大豆秸秆乙醇预处理脱木素动力学研究

樊富广 涂洪峰 陈从鑫 姚 兰,2 杨海涛,2,*

(1.湖北工业大学材料与化学工程学院,湖北武汉,430068；2.齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部重点实验室,山东济南,250353)

研究论文

大豆秸秆乙醇预处理脱木素动力学研究

樊富广1涂洪峰1陈从鑫1姚 兰1,2杨海涛1,2,*

(1.湖北工业大学材料与化学工程学院,湖北武汉,430068；2.齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部重点实验室,山东济南,250353)

在保温温度170℃、保温时间90 min、乙醇浓度50%的条件下对大豆秸秆进行乙醇预处理,并对预处理后大豆秸秆进行成分分析,发现乙醇预处理主要脱除了大豆秸秆中的半纤维素和木素(脱除率分别为82.9%和62.0%)。动力学研究发现,乙醇预处理脱木素反应为一级反应,脱木素过程由大量脱木素段和补充脱木素段组成,且预处理反应进入补充脱木素段的温度要高于160℃。在保温温度为170℃时,大量脱木素段和补充脱木素段的木素脱除率分别为87.9%和12.1%。大量脱木素段主要脱除的是小分子木素(相对分子质量为9101)；而补充脱木素段脱除的木素的相对分子质量较大,达到12961。对比2个阶段的木素脱除速率发现,大量脱木素段的脱除速率(k大=4×10-4s-1)高于补充脱木素段(k补=4×10-5s-1),说明大量脱木素段木素脱除速率较快。

大豆秸秆；乙醇预处理；脱木素；动力学

我国是农业大国,种植大豆已有4000年历史,适合种植大豆的土地面积已达1000万hm2[1]。作为大豆副产品的大豆秸秆却是富含纤维素、半纤维素等有机物的生物质原料[2]。近几年,作为最具有潜力的生物质原料，大豆秸秆已被用于生产生物质燃料和生物质化学用品[3]。然而,生物质的天然抗降解性已经成为植物纤维原料低成本生产还原糖的重要限制因素,因此,需要预处理提高纤维素转化率[4]。目前,已有多种成熟预处理技术,如物理预处理、化学预处理、物理化学预处理、生物预处理以及综合(上述预处理方法结合使用)预处理等[5- 6]。有机溶剂预处理不仅能提高纤维素转化率,而且适合分离生物质,可以得到纤维素、半纤维素和高纯度木素。乙醇以低沸点特性成为生物质原料预处理的最佳预处理助剂。以乙醇作为有机溶剂预处理剂的预处理液有以下优点：助剂成本低、无毒性、易溶于水和易回收[7]。Neilon等[8]采用乙醇预处理方法,水解后得到可发酵还原糖。在50%乙醇浓度(0.2 mol/L醋酸作为催化剂)、170℃和240 min条件下预处理杨木,还原糖得率是无预处理试验组的2.5倍。岳军等[9]采用木糖渣作为原料,以乙醇溶液作为预处理液,在固液比为1∶8、乙醇浓度50%、保温温度210℃、保温时间1 h的条件下,木素脱除率达到53.3%,纤维素酶72 h转化率可以达到84.4%、比未处理前提高14.6个百分点。武书彬等[10]发现,在40%的乙醇溶液、保温温度195℃下处理30 min,蔗渣的木素脱除率为57.9%、还原糖产率为40.3%。大多数有机溶剂预处理都用低沸点溶剂(甲醇、乙醇)作为预处理液,但需要很高的保温温度(100～250℃)[11]。Duff等[12]证实,预处理过程中生物质原料生成的有机酸可以作为催化剂促使木素碳水化合物间键断裂,据此提出了加酸作为催化剂且可以不用在高温(高于185℃)条件就能够处理生物质原料[12-13]。

目前,关于预处理动力学的研究已经取得了很多重要成果。对稀酸预处理动力学研究表明,聚木糖的水解为不可逆的一级反应,可以直接水解为木糖再降解为糠醛,且聚木糖的水解受到预处理过程中温度和时间的影响；进一步的研究结果显示,纤维素的水解也属于一级反应。对碱性预处理动力学的研究较少,常常借鉴碱法制浆的脱木素动力学；研究得出,非木材蒸煮脱木素主要有2个阶段：大量脱木素段和补充脱木素段[14-16]；但很多学者建议补充一个残余脱木素段[17-18],这个阶段木素脱除率不到10%[15,17]。Oliet Mercedes等[19]以蓝桉为原料,在50%乙醇浓度蒸煮后建立脱木素模型,提出蒸煮期间脱木素反应为一级反应,并且得出3个阶段的脱木素速率和活化能。浆料蒸煮实验和生产纤维素乙醇中预处理实验的目的是截然不同的。蒸煮实验是尽可能去除木素,避免对纸张性能造成影响，如使纸张返黄等；预处理却是在尽量避免碳水化合物损失的前提下,溶出更多的木素、提高酶解效率、得到更多的还原糖[20]。研究反应动力学可以知道如何控制反应条件,减少原料消耗,减轻分离操作负担,提高产品的产量和质量等。

本实验以大豆秸秆为原料,利用乙醇预处理方法,通过成分分析研究乙醇预处理过程中主要脱除的组分及其脱除率,然后通过动力学分析探讨预处理提高大豆秸秆酶解性能的反应机理。预处理反应中加入催化剂可以降低反应活化能,从而降低反应温度和反应压力，使反应条件变得温和[21],所以本实验采用加0.5%H2SO4作为催化剂。

1 实 验

1.1 原料

大豆秸秆,取自山东某农场；用天津市泰斯特仪器有限公司生产的FZ102型号微型植物粉碎机粉碎,并筛取40～60目粉末置于自封袋中平衡水分。其成分分析见表1。

表1 大豆秸秆原料的成分分析 %

表2 预处理前后大豆秸秆的主要成分分析 %

注 预处理条件：保温温度170℃、保温时间90 min、50%(体积分数)乙醇预处理液(0.5%H2SO4作为催化剂,下同)。

1.2 实验方法

1.2.1 乙醇预处理

取绝干原料10 g加入小钢罐中,按固液比为1∶10 向小钢罐中加入预处理液(50%乙醇溶液,并加入0.5% H2SO4作为催化剂),摇匀后放入陕西科技大学机械厂生产的型号为ZQS1电热回转蒸煮锅内。以10℃/5 min的速度加热至所需温度,并在此温度下进行保温反应。反应完毕,用洗浆袋清洗预处理后的固料至中性,并将固料放于4℃冰箱内平衡水分。根据式(1)计算预处理得率。取部分湿固料于50℃烘箱内干燥备用。取一定量湿固料(绝干为 1 g)用于酶解糖化实验。

(1)

式中，Z为预处理得率, %；m1为预处理后固料质量,g；s1为预处理后固料干度, %；m2为原料质量,g;s2为原料干度, %。

1.2.2 动力学实验

将经苯-醇抽提后的大豆秸秆1 g置于15 mL钢罐反应釜中,加入10 mL一定浓度的(0.5% H2SO4作为催化剂)乙醇溶液。混合均匀后,将反应釜放入油浴锅中,在一定的保温温度下,在不同的保温时间点取出反应釜并浸入冷水中冷却。将反应釜中样品进行抽滤,并将固体冲洗至中性,放冰箱备用。

1.3 分析方法

1.3.1 成分分析

原料的苯-醇抽出物、纤维素、综纤维素、木素、灰分等指标的测定按照文献[15]描述的方法进行测定。

1.3.2 木素相对分子质量测定

取1 mg乙酰化的木素(预处理液中提取)样品溶解在1 mL四氢呋喃(THF)中,用Shodex生产的聚苯乙烯作为标样(相对分子质量为1930、2900、5120、6390、10700、19800),在Shimadzu LC10A高效液相色谱仪上进行检测,得出相对分子质量分布曲线,然后通过积分,得到相应的相对分子质量。

高效液相色谱仪操作条件：Shim-pack GPC- 803D的柱长300 mm、内径8 mm,流动相为THF,流速为1.0 mL/min,进样量20 μL,柱温25℃。

2 结果与讨论

2.1 预处理前后原料成分分析

大豆秸秆作为农作物的副产物,其主要成分为纤维素、半纤维素、木素。为了分析乙醇预处理对大豆秸秆的影响,本实验对预处理前后的原料进行了主要成分分析,结果如表2所示。

图1 不同温度下预处理得率随时间的变化曲线

图2 保温温度120℃～180℃范围内lnL-t的关系

从表2可以看出,预处理后的固料木素脱除率和半纤维素脱除率可高达62.0%和82.9%；同时还有少量的纤维素溶出,这可能是预处理后期有酸性物质产生,反应体系的pH值变小[5],从而加强预处理强度,造成了纤维素有所损失。从另一方面来讲，预处理后固料的孔隙率增大,增大了酶与纤维素的接触面积,从而提高酶解反应效率。因此,需要寻找一个合适条件,在尽量避免碳水化合物损失的前提下,溶出更多的木素和半纤维素，既提高酶解效率,又得到更高的还原糖产量[20]。运用化学动力学研究脱木素机理,可为提高还原糖得率、为实验成果的工业化进行最优设计、为现有生产选择最适宜的操作条件[21]。

2.2 脱木素动力学研究

木素是由苯基丙烷结构单元通过碳-碳键和醚键连接而成的具有三维空间结构的高分子聚合物,它是植物界中仅次于纤维素的最丰富和最重要的有机高聚物。一般认为,木素主要通过对纤维素酶的吸附降低木质纤维原料的酶解效率[19-20]。木素对纤维素酶酶解的影响较大,因此,本研究探讨了乙醇预处理过程中脱木素的动力学。

乙醇预处理过程中会有部分木素溶出,其脱木素反应为一级反应[19]：

(2)

对式(2)进行以e为底数的积分处理得：

lnL=lnL0-Kt

(3)

式中,L为预处理后木素的残留量, %；L0为预处理前大豆秸秆中的木素含量, %。

在大豆秸秆乙醇预处理过程中,以50%乙醇为预处理液,设计了不同温度、不同预处理时间的实验，结果如图1和图2所示。

从图1可以看出,随预处理时间的延长,预处理后固料得率不断下降且木素的溶出量也逐渐增多。图2显示了lnL与时间t的关系图。从图2可以看出,在160℃、170℃出现2条不同斜率的直线,说明在这2种保温温度下大豆秸秆乙醇预处理过程中脱木素历程可分为2个阶段,第一段是从升温开始到保温12～20 min内的大量脱木素段,第二段为补充脱木素段,从大量脱木素段终止至预处理反应结束,这与张美云[22]研究所得麦草乙醇蒸煮过程中脱木素历程相似。大量脱木素段主要脱除了分子质量较小的木素,补充脱木素段主要脱除了分子质量较大的木素,这2个阶段木素组分的性质相同[23]。为了验证乙醇预处理过程中不同脱木素段脱除木素的分子质量,在170℃下,分别提取了10 min和50 min预处理液中的木素进行分子质量检测；结果表明,大量脱木素段脱除木素的相对分子质量为9101、补充脱木素段脱除木素的相对分子质量为12961,说明补充脱木素段脱除的木素相对分子质量高于大量脱木素段脱除的木素,这有可能是反应后期随乙醇浓度的降低和原料中碳水化合物降解成有机酸致使预处理液pH值变小,木素发生高度缩合所致[22]。在120～150℃、1 h脱木素反应过程中,一直处于大量脱木素段。在反应温度为170℃条件下,lnL大约在-1.91时会出现转折点,此时木素脱除率为64.0%,大量脱除木素段脱除的木素占整个脱木素反应的87.9%。脱木素速率与温度密切相关(见式(4)),因此，最佳预处理温度也一定与脱木素密切相关。

脱木素速率与温度的关系可由阿累尼乌斯方程式来描述：

k=Ae-E/RT

(4)

式中,A为指数前因子；E为反应的活化能,mol/J；R为气体常数,J/(mol·K)；T为热力学温度,K。

从式(4)可以得出：

(5)

式中,k0为预处理前大豆秸秆脱木素速率,s-1；k为预处理后大豆秸秆脱木素速率,s-1。

在脱木素过程中存在大量脱除木素段和补充脱木素段,这2个阶段的化学能不一样,根据图1得出k与T的关系(见表3)。

表3 不同温度下不同反应段的k

由表3可知，在160℃和170℃条件下,乙醇预处理脱木素段存在2种形式的脱木素,即大量脱木素段和补充脱木素段,而且补充脱木素段的脱木素速率小于大量脱木素段的脱木素速率。

根据表3作出了lnk与1/T的关系图(见图3)。

图3 大量脱木素段和补充脱木素段的lnk与1/T关系图

从图3可以看出,lnk与1/T呈很好的线性关系。根据曲线斜率可求得,大量脱木素段活化能E大=52.3 kJ/mol、补充脱木素段E补=220 kJ/mol。根据化学动力学基础,预处理反应是一个可测量的过程,活化能应该在50～250 kJ/mol范围内[21],这表明实验所得的大量膜木素段和补充脱木素段的活化能数据是合理的。

3 结 论

3.1 大豆秸秆原料在乙醇预处理过程中,有部分半纤维素和木素溶出。在保温温度170℃、保温时间90 min、乙醇浓度50%的条件下，对大豆秸秆进行乙醇预处理,发现半纤维素脱除率(82.9%)高于木素脱除率(62.0%)。

3.2 在乙醇预处理反应过程中,脱木素反应过程中存在2个阶段：大量脱除木素段和补充脱除木素段。保温温度为170℃时，大量脱木素段主要脱除的是小分子木素(相对分子质量为9101)；而补充脱木素段脱除的木素的相对分子质量较大,达到12961。对比2个阶段的木素脱除速率发现,大量脱木素段的木素脱除速率(k大=4×10-4s-1)高于补充脱木素段(k补=4×10-5s-1),说明大量脱木素段木素脱除速率较快。

3.3 大量脱木素段反应活化能为52.3 kJ/mol,远低于补充脱木素反应活化能(220 kJ/mol)。这主要是由于在大量脱木素段脱除的是小分子木素,补充脱木素段脱除的是大分子木素,大分子木素性质比较稳定,需要更剧烈的反应条件才能去除,这也与木素脱除率的结果相符。

[1] 毕于运, 高春雨, 王亚静, 等. 中国秸秆资源数量估算[J]. 农业工程学报, 2009, 25(12): 211.

[2] 吴思奇, 姚 华, 刘祝兰, 等. 球磨大豆秸秆在LiCl/DMSO全溶体系中的溶解-再生性能[J]. 纤维素科学与技术, 2014, 22(1): 42.

[3] Chen H, Zhao J, Hu T, et al. A comparison of several organosolv pretreatments for improving the enzymatic hydrolysis of wheat straw: Substrate digestibility, fermentability and structural features[J]. Applied Energy, 2015, 150(S298): 224.

[4] Zhao X, Zhang L, Liu D. Biomass recalcitrance. Part I: the chemical compositions and physical structures affecting the enzymatic hydrolysis of lignocellulose[J]. Biofuels Bioproducts & Biorefining, 2012, 6(4): 465.

[5] Ye S, Jiayang C. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review.[J]. Cheminform, 2002, 83(1): 1.

[6] Zhao X, Zhang L, Liu D. Biomass recalcitrance. Part II: Fundamentals of different pre-treatments to increase the enzymatic digestibility of lignocellulose[J]. Biofuels Bioproducts & Biorefining, 2012, 6(5): 561.

[7] YAWALATA D. Catalytic selectivity in alcohol organosolv pulping of spruce wood[D]. Vancouver: University of British Columbia, 2001.

[8] Neilson M J, Shafizadeh F, Aziz S, et al. Evaluation of organosolv pulp as a suitable substrate for rapid enzymatic hydrolysis[J]. Biotechnology & Bioengineering, 1983, 25(2): 609.

[9] 岳 军, 姚 兰, 赵 建, 等. 木糖渣的有机溶剂预处理及酶解性能[J]. 化工学报, 2011, 62(11): 3256.

[10] 武书彬, 徐绍华. 蔗渣乙醇预处理及其对酶解的影响[J]. 华南理工大学学报: 自然科学版, 2014(7): 124.

[11] Thring R W, Chornet E, Overend R P. Recovery of a solvolytic lignin: Effects of spent liquor/acid volume ratio, acid concentration and temperature[J]. Biomass, 1990, 23(4): 289.

[12] Duff S J B, Murray W D. Bioconversion of forest products industry waste cellulosics to fuel ethanol: A review[J]. Bioresource Techno-logy, 1996, 55(1): 1.

[13] Zhao X, Cheng K, Liu D. Organosolv pretreatment of lignocellulosic biomass for enzymatic hydrolysis[J]. Applied Microbiology & Biotechnology, 2009, 82(5): 815.

[14] Birgitte de Groot, Jan E G van Dam, Rick P van der Zwan, et al. Simplified kinetic modelling of alkaline delignification of Hemp woody core[J]. Holzforschung, 1994, 48(3): 207.

[15] 石淑兰, 何福望. 制浆造纸分析与检测[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 2003: 22.

[16] 张美云. 荻自催化乙醇制浆反应动力学的研究[J]. 中国造纸学报, 2004, 19(2): 118.

[17] 牛梅红, 石淑兰. 中性亚硫酸钠—绿氧法蒸煮芦苇反应机理的研究[J]. 国际造纸, 2001(2): 14.

[18] 谢益民, 吴新生, 刘焕彬. 硫酸盐法蒸煮脱木素历程的近红外光谱表征法[J]. 中国造纸学报, 1999(1): 6.

[19] Oliet Mercedes, Rodríguez Francisco, Santos Aurora, et al. Organosolv Delignification of Eucalyptus globulus: Kinetic Study of Auto-catalyzed Ethanol Pulping[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2000, 39(1): 34.

[20] Zhang K, Pei Z, Wang D. Organic solvent pretreatment of lignocellulosic biomass for biofuels and biochemicals: A review[J]. Bio-resource Technology, 2016, 199: 21.

[21] 天津大学物理化学教研室. 物理化学下册[M]. 5版. 北京: 高等教育出版社, 2009: 507.

[22] 张美云. 非木材纤维自催化乙醇法制浆工艺与机理的研究[D]. 天津: 天津科技大学, 2004.

[23] 崔 宇. 速生杨烧碱蒽醌法预处理历程研究[D]. 济南: 山东轻工业学院, 2012.

(责任编辑：关 颖)

Delignification Kinetics of Ethanol Pretreatment of Soybean Stalk

FAN Fu-guang1TU Hong-feng1CHEN Cong-xin1YAO Lan1,2YANG Hai-tao1,2,*

(1.SchoolofPulpandPaperEngineering,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan,HubeiProvince, 430068；2.KeyLaboratoryofPulpandPaperScience&TechnologyofMinistryofEducationofChina,QiluUniversityofTechnology,Ji’nan,ShandongProvince, 250353 )

(*E-mail: pphtyang1979@aliyun.com.cn)

It is an essential step to destroy the structure of the cell wall by pretreatment before enzymatic hydrolysis for the conversion of lignocellulose to ethanol. Ethanol pretreatment has many advantages, and is a hot research topic in recent years. In this experiment, soybean stalk was pretreated under the following condition: heat preservation temperature 170℃, holding time 90 min, ethanol concentration 50%. The component analysis of pretreated material indicated that the hemicellulose and lignin in soybean stalk were mainly removed by ethanol pretreatment (The removal ratio reached 82.9% and 62.0% respectively). Delignification reaction during ethanol pretreatment was a first order reaction. The kinetics study showed that there were two delignification stages i.e. bulk delignification and supplement delignification when the temperature was above 160℃. Lignin was removed 87.9% and 12.1% respectively in the two steps when the temperature was 170℃. The removed lignin in the two stages had different molecular weight (Mw=9101 and 12961). In these two delignification stages, lignin removal rate in bulk delignification stage was higher (kbulk=4×10-4s-1>ksupplement=4×10-5s-1)．

soybean stalk; ethanol pretreatment; delignification; kinetics

2016- 04-19

国家自然科学基金(31500496)；湖北省教育厅重点项目(D20161402)；制浆造纸科学与技术教育部重点实验室开放基金(KF201611,KF-201409)。

樊富广,男,1992年生；在读硕士研究生；主要从事环境资源微生物技术研究。

*通信联系人：杨海涛,E-mail:pphtyang1979@aliyun.com.cn。

TS71

A

1000- 6842(2017)01- 0001- 06