响应曲面法优化稀硫酸预处理玉米秸秆

朱 艳，王 奇，原 帅，2

（1.西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安710048；2.浙江大学 材料科学与工程学系，浙江 杭州310027）

由于能源需求量的急剧增长和石油供应紧张之间的矛盾日益加剧，以及化石燃料的使用产生的环境问题，都使得人们迫切需要一种环境友好型的、可再生的绿色能源，燃料乙醇以其安全清洁、环保和可再生的特点得到世界各国的普遍关注［1］.我国的纤维资源十分丰富，作物秸秆每年的产量就有7亿多吨，相当于标准煤5亿吨，仅玉米秸秆一项的年产量约为2亿吨［2］.

木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素及灰分等组成，纤维素不仅被木质素和半纤维素所包裹，还具有高度的结晶性和聚合度，因此在发酵前必须进行预处理.作用主要是增大原料的内孔面积，破坏纤维素的结晶性并降低聚合度，脱出木质素和半纤维素的包覆作用，便于纤维素酶对纤维素的吸附，提高反应速度，降低成本［3］.玉米秸秆的处理包括焚烧、还田［4－5］、作为饲料［6］、发酵生成沼气［7］、用于吸附［8］、生物预处理［9－11］、造纸等.本文研究在玉米秸秆制备乙醇的过程中采用稀硫酸对玉米秸秆进行预处理，研究了温度、硫酸质量浓度、时间和固液比的影响，并用响应曲面法进行优化，对产物进行扫描电子显微镜（SEM），红外光谱（IR）及X－射线衍射（XPD）分析.

1 实 验

1.1 试剂与仪器

1.1.1 试剂 将玉米秸秆（西安临潼）自然干燥后粉碎成实验所需要的粒径，并在105℃干燥恒重备用；浓硫酸（北京化工厂）；3，5－二硝基水杨酸（上海科丰化学试剂有限公司）；氢氧化钠（天津市东丽区天大化学试剂厂）；酒石酸钾钠；（天津市天力化学试剂有限公司）；苯酚（天津市红岩化学试剂厂）；亚硫酸钠（天津市百世化工有限公司），葡萄糖（天津市天力化学试剂有限公司）等.

1.1.2 仪器 ZK型真空干燥箱（北京科伟永兴仪器有限公司），712分光光度计（上海第三分析仪器厂），

电子天平（上海精密科学仪器有限公司），数控超级恒温槽（宁波天恒仪器厂）等.

1.2 方法

称取适量已干燥恒重的玉米秸杆，按不同的固液比加入相应浓度的硫酸搅拌均匀，按照不同的温度（低温水解在恒温槽中进行，高温在恒温加热磁力搅拌器中进行，处理不同的时间，反应结束后迅速冷却），过滤并用热水洗涤残渣至滤液呈中性.滤液调节p H值后，测定其中还原糖的含量.在105℃时烘干并称重，进行水分［12］、木质纤维素含量［13］和预处理液中还原糖［14］的测定.用SEM、IR和XRD表征秸秆预处理后的结构.用Segal公式求得其结晶度.

2 结果与分析

响应曲面法（RSM）是多变量的建模和优化的一种统计方法，在一系列的测试过程中它通过一阶或二阶多项式方程与插值相结合进行实验设计，进而确定最优工艺条件.这种方法已成功地应用于包括纤维素的一些物质酶水解的优化［11］.

2.1 响应曲面设计

依据前面单因素实验，找到影响因素的大致范围后，再在固液比为10%的情况下用响应曲面法进行优化.根据Box－Behnken设计原则，考察温度，时间，硫酸质量百分数3个因素，以温度（X1）、时间（X2）、硫酸质量浓度（X3）为自变量，每个因素取3个水平值，用（－1，0，1）编码，按Xi＝（xi－x0）/Δx.其中 Xi为自变量的编码值，xi为自变量的实际值，x0为实验中心点处自变量的实际值，Δx为自变量的变化步长，还原糖得率为响应值Yi.方程如下

当n＝3时

其中，B0是 常 数 项；B1，B2，B3是 一 次 项 系数；B11，B22，B33是 平 方 项 的 系 数；B12，B13，B23是交互项的系数；Yi是还原糖得率.使用Design Expert.8.05b软件对数据进行拟合分析，得到二元多次回归方程：

模型的方差分析如表1所示.引用模型的变量分析说明模型的拟合影响值p＜0.000 1时该模型是有效的.模型中各项的拟合影响值p＜0.01时表示该项对拟合的影响非常显著，p＞0.05表示该项对拟合的影响不显著，模型中各项的拟合影响值在0.01＜p＜0.05时表示该项对拟合的影响显著.从表1可以看出X1（P＜0.000 1），X2（P＜0.00 1）影响极显著，X3（P＝0.052 4）影响不显著，交互项除X1X2影响显著，其余不显著，平方项影响显著.模型的处理是适合的，可以很好地反映玉米秸秆稀硫酸预处理后还原糖得率的变化，模型的确定系数R2＝0.994 1，模型的调整确定系数0.983 6，与1比较接近，离散系数CV为2.83%，说明模型预测的和实验情况几乎相同，实验操作可信，误差较小.

使用Design Expert 8.05b软件对数据进行拟合得到因素交互作用的响应面和等高线，得到模型的响应曲面分析及优化图，如图1所示.从图1可知，温度、时间和稀硫酸质量百分数3个变量的交互作用对还原糖得率的影响很显著，在让某一个因素不变时，伴随其余两个变量的增大，预处理后所得的还原糖的得率也快速增加，在增加到最大值后接着开始稍微减少.这表明恰当控制温度、时间和稀硫酸质量百分数可以促进预处理效果更好，增加还原糖的得率.

表1 模型的方差分析Table 1 Analysis of model variance

图1 外界因素对还原糖得率的响应曲面Fig.1 The response surface optimization of outshde factor on reducing sugar yield

利用Design Expert 8.05b软件进行优化，在固液比为10%时，得到最优条件为：预处理温度121.59℃、处理时间60.84min、稀硫酸质量百分数是1.07%，此条件下还原糖的得率是31.98%.

2.2 结构表征

2.2.1 SEM分析结果 将处理前后的玉米秸秆粉末使用JSM－6700F场发射扫描电子显微镜来查看秸秆表面结构变化情况.

图2 处理前后秸杆表面结构变化SEM图Fig.2 SEM of corn stalk before and after the treatment

由图2可知，玉米秸秆未经稀硫酸预处理表面看上去平整光滑，结构很紧凑平行成束状排列，几乎没有空隙；经稀硫酸预处理后，秸秆发生不同程度的断裂，排列很凌乱无序，表面很蓬松且出现很多形如蜂窝状的空隙，有效面积相对变大.表明经稀酸处理后纤维素更多暴露出来，纤维素酶可更好与其接触，并进入内部反应.2.2.2 IR分析结果 玉米秸秆经稀硫酸预处理前后的红外光谱图如图3所示.由图3可知，玉米秸秆处理前后的形状基本一样，只是一些峰的强度有所改变.1 740.5cm－1处的吸收是木聚糖中羰基的伸缩振动，经过作用后峰的吸收强度减弱，说明半纤维素发生降解，由于聚合度低很容易发生去乙酰化的反应.1 648.9cm－1和1 513.6cm－1是芳香环的吸收峰，该位置属于木质素的特征吸收峰，预处理前后这些峰都存在，通过稀硫酸处理后峰吸收强度略微降低，表明少量木质素在处理过程被破坏而发生分解.3 423.6cm－1处的振动为O—H键的伸缩振动，处理后强度有所降低，一些氢键被打开增加了底物的被吸附性；1 421.7cm－1，1 384.7cm－1和898.1cm－1是纤维的特征吸收峰，由图3可知玉米秸秆经稀硫酸预处理前后变化不是很明显.

图3 玉米秸秆经稀硫酸预处理前后的IR图Fig.3 IR of corn stalk before and after the treatment

图4 秸秆处理前后的XRD图Fig.4 XRD of corn stalk before and after the treatment

2.2.3 XRD分析结果 把原料及处理后的样品进行XRD图谱测定，如图4所示，角度θ扫描从5～70°.结晶度I按Segal公式来求，即式中，I002为（002）晶面衍射强度，Iam为衍射角2θ＝18.5°的衍射强度.

分析发现秸秆处理前后峰的峰型变化不大，吸收强度为60min时变化不大，由表2可知，原料未处理的结晶度为40.9%，处理后的结晶度为45.6%，秸秆的相对结晶度略有变大，这对其中秸秆成分的分解、催化和降解影响不大.

3 结束语

为了提高玉米秸秆稀硫酸预处理的效果，对影响稀硫酸预处理玉米秸秆的因素如温度、时间、稀硫质量百分数、固液比进行了单因素实验，确定了其大概范围.在上面分析的基础下，采用响应曲面法对稀硫酸预处理的工艺进行优化，在固液比为10%的情况下，根据Box－Behnken设计原则，进行3因素3水平的实验，使用Design Expert 8.05b软件对实验进行拟合，得到二元多次回归方程：Y＝31.17＋4.25 X1＋1.23 X2＋0.61 X3－0.96 X1X2－0.22 X1X3－0.16 X2X3－6.29 X21－2.86 X22－4.57 X23，并且得到最优条件温度为121.59℃，处理时间60.84min，稀硫酸的质量百分数1.07%.在此条件下还原糖的得率是31.98%.通过SEM观察发现，经过处理的玉米秸杆表面很蓬松且出现很多形如蜂窝状的空隙.通过IR表征发现，木质素和半纤维素的吸收峰强度降低，经过XRD观察其结晶度变化不大，这说明秸秆在硫酸作用下发生了降解反应，实验测得还原糖得率为32.6%，理论和实验处理较为吻合.

表2 结晶度分析结果Table 2 Analysis of crystallimity

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