呂 謙 譚玉鳳 張 慧 林 昊 肖衛(wèi)華

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 北京 100083)

0 引言

玉米秸稈是量大面廣的重要生物質(zhì)資源,蘊(yùn)藏著可持續(xù)生產(chǎn)清潔生物燃料和高價(jià)值化學(xué)品的巨大潛力,釋放這種潛力需要開發(fā)高效、可持續(xù)和具有經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)路線[1-4]。秸稈植物細(xì)胞壁中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素互相交聯(lián)形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、難降解的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料和增值產(chǎn)品的主要障礙[5-7]。開發(fā)一種快速、簡單的木質(zhì)纖維素組分分離技術(shù)對玉米秸稈高價(jià)值利用至關(guān)重要[8-10]。

本課題組的前期研究表明[11],過氧乙酸復(fù)合馬來酸(PAM)可以在環(huán)境友好、溫和的條件下溶解玉米秸稈中87.77%的木質(zhì)素和88.21%的半纖維素,保留86.83%的纖維素,實(shí)現(xiàn)對纖維素的富集。該方法可以有效打破木質(zhì)纖維生物質(zhì)的頑固結(jié)構(gòu),使纖維素充分暴露,在后續(xù)酶解糖化過程中獲得90%的葡萄糖得率。半纖維素作為玉米秸稈的主要組分之一,含量僅次于纖維素,也是一種以木糖為主的多糖[12-13]。從生物合成的角度看,木糖可以轉(zhuǎn)化為糠醛和木糖醇等高附加值的化學(xué)品,在生產(chǎn)化學(xué)品和燃料方面潛力巨大[14]。在PAM預(yù)處理中,半纖維素主要的水解產(chǎn)物為木糖,其水解規(guī)律尚不清楚,制約了半纖維素中有用組分的生產(chǎn)與應(yīng)用,限制了PAM預(yù)處理在生物煉制中的可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)可行性。為了提高半纖維素資源的利用效率,為PAM預(yù)處理的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ),探討半纖維素在PAM預(yù)處理過程中的水解機(jī)制十分必要。半纖維素大分子的不均一性使得其水解過程復(fù)雜、水解產(chǎn)物差異大,增加了了解水解反應(yīng)機(jī)制的難度[15]。而動(dòng)力學(xué)模型則可以用來描述水解的動(dòng)力學(xué)特性,對于研究水解反應(yīng)機(jī)制有很大優(yōu)勢,因此可以通過建立動(dòng)力學(xué)模型來研究半纖維素的水解反應(yīng)規(guī)律[16]。

半纖維素的水解反應(yīng)通常被假設(shè)為擬均相一級不可逆的反應(yīng),使用水解動(dòng)力學(xué)模型來研究其水解反應(yīng)歷程。關(guān)于半纖維素水解動(dòng)力學(xué)模型的建立,最早用來描述半纖維素動(dòng)力學(xué)的是Saeman模型[17],該模型由兩個(gè)連續(xù)的一級反應(yīng)組成,半纖維素水解為木糖,隨后木糖降解為降解產(chǎn)物。它是至今為止應(yīng)用最廣泛和最簡單的半纖維素水解動(dòng)力學(xué)模型[15]。SCHWIDERSKI等[18]使用Saeman模型擬合木聚糖在不同酸催化下的水解過程,研究表明該模型可以很好地描述木聚糖的水解及其降解產(chǎn)物的生成過程。KOBAYASHI等[19]發(fā)現(xiàn)木聚糖的轉(zhuǎn)化率達(dá)到70%以后,其水解反應(yīng)速率顯著下降,提出雙相模型闡釋半纖維素由兩種類型的木聚糖組成,一種是快速水解的木聚糖,另一種是慢速水解的木聚糖。該模型與Saeman模型均遵循一階動(dòng)力學(xué)。一些學(xué)者使用該模型對稀酸預(yù)處理中半纖維素水解成木糖進(jìn)行了研究,結(jié)果表明通過該模型可以確定半纖維素水解成木糖的最佳反應(yīng)條件,并且在低溫條件下半纖維素的水解以雙相反應(yīng)為主[20-21]。不同研究者使用動(dòng)力學(xué)模型的假設(shè)也不盡相同,并且動(dòng)力學(xué)模型的變化與試驗(yàn)條件相關(guān),因此有必要對具體的原料和工藝進(jìn)行專門的動(dòng)力學(xué)研究[22]。研究表明,PAM預(yù)處理的反應(yīng)溫度低于150℃,且半纖維素的主要降解產(chǎn)物為木糖[11]。本文使用雙相模型來研究PAM預(yù)處理玉米秸稈過程中半纖維素水解的反應(yīng)歷程以及動(dòng)力學(xué)特性,研究不同預(yù)處理?xiàng)l件對玉米秸稈中半纖維素含量的影響,建立PAM預(yù)處理過程中半纖維素水解的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,基于半纖維素水解的動(dòng)力學(xué)參數(shù),計(jì)算PAM預(yù)處理中半纖維素水解的表觀活化能。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

玉米秸稈取自河北省懷安縣,玉米秸稈風(fēng)干后使用RT-34型粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎并過40目篩,粉碎的樣品使用自封袋置于室溫保存,玉米秸稈的主要組成為:纖維素36.12%、半纖維素21.89%、木質(zhì)素18.99%、灰分1.72%。

1.2 預(yù)處理試驗(yàn)

取2.0 g玉米秸稈置于聚四氟反應(yīng)罐中,加入一定量的反應(yīng)溶液后放入微波反應(yīng)器中,設(shè)定在指定溫度下的預(yù)處理時(shí)間,每組試驗(yàn)重復(fù)兩次。玉米秸稈水解動(dòng)力學(xué)研究的試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 PAM預(yù)處理玉米秸稈的試驗(yàn)條件Tab.1 Experimental parameters of PAM pretreatment on corn stover

待預(yù)處理結(jié)束之后,將反應(yīng)罐取出置于冰水中降溫,反應(yīng)混合物用布氏漏斗進(jìn)行真空抽濾,過濾后的固體用去離子水洗滌至中性,洗滌后的固體放入105℃干燥箱中干燥至質(zhì)量恒定,用于后續(xù)木質(zhì)纖維組分含量的測定。

1.3 分析方法

玉米秸稈以及不同預(yù)處理后的樣品中木質(zhì)纖維組分的測定是采用美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的NREL/TP-510-42618標(biāo)準(zhǔn)方法[23]。

1.4 動(dòng)力學(xué)模型

半纖維素在低溫下可以看作是擬均相反應(yīng),研究表明,在PAM預(yù)處理過程中,半纖維素主要的水解產(chǎn)物是木糖,木糖可以在預(yù)處理液體中穩(wěn)定存在,沒有進(jìn)一步降解[11]。以此為研究基礎(chǔ),故本試驗(yàn)采用雙相動(dòng)力學(xué)模型來分析木聚糖的水解,該模型考慮了木聚糖的水解包含快速反應(yīng)和慢速反應(yīng)兩個(gè)階段,即

——降解產(chǎn)物

(1)

(2)

(3)

對式(1)～(3)進(jìn)行積分可得

(4)

其中

式中Hx——慢速反應(yīng)的木聚糖與原料中木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值

H0——原料中木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Hr——?dú)堄嘣诠腆w原料中的木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Hf——?dú)堄嘣诠腆w原料中快速反應(yīng)的木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Hs——?dú)堄嘣诠腆w物料中慢速反應(yīng)的木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)

kf、ks——快速反應(yīng)和慢速反應(yīng)的速率常數(shù)

HR——?dú)堄嘣诠腆w原料中木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)與原料中木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值

H——木糖單體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.5 表觀活化能

根據(jù)Arrhenius方程,一般化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)溫度存在的關(guān)系為

(5)

對式(5)兩邊取對數(shù)可得

(6)

式中ki——反應(yīng)速率常數(shù),min-1

T——開氏溫度,K

A0——指前因子

Ea——表觀活化能,kJ/mol

R——理想氣體常數(shù),取8.314×10-3kJ/(mol·K)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同預(yù)處理?xiàng)l件下木聚糖含量變化

不同預(yù)處理溫度下玉米秸稈中木聚糖含量隨時(shí)間的變化如圖1所示,在PA(單獨(dú)過氧乙酸)預(yù)處理中,當(dāng)處理溫度低于110℃時(shí),木聚糖含量隨反應(yīng)時(shí)間延長基本保持不變,溫度升高至120℃時(shí),木聚糖含量隨著處理溫度的升高顯著降低;在120℃時(shí),處理時(shí)間在10 min以內(nèi),木聚糖含量無明顯變化,繼續(xù)延長時(shí)間至40 min時(shí),木聚糖含量快速下降,降低至12%。相比之下,PAM預(yù)處理中木聚糖的水解受溫度的影響更顯著,隨著處理溫度的升高,PAM預(yù)處理水解木聚糖的效果顯著增強(qiáng),當(dāng)處理溫度為120℃,處理時(shí)間為40 min時(shí),木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速降低至6%,這主要?dú)w因于高溫加速了氫離子的電離,增強(qiáng)了酸水解的作用[24]。由于玉米秸稈中半纖維素是一種無定形態(tài)、以木聚糖為主的不均勻聚合物,相較于纖維素,半纖維素的無定形態(tài)結(jié)構(gòu)在酸性條件容易發(fā)生水解[17],所以PAM預(yù)處理在120℃條件下可以水解86%的木聚糖。與PA預(yù)處理相比,PAM預(yù)處理在溫度為120℃、處理時(shí)間為10 min的條件下,即可將木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至9%,可見PAM預(yù)處理對木聚糖的水解效果顯著。

圖1 不同預(yù)處理溫度下玉米秸稈中木聚糖含量隨 時(shí)間的變化規(guī)律Fig.1 Content of xylan on pretreated solid fractions at different temperatures

2.2 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

2.2.1木聚糖水解動(dòng)力學(xué)模型建立

以玉米秸稈中殘余木聚糖與原料中木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值HR來描述木聚糖在預(yù)處理過程中的水解程度。其中HR為木聚糖在預(yù)處理過程中的保留率,與木聚糖的水解率之和為100%。不同溫度下,HR的試驗(yàn)值及模型預(yù)測曲線如圖2、3所示。由圖2可知,在PA預(yù)處理中,隨著處理溫度的升高,木聚糖水解程度不斷增加,HR則不斷降低;在溫度為90℃時(shí),處理40 min后HR為0.88,即僅可水解12%的木聚糖;當(dāng)處理溫度升高至120℃,反應(yīng)40 min時(shí)71%的木聚糖被水解。圖3顯示,PAM預(yù)處理與PA預(yù)處理呈相似的趨勢,與PA預(yù)處理相比,PAM水解木聚糖的能力明顯高于PA預(yù)處理。PAM預(yù)處理在處理溫度為120℃、處理時(shí)間為10 min的條件下,HR為0.22,即可水解78%的木聚糖,是同樣條件下PA預(yù)處理水解的木聚糖的2.5倍。從圖2、3中可以看出,隨著處理時(shí)間的變化,殘余木聚糖的含量在較短的反應(yīng)時(shí)間(≤6 min)內(nèi)快速下降,隨著反應(yīng)時(shí)間延長(>6 min),殘余木聚糖含量的下降趨于緩慢。根據(jù)反應(yīng)速率的不同,玉米秸稈中木聚糖的水解明顯分為兩個(gè)階段,即快速反應(yīng)階段和慢速反應(yīng)階段。

圖2 不同溫度下PA預(yù)處理中殘余木聚糖的HR擬合曲線Fig.2 Experimental and fitted data profiles of xylan hydrolysis of PA pretreatment

圖3 不同溫度下PAM預(yù)處理中殘余木聚糖HR的擬合曲線Fig.3 Experimental and fitted data profiles of xylan hydrolysis of PAM pretreatment

2.2.2水解動(dòng)力學(xué)參數(shù)擬合

將HR代入式(4)中,用Origin 2018軟件對雙相動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合,得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)列于表2,其中R2是決定系數(shù)。該模型的預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,R2≥0.98,證明了該模型可以有效模擬木聚糖的水解過程,證實(shí)了模型的有效性。結(jié)果顯示,在PA預(yù)處理和PAM預(yù)處理中慢速反應(yīng)速率ks和快速反應(yīng)速率kf均隨著處理溫度的升高不斷升高,同時(shí),同一溫度下kf比ks高至少一個(gè)數(shù)量級,說明慢速反應(yīng)是木聚糖水解的限速步驟,在兩階段水解過程中,快速反應(yīng)部分的木聚糖更容易發(fā)生水解。這是由于木聚糖結(jié)構(gòu)的非均一性、木質(zhì)纖維原料中半纖維素的空間分布以及木聚糖與其他組分結(jié)合而導(dǎo)致不同的反應(yīng)速率[25]。在PAM預(yù)處理中慢速反應(yīng)速率ks和快速反應(yīng)速率kf均顯著高于PA預(yù)處理中ks和kf,證實(shí)馬來酸的添加會加快木聚糖水解的反應(yīng)速率,促進(jìn)木聚糖的水解。

表2 不同預(yù)處理?xiàng)l件下木聚糖水解動(dòng)力學(xué)參數(shù)的 擬合結(jié)果Tab.2 Fitted kinetic constants during hydrolysis under different pretreatment conditions

在PAM預(yù)處理和PA預(yù)處理中Hx均隨著處理溫度的升高不斷下降,當(dāng)處理溫度從90℃升高至120℃時(shí),在PAM預(yù)處理中,Hx從0.86降低至0.29,在PA預(yù)處理中,Hx從0.93降低至0.87。Hx是由不同反應(yīng)條件下確定的值的平均值所確定[26],在PAM預(yù)處理中,不同預(yù)處理溫度的條件下Hx平均值為0.62,在PA預(yù)處理中,Hx平均值為0.90。可見在PAM預(yù)處理和PA預(yù)處理中均是以慢速反應(yīng)部分木聚糖為主,表明慢速反應(yīng)階段決定木聚糖的水解進(jìn)程。另外,PAM預(yù)處理中的Hx明顯低于PA預(yù)處理中的Hx,與之對應(yīng),在PAM預(yù)處理中快速反應(yīng)木聚糖的比例則顯著高于PA預(yù)處理中快速反應(yīng)木聚糖的比例。這可能是由于PAM預(yù)處理中添加了馬來酸,而馬來酸作為一種二元羧酸,其結(jié)構(gòu)具有一定的特異性[27]。過氧乙酸可以有效溶解植物細(xì)胞中層的木質(zhì)素,還可以有效地?cái)嗔涯举|(zhì)素與半纖維素的連接鍵[28],使得碳水化合物暴露在酸性介質(zhì)中;在PAM預(yù)處理中,額外添加了馬來酸,引入了大量的H+,強(qiáng)化了糖苷鍵的水解反應(yīng)[21],同時(shí),兩個(gè)馬來酸分子很容易形成類似于糖苷酶的活性位點(diǎn),進(jìn)而會遵循糖苷酶催化斷裂糖苷鍵的原理使得木聚糖中糖苷鍵斷裂[29-30];并且馬來酸是一種二元羧酸,在水溶液中H+不會完全電離,未解離的H+與糖環(huán)上的羥基互相作用,使得木聚糖變得更易水解[31],因此PAM預(yù)處理水解木聚糖的效率明顯高于PA預(yù)處理。

PAM預(yù)處理和PA預(yù)處理的Hx均高于稀酸預(yù)處理、水熱預(yù)處理以及乙酸預(yù)處理[22, 26, 32],可能是PAM預(yù)處理和PA預(yù)處理中處理溫度較低(<150℃),影響了H+的電離,進(jìn)而影響了木聚糖的水解,導(dǎo)致PAM預(yù)處理和PA預(yù)處理的Hx偏高。研究表明,快速反應(yīng)和慢速反應(yīng)木聚糖的比例并不是木聚糖內(nèi)部的屬性,該比例只是適用于動(dòng)力學(xué)模型的一個(gè)概念參數(shù)[32],它受很多因素的影響,如原料、預(yù)處理?xiàng)l件、水解產(chǎn)物的擴(kuò)散,這也可以解釋PAM預(yù)處理和PA預(yù)處理中Hx比文獻(xiàn)中的報(bào)道偏高。玉米秸稈中木聚糖的雙相水解行為主要受以下因素影響:首先,半纖維素的空間分布決定了與催化劑的可及度,部分被鑲嵌在纖維素和木質(zhì)素鏈中的木聚糖較難與催化劑接觸;其次,一部分木聚糖與木質(zhì)素以共價(jià)鍵的方式連接形成木質(zhì)素-碳水化合物(LCC)嵌入或附著在木質(zhì)素上,導(dǎo)致其反應(yīng)緩慢;此外,乙?；吞侨┧崤c木糖比例的變化會導(dǎo)致木聚糖結(jié)構(gòu)的變化,引起水解速率的差異[33-34]。

2.2.3表觀活化能分析

圖4顯示了PA預(yù)處理和PAM預(yù)處理中木聚糖水解的速率常數(shù)和1/T的Arrhenius曲線,斜率為反應(yīng)活化能,并將本研究的反應(yīng)活化能與其它文獻(xiàn)中木聚糖水解活化能結(jié)果列于表3。在本研究中,木聚糖的慢速水解反應(yīng)需要更多的能量,因?yàn)槠浠罨芨哂谀揪厶强焖偎夥磻?yīng)的活化能,與表3中文獻(xiàn)結(jié)果一致。通過對比得知,不同原料和預(yù)處理?xiàng)l件導(dǎo)致木聚糖水解所需要的活化能不同[35],PAM預(yù)處理中木聚糖快速水解和慢速水解的活化能均較低,可能是預(yù)處理?xiàng)l件的差異所導(dǎo)致。PAM預(yù)處理中木聚糖水解的活化能不僅低于單獨(dú)的馬來酸預(yù)處理[21],也低于單獨(dú)的PA預(yù)處理,可見PAM預(yù)處理對玉米秸稈中木聚糖的水解具有一定的優(yōu)勢,能降低木聚糖水解反應(yīng)的能壘。因此,PAM預(yù)處理中過氧乙酸復(fù)合馬來酸有共同增強(qiáng)木聚糖水解的作用。這可能是過氧乙酸脫木質(zhì)素的作用,打開了植物細(xì)胞壁中觸及碳水化合物的通道,而馬來酸雙羧酸結(jié)構(gòu)的特異性則可以加速木聚糖的水解,使得因脫木質(zhì)素而暴露的木聚糖更易水解。

圖4 不同預(yù)處理中速率常數(shù)與溫度的擬合曲線Fig.4 Arrhenius plots of rate constants and temperature for different pretreatment of corn stover

表3 不同預(yù)處理下木聚糖水解活化能的比較Tab.3 Comparison of activation energies for xylan hydrolysis in different pretretatments

3 結(jié)束語

以PA預(yù)處理為對照,通過動(dòng)力學(xué)模擬分析,研究了PAM預(yù)處理玉米秸稈過程中半纖維素的水解規(guī)律。結(jié)果表明,玉米秸稈中半纖維素的水解在90～120℃下符合雙相動(dòng)力學(xué)模型,由快速反應(yīng)和慢速反應(yīng)兩個(gè)階段構(gòu)成,并且慢速反應(yīng)部分的比例隨著處理溫度的升高而下降。使用Arrhenius方程得到了不同預(yù)處理中木聚糖水解的活化能,在PA預(yù)處理中木聚糖快速水解和慢速水解的活化能分別為75 kJ/mol和139.1 kJ/mol,在PAM預(yù)處理中木聚糖快速水解和慢速水解的活化能分別為71.4 kJ/mol和79.1 kJ/mol。PAM預(yù)處理可以顯著降低木聚糖水解反應(yīng)的活化能并提高木聚糖水解反應(yīng)速率,表明馬來酸的添加可以有效促進(jìn)木聚糖的水解。該動(dòng)力學(xué)模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示出良好的一致性,驗(yàn)證了該模型可以有效模擬PAM預(yù)處理玉米秸稈中半纖維素的水解過程。