解糖化和发酵3步构成。秸秆中的纤维素可水解为6碳糖，再通过生物发酵转化成乙醇。由于纤维素被木质素层层包裹，而且其本身是高度有序晶体结构，因此须通过预处理，使纤维素、半纤维素、木质素分离开，破坏晶体结构，降低聚合度[3]。原料预处理方法主要有物理法、物理化学法、化学法和生物法。物理法主要包括机械粉碎和热水法，机械粉碎是采用剪切或研磨缩小物料的粒度，以期提高原料的比表面积，降低植物纤维的结晶度，机械粉碎法现已不单独使用，多与其他方法配合使用。热水法是采用高温热水溶解半纤维素及脱出部分木质素，该方法存在消耗大量热水的缺点[4]。物理化学法是采用高压蒸汽处理原料，破坏原料细胞壁结构，使木质素和纤维素分离，缺点是对设备要求高，产生的副产物较多[5]。化学方法是在原料中加入酸或碱，破坏植物纤维的晶型结构，使木质素与纤维素相互剥离，同时溶解半纤维素。碱法预处理是通过碱与连接半纤维素间、半纤维素与木质素间的酯键发生皂化作用，从而破坏连接键，降低植物纤维的聚合度、结晶度，碱法可有效脱除木质素[6]。本研究采用玉米秸秆为原料，采用碱法进行原料预处理，考察了预处理工艺中温度、时间和粒度对纤维素、半纤维素、木质素含量以及脱除率的影响；采用浓硫酸法对预处理后的秸秆进行了水解研究，考察水解工艺中液固比、时间、温度、硫酸浓度对还原糖得率的影响，在此基础上进行了水解工艺的正交优化。

1材料与方法

1.1原料与试剂

通过正交试验数据可以看出，由离差平方和R数值的大小说明温度、时间、硫酸浓度和液固比对还原糖得率的影响，R值越大说明影响越大，因此影响因素为温度>液固比>时间>硫酸浓度，即A>D>B>C。因此，可以得出温度对还原糖得率的影响最大，硫酸浓度最小，其他影响因素次之。k值的大小可以说明各因素对还原糖得率的影响程度，k值越大，说明还原糖得率越高，综合比较各水平k值的大小可以得出秸秆水解的最优水平为A2B2C2D1，最佳工艺条件为：温度为50 ℃，时间为10 min，硫酸浓度为72%，液固比为10 mL ∶1 g。

3结论

采用玉米秸秆为原料，选用碱法进行原料预处理，考察了预处理工艺中单因素温度、时间、粒度对纤维素、半纤维素和木质素含量以及脱除率的影响，结果表明，当温度为100 ℃、时间为4 h、氢氧化钠浓度为2%、粒度为16目，半纤维素、木质素的脱除率分别达90.6%和86.4%，此时纤维素含量可高达53%。在浓硫酸水解工艺中，通过正交法得到最优水解工艺条件：温度为50 ℃，时间为10 min，硫酸浓度为72%，液固比为10 mL ∶1 g。

参考文献：

[1]王许涛，周恒涛，张百良. 秸秆生产乙醇的预处理方法分析[J]. 安徽农业科学，2007，35（22）：6883-6884，6886.

[2]赵岩. 秸秆制乙醇的超临界亚临界组合预处理与水解研究[D]. 北京：清华大学，2009.

[3]张亮，伍小兵，翟井振. 玉米秸秆发酵生产燃料乙醇的研究综述[J]. 安徽农业科学，2007，35（11）：3365-3366.

[4]孙万里. 稻草秸秆的预处理及生产乙醇的研究[D]. 无锡：江南大学，2010.

[5]陈明. 利用玉米秸秆制取燃料乙醇的关键技术研究[D]. 杭州：浙江大学，2007.

[6]王联结，陈建华. 木质纤维原料预处理技术[J]. 现代化工，2007，27（6）：66-70.

[7]刘书钗. 制浆造纸分析与检测[M]. 北京：化学工业出版社，2004：28-31.

[8]王林风，程远超. 硝酸乙醇法测定纤维素含量[J]. 化学研究，2011，22（4）：52-55，71.

[9]熊素敏，左秀凤，朱永义. 稻壳中纤维素、半纤维素和木质素的测定[J]. 粮食与饲料工业，2005（8）：40-41.

[10]麻越佳. 稻壳制备燃料乙醇及综合利用[D]. 长春：吉林大学，2011.

[11]潘晓辉. 微波预处理玉米秸秆的工艺研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007：6-10.

摘要：以玉米秸秆为原料，利用2%NaOH溶液对原料进行预处理，并研究预处理温度、时间、秸秆粒度对纤维素、半纤维素、木质素的含量以及脱除率的影响。结果表明，当温度为100 ℃、时间为4 h、粒度为16目时，半纤维素和木质素的脱降率达90.6%和86.4%，纤维素含量达53%。采用浓硫酸法对预处理后的秸秆进行水解工艺研究，在比较了液固比、时间、温度、酸浓度等单因素影响后，采用正交试验进行优化，得到最佳水解工艺的条件：温度为50 ℃、时间为10 min、硫酸浓度为72%、液固比为10 mL ∶1 g。

关键词：玉米秸秆；预处理；碱法；水解；浓硫酸

中图分类号：TQ353.6+4文献标志码：A文章编号：1002-1302（2014）10-0273-03

收稿日期：2013-12-15

基金项目：国家自然科学基金（编号：21266001）；宁夏回族自治区科技支撑计划（编号：2012zyg008）。

作者简介：张西亚（1979—），女，硕士，讲师，主要从事有机合成研究。E-mail：zhangxiya1212@163.com。

通信作者：袁红，博士，副教授，从事可再生能源研究。 E-mail：yhyxw_co@163.com。我国经济飞速发展，能源供应紧张的问题也日益突显。相比较于汽油，乙醇燃料可减少90%的温室气体排放，因此是一种很好的环保能源[1]。自然界中有丰富的植物纤维，我国农作物秸秆年产近7×108吨[2]，采用秸秆进行能源转化可以得到燃料乙醇，相对于以粮食为原料生产乙醇，不仅可充分利用农林废弃物，而且可避免对粮食资源的消耗。秸秆主要组成是纤维素、半纤维素和木质素，秸秆制备乙醇的工艺主要由原料预处理、水解糖化和发酵3步构成。秸秆中的纤维素可水解为6碳糖，再通过生物发酵转化成乙醇。由于纤维素被木质素层层包裹，而且其本身是高度有序晶体结构，因此须通过预处理，使纤维素、半纤维素、木质素分离开，破坏晶体结构，降低聚合度[3]。原料预处理方法主要有物理法、物理化学法、化学法和生物法。物理法主要包括机械粉碎和热水法，机械粉碎是采用剪切或研磨缩小物料的粒度，以期提高原料的比表面积，降低植物纤维的结晶度，机械粉碎法现已不单独使用，多与其他方法配合使用。热水法是采用高温热水溶解半纤维素及脱出部分木质素，该方法存在消耗大量热水的缺点[4]。物理化学法是采用高压蒸汽处理原料，破坏原料细胞壁结构，使木质素和纤维素分离，缺点是对设备要求高，产生的副产物较多[5]。化学方法是在原料中加入酸或碱，破坏植物纤维的晶型结构，使木质素与纤维素相互剥离，同时溶解半纤维素。碱法预处理是通过碱与连接半纤维素间、半纤维素与木质素间的酯键发生皂化作用，从而破坏连接键，降低植物纤维的聚合度、结晶度，碱法可有效脱除木质素[6]。本研究采用玉米秸秆为原料，采用碱法进行原料预处理，考察了预处理工艺中温度、时间和粒度对纤维素、半纤维素、木质素含量以及脱除率的影响；采用浓硫酸法对预处理后的秸秆进行了水解研究，考察水解工艺中液固比、时间、温度、硫酸浓度对还原糖得率的影响，在此基础上进行了水解工艺的正交优化。

1材料与方法

1.1原料与试剂

通过正交试验数据可以看出，由离差平方和R数值的大小说明温度、时间、硫酸浓度和液固比对还原糖得率的影响，R值越大说明影响越大，因此影响因素为温度>液固比>时间>硫酸浓度，即A>D>B>C。因此，可以得出温度对还原糖得率的影响最大，硫酸浓度最小，其他影响因素次之。k值的大小可以说明各因素对还原糖得率的影响程度，k值越大，说明还原糖得率越高，综合比较各水平k值的大小可以得出秸秆水解的最优水平为A2B2C2D1，最佳工艺条件为：温度为50 ℃，时间为10 min，硫酸浓度为72%，液固比为10 mL ∶1 g。

3结论

采用玉米秸秆为原料，选用碱法进行原料预处理，考察了预处理工艺中单因素温度、时间、粒度对纤维素、半纤维素和木质素含量以及脱除率的影响，结果表明，当温度为100 ℃、时间为4 h、氢氧化钠浓度为2%、粒度为16目，半纤维素、木质素的脱除率分别达90.6%和86.4%，此时纤维素含量可高达53%。在浓硫酸水解工艺中，通过正交法得到最优水解工艺条件：温度为50 ℃，时间为10 min，硫酸浓度为72%，液固比为10 mL ∶1 g。

参考文献：

[1]王许涛，周恒涛，张百良. 秸秆生产乙醇的预处理方法分析[J]. 安徽农业科学，2007，35（22）：6883-6884，6886.

[2]赵岩. 秸秆制乙醇的超临界亚临界组合预处理与水解研究[D]. 北京：清华大学，2009.

[3]张亮，伍小兵，翟井振. 玉米秸秆发酵生产燃料乙醇的研究综述[J]. 安徽农业科学，2007，35（11）：3365-3366.

[4]孙万里. 稻草秸秆的预处理及生产乙醇的研究[D]. 无锡：江南大学，2010.

[5]陈明. 利用玉米秸秆制取燃料乙醇的关键技术研究[D]. 杭州：浙江大学，2007.

[6]王联结，陈建华. 木质纤维原料预处理技术[J]. 现代化工，2007，27（6）：66-70.

[7]刘书钗. 制浆造纸分析与检测[M]. 北京：化学工业出版社，2004：28-31.

[8]王林风，程远超. 硝酸乙醇法测定纤维素含量[J]. 化学研究，2011，22（4）：52-55，71.

[9]熊素敏，左秀凤，朱永义. 稻壳中纤维素、半纤维素和木质素的测定[J]. 粮食与饲料工业，2005（8）：40-41.

[10]麻越佳. 稻壳制备燃料乙醇及综合利用[D]. 长春：吉林大学，2011.

[11]潘晓辉. 微波预处理玉米秸秆的工艺研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007：6-10.

摘要：以玉米秸秆为原料，利用2%NaOH溶液对原料进行预处理，并研究预处理温度、时间、秸秆粒度对纤维素、半纤维素、木质素的含量以及脱除率的影响。结果表明，当温度为100 ℃、时间为4 h、粒度为16目时，半纤维素和木质素的脱降率达90.6%和86.4%，纤维素含量达53%。采用浓硫酸法对预处理后的秸秆进行水解工艺研究，在比较了液固比、时间、温度、酸浓度等单因素影响后，采用正交试验进行优化，得到最佳水解工艺的条件：温度为50 ℃、时间为10 min、硫酸浓度为72%、液固比为10 mL ∶1 g。

关键词：玉米秸秆；预处理；碱法；水解；浓硫酸

中图分类号：TQ353.6+4文献标志码：A文章编号：1002-1302（2014）10-0273-03

收稿日期：2013-12-15

基金项目：国家自然科学基金（编号：21266001）；宁夏回族自治区科技支撑计划（编号：2012zyg008）。

作者简介：张西亚（1979—），女，硕士，讲师，主要从事有机合成研究。E-mail：zhangxiya1212@163.com。

通信作者：袁红，博士，副教授，从事可再生能源研究。 E-mail：yhyxw_co@163.com。我国经济飞速发展，能源供应紧张的问题也日益突显。相比较于汽油，乙醇燃料可减少90%的温室气体排放，因此是一种很好的环保能源[1]。自然界中有丰富的植物纤维，我国农作物秸秆年产近7×108吨[2]，采用秸秆进行能源转化可以得到燃料乙醇，相对于以粮食为原料生产乙醇，不仅可充分利用农林废弃物，而且可避免对粮食资源的消耗。秸秆主要组成是纤维素、半纤维素和木质素，秸秆制备乙醇的工艺主要由原料预处理、水解糖化和发酵3步构成。秸秆中的纤维素可水解为6碳糖，再通过生物发酵转化成乙醇。由于纤维素被木质素层层包裹，而且其本身是高度有序晶体结构，因此须通过预处理，使纤维素、半纤维素、木质素分离开，破坏晶体结构，降低聚合度[3]。原料预处理方法主要有物理法、物理化学法、化学法和生物法。物理法主要包括机械粉碎和热水法，机械粉碎是采用剪切或研磨缩小物料的粒度，以期提高原料的比表面积，降低植物纤维的结晶度，机械粉碎法现已不单独使用，多与其他方法配合使用。热水法是采用高温热水溶解半纤维素及脱出部分木质素，该方法存在消耗大量热水的缺点[4]。物理化学法是采用高压蒸汽处理原料，破坏原料细胞壁结构，使木质素和纤维素分离，缺点是对设备要求高，产生的副产物较多[5]。化学方法是在原料中加入酸或碱，破坏植物纤维的晶型结构，使木质素与纤维素相互剥离，同时溶解半纤维素。碱法预处理是通过碱与连接半纤维素间、半纤维素与木质素间的酯键发生皂化作用，从而破坏连接键，降低植物纤维的聚合度、结晶度，碱法可有效脱除木质素[6]。本研究采用玉米秸秆为原料，采用碱法进行原料预处理，考察了预处理工艺中温度、时间和粒度对纤维素、半纤维素、木质素含量以及脱除率的影响；采用浓硫酸法对预处理后的秸秆进行了水解研究，考察水解工艺中液固比、时间、温度、硫酸浓度对还原糖得率的影响，在此基础上进行了水解工艺的正交优化。

1材料与方法

1.1原料与试剂

通过正交试验数据可以看出，由离差平方和R数值的大小说明温度、时间、硫酸浓度和液固比对还原糖得率的影响，R值越大说明影响越大，因此影响因素为温度>液固比>时间>硫酸浓度，即A>D>B>C。因此，可以得出温度对还原糖得率的影响最大，硫酸浓度最小，其他影响因素次之。k值的大小可以说明各因素对还原糖得率的影响程度，k值越大，说明还原糖得率越高，综合比较各水平k值的大小可以得出秸秆水解的最优水平为A2B2C2D1，最佳工艺条件为：温度为50 ℃，时间为10 min，硫酸浓度为72%，液固比为10 mL ∶1 g。

3结论

采用玉米秸秆为原料，选用碱法进行原料预处理，考察了预处理工艺中单因素温度、时间、粒度对纤维素、半纤维素和木质素含量以及脱除率的影响，结果表明，当温度为100 ℃、时间为4 h、氢氧化钠浓度为2%、粒度为16目，半纤维素、木质素的脱除率分别达90.6%和86.4%，此时纤维素含量可高达53%。在浓硫酸水解工艺中，通过正交法得到最优水解工艺条件：温度为50 ℃，时间为10 min，硫酸浓度为72%，液固比为10 mL ∶1 g。

参考文献：

[1]王许涛，周恒涛，张百良. 秸秆生产乙醇的预处理方法分析[J]. 安徽农业科学，2007，35（22）：6883-6884，6886.

[2]赵岩. 秸秆制乙醇的超临界亚临界组合预处理与水解研究[D]. 北京：清华大学，2009.

[3]张亮，伍小兵，翟井振. 玉米秸秆发酵生产燃料乙醇的研究综述[J]. 安徽农业科学，2007，35（11）：3365-3366.

[4]孙万里. 稻草秸秆的预处理及生产乙醇的研究[D]. 无锡：江南大学，2010.

[5]陈明. 利用玉米秸秆制取燃料乙醇的关键技术研究[D]. 杭州：浙江大学，2007.

[6]王联结，陈建华. 木质纤维原料预处理技术[J]. 现代化工，2007，27（6）：66-70.

[7]刘书钗. 制浆造纸分析与检测[M]. 北京：化学工业出版社，2004：28-31.

[8]王林风，程远超. 硝酸乙醇法测定纤维素含量[J]. 化学研究，2011，22（4）：52-55，71.

[9]熊素敏，左秀凤，朱永义. 稻壳中纤维素、半纤维素和木质素的测定[J]. 粮食与饲料工业，2005（8）：40-41.

[10]麻越佳. 稻壳制备燃料乙醇及综合利用[D]. 长春：吉林大学，2011.

[11]潘晓辉. 微波预处理玉米秸秆的工艺研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007：6-10.