稀硫酸预处理高丹草秸秆条件的优化研究

张鸭关，汪 帆，赵红艳，吴丽芳

(曲靖师范学院化学与环境科学学院，云南 曲靖 655011)

稀硫酸预处理高丹草秸秆条件的优化研究

张鸭关，汪 帆*，赵红艳，吴丽芳

(曲靖师范学院化学与环境科学学院，云南 曲靖 655011)

预处理是利用生物质原料制备燃料乙醇的工艺过程中至关重要的一步，文章以高丹草秸秆为主要研究对象，对稀硫酸预处理高丹草秸秆优化工艺进行了研究，在研究温度、时间、稀硫酸质量分数和固液质量比4个单因素对预处理效果影响的基础上，采用正交试验对稀硫酸预处理高丹草秸秆工艺条件进行优化，确定了稀硫酸最佳预处理工艺条件为水解温度120 ℃，水解时间2 h，稀硫酸质量分数1.5 %，固液质量比1∶10，在此条件下，预处理水解液还原糖得率32.59 %，糠醛得率为0.45 %。

高丹草；稀硫酸；预处理；还原糖得率；糠醛得率

温室气体排放导致环境问题加剧，化石燃料资源日益枯竭引发能源短缺严重，世界各国都在积极推进生物质能源利用技术的研究[1]。木质纤维素类物质是世界上最广泛的可利用的生物材料，这些原料有木材及其加工废弃物、快速生长的各种草类、农作物秸秆及城市垃圾等[2-3]。木质纤维素类物质主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，其质量约占植物总质量的80 %～95 %[4-5]。其中，纤维素和半纤维素经纤维素酶催化后可水解为还原糖， 还原糖经过酵母菌的发酵即可转化为燃料乙醇。然而，由于纤维素是葡萄糖单元以β-1，4 糖苷键连接的高分子化合物，有着紧密的结晶结构；同时，由于纤维素被共价结合的木质素和半纤维素包覆而存在大量的结晶区，使得木质纤维素形成致密不透水的高级结构，使酶制剂很难与纤维素接触，直接影响后续的水解和发酵过程[6-10]。原料预处理过程的主要作用是去除部分半纤维素和木质素、打破纤维素的晶体结构、提高酶水解过程中纤维素转化率、以及提高发酵过程的效率[5-6]。

高丹草(Sorghum-SudanGrassHybrid)是根据杂种优势原理，用高粱和苏丹草杂交而成的新型牧草。高粱(sorghumbicolor)是一种古老的禾谷类作物，具有抗旱、耐涝、耐盐碱、适应性强等特点，苏丹草(S.sudanense)是栽培最普遍的一年生禾本科牧草，具有高度的适应性、很强的再生性和抗旱能力，其茎叶品质比青刈玉米和高粱柔软，素有“养鱼青饲料之王”的美誉[11]。高粱和苏丹草的生物学特性差异较大，但没有生殖隔离，二者的杂种优势强。高丹草就是根据杂种优势原理，用高粱和苏丹草杂交而成的牧草。高丹草综合了高粱茎粗、叶宽和苏丹草分蘖力、再生力强的优点，杂种优势非常明显，再生性好、产量高(北方1年可刈割3～4次，一般产鲜草45～75 t/hm2，南方1年可刈割6～8次，最高产鲜草195 t/hm2左右[11-12])、含糖量较高、耐贫瘠(对土壤要求不严，沙壤土、微碱性粘土和轻度盐碱地均可种植[11-12])及抗逆性强等优点，是一种很好的低成本的木质纤维素生物质原料，适于作为能源牧草，用来生产清洁燃料乙醇。

表1 高丹草秸秆的成分分析

文中以高丹草秸秆为主要研究对象，在研究温度、时间、稀硫酸质量分数和固液质量比4个单因素对预处理效果影响的基础上，采用正交及优化试验对稀硫酸预处理高丹草秸秆工艺条件进行优化，确定稀硫酸最佳预处理工艺条件，对稀硫酸预处理高丹草秸秆优化工艺进行研究，以期为高丹草秸秆纤维素预处理及其乙醇高值转化技术的研发提供相关依据。

1 材料与方法

1.1 材料

高丹草采自云南省肉牛和牧草研究中心实验基地。将样品自然风干，在105 ℃条件下恒温10 h，粉碎，过40目筛，贮存在干燥器中备用。经测定，高丹草秸秆的主要组分及热值见表1。

1.2 仪器

实验中用到的主要仪器和设备见表2。

1.3 试验方法

1.3.1 单因素试验 研究在不同条件下，高丹草主要成分：纤维素、半纤维素和木质素含量的变化趋势。试验初始条件为温度80 ℃，时间30 min，稀硫酸质量分数为0.5 %，固液质量比为1∶0.5，按表3设置进行单因素试验。

表2 主要仪器和设备

表3 稀硫酸预处理水平设置

1.3.2 正交试验 在单因素试验中，找到了预处理温度、时间、稀硫酸质量分数和固液质量比4种因素合适的变化范围，为了考察各因素的主效应和因素间的交互效应，得出最佳预处理条件，进行了L9(34)的正交试验设计。

1.4 评价指标及测定方法

1.4.1 纤维素、半纤维素、木质素含量分析 采用范氏法(Van Soest)测定高丹草秸秆中纤维素、半纤维素和木质素质量分数。

1.4.2 还原糖、糠醛的测定 (1)还原糖含量测定采用DNS(3，5-二硝基水杨酸比色法)：

(2)糠醛含量测定采用紫外分光光度计进行：

式中：C为水解液中的糠醛浓度，μg/mL；V为水解液体积，mL；m为预处理高丹草的干物质量，g。

1.4.3 扫描电镜分析 利用超高分辨热场发射扫描电子显微镜在5000倍及8000倍下进行预处理前后高丹草表面结构的分析。

2 结果与分析

2.1 高丹草秸秆预处理单因素试验

2.1.1 温度对预处理效果的影响 由图1可知，温度对预处理效果具有非常显著的影响，不同预处理温度下，高丹草纤维素、木质素的含量随温度的上升而增加，而半纤维素的含量随温度上升呈降低趋势。当温度在90 ℃以下时，高丹草各组分的含量变化很小，说明这时高丹草水解率很低，甚至不水解。温度超过100 ℃以后，纤维素迅速上升，而半纤维素含量迅速下降，木质素含量也有一定程度的上升，但很缓慢。到120 ℃时，纤维素含量达58.4 %，半纤维素含量达9.02 %。120 ℃后，各组分含量稳定。因此，正交试验的温度可选100、110、120 ℃。

图1 预处理温度对高丹草各组分含量的影响Fig.1 The effect of different pretreatment temperature on the component of Sorghum-Sudan Grass Hybrid straw

图2 预处理时间对高丹草各组分含量的影响Fig.2 The effect of different pretreatment time on the component of Sorghum-Sudan Grass Hybrid straw

2.1.2 时间对预处理效果的影响 由图2可知，时间对高丹草木质素含量的影响很小，而对纤维素及半纤维素的含量影响较大。在60 min前高丹草主要成分的变化很小，说明60 min前，高丹草的水解程度很小。60 min后，高丹草纤维素、木质素含量随预处理时间的延长而迅速增加，半纤维素含量随之迅速降低。当时间超过150 min时，纤维素、半纤维素的含量变化较小，趋于稳定。因此，正交试验的时间可选90、120、150 min。

2.1.3 稀硫酸质量分数对预处理效果的影响 由图3可知，高丹草木质素含量随硫酸浓度的增加有一定程度的上升，但是，纤维素和半纤维素的含量随着硫酸浓度的增加变化幅度很大，说明稀硫酸质量分数对高丹草中木质素的影响较小，而对纤维素和半纤维素的影响较大。稀硫酸质量分数在0.5 %～1.5 %，纤维素含量迅速增加，半纤维素含量迅速下降，稀硫酸质量分数超过1.5 %，高丹草中各组分的含量都趋于稳定。因此，正交试验稀硫酸质量分数可选0.5 %、1.0 %、1.5 %。

图3 预处理的硫酸质量分数对高丹草各组分含量的影响Fig.3 The effect of different concentration of dilute on the component of Sorghum-Sudan Grass Hybrid straw

2.1.4 固液质量比对预处理效果的影响 由图4可以看出，固液比对高丹草中各组分均有一定的影响。固液比从1∶5增加到1∶10时，高丹草中纤维素含量迅速增加，半纤维素含量迅速降低，纤维素含量增加64.8 %，半纤维素降低76.4 %。固液比超过1∶10后，随着固液质量比的增加，各组成成分含量的变化较小。因此，可以选择固液比1∶5、1∶10、1∶15进行正交试验。

图4 预处理固液比对高丹草各组分含量的影响Fig.4 The effect of different ratio of solid to liquid on the component of Sorghum-Sudan Grass Hybrid straw

2.2 高丹草秸秆预处理正交优化试验

2.2.1 高丹草秸秆预处理正交试验结果 为了找出最优的预处理条件组合，在确定各预处理单因子对高丹草秸秆预处理效果影响的基础上，以还原糖和糠醛得率为目标，设计L9(34)正交试验表(表4)进行预处理正交实验，正交试验结果见表5。由表5可知，稀硫酸预处理高丹草秸秆的试验，对预处理效果的影响是稀硫酸质量分数>固液比>温度>时间，且最优实验组合为D3B2C3A2，即稀硫酸质量分数为1.5 %，温度为120 ℃，预处理时间为120 min，固液比为1∶10。

2.2.2 高丹草秸秆预处理优化试验 采用正交试验得出的最佳预处理条件对高丹草秸秆进行预处理试验，由表6可知，最佳预处理条件下，还原糖得率为32.59 %，糠醛得率为0.45 %，由此可知，糠醛浓度小于1 %，其含量较低，基本不会对后续乙醇发酵产生抑制。同时残渣中纤维素的含量由预处理前30 %提高至49.60 %，半纤维素由25.19 %降至10.02 %，木质素由15.28 %降至11.09%。可见优化后的预处理条件主要对半纤维素的水解效果明显，对木质素也有一定的水解，但是，对纤维素水解程度很低，有效地保留了高丹草秸秆中的纤维素，并且水解液中糠醛浓度也处于很低水平，这为后续酶解糖化工艺奠定了很好的基础。

表4 正交试验因素水平设计

表5 正交试验结果

表6 预处理水解液及残渣主要成分

2.3 高丹草秸秆在预处理条件下前后表面结构的变化

选取未经碱氧化预处理的和经稀硫酸最佳预处理条件处理后的高丹草秸秆进行扫描电镜分析，从图6中可以看出，未经预处理的高丹草秸秆表面光滑平整，结构致密，呈平行排列的纤维束状。经稀硫酸最佳预处理条件处理后的高丹草，其表面粗糙，结构变得疏松，纤维出现很多断裂，多孔隙。说明预处理后破坏了秸秆的致密结构，比表面积增大。利于后续酶解阶段中酶与纤维素、半纤维素成分的结合。

3 讨 论

本研究在分析各单因素条件对稀硫酸预处理高丹草秸秆原料物理化学变化过程的基础上，通过正交试验优化得到最佳预处理工艺：稀硫酸水解温度120 ℃，水解时间2 h，质量分数1.5 %，固液质量比1∶10。在最佳预处理条件下可以去除大量的木质素和一定量的半纤维素，实现对高丹草秸秆的高效预处理，预处理水解液还原糖得率达32.59 %，副产物糠醛浓度0.45 %，糠醛含量处在较低范围，不会对后续酶解及糖化产生不良影响。并且经稀硫酸最佳预处理工艺处理的高丹草秸秆表面结构变得疏松，纤维出现很多断裂和孔隙，比表面积增大，利于后续酶解中酶与纤维素成分的有效结合，对后续燃料乙醇发酵生产具有重要意义。

本研究与传统的木质纤维素酸预处理相比具有2个方面的创新，首先是木质纤维素原料选择抗逆性强，产量高，投入低，具有较高的生态效益与经济效益的能源牧草高丹草，从原材料上可以减少成本；其次是本研究的最佳预处理工艺有稀硫酸质量分数低，水解时间短，温度低，副产物糠醛含量低的特点，从而可以降低硫酸对设备的腐蚀和能耗，省去了对有毒副产物糠醛的处理，从而降低了燃料乙醇发酵生产成本，为实现高丹草为原料制备燃料乙醇的产业化生产提供了一定的。

本研究主要针对预处理过程中产生的还原糖含量进行了研究，并未针对具体的单糖，如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等进行各自浓度的测定，后期研究中将进一步对各种单糖的浓度进行测定，从而计算出纤维素、半纤维素的糖转化率；进一步对玉米秸秆预处理过程中固相、液相和气相中的C进行测定，并进行碳平衡分析。

图5 高丹草秸秆表面结构扫描电镜图Fig.5 SEM pictures of surface structure

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(责任编辑 王家银)

Optimization Study on Dilute Sulfuric acid Pretreatment ofSorghum-SudanGrassHybridstraw

ZHANG Ya-guan， WANG Fan*， ZHAO Hong-yan， WU Li-fang

(College of Chemistry and Environmental Science，Qujing Normal University， Yunnan Qujing 655011， China)

Pretreatment was a key step in fuel-ethanol production from lignocellulose biomass. Optimization on dilute sulfuric acid pretreatment ofSorghum-SudanGrassHybridstraw was studied in this paper. On the basis of assay of four pretreatment factors including pretreatment temperature， time， concentration of dilute，ratio of solid to liquid， orthogonal experiments were studied to obtain the optimal parameters， which was 120 ℃，2 hours，1.5 % sulfuric acid ， ratio of solid to liquid (1∶10). Reducing sugar and furfural yield was 32.59 % and 0.45 %,respectively， under the optimal conditions.

Sorghum-SudanGrassHybrid; Dilute sulfuric acid; Pretreatment; Reducing sugar yield; Furfural yield

1001-4829(2016)12-2982-06

10.16213/j.cnki.scjas.2016.12.038

2015-07-22

曲靖师范学院青年项目(2010QN001);云南省教育厅项目(2011C017);2016年国家大学生创新创业训练项目

张鸭关(1978-)，女，副教授，从事生物化学、有机化学教学及生物资源的开发与利用研究， E-mail:zhangyaguan2013@163.com，*为通讯作者，E-mail:wfan321@126.com。

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