張鴨關(guān)，汪 帆，趙紅艷，吳麗芳

(曲靖師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 曲靖 655011)

稀硫酸預(yù)處理高丹草秸稈條件的優(yōu)化研究

張鴨關(guān)，汪 帆*，趙紅艷，吳麗芳

(曲靖師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 曲靖 655011)

預(yù)處理是利用生物質(zhì)原料制備燃料乙醇的工藝過程中至關(guān)重要的一步，文章以高丹草秸稈為主要研究對(duì)象，對(duì)稀硫酸預(yù)處理高丹草秸稈優(yōu)化工藝進(jìn)行了研究，在研究溫度、時(shí)間、稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和固液質(zhì)量比4個(gè)單因素對(duì)預(yù)處理效果影響的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)對(duì)稀硫酸預(yù)處理高丹草秸稈工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，確定了稀硫酸最佳預(yù)處理工藝條件為水解溫度120 ℃，水解時(shí)間2 h，稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5 %，固液質(zhì)量比1∶10，在此條件下，預(yù)處理水解液還原糖得率32.59 %，糠醛得率為0.45 %。

高丹草；稀硫酸；預(yù)處理；還原糖得率；糠醛得率

溫室氣體排放導(dǎo)致環(huán)境問題加劇，化石燃料資源日益枯竭引發(fā)能源短缺嚴(yán)重，世界各國(guó)都在積極推進(jìn)生物質(zhì)能源利用技術(shù)的研究[1]。木質(zhì)纖維素類物質(zhì)是世界上最廣泛的可利用的生物材料，這些原料有木材及其加工廢棄物、快速生長(zhǎng)的各種草類、農(nóng)作物秸稈及城市垃圾等[2-3]。木質(zhì)纖維素類物質(zhì)主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其質(zhì)量約占植物總質(zhì)量的80 %～95 %[4-5]。其中，纖維素和半纖維素經(jīng)纖維素酶催化后可水解為還原糖， 還原糖經(jīng)過酵母菌的發(fā)酵即可轉(zhuǎn)化為燃料乙醇。然而，由于纖維素是葡萄糖單元以β-1，4 糖苷鍵連接的高分子化合物，有著緊密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)；同時(shí)，由于纖維素被共價(jià)結(jié)合的木質(zhì)素和半纖維素包覆而存在大量的結(jié)晶區(qū)，使得木質(zhì)纖維素形成致密不透水的高級(jí)結(jié)構(gòu)，使酶制劑很難與纖維素接觸，直接影響后續(xù)的水解和發(fā)酵過程[6-10]。原料預(yù)處理過程的主要作用是去除部分半纖維素和木質(zhì)素、打破纖維素的晶體結(jié)構(gòu)、提高酶水解過程中纖維素轉(zhuǎn)化率、以及提高發(fā)酵過程的效率[5-6]。

高丹草(Sorghum-SudanGrassHybrid)是根據(jù)雜種優(yōu)勢(shì)原理，用高粱和蘇丹草雜交而成的新型牧草。高粱(sorghumbicolor)是一種古老的禾谷類作物，具有抗旱、耐澇、耐鹽堿、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，蘇丹草(S.sudanense)是栽培最普遍的一年生禾本科牧草，具有高度的適應(yīng)性、很強(qiáng)的再生性和抗旱能力，其莖葉品質(zhì)比青刈玉米和高粱柔軟，素有“養(yǎng)魚青飼料之王”的美譽(yù)[11]。高粱和蘇丹草的生物學(xué)特性差異較大，但沒有生殖隔離，二者的雜種優(yōu)勢(shì)強(qiáng)。高丹草就是根據(jù)雜種優(yōu)勢(shì)原理，用高粱和蘇丹草雜交而成的牧草。高丹草綜合了高粱莖粗、葉寬和蘇丹草分蘗力、再生力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，雜種優(yōu)勢(shì)非常明顯，再生性好、產(chǎn)量高(北方1年可刈割3～4次，一般產(chǎn)鮮草45～75 t/hm2，南方1年可刈割6～8次，最高產(chǎn)鮮草195 t/hm2左右[11-12])、含糖量較高、耐貧瘠(對(duì)土壤要求不嚴(yán)，沙壤土、微堿性粘土和輕度鹽堿地均可種植[11-12])及抗逆性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種很好的低成本的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料，適于作為能源牧草，用來生產(chǎn)清潔燃料乙醇。

表1 高丹草秸稈的成分分析

文中以高丹草秸稈為主要研究對(duì)象，在研究溫度、時(shí)間、稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和固液質(zhì)量比4個(gè)單因素對(duì)預(yù)處理效果影響的基礎(chǔ)上，采用正交及優(yōu)化試驗(yàn)對(duì)稀硫酸預(yù)處理高丹草秸稈工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，確定稀硫酸最佳預(yù)處理工藝條件，對(duì)稀硫酸預(yù)處理高丹草秸稈優(yōu)化工藝進(jìn)行研究，以期為高丹草秸稈纖維素預(yù)處理及其乙醇高值轉(zhuǎn)化技術(shù)的研發(fā)提供相關(guān)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

高丹草采自云南省肉牛和牧草研究中心實(shí)驗(yàn)基地。將樣品自然風(fēng)干，在105 ℃條件下恒溫10 h，粉碎，過40目篩，貯存在干燥器中備用。經(jīng)測(cè)定，高丹草秸稈的主要組分及熱值見表1。

1.2 儀器

實(shí)驗(yàn)中用到的主要儀器和設(shè)備見表2。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 單因素試驗(yàn) 研究在不同條件下，高丹草主要成分：纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的變化趨勢(shì)。試驗(yàn)初始條件為溫度80 ℃，時(shí)間30 min，稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5 %，固液質(zhì)量比為1∶0.5，按表3設(shè)置進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

表2 主要儀器和設(shè)備

表3 稀硫酸預(yù)處理水平設(shè)置

1.3.2 正交試驗(yàn) 在單因素試驗(yàn)中，找到了預(yù)處理溫度、時(shí)間、稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和固液質(zhì)量比4種因素合適的變化范圍，為了考察各因素的主效應(yīng)和因素間的交互效應(yīng)，得出最佳預(yù)處理?xiàng)l件，進(jìn)行了L9(34)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)及測(cè)定方法

1.4.1 纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量分析 采用范氏法(Van Soest)測(cè)定高丹草秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.4.2 還原糖、糠醛的測(cè)定 (1)還原糖含量測(cè)定采用DNS(3，5-二硝基水楊酸比色法)：

(2)糠醛含量測(cè)定采用紫外分光光度計(jì)進(jìn)行：

式中：C為水解液中的糠醛濃度，μg/mL；V為水解液體積，mL；m為預(yù)處理高丹草的干物質(zhì)量，g。

1.4.3 掃描電鏡分析 利用超高分辨熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡在5000倍及8000倍下進(jìn)行預(yù)處理前后高丹草表面結(jié)構(gòu)的分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 高丹草秸稈預(yù)處理單因素試驗(yàn)

2.1.1 溫度對(duì)預(yù)處理效果的影響 由圖1可知，溫度對(duì)預(yù)處理效果具有非常顯著的影響，不同預(yù)處理溫度下，高丹草纖維素、木質(zhì)素的含量隨溫度的上升而增加，而半纖維素的含量隨溫度上升呈降低趨勢(shì)。當(dāng)溫度在90 ℃以下時(shí)，高丹草各組分的含量變化很小，說明這時(shí)高丹草水解率很低，甚至不水解。溫度超過100 ℃以后，纖維素迅速上升，而半纖維素含量迅速下降，木質(zhì)素含量也有一定程度的上升，但很緩慢。到120 ℃時(shí)，纖維素含量達(dá)58.4 %，半纖維素含量達(dá)9.02 %。120 ℃后，各組分含量穩(wěn)定。因此，正交試驗(yàn)的溫度可選100、110、120 ℃。

圖1 預(yù)處理溫度對(duì)高丹草各組分含量的影響Fig.1 The effect of different pretreatment temperature on the component of Sorghum-Sudan Grass Hybrid straw

圖2 預(yù)處理時(shí)間對(duì)高丹草各組分含量的影響Fig.2 The effect of different pretreatment time on the component of Sorghum-Sudan Grass Hybrid straw

2.1.2 時(shí)間對(duì)預(yù)處理效果的影響 由圖2可知，時(shí)間對(duì)高丹草木質(zhì)素含量的影響很小，而對(duì)纖維素及半纖維素的含量影響較大。在60 min前高丹草主要成分的變化很小，說明60 min前，高丹草的水解程度很小。60 min后，高丹草纖維素、木質(zhì)素含量隨預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速增加，半纖維素含量隨之迅速降低。當(dāng)時(shí)間超過150 min時(shí)，纖維素、半纖維素的含量變化較小，趨于穩(wěn)定。因此，正交試驗(yàn)的時(shí)間可選90、120、150 min。

2.1.3 稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)預(yù)處理效果的影響 由圖3可知，高丹草木質(zhì)素含量隨硫酸濃度的增加有一定程度的上升，但是，纖維素和半纖維素的含量隨著硫酸濃度的增加變化幅度很大，說明稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)高丹草中木質(zhì)素的影響較小，而對(duì)纖維素和半纖維素的影響較大。稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5 %～1.5 %，纖維素含量迅速增加，半纖維素含量迅速下降，稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1.5 %，高丹草中各組分的含量都趨于穩(wěn)定。因此，正交試驗(yàn)稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)可選0.5 %、1.0 %、1.5 %。

圖3 預(yù)處理的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)高丹草各組分含量的影響Fig.3 The effect of different concentration of dilute on the component of Sorghum-Sudan Grass Hybrid straw

2.1.4 固液質(zhì)量比對(duì)預(yù)處理效果的影響 由圖4可以看出，固液比對(duì)高丹草中各組分均有一定的影響。固液比從1∶5增加到1∶10時(shí)，高丹草中纖維素含量迅速增加，半纖維素含量迅速降低，纖維素含量增加64.8 %，半纖維素降低76.4 %。固液比超過1∶10后，隨著固液質(zhì)量比的增加，各組成成分含量的變化較小。因此，可以選擇固液比1∶5、1∶10、1∶15進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖4 預(yù)處理固液比對(duì)高丹草各組分含量的影響Fig.4 The effect of different ratio of solid to liquid on the component of Sorghum-Sudan Grass Hybrid straw

2.2 高丹草秸稈預(yù)處理正交優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 高丹草秸稈預(yù)處理正交試驗(yàn)結(jié)果 為了找出最優(yōu)的預(yù)處理?xiàng)l件組合，在確定各預(yù)處理單因子對(duì)高丹草秸稈預(yù)處理效果影響的基礎(chǔ)上，以還原糖和糠醛得率為目標(biāo)，設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn)表(表4)進(jìn)行預(yù)處理正交實(shí)驗(yàn)，正交試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可知，稀硫酸預(yù)處理高丹草秸稈的試驗(yàn)，對(duì)預(yù)處理效果的影響是稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)>固液比>溫度>時(shí)間，且最優(yōu)實(shí)驗(yàn)組合為D3B2C3A2，即稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5 %，溫度為120 ℃，預(yù)處理時(shí)間為120 min，固液比為1∶10。

2.2.2 高丹草秸稈預(yù)處理優(yōu)化試驗(yàn) 采用正交試驗(yàn)得出的最佳預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)高丹草秸稈進(jìn)行預(yù)處理試驗(yàn)，由表6可知，最佳預(yù)處理?xiàng)l件下，還原糖得率為32.59 %，糠醛得率為0.45 %，由此可知，糠醛濃度小于1 %，其含量較低，基本不會(huì)對(duì)后續(xù)乙醇發(fā)酵產(chǎn)生抑制。同時(shí)殘?jiān)欣w維素的含量由預(yù)處理前30 %提高至49.60 %，半纖維素由25.19 %降至10.02 %，木質(zhì)素由15.28 %降至11.09%?？梢妰?yōu)化后的預(yù)處理?xiàng)l件主要對(duì)半纖維素的水解效果明顯，對(duì)木質(zhì)素也有一定的水解，但是，對(duì)纖維素水解程度很低，有效地保留了高丹草秸稈中的纖維素，并且水解液中糠醛濃度也處于很低水平，這為后續(xù)酶解糖化工藝奠定了很好的基礎(chǔ)。

表4 正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

表6 預(yù)處理水解液及殘?jiān)饕煞?/p>

2.3 高丹草秸稈在預(yù)處理?xiàng)l件下前后表面結(jié)構(gòu)的變化

選取未經(jīng)堿氧化預(yù)處理的和經(jīng)稀硫酸最佳預(yù)處理?xiàng)l件處理后的高丹草秸稈進(jìn)行掃描電鏡分析，從圖6中可以看出，未經(jīng)預(yù)處理的高丹草秸稈表面光滑平整，結(jié)構(gòu)致密，呈平行排列的纖維束狀。經(jīng)稀硫酸最佳預(yù)處理?xiàng)l件處理后的高丹草，其表面粗糙，結(jié)構(gòu)變得疏松，纖維出現(xiàn)很多斷裂，多孔隙。說明預(yù)處理后破壞了秸稈的致密結(jié)構(gòu)，比表面積增大。利于后續(xù)酶解階段中酶與纖維素、半纖維素成分的結(jié)合。

3 討 論

本研究在分析各單因素條件對(duì)稀硫酸預(yù)處理高丹草秸稈原料物理化學(xué)變化過程的基礎(chǔ)上，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化得到最佳預(yù)處理工藝：稀硫酸水解溫度120 ℃，水解時(shí)間2 h，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5 %，固液質(zhì)量比1∶10。在最佳預(yù)處理?xiàng)l件下可以去除大量的木質(zhì)素和一定量的半纖維素，實(shí)現(xiàn)對(duì)高丹草秸稈的高效預(yù)處理，預(yù)處理水解液還原糖得率達(dá)32.59 %，副產(chǎn)物糠醛濃度0.45 %，糠醛含量處在較低范圍，不會(huì)對(duì)后續(xù)酶解及糖化產(chǎn)生不良影響。并且經(jīng)稀硫酸最佳預(yù)處理工藝處理的高丹草秸稈表面結(jié)構(gòu)變得疏松，纖維出現(xiàn)很多斷裂和孔隙，比表面積增大，利于后續(xù)酶解中酶與纖維素成分的有效結(jié)合，對(duì)后續(xù)燃料乙醇發(fā)酵生產(chǎn)具有重要意義。

本研究與傳統(tǒng)的木質(zhì)纖維素酸預(yù)處理相比具有2個(gè)方面的創(chuàng)新，首先是木質(zhì)纖維素原料選擇抗逆性強(qiáng)，產(chǎn)量高，投入低，具有較高的生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的能源牧草高丹草，從原材料上可以減少成本；其次是本研究的最佳預(yù)處理工藝有稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，水解時(shí)間短，溫度低，副產(chǎn)物糠醛含量低的特點(diǎn)，從而可以降低硫酸對(duì)設(shè)備的腐蝕和能耗，省去了對(duì)有毒副產(chǎn)物糠醛的處理，從而降低了燃料乙醇發(fā)酵生產(chǎn)成本，為實(shí)現(xiàn)高丹草為原料制備燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了一定的。

本研究主要針對(duì)預(yù)處理過程中產(chǎn)生的還原糖含量進(jìn)行了研究，并未針對(duì)具體的單糖，如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等進(jìn)行各自濃度的測(cè)定，后期研究中將進(jìn)一步對(duì)各種單糖的濃度進(jìn)行測(cè)定，從而計(jì)算出纖維素、半纖維素的糖轉(zhuǎn)化率；進(jìn)一步對(duì)玉米秸稈預(yù)處理過程中固相、液相和氣相中的C進(jìn)行測(cè)定，并進(jìn)行碳平衡分析。

圖5 高丹草秸稈表面結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖Fig.5 SEM pictures of surface structure

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(責(zé)任編輯 王家銀)

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

曲靖師范學(xué)院青年項(xiàng)目(2010QN001);云南省教育廳項(xiàng)目(2011C017);2016年國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目

張鴨關(guān)(1978-)，女，副教授，從事生物化學(xué)、有機(jī)化學(xué)教學(xué)及生物資源的開發(fā)與利用研究， E-mail:zhangyaguan2013@163.com，*為通訊作者，E-mail:wfan321@126.com。

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