稀硫酸預浸漬對玉米秸稈蒸汽爆破預處理的影響

趙鵬翔,吳 毅,趙正凱

(國網新源控股有限公司北京非糧醇電聯產技術研發中心,北京100053)

稀硫酸預浸漬對玉米秸稈蒸汽爆破預處理的影響

趙鵬翔,吳 毅,趙正凱

(國網新源控股有限公司北京非糧醇電聯產技術研發中心,北京100053)

為提高纖維素乙醇生產中傳統蒸汽爆破預處理的效果,以稀硫酸(質量濃度0.2%)對玉米秸稈進行預浸漬,再于190～210℃對其進行汽爆預處理。結果表明:稀硫酸預浸漬有利于增強汽爆過程中半纖維素的水解程度,并能有效減少乙酸的生成;200℃預處理玉米秸稈經過96 h同步糖化發酵,最終乙醇濃度為22.5 g·L-1,為理論值的76%,較預浸漬前(19.0 g·L-1)明顯提高。稀硫酸預浸漬能夠增強玉米秸稈的汽爆預處理效果。

硫酸預浸漬;蒸汽爆破;纖維素乙醇;玉米秸稈

纖維素乙醇是最具發展前景的可再生清潔能源之一,其生產原料——木質纖維素,是世界上最為豐富、廉價的可再生資源。地球上每年光合作用形成的1000億t植物生物量中80%是木質纖維素,其中89%未被利用[1-3]。按照每5 t木質纖維原料生產1 t乙醇的技術水平,這些原料能生產200億t燃料乙醇。可見,開發纖維素乙醇對社會的可持續性發展有著極其重要的意義。

木質纖維素主要由纖維素、半纖維素以及木質素構成,三者相互結合在一起。纖維素由于被木質素與半纖維素包裹在內部,其水解糖化[4,5]受到阻礙。木質纖維素的結構特點決定了必須通過預處理來破壞其完整的物理結構,以提高可水解性[6]。蒸汽爆破法(STEX)是最常用的預處理方法之一,通過高壓水蒸氣的瞬間釋放從內部破壞木質纖維素的物理結構[7,8],同時,水在高溫下作為酸性催化劑促進半纖維素水解為木糖等單糖。由于水能提供的H+有限,通常需要較高的汽爆溫度,而木糖在高溫下會進一步分解為糠醛、乙酸等發酵抑制物[9,10]。

作者對蒸汽爆破法進行了改良,在蒸汽爆破(汽爆)前用稀硫酸對玉米秸稈進行預浸漬,使玉米秸稈在汽爆前便處于酸性環境中,促進秸稈中半纖維素的水解,從而降低汽爆溫度,以避免單糖進一步分解為乙酸等發酵抑制物,同時,也能增強纖維素的酶水解性,提高玉米秸稈的利用率。

1 實驗

1.1 材料

玉米秸稈,河北邯鄲。將玉米秸稈洗凈干燥后用錘式破碎機粉碎為2～10 mm的小段,在38℃烘箱中烘干,置于干燥處保存。

玉米秸稈組成成分采用NREL的相關方法進行分析[11]:干玉米秸稈的纖維素、半纖維素、木質素含量分別為33.6%、22.8%、14.1%(表1);可提取物中主要含有一些油脂、蛋白質、淀粉等易溶于水或有機溶劑的物質。

表1 玉米秸稈的組成成分/%Tab.1 Composition of corn stover/%

1.2 方法

1.2.1 預處理

首先在常溫下用0.2%(質量濃度,下同)的硫酸對玉米秸稈以固液比1∶20(g∶m L)預浸漬2 h;之后以27 MPa的壓力將原料中的水分壓至50%左右;然后在預處理反應器中分別以190℃(1.25 MPa)、200℃(1.55 MPa)、210℃(1.90 MPa)保持10 min后,瞬間(小于0.5 s)釋放壓力。每個汽爆溫度設置一個空白對照組(以水代替硫酸)。

1.2.2 酶水解

以預處理后的玉米秸稈草漿(包括液體與固體部分)為底物進行。其中,纖維素酶為Cellic Ctec2(諾維信,丹麥),酶用量為10 FPU·g-1底物,底物濃度為5%,在45℃、p H值為5的條件下酶水解96 h。

1.2.3 同步糖化發酵

底物濃度為10%,發酵溫度為35℃,p H值為5.5,發酵時間為96 h;每升發酵液釀酒酵母(J?stbolaget,瑞典)用量為3 g,纖維素酶為Cellic Ctec2,酶用量為10 FPU·g-1底物;培養液中(NH4)2HPO3的濃度為0.5 g·L-1,MgSO4·7H2O的濃度為0.025 g·L-1。

1.3 分析測試

1.3.1 纖維素酶活

纖維素酶活測定試管中放入1 cm×6 cm的濾紙(約50 mg)一條,加入0.5 m L適當稀釋的纖維素酶液和1 m L檸檬酸緩沖溶液(p H值4.8),于50℃保溫振蕩30 min。空白實驗中酶液預先滅活,其余條件不變。

1個濾紙酶活力單位(FPU)定義為酶促反應中每分鐘生成1.0μmol葡萄糖(以還原糖表示)所需的酶量[]。

1.3.2 糖及抑制物濃度分析

單糖、乙醇以及副產物用島津Prominence LC-20AT型高效液相色譜儀進行定量分析,分析前所有測試樣品以0.20μm的微濾膜過濾。檢測器為折光檢測器。色譜柱為Aminex HPX-87 H(Bio-Rad,Hercules,CA,USA)。葡萄糖和木糖等單糖:柱溫85℃,流動相為超純水,流速0.5 m L·min-1。乙醇、糠醛、羥甲基糠醛以及乙酸:柱溫50℃,流動相為0.5 mmol ·L-1硫酸,流速0.5 m L·min-1。

2 結果與討論

2.1 組成成分分析

0.2 %硫酸預浸漬前后玉米秸稈經不同溫度汽爆預處理后的組成成分見表2。

從表2可以看出,經過汽爆預處理后,玉米秸稈中3種主要成分的含量均發生了較大變化,其中纖維素和木質素含量得到了一定程度的提高,而半纖維素含量則有所下降;且隨著汽爆溫度的升高,各成分含量變化的程度加大。其中,硫酸預浸漬玉米秸稈在汽爆溫度從190℃上升至210℃時,纖維素含量從51.2%升至58.6%;半纖維素含量從6.7%降至3.6%;木質素含量則從27.6%升至31.8%。表明,玉米秸稈經硫酸預浸漬后,汽爆預處理對半纖維素的水解更為徹底。

表2 玉米秸稈預處理后的組成成分Tab.2 Composition of pretreated corn stover

2.2 葡萄糖和木糖回收率分析(表3)

表3 玉米秸稈預處理后的葡萄糖和木糖回收率Tab.3 Recovery of glucose and xylose of pretreated corn stover

從表3可以看出,硫酸預浸漬對玉米秸稈中的葡萄糖回收率幾乎沒有影響。葡萄糖回收率高于理論值是由于秸稈中存在一定量的淀粉。相比纖維素,大部分半纖維素在汽爆預處理過程中發生水解。經硫酸預浸過的秸稈在相對較低溫度下獲得較高的木糖回收率。當汽爆溫度為190℃時,未經硫酸預浸漬秸稈固體中木糖回收率為57.3%,而硫酸預浸漬秸稈僅為24.2%;前者水解液中木糖回收率僅為47.7%,后者則為75.4%。這是因為,硫酸提供了更多的H+,H+作為催化劑促進半纖維素的水解。隨著汽爆溫度的升高,水解液中的木糖回收率逐漸降低。這是因為,汽爆溫度的升高導致木糖分解為其它副產物。

2.3 抑制物分析

硫酸預浸漬前后玉米秸稈經不同溫度汽爆預處理后,糠醛、羥甲基糠醛以及乙酸的生成情況見圖1。

糠醛和羥甲基糠醛分別來源于木糖和葡萄糖的進一步分解,而乙酸則是由半纖維素側鏈上的乙酰基生成的。由圖1可知,相比未經硫酸預浸漬,同溫度下硫酸預浸漬玉米秸稈汽爆預處理后羥甲基糠醛產量幾乎沒有增加,糠醛產量少量增加,而乙酸產量明顯減少。這可能是因為,玉米秸稈經硫酸預浸漬后,其pH值更低,H+濃度的增大抑制化學平衡向生成乙酸方向移動。隨著汽爆溫度的升高,抑制物的產量也逐漸增加。

圖1 玉米秸稈預處理后各抑制物的產量Fig.1 Yieldsofinhibitorsofpretreatedcornstover

2.4 酶水解

2.4.1 葡萄糖產量分析(圖2)

圖2 酶水解后的葡萄糖產量Fig.2 Glucoseyieldafterenzymatichydrolysis

從圖2可以看出,未經硫酸預浸漬玉米秸稈于190℃、200℃以及210℃進行汽爆預處理后,酶水解得到的葡萄糖產量為20.7g·(100g原料)-1、25.8g ·(100g原料)-1和28.4g·(100g原料)-1,分別低于0.2%硫酸預浸漬玉米秸稈的21.1g·(100g原料)-1、26.6g·(100g原料)-1和29.4g·(100g原料)-1。這是因為,玉米秸稈經過硫酸預浸漬后,秸稈中的半纖維素更容易在預處理過程中發生水解,使更多被包裹在內的纖維素暴露出來,有利于纖維素與酶的接觸,從而提高了纖維素的酶水解性。

2.4.2 木糖產量分析(圖3)

圖3 酶水解后的木糖產量Fig.3 Xyloseyieldafterenzymatichydrolysis

從圖3可以看出,大部分木糖來源于預處理過程,只有小部分木糖來源于酶水解過程。這是因為,半纖維素較容易發生水解,在預處理過程中大部分半纖維素已經被水解為木糖,而0.2%硫酸預浸漬玉米秸稈更加明顯。從圖3還可以看出,0.2%硫酸預浸漬玉米秸稈最終獲得的木糖產量要大于未經硫酸預浸漬玉米秸稈,兩者的木糖產量均在汽爆溫度為190℃時最大。

2.5 同步糖化發酵

0.2 %硫酸預浸漬前后的玉米秸稈在200℃下汽爆預處理后進行96 h的同步糖化發酵,發酵液中各成分的濃度見圖4。

圖4 發酵液中各成分的濃度Fig.4 Concentration of components in the fermentation broth

從圖4可以看出,未經硫酸預浸漬的玉米秸稈發酵獲得的最終乙醇濃度為19.0 g·L-1,相當于每100 g原料產生12.1 g乙醇,為理論值的60.1%;0.2%硫酸預浸漬玉米秸稈在相同發酵條件下可獲得22.5 g· L-1的最終乙醇濃度,相當于每100 g原料產生15.0 g乙醇,為理論值的76%,較硫酸預浸漬前明顯提高。這是因為,0.2%硫酸預浸漬玉米秸稈中半纖維素在預處理過程中的水解程度更大、發酵過程中的乙酸濃度更低。此外,由于未采用具有戊糖發酵能力的菌種,發酵過程中的木糖濃度始終保持在10 g·L-1左右,若使用具有較好戊糖發酵能力的菌種,可以提高最終乙醇得率,從而進一步提高原料利用率。

3 結論

(1)稀硫酸預浸漬可以增強玉米秸稈的汽爆預處理效果。稀硫酸預浸漬一方面可以降低預處理溫度,減少能耗;另一方面可以增大半纖維素的水解程度及其回收率,增加纖維素的酶水解性。200℃預處理玉米秸稈經過96 h同步糖化發酵,最終乙醇濃度為22.5 g·L-1,為理論值的76%,較預浸漬前(19.0 g·L-1)明顯提高。

(2)木糖在酸性條件下更容易繼續分解為糠醛,而硫酸預浸漬會使玉米秸稈在預處理過程中產生更多的糠醛,但不會促進葡萄糖進一步分解為羥甲基糠醛。此外,稀硫酸預浸漬可以減少乙酸的生成,減輕了乙酸對同步糖化發酵生產乙醇的抑制作用,從而提高了乙醇產量。

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The Effect of Dilute Sulfuric Acid Impregnation on Steam Explosion Pretreatment of Corn Stover

ZHAO Peng-xiang,WU Yi,ZHAO Zheng-kai
(State Grid Xinyuan Beijing Bio-Ethanol Energy R&D Center,Beijing 100053,China)

To improve the effect of traditional steam explosion pretreatment in lignocellulosic ethanol production,the corn stover was impregnated with 0.2%sulfuric acid before steam explosion pretreatment at 190～210℃.The results showed that dilute sulfuric acid impregnation was beneficial to enhance the hydrolysis of hemicellulose and decreased the generation of acetic acid.In the following simultaneous saccharification and fermentation(SSF),a final ethanol concentration of 22.5 g·L-1was obtained,corresponding to 76%of the theoretical maximum ethanol yield,which was obviously higher than that obtained without dilute sulfuric acid impregnation(19.0 g·L-1).It is proved that dilute sulfuric acid impregnation can improve the effect of steam explosion pretreatment of corn stover.

sulfuric acid impregnation;steam explosion;lignocellulosic ethanol;corn stover

TQ 351.3

A

1672-5425(2013)05-0067-05

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.05.019

國家電網公司科技項目(SGKJKJ〔2010〕848)

2013-02-22

趙鵬翔(1975-),男,遼寧沈陽人,博士,高級工程師,從事生物質能源方面的研究,E-mail:pengxiang-zhao@sgxy.sgcc. com.cn;通訊作者:趙正凱,工程師,E-mail:williamzzk@163.com。