玉米秸稈濃硫酸糖化工藝優化及酸糖分離樹脂評價

摘要： 可發酵糖生產是制約從木質纖維素生物質經濟性生產燃料乙醇的瓶頸環節. 基于濃硫酸糖化生產可發酵糖具有高糖回收率和無需纖維素酶投入的優點，本研究探究了玉米秸稈濃酸糖化工藝的優化條件并評價市售樹脂分離酸糖的潛力. 本文采用濃硫酸溶化-水解兩步工藝，考察了關鍵操作參數酸料比（A/F）、水解溫度以及秸稈含水率對糖化效率的影響，獲得優化條件（A/F 比1. 25、水解溫度80 ℃、含水率5%～10%），總糖濃度達到180. 4～183. 16 g/L，總糖回收率達到79. 06%～81. 83%；乙酸和色度物質是糖化過程中形成的主要副產物，常見發酵抑制物糠醛和羥甲基糠醛低于抑制發酵臨界濃度. 糖化液中色度物質可被活性炭吸附有效脫除，脫色糖化液利用篩選的國產市售強基陰離子交換樹脂Monojet S4850 進行酸糖分離，糖和硫酸之間的分離度約0. 59，顯示其較好地分離糖化液中的硫酸和糖的潛力. 研究結果將為開發面向工業應用的濃硫酸糖化工藝生產可發酵糖提供數據和技術支撐.

關鍵詞： 玉米秸稈； 濃硫酸糖化； 可發酵糖； 酸糖分離； 樹脂； 燃料乙醇

中圖分類號： X712 文獻標志碼： A DOI： 10. 19907/j. 0490-6756. 2024. 045003

1 引言

以農業秸稈等木質纖維素類生物質為原料生產生物燃料和生物基化學品等，可以解決化石資源消耗導致的資源枯竭、高碳排放、環境污染等問題.纖維素燃料乙醇作為車用燃料的理想替代物或航油生產前體物受到高度關注［1-3］. 獲得可發酵糖是從木質纖維素生物質生產燃料乙醇的關鍵步驟. 然而，自然進化使木質纖維素類生物質中纖維素、半纖維素和木質素3 種主要成分緊密纏繞形成難降解復合體，使水解獲得糖的過程困難、成本高昂. 通過汽爆、稀酸等預處理后進行酶水解是目前研究較多的方法［1］，但目前纖維素酶的成本仍然較高，高溫高壓的預處理過程能耗高，且產生較多的抑制后續酶解和生物發酵的有毒副產物，使燃料乙醇生產成本較高，商業化應用存在較大挑戰.

相比之下，濃酸可在溫和條件下（常壓）水解木質纖維素獲得可發酵糖，其中硫酸最為常用. 該方法具有高糖回收率和無需纖維素酶投入的優點［4］.在濃硫酸糖化過程中，酸料比（Acid/Feedstock ratio，A/F 比）是關鍵參數之一，影響了酸消耗量、水解物中糖濃度、廢水排放量、酸回收成本、乙醇蒸餾和廢水處理［5］. 因此，較低的酸料比有望降低工業化乙醇生產的成本. 先前研究者嘗試通過工藝改進和操作參數優化降低酸料比. 例如Clausen 等［6］采用溶化-水解兩級工藝，在A/F 比為7 時獲得約90%的糖回收率，與A/F 比為35 的單級工藝糖回收率相近. Iranmahboob 等［7］通過工藝條件優化，將從木材生物質中生產可發酵糖的A/F 比降到2，葡萄糖回收效率為78%～82%. 本課題組通過改進糖化反應器構型，提高傳質效率，研究了不同A/F 比（1. 05～2. 1）條件下竹子濃硫酸糖化效果［8］. 結果表明，通過A/F 比和水解溫度等關鍵參數優化，可實現A/F 比進一步降低至1. 4 時，在維持較高糖回收率（81. 6%）的同時提升糖濃度達148. 1 g/L，顯著提升了工業應用的可行性.

濃酸糖化過程消耗酸的回收和循環利用是影響該過程燃料乙醇生產成本和解決環境污染的關鍵. 連續色譜分離技術被認為是分離糖酸最有效的方法之一. 該方法利用2 種或者2 種以上的化合物在吸附樹脂上的不同吸附速率和吸附的可逆性將化合物分離［9］. 芬蘭大學的Sainio 課題組［10］開發出了多柱循環色譜系統（MCRC）用于強、弱和非電解質3 組分物質的分離系統. Sun 等［8］研究并應用強基陰離子交換樹脂在改進模擬移動床（ISMB）回收竹子濃酸糖化獲得的酸和糖，酸回收率達到90. 5%，糖回收率為98. 4%，實現了較高的分離效率. 目前，國內在高濃度酸和糖分離上的相關研究和應用很少. 色譜分離中最關鍵的是分離介質的設計，篩選/開發糖酸分離所用的吸附介質是成功實現糖酸分離工業化的關鍵.

因此，本研究以我國資源豐富的玉米秸稈為原料，低A/F 比條件下探究可發酵糖生產能力. 考察了糖化工藝中A/F 比、水解溫度、秸稈含水率變化對可發酵糖生產的影響，并進一步篩選評價了國產商業樹脂用于酸回收的潛力. 研究結果將為開發面向工業應用的濃硫酸糖化制備可發酵糖提供數據和技術支撐.

2 材料與方法

2. 1 原料與試劑

玉米秸稈收集于河南省南陽市田間，主要成分為：還原糖63. 60%（干重）、木質素17. 46%（干重）、灰分6. 99%（干重）、含水率9. 82%（濕重）. 其中秸稈原料中還原糖構成如表1 所示. 秸稈原料粉碎至＜5 mm 粒徑室溫下貯存備用. 木粉活性炭購自廣東華一活性炭股份有限公司，粒徑為200 目.

2. 2 實驗方法

2. 2. 1 濃硫酸糖化

秸稈濃硫酸糖化實驗裝置參考文獻［8］，反應器由不銹鋼316 制成（工作容積為20 L），將其放入油浴中以控制反應溫度，螺旋攪拌器使物料充分混勻，反應器和攪拌器表面布置聚四氟乙烯涂層以防腐.

探究不同A/F 比和水解溫度對濃硫酸糖化過程糖濃度、糖回收率及抑制物質生成的影響. 濃硫酸糖化包括溶化和水解2 個步驟：將60 ℃過夜干燥（含水率約5%）的玉米秸稈原料根據不同A/F 比（1. 05～1. 40）分3 次加入到75 wt%硫酸中，在50 ℃條件下攪拌30 min，生成均勻混合物（溶化階段）.然后，向混合物中加入自來水稀釋硫酸濃度至30 wt% ，加熱達到設置水解溫度（75、80 和85 ℃）后，攪拌60 min（水解階段）. 為探討原料含水率對濃硫酸糖化效果的影響，利用60 ℃過夜干燥和未干燥（含水率約10%）的秸稈原料，在固定A/F 比1. 25和水解溫度為80 ℃下分別進行濃硫酸糖化實驗.溶化和水解階段攪拌速度一致，均為150 r/min. 水解結束后所得固液混合物采用油壓過濾在10 MPa下壓濾分離1 h，獲得固體殘渣與糖化液，分析糖化液中糖濃度和抑制物質等理化指標. 為確定糖化液中的寡糖含量，取糖化液稀釋10 倍后調節pH 至0. 8，121 ℃條件下水解1 h［8］，寡糖分解前后糖分別測定還原糖濃度，并計算糖回收率.

2. 2. 2 糖化液脫色

為去除糖化液色度，向裝有50 mL 糖化液的燒杯中分別加入5、10、15 和20 g/L木粉活性炭，將混合物在室溫下用攪拌器（NZ1000，RIKAKIKAI Co. ，Tokyo）攪拌30 min，然后通過布氏漏斗過濾以除去活性炭，脫色后糖化液取樣品用于色度和糖濃度測定.

2. 2. 3 酸糖分離樹脂評價

根據預實驗選取市售強基陰離子交換樹脂（Monojet S4850，西安藍曉科技新材料股份有限公司提供）進行酸糖分離. 實驗裝置由蠕動泵、帶水加熱套的50 mL 圓柱形玻璃色譜柱（內徑1. 5 cm，長度30 cm）、循環恒溫水溫浴和餾分收集裝置組成. 樹脂填充柱前加入30%Na2SO4 過夜浸泡攪拌，將Cl? 型樹脂改型為SO2 -4型［11］. 采用沉降法將樹脂裝填入柱，泵入去離子水洗滌至中性. 然后通過恒溫水浴的循環水將色譜柱的溫度保持在50 ℃ ，通過蠕動泵控制流速5 mL/min 將脫色糖化液（共15 mL，0. 3 BV（BV 為床層體積））加載到柱上，并立即將水作為洗脫液進行洗脫，色譜柱出口樣品被收集到餾分收集器上，每個餾分體積為5 mL（0. 1 BV）. 酸糖分離度R 根據式（1）計算［11］.

其中V 和W 分別表示保留體積和半峰寬，下標1、2分別代表硫酸和糖組分.

2. 3 分析方法

根據美國可再生能源實驗室（NREL）建立的標準化方法［12，13］測量玉米秸稈中構成糖、木質素和灰分含量. 利用高效液相色譜HPLC（LC-10AD VP，日本島津）測定水解產物還原糖、糠醛、羥甲基糠醛和乙酸的濃度［14］. 其中，還原糖測定色譜柱為ShimpackISA-07/S2504（內徑4 mm，長度25 cm），檢測器為RF-10AXL，衍生爐溫度為150 ℃ ，柱溫為65 ℃. 糠醛和羥甲基糠醛的濃度測定分離柱為BioradAminex HPX-87H（ 內徑7. 8 mm，長度30 cm，Bio-rad Laboratories，Hercyles，加拿大），柱溫為65 ℃，檢測器為UV 檢測器（波長238 nm）. 乙酸測定經有機酸分離柱（Shimpack SCR-101H，島津）分離后，與指示劑BTB 反應，在450 nm UV-VIS 檢測器（SPD-10AV，島津）條件下測定吸光度. 色度測定采用鉑鈷比色法測定，溶液稀釋后在380 nm 處測定其吸光度，根據標準曲線計算溶液色度［8］. 硫酸根濃度用離子色譜儀（ICS-1500，戴安，美國）測定，分離色譜柱為AS23.

3 結果

3. 1 濃硫酸糖化條件優化

3. 1. 1 A/F 比對秸稈糖化過程的影響

圖1 顯示了A/F 比對玉米秸稈濃硫酸糖化過程糖回收和抑制物產生的影響. 可以看出，隨著A/F 比從1. 05 增加至1. 25，單糖濃度也相應增加. 當A/F 比進一步增加至1. 40 時，單糖濃度幾乎保持不變（圖1a）. 由于濃硫酸水解溫度較低，水解時間較短，水解物中部分糖以寡糖形式存在［7］. 通過寡糖水解后，不同A/F 比下單糖濃度增加1. 3～1. 72 倍，其中A/F 比1. 25 條件下糖濃度最高，達到180. 4 g/L，對應糖回收率為79. 06%（圖1b）. 盡管較A/F 比1. 40 時糖回收率略低，但糖濃度卻高出約20 g/L，且硫酸使用量降低10. 7%，更具有工業利用價值. 在課題組前期研究中，發現不同A/F比（1. 05～2. 1）對竹子糖化效果影響顯著，糖回收率隨著A/F 比的增加而增加，但濃度卻隨A/F 比的增加而大幅降低［5］. 有趣的是，本研究在低A/F比（1. 05～1. 40）條件下對玉米秸稈濃硫酸糖化進行優化，發現一定程度提高A/F 比（＞1. 05）可以使更多糖轉化，實現糖濃度和回收率均增加的效果. 因此，從糖濃度和糖回收率確定A/F 比1. 25 為優化條件.

乙酸是玉米秸稈濃硫酸糖化過程產生的主要副產物（圖1c）. 這是因為在酸等處理木質纖維素生物質過程中，易水解的半纖維素通過脫乙酰作用生成乙酸［15］. 當A/F 比為1. 05 時，乙酸濃度最高，為7. 37 g/L，隨著A/F 比的增加，乙酸濃度逐漸降低至約5 g/L（A/F 比1. 40）. 糠醛和羥甲基糠醛是纖維素生物質預處理過程常見的發酵抑制物［16］，但本研究采用濃硫酸糖化過程中，羥甲基糠醛濃度低于0. 1 g/L. 盡管糠醛含量隨著酸料比的增加而增加，其濃度也始終低于2. 0 g/L，均低于前人報道的酵母乙醇發酵抑制濃度［17］，對糖化液乙醇發酵極為有利. 另一方面，隨著A/F 比從1. 05 增加至1. 40，糖化液色度從13 333 HU 降低至11 500 HU. 這可能是由于A/F 比增加，反應體系增大，從而對色度物質產生稀釋作用導致色度降低. 根據前人的報道［18，19］，推測色度的生成與美拉德反應形成類黑素或糖降解過程生成胡敏素物質有關.

3. 1. 2 水解溫度對糖化過程的影響

圖2 顯示了不同水解溫度對濃硫酸糖化過程糖回收及抑制物產生的影響. 可以看出，水解溫度75 ℃與80 ℃條件下的總糖回收率幾乎相同，均高于85 ℃ 下的回收率. 這可能是因為溫度升高導致產生了抑制物或色度物質［20-22］. 3 個水解溫度條下糖回收率分別為76. 05%（75 ℃）、79. 06%（80 ℃）和66. 80%（85 ℃）.盡管總糖濃度相近，75 ℃與80 ℃條件下所得木糖和葡萄糖濃度仍有所差異. 75 ℃時木糖濃度較高，為52. 75 g/L；而80 ℃ 條件下，葡萄糖濃度較高，為115. 64 g/L. 相比于纖維素，半纖維素更容易轉化為木糖. 而溫度的進一步增加，反應更為劇烈有利于纖維素轉化為葡萄糖，但可能導致木糖發生降解［23］. 從圖2c 可以看出，隨著溫度增加，糠醛濃度略有增加. 這可能由于在較高溫度木糖降解所致. 此外，乙酸濃度隨著溫度升高而逐漸降低，而色度隨著溫度升高逐漸從11 767 HU（75 ℃ ）增加至13 333 HU（85 ℃）；各溫度下羥甲基糠醛濃度低于0. 1 g/L. 因此，確定溫度80 ℃為優化水解條件.

3. 1. 3 秸稈含水率對糖化過程的影響

為探究秸稈含水率波動對濃硫酸糖化效果的影響，分別利用干燥（含水率約5%）和未干燥秸稈（含水率約10%）原料進行濃硫酸糖化（A/F 比1. 25、水解溫度80 ℃），結果如圖3 所示. 可以看出，當秸稈含水率變化時，總糖濃度相近，但主要糖組分存在差異和干燥秸稈糖化相比，未干燥秸稈作為原料木糖收率較高，而葡萄糖收率略低，總糖回收率也略有增加（79. 06% 和81. 83%，圖3b）. 當秸稈含水分增加時，稀釋作用導致硫酸濃度降低，半纖維素較纖維素更容易轉化，導致更多木糖生成［24］，而高酸濃度則可能導致木糖發生降解. 此外，2 種原料糖化過程中生產抑制物質和色度也較為相近. 這一結果說明，實際生產過程中玉米秸稈濃硫酸糖化可以承受一定程度的水分波動，但承受的含水率上限有待進一步驗證，以減少干燥所用的能量投入.

3. 2 糖化液色度的去除

為避免色度物質對后續酸糖分離和乙醇發酵過程的負面影響，探討了活性炭添加量對糖化液色度的去除效果（圖4）. 可以看出，活性碳添加對糖化液色度去除效果明顯，且色度隨著活性炭添加量增加而降低. 當活性炭添加量為10 g/L 時，糖化液色度從12 067 HU 降低至2378 HU，去除率為80. 29%，增加活性炭添加量至20 g/L，色度降低至1000 HU 以下，去除率為91. 71%. 從感官顏色也可以看出，經過活性炭吸附處理，糖化液明顯從黑褐色（原液）逐漸轉變成淡黃色（活性炭20 g/L）.

3. 3 酸糖分離樹脂評價

篩選適用于糖酸分離所用的吸附介質樹脂是實現糖酸分離工業化的關鍵. 日本三菱公司曾開發了專門用于高濃度酸和糖分離樹脂DiaionMA03SS，但未進行商業生產［8］. Sun 等［11］篩選出了商業強基陰離子交換樹脂Dowex 1×4，具有和DiaionMA03SS 相似的分離效果；Matsuura 等［25］將Dowex 1×4 樹脂改性獲得兩性樹脂Dowex 1×4-ss，有效降低了硫酸的拖尾. 為篩選適用于高濃度酸和糖體系的國產商業樹脂，我們研究了MonojetS4850 對糖和硫酸的色譜分離性能. 從圖5 的洗脫曲線可以看出，首先糖被洗脫出色譜柱，葡萄糖和木糖的洗脫曲線幾乎一致，呈高斯分布曲線. 由于樹脂對硫酸較強的吸附阻滯作用，硫酸被洗脫出的速度較慢，該樹脂呈現明顯的酸和糖分離趨勢. 將其分離性能和Dowex 1×4、Dowex 1×4-ss、DiaionMA03SS 分離效果進行對比，結果如表2 所示.Monojet S4850、Dowex 1×4、Dowex 1×4-ss 和DiaionMA03SS 對糖和硫酸的保留體積差分別為0. 24、0. 26、0. 27 和0. 27 BV，葡萄糖和硫酸半峰寬和分別為0. 48、0. 51、0. 61 和0. 56 BV. 通過式（1）計算出Monojet S4850 的分離度與Dowex 1×4 和Diaion MA03SS 相近，均表現出較好的分離效果.此外，入口糖化液硫酸濃度相近，Monojet S4850 流出液硫酸最大濃度達到207 g/L，這優于商用樹脂Diaion MA03SS 和Dowex 1×4，但低于改性樹脂Dowex 1×4-ss. 分離過程硫酸的最大濃度與生產率密切相關，因為在后續的硫酸濃縮過程中，回收硫酸的濃度越高，濃縮成本越低. 因此，推測MonojetS4850 具有應用于高濃度酸糖分離的潛力，但需進一步通過模擬移動床色譜實際放大實驗驗證.

4 結論

（1）考察了酸料比、水解溫度及原料含水率對玉米秸稈濃硫酸糖化效果的影響，獲得優化操作參數即A/F 比1. 25、水解溫度80 ℃ 、含水率5%～10%，總糖濃度可達到180. 4～183. 16 g/L，糖回收率達到79. 06%～81. 83%. 乙酸和色度物質是糖化過程中形成的主要副產物，常見發酵抑制物糠醛和羥甲基糠醛濃度較低.

（2）探究了活性炭吸附糖化液色度的效果，當添加量為20 g/L，糖化液色度從12 066. 67 HU 降低至1000 HU 以下，色度去除率達91. 71%.

（3）評價了國產市售強基陰離子交換樹脂Monojet S4850 進行酸糖分離可行性，糖和硫酸之間的分離度約0. 59，具有較好的分離糖化液中的硫酸和糖的潛力.

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（責任編輯： 于白茹）

基金項目： 國際科技合作重點項目（2022YFE0108500）； 四川省自然科學基金面上項目（2023NSFSC0343）