采用酸－超聲波強(qiáng)化堿預(yù)處理稻稈和玉米芯

嚴(yán) 青 仲 兆平 張 茜蕓

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

采用酸－超聲波強(qiáng)化堿預(yù)處理稻稈和玉米芯

嚴(yán) 青 仲 兆平 張 茜蕓

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

通過(guò)對(duì)原料成分和糖化率的測(cè)定，分析了不同預(yù)處理方法對(duì)稻稈和玉米芯的預(yù)處理效果，同時(shí)探討了超聲波對(duì)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化機(jī)制.分別采用XRD衍射和DNS比色法測(cè)定超聲波強(qiáng)化預(yù)處理后的稻稈和玉米芯結(jié)晶度變化以及預(yù)處理液中的還原糖得率，并進(jìn)一步分析了超聲波對(duì)不同成分原料的作用效果.結(jié)果表明:在酸－堿耦合的基礎(chǔ)上進(jìn)行超聲波強(qiáng)化能在較短的作用時(shí)間內(nèi)使稻稈中半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低20.61%，而使玉米芯中木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低45.98%.此外，超聲波強(qiáng)化預(yù)處理后的稻稈和玉米芯的糖化率分別提高了20.18%和9.47%，同時(shí)其結(jié)構(gòu)中的(002)晶面衍射峰均有不同程度的增強(qiáng).這表明對(duì)不同成分的原料，超聲波均能有針對(duì)性地降低木質(zhì)素或半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而木質(zhì)素含量對(duì)原料結(jié)晶結(jié)構(gòu)有著直接的影響.

預(yù)處理;酸－堿耦合;超聲波;稻稈;玉米芯

為緩解日益嚴(yán)重的能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題，世界各國(guó)開(kāi)始積極尋找新能源，開(kāi)展了對(duì)生物質(zhì)能源尤其是燃料乙醇的研究.燃料乙醇生產(chǎn)經(jīng)歷了以糧食為原料的“第一代燃料乙醇”向以木質(zhì)纖維素為原料的“第二代燃料乙醇”的發(fā)展過(guò)程［1－2］，在這一領(lǐng)域，美國(guó)和巴西走在世界前列，是燃料乙醇的主要生產(chǎn)及消費(fèi)國(guó)，兩國(guó)的燃料乙醇產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的70%［3］.據(jù)估計(jì)，全世界木質(zhì)纖維素原料總質(zhì)量為100～500億t，約占總生物量的50%.我國(guó)每年僅農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量即可達(dá)7億t，因此利用這種資源豐富且廉價(jià)的木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)燃料乙醇具有良好的發(fā)展前景［4］.但是由于木質(zhì)纖維素原料主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，且彼此之間相互纏繞而形成復(fù)雜緊密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，很難使纖維素酶直接降解其中的纖維素成分.因此需通過(guò)有效的預(yù)處理方式去除其中的木質(zhì)素和半纖維素，破壞木質(zhì)纖維素的致密結(jié)構(gòu)，降低結(jié)晶度，增加比表面積［5－6］，這也是成功進(jìn)行燃料乙醇轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵步驟和技術(shù)前提.

目前應(yīng)用較多的預(yù)處理方法有物理法如機(jī)械粉碎、微波處理、超聲波處理等，化學(xué)法如酸處理、堿處理、濕式氧化處理、臭氧處理等，物理化學(xué)法如蒸汽爆裂處理等，以及生物法.其中酸法預(yù)處理是最早被研究也是研究得最深入的化學(xué)法之一，酸性溶液中的氫離子可與半纖維素結(jié)構(gòu)中的氧原子相結(jié)合，使半纖維素變得不穩(wěn)定，從而將其從木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)中去除［7］.此外，唐锘［8］的研究表明稀硫酸也能去除部分木質(zhì)素.而堿法預(yù)處理是利用木質(zhì)素能溶解于堿性溶液的特點(diǎn)，用稀堿溶液進(jìn)行處理，使木質(zhì)素和其他成分之間發(fā)生酯鍵皂化作用，導(dǎo)致木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)受到破壞.超聲波處理成本較低，產(chǎn)生的空化作用不僅能強(qiáng)化傳質(zhì)，還可以降低反應(yīng)過(guò)程中的傳質(zhì)阻力，打破木質(zhì)纖維素的包裹結(jié)構(gòu)，增加溶劑的滲透性.

然而研究表明，任何一種方法單獨(dú)處理均不能取得理想的效果，通常是將多種方法進(jìn)行聯(lián)合處理.本文考慮到酸對(duì)半纖維素的水解、堿對(duì)木質(zhì)素的潤(rùn)脹以及超聲波對(duì)木質(zhì)纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞作用，將酸堿預(yù)處理進(jìn)行耦合，并利用超聲波進(jìn)行強(qiáng)化堿處理.以農(nóng)村含量較豐富、成分不同的稻稈和玉米芯為原料進(jìn)行預(yù)處理實(shí)驗(yàn)，通過(guò)成分測(cè)定、XRD衍射和DNS比色等研究不同方法的預(yù)處理效果，并探索超聲波對(duì)不同成分原料的作用機(jī)制.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料和試劑

玉米芯和稻稈取自江蘇省泰興市郊區(qū)，經(jīng)切碎、烘干、粉碎過(guò)40目樣品篩，備用.氫氧化鈉、硫酸、鹽酸、乙醇、丙酮、苯酚等試劑均為分析純，由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供.纖維素酶(1×105U/g)由丹麥諾維信公司提供.

1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

主要實(shí)驗(yàn)儀器:UV－3200紫外光分光光度計(jì)(上海美譜達(dá)儀器有限公司);GL－600SD超聲波信號(hào)發(fā)生器(南京先歐儀器制造有限公司);X射線衍射儀XD－2(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司);SHZ－Ⅲ循環(huán)水式真空泵(南京科爾儀器設(shè)備有限公司);DF－101K集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(南京科爾儀器設(shè)備有限公司).

1.3 預(yù)處理實(shí)驗(yàn)方案

本文中的預(yù)處理實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示.

圖1 預(yù)處理實(shí)驗(yàn)流程圖

1.3.1 酸預(yù)處理

原料與2%硫酸的質(zhì)量比為1∶10，在121℃磁力攪拌器中處理60 min，真空抽濾，105℃烘干.

1.3.2 堿預(yù)處理

原料或經(jīng)酸處理后的濾渣與2%氫氧化鈉質(zhì)量比為1∶10，在25℃磁力攪拌器中處理60 min，真空抽濾，105℃烘干.

1.3.3 超聲波強(qiáng)化堿預(yù)處理

經(jīng)酸處理后的濾渣與2%氫氧化鈉質(zhì)量比為1∶10，在25℃磁力攪拌器中利用超聲波處理5 min，超聲波功率為120 W，真空抽濾，105℃烘干.

1.4 分析方法

1.4.1 成分分析

采用酸性洗滌纖維(ADF)法［9］測(cè)定稻稈和玉米芯中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的成分，該法具有節(jié)約試劑、操作簡(jiǎn)便、降低能耗等優(yōu)點(diǎn).

1.4.2 糖化率的測(cè)定

在常壓反應(yīng)釜中加入1 g經(jīng)預(yù)處理且烘干的原料、20 FPU/g的纖維素酶和70 mL檸檬酸－檸檬酸鈉緩沖溶液(0.1 mol/L，pH 值為4.8)，于50℃恒溫?cái)嚢?酶解60 h后將反應(yīng)漿液在沸水浴中滅酶10 min，并通過(guò)離心獲得糖液，利用DNS(3，5-二硝基水楊酸)比色法［10］測(cè)定其糖化率.糖化率的計(jì)算式為

式中，RS為糖化率;CS為測(cè)得的酶解液中葡萄糖濃度;N為稀釋倍數(shù);V為濾液體積;Wr為糖化原料的質(zhì)量.

1.4.3 結(jié)晶度的測(cè)定

原料的結(jié)晶度采用X射線衍射分析:所用管電流為20 mA，管電壓為35 kV，2θ偶合連續(xù)掃描，掃描角度范圍為5°～50°，Cu靶，X射線波長(zhǎng)為1.540 6 nm.在測(cè)試前需將催化劑樣品充分研磨，然后取適量粉末放在玻璃載體上并壓平，樣品粉體厚度約1 mm.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同方法預(yù)處理后稻稈和玉米芯的成分變化

根據(jù)梁江華［11］的研究結(jié)果，對(duì)于酸處理而言，高溫條件下(121℃)半纖維素分解率較高，且產(chǎn)物幾乎均是戊糖.而對(duì)于堿處理，低溫條件下(25℃)纖維素的剝皮反應(yīng)進(jìn)行程度不高，從而使得纖維素的分解速率較低.因此，本實(shí)驗(yàn)中酸、堿預(yù)處理的溫度分別采用121和25℃.表1為不同方法預(yù)處理后稻稈和玉米芯的成分變化.

表1 不同方法預(yù)處理后稻稈和玉米芯的成分變化 %

2.1.1 酸－堿耦合預(yù)處理

與未處理的原料相比，酸－堿耦合預(yù)處理聯(lián)合了酸對(duì)半纖維素的去除以及堿對(duì)木質(zhì)素的溶解作用，使得稻稈和玉米芯中纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與未處理相比有大幅度提高，同時(shí)半纖維素和木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)得以減少.

2.1.2 酸－超聲波強(qiáng)化堿預(yù)處理

對(duì)稻稈而言，與酸－堿耦合預(yù)處理相比，超聲波強(qiáng)化后纖維素和木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大，但是半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻降低了20.61%.這是由于稻稈中覆蓋在纖維素結(jié)構(gòu)表面的木質(zhì)素含量較低，通過(guò)NaOH的溶脹作用能使其絕大部分得以去除，因此超聲波對(duì)稻稈中木質(zhì)素去除的改善效果并不明顯.而稻稈中的半纖維素含量也較低，且大多包裹在纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)中，通過(guò)超聲波的熱化、機(jī)械化和空化作用［12］使得稻稈對(duì)溶劑的通透性增加，從而可以利用剩余的NaOH溶液溶解部分半纖維素.

對(duì)玉米芯而言，與酸－堿耦合預(yù)處理相比，超聲波強(qiáng)化后纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化極小，而木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻降低了45.98%.這是因?yàn)橛衩仔局心举|(zhì)素含量較高，超聲波的空化作用促進(jìn)了NaOH溶液向纖維素致密結(jié)構(gòu)中滲透，從而溶解并去除大量木質(zhì)素大分子.而由于木質(zhì)素的去除消耗了較多NaOH溶液，使其不能再與半纖維素充分反應(yīng)，從而導(dǎo)致半纖維素難以大量去除.這也表明NaOH溶液與木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)中各成分發(fā)生反應(yīng)的順序?yàn)橄饶举|(zhì)素后半纖維素.

通過(guò)比較超聲波對(duì)2種不同成分原料的預(yù)處理效果可發(fā)現(xiàn)，超聲波通過(guò)空化作用能在較短的時(shí)間內(nèi)增大原料對(duì)溶劑的通透性.對(duì)半纖維素和木質(zhì)素含量均較低的原料而言，超聲波能進(jìn)一步降低半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù);反之，對(duì)半纖維素和木質(zhì)素含量均較高的原料，超聲波則能進(jìn)一步降低木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

2.2 不同方法預(yù)處理后稻稈和玉米芯的糖化率

圖2為酸單獨(dú)預(yù)處理、酸－堿耦合預(yù)處理以及酸－超聲波強(qiáng)化堿預(yù)處理后稻稈和玉米芯的糖化率.由圖2可知，稻稈和玉米芯的糖化率隨預(yù)處理方式呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì).與酸單獨(dú)預(yù)處理相比，酸－堿耦合預(yù)處理使稻稈和玉米芯的糖化率分別增加了32.50%和16.07%，當(dāng)超聲波強(qiáng)化時(shí)其糖化率在短時(shí)間內(nèi)又進(jìn)一步提高了20.18%和9.47%.結(jié)合表1可知，超聲波強(qiáng)化時(shí)稻稈和玉米芯中半纖維素和木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有不同程度的降低，從而使更多的纖維素暴露出來(lái)，使得酶解糖化率升高.因此對(duì)2種原料而言，最佳的預(yù)處理方式均為酸－超聲波強(qiáng)化堿預(yù)處理.

圖2 不同方法預(yù)處理后稻稈和玉米芯的糖化率

2.3 酸－超聲波強(qiáng)化堿預(yù)處理后稻稈和玉米芯的結(jié)晶度變化

圖3為酸－超聲波強(qiáng)化堿預(yù)處理后稻稈和玉米芯的X射線衍射圖譜.由圖可知，所有樣品的XRD衍射圖譜均顯示出纖維素多個(gè)晶面的衍射峰.經(jīng)過(guò)不同方法預(yù)處理后，稻稈和玉米芯的晶形并沒(méi)有改變，仍然為結(jié)晶區(qū)和非定型區(qū)共存的纖維素Ⅰ類型［13］，且纖維素的(002)晶面衍射峰的位置都在22.30°附近，這表明預(yù)處理并不改變?cè)辖Y(jié)晶層之間的距離［14］.

圖3 酸－超聲波強(qiáng)化堿預(yù)處理后2種原料的結(jié)晶度變化

與未處理相比，超聲波強(qiáng)化后2種原料的(002)晶面衍射峰均得到顯著加強(qiáng).這表明在超聲波和堿的共同作用下，秸稈原料中的大量木質(zhì)素和半纖維素得以去除，使其中纖維素的結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)暴露，從而獲得純度更高的纖維素.而與稻稈不同的是，超聲波作用還能同時(shí)使玉米芯的(101)和(040)晶面衍射峰稍有增強(qiáng)，因此其結(jié)晶度變化較大.結(jié)合前面對(duì)超聲波作用后2種原料成分變化的分析可知，超聲波能更大程度地降低玉米芯中木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而使其結(jié)晶度也獲得較大改善，這也表明木質(zhì)素含量對(duì)木質(zhì)纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化有著直接影響.

2.4 不同方法預(yù)處理后稻稈和玉米芯濾液中的還

原糖得率

不同方法預(yù)處理后稻稈和玉米芯濾液中還原糖的測(cè)定結(jié)果如圖4所示.由圖可知，玉米芯經(jīng)酸、堿單獨(dú)預(yù)處理和酸－堿耦合預(yù)處理所獲得濾液中的還原糖得率均高于稻稈，這是由于玉米芯中的綜纖維素含量高于稻稈(玉米芯和稻稈的綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為64.94%，59.05%)，在同等的預(yù)處理?xiàng)l件下去除的半纖維素和少量的纖維素能水解出更多的還原糖.

圖4 不同方法預(yù)處理后稻稈和玉米芯濾液中的還原糖得率

對(duì)2種原料而言，堿預(yù)處理所得濾液中的還原糖得率最高，遠(yuǎn)高于酸預(yù)處理.這是因?yàn)樵谒犷A(yù)處理過(guò)程中，半纖維素水解成的木糖最終降解為糠醛，因此測(cè)得的還原糖得率較低.而在堿預(yù)處理過(guò)程中，去除的木質(zhì)素最終分解成大量游離酮基，也能與DNS試劑發(fā)生顯色反應(yīng)，因此測(cè)得濾液中的還原糖得率較高.對(duì)酸－堿耦合預(yù)處理來(lái)說(shuō)，由于前面的酸預(yù)處理過(guò)程已經(jīng)去除了部分半纖維素和少量木質(zhì)素，從而使得濾液中的還原糖得率較堿預(yù)處理低.

結(jié)合前面超聲波作用后2種原料的成分變化可知，當(dāng)在堿性條件下進(jìn)行超聲波強(qiáng)化后，稻稈中的半纖維素含量進(jìn)一步減少，則還原糖得率增大.而玉米芯的木質(zhì)素含量也進(jìn)一步減少，但是由于超聲波作用時(shí)間較短，去除的木質(zhì)素并未完全轉(zhuǎn)化為游離酮基，因此其測(cè)得的還原糖得率反而降低，從而使得稻稈超聲波強(qiáng)化堿預(yù)處理濾液中的還原糖得率高于玉米芯.

3 結(jié)論

1)堿溶液與木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)中各成分發(fā)生反應(yīng)的順序?yàn)橄饶举|(zhì)素后半纖維素.

2)超聲波的空化作用能縮短作用時(shí)間，增大原料對(duì)溶劑的通透性，在酸－堿耦合預(yù)處理的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低木質(zhì)素或半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并促進(jìn)稻稈和玉米芯酶解，因此最佳的預(yù)處理方式為酸－超聲波強(qiáng)化堿預(yù)處理.

3)對(duì)不同成分的木質(zhì)纖維素原料而言，超聲波均能針對(duì)性地降低木質(zhì)素或半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且木質(zhì)素的含量對(duì)其結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化有著直接影響.

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Acid-ultrasound strengthened alkali pretreatment of rice straw and corncob

Yan Qing Zhong Zhaoping Zhang Xiyun
(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Performance of different pretreatment of rice straw and corncob were compared and the strengthening mechanism of ultrasound was investigated through raw material component analysis and saccharification rate analysis.The effect of ultrasound on crystalline structure of rice straw and corncob was studied by XRD(X-ray diffraction)and DNS(3，5-dinitrosalicylic acid)colorimetry was used for the filtrate after ultrasound pretreatment for the saccharification rate.The results show that the mass percentage of hemicellulose in rice straw is decreased by 20.61%and that of lignin in corncob is reduced by 45.98%after ultrasound radiation for a shorter pretreatment time on the basis of acid and alkali combination.Furthermore，the saccharification rate of rice straw and corncob are enhanced by 20.18%and 9.47%，respectively.Meanwhile，an increase in the peak intensity of(002)plane for both materials are clearly observed after ultrasound pretreatment.It demonstrates that for different raw material the ultrasound is beneficial to the reduction of mass percentag of lignin or hemicellulose，and the former directly affects the crysalline structure.

pretreatment;acid-alkali combination;ultrasound;rice straw;corncob

X705

A

1001－0505(2013)01-0105-05

10.3969/j.issn.1001－0505.2013.01.020

2012-04-05.

嚴(yán)青(1988—)，女，碩士生;仲兆平(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，zzhong@seu.edu.cn.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011CB201505).

嚴(yán)青，仲兆平，張茜蕓.采用酸－超聲波強(qiáng)化堿預(yù)處理稻稈和玉米芯的研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，43(1):105－109.［doi:10.3969/j.issn.1001－0505.2013.01.020］