甘蔗渣乙醇化預(yù)處理方法比較*

舒雪梅，劉建本，劉紅艷

(吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000)

甘蔗渣乙醇化預(yù)處理方法比較*

舒雪梅，劉建本，劉紅艷

(吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000)

用稀硫酸、氫氧化鈉及超聲波輔助堿法對甘蔗渣進(jìn)行乙醇化預(yù)處理，研究酸、堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、時間、質(zhì)量濃度對甘蔗渣預(yù)處理的影響.在硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%、質(zhì)量濃度為1∶25(g/mL)、溫度為135 ℃ 的條件下反應(yīng)4 min，經(jīng)酶水解后糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.81%(g/g)；在氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%、質(zhì)量濃度為1∶8(g/mL)、溫度為40 ℃的條件下反應(yīng)15 min，經(jīng)酶水解后糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.50%(g/g)；超聲波能夠強(qiáng)化甘蔗渣堿預(yù)處理，處理液經(jīng)酶水解后的糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)18.65%(g/g).

甘蔗渣；燃料乙醇；預(yù)處理

乙醇是生物質(zhì)液體能源的主要形式，清潔可再生，是化石燃料的理想替代品.在石油資源日趨枯竭的嚴(yán)峻形勢下，發(fā)展燃料乙醇等生物能源，是能源研究的一個重要方向[1-4].

中國南方蔗區(qū)每年總產(chǎn)甘蔗量7 000 多萬t，甘蔗渣纖維的產(chǎn)量約700 萬t[5]，主要作為燃料燒掉或廢棄，將由此造成大量的資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境污染.目前，世界各國特別是能源短缺的國家正加大對甘蔗渣等制糖副產(chǎn)物能源利用的研究.將這些豐富的纖維素轉(zhuǎn)化為清潔燃料的關(guān)鍵，是尋找有效的預(yù)處理技術(shù)來提高酶水解纖維素為葡萄糖等可溶性發(fā)酵糖的水平,進(jìn)而通過酵母發(fā)酵將糖轉(zhuǎn)化為乙醇[6].預(yù)處理的目的是去除阻礙糖化和發(fā)酵的生物質(zhì)內(nèi)在結(jié)構(gòu)，粉碎木質(zhì)素對纖維素的保護(hù)，瓦解纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，使之與生物酶充分接觸，取得良好的水解效果.

對生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理方法主要分為4類，即物理法、化學(xué)法、生物法以及綜合法[7-8].化學(xué)法常用的是酸法和堿法.其中酸法是研究得最早、最深入的化學(xué)預(yù)處理方法，稀硫酸預(yù)處理法操作簡單、反應(yīng)時間短，稀硫酸法可以破壞原料中纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，使原料變得疏松，從而使生物質(zhì)原料得到充分利用[9-10]；堿法是利用木質(zhì)素能夠溶于堿性溶液的特點(diǎn)，脫除木質(zhì)素，引起木質(zhì)纖維原料潤脹，導(dǎo)致纖維內(nèi)部表面積增加，聚合度降低，結(jié)晶度下降，在預(yù)處理后進(jìn)行酶水解時，有利于纖維素與酶充分的接觸，從而促進(jìn)酶水解的進(jìn)行[11-12]；利用超聲波在纖維表面引起的物理、化學(xué)變化可以達(dá)到對纖維表面改性的目的，所以可以利用超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動、高的加速度、強(qiáng)烈的空化效應(yīng)、攪拌作用等促進(jìn)纖維離析過程中對纖維表面的破壞.筆者針對甘蔗渣的特點(diǎn)，研究以上3種方法處理甘蔗渣,經(jīng)纖維素酶水解,測定水解后含糖量，間接比較甘蔗渣的預(yù)處理效果.

1 材料與方法

1.1材料

1.1.1 供試甘蔗渣 取源于廣西的甘蔗，處理后所得甘蔗渣(纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.42%)，經(jīng)過洗凈、烘干、粉碎至30～120目備用.

1.1.2 儀器與試劑 儀器：DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，AN0887電子天平，數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱，SHB-III 循環(huán)水式多用真空泵，KQ-250超聲波儀.

試劑：濃硫酸、葡萄糖、五水硫酸銅、次甲基蘭、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、亞鐵氰化鉀[K4Fe(CN)6]，以上試劑均為分析純；纖維素酶(生化試劑).

1.2方法

1.2.1 甘蔗渣稀硫酸法預(yù)處理單因素條件實(shí)驗(yàn) 每次取1 g樣品加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的稀硫酸溶液，置于油浴(硅油)中進(jìn)行預(yù)處理，將處理液冷卻至室溫且調(diào)節(jié)pH值為4.8，加入0.1 g纖維素酶于50 ℃恒溫水浴中水解12 h，抽濾，將濾液定容，采用費(fèi)林試劑熱滴定法測定糖含量[13].按上述步驟分別研究硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、質(zhì)量濃度(g/mL)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間對預(yù)處理的影響.

1.2.2 甘蔗渣氫氧化鈉法預(yù)處理單因素條件實(shí)驗(yàn) 每次取1 g樣品加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氫氧化鈉溶液，置于水浴中進(jìn)行預(yù)處理，將處理液冷卻至室溫且調(diào)節(jié)pH值為4.8，加入0.1 g纖維素酶于50 ℃恒溫水浴中水解12 h，抽濾，將濾液定容，采用費(fèi)林試劑熱滴定法測定糖含量.按上述步驟分別研究氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、質(zhì)量濃度(g/mL)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間對預(yù)處理的影響.

1.2.3 優(yōu)化及超聲輔助處理 根據(jù)以上單因素條件試驗(yàn)結(jié)果，綜合找出合適范圍，進(jìn)行四因素三水平正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)及優(yōu)化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn).對于氫氧化鈉甘蔗渣乙醇化預(yù)處理，在正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化條件基礎(chǔ)上再進(jìn)行超聲波強(qiáng)化研究.

2 結(jié)果與討論

2.1單因素試驗(yàn)篩選結(jié)果

2.1.1 稀硫酸預(yù)處理 稀硫酸法預(yù)處理的因素水平表見表1，單因素試驗(yàn)篩選結(jié)果見圖1.由圖1可知，升高溫度既能提高反應(yīng)的速度，同時也加快了副產(chǎn)物的生成，從而使糖含量降低，在硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、質(zhì)量濃度和反應(yīng)時間一定的情況下，選擇預(yù)處理溫度范圍為135～165 ℃.在一定的反應(yīng)時間、溫度和質(zhì)量濃度條件下，還原糖濃度隨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增加，但到某一程度會下降.在反應(yīng)中，隨著酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，氫離子濃度增加，使反應(yīng)速度加快，單位時間內(nèi)產(chǎn)糖量提高，但當(dāng)酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到一定程度后，生成副產(chǎn)物的速率加快，使還原糖含量降低，故選擇硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0.6%～1.0%.隨著質(zhì)量濃度的增加，還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，當(dāng)質(zhì)量濃度增加到一定程度后，還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨質(zhì)量濃度的增加而降低.質(zhì)量濃度增大，酸也增加，副產(chǎn)物也隨之增多，糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，還增加了酸耗，因此試驗(yàn)選擇質(zhì)量濃度范圍為1∶20～1∶30.預(yù)處理時間的選擇也是很重要的，時間過短則反應(yīng)不完全，隨著處理時間的增加，糖含量逐漸增大，但處理時間過長，副產(chǎn)物增多，還原糖濃度反而降低，而且延長了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)周期.根據(jù)結(jié)果顯示，選擇反應(yīng)時間范圍為2～4 min.

表1 稀硫酸法預(yù)處理的因素與水平

圖1 稀硫酸預(yù)處理單因素試驗(yàn)篩選結(jié)果

2.1.2 氫氧化鈉預(yù)處理 氫氧化鈉預(yù)處理的因素水平表見表2，單因素試驗(yàn)篩選結(jié)果見圖2.由圖2可知，隨著溫度的升高，木質(zhì)素越易脫除，糖含量不斷地增加；當(dāng)溫度上升至50 ℃以后，糖含量下降，這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高到一定值時，部分糖容易發(fā)生分解反應(yīng)，生成糠醛等副產(chǎn)物，使糖含量降低.因此，選擇溫度范圍為40～60 ℃.處理時間太短，氫氧化鈉不能完全脫除木質(zhì)素，影響水解效率；處理時間過長，會使纖維素部分溶解而減少處理液中的糖含量.考慮到糖產(chǎn)量和節(jié)約時間，選擇處理時間范圍為15～25 min.隨著氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，酶與纖維素內(nèi)部可及表面積逐漸增加，從而使糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加；當(dāng)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到10%后，隨著堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，有效堿對碳水化合物的損害作用增加，糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降.所以，選擇堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為9%～10%.隨著質(zhì)量濃度增加，還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，當(dāng)質(zhì)量濃度增加到一定程度后，還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨質(zhì)量濃度的增加而降低.當(dāng)質(zhì)量濃度較低時，不易脫除木質(zhì)素；當(dāng)質(zhì)量濃度大于1∶10后，多余的氫氧化鈉會使纖維素遭到破壞.綜合考慮，選擇質(zhì)量濃度范圍為1∶8～1∶12.

表2 氫氧化鈉預(yù)處理的因素與水平

圖2 氫氧化鈉預(yù)處理單因素試驗(yàn)篩選結(jié)果

2.2正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 稀硫酸預(yù)處理的優(yōu)化 為確定預(yù)處理過程的優(yōu)選工藝條件，以糖含量為考察指標(biāo)，根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的最佳范圍設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn).因素水平見表3，正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)及極差分析見表4.由表4的極差可以看出影響預(yù)處理水解后糖含量的主要因素是硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其次是處理時間，再次是質(zhì)量濃度，影響最小的是溫度.根據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果，選擇優(yōu)化組合是A1B2C2D3，即反應(yīng)溫度為135 ℃，硫酸濃度為0.8%，質(zhì)量濃度為1∶25，反應(yīng)時間為4 min.

2.2.2 氫氧化鈉預(yù)處理的優(yōu)化 為確定預(yù)處理過程的優(yōu)選工藝條件，以糖含量為考察指標(biāo)，根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的最佳范圍設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn).因素水平見表5，正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)及極差分析見表6.由表5的極差可以看出影響預(yù)處理水解糖含量的主要因素是溫度，其次時間，質(zhì)量濃度次之，氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響最小.根據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果，選擇優(yōu)化組合是A1B1C1D1，即溫度為40 ℃，時間為15 min，堿濃度為9%，質(zhì)量濃度1∶8.

表3 稀硫酸預(yù)處理正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表4 稀硫酸預(yù)處理L9(34) 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及極差分析

表5 氫氧化鈉預(yù)處理正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表6 氫氧化鈉預(yù)處理L9(34)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及極差分析

2.3優(yōu)化條件實(shí)驗(yàn)

2.3.1 稀硫酸和氫氧化鈉預(yù)處理法 綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，稀硫酸預(yù)處理法選取溫度為135 ℃，質(zhì)量濃度為1∶25，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%，時間為 4 min，按1.2.1節(jié)步驟進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測得平均糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.81%；氫氧化鈉法預(yù)處理法選取溫度為40 ℃，質(zhì)量濃度為1∶8，堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%，時間為15 min，按1.2.1節(jié)步驟進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測得平均糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.50%.

2.3.2 超聲波強(qiáng)化探究實(shí)驗(yàn) 在氫氧化鈉預(yù)處理優(yōu)化條件基礎(chǔ)上進(jìn)行超聲波強(qiáng)化對比試驗(yàn)，結(jié)果見表7.由表7可知，超聲波能夠強(qiáng)化甘蔗渣堿預(yù)處理，糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了4.15%.超聲波之所以能夠強(qiáng)化甘蔗渣堿預(yù)處理，是因?yàn)槌暡A(yù)處理表現(xiàn)為細(xì)纖維化作用和超聲潤脹作用，能夠打開更多的纖維孔隙，增強(qiáng)纖維潤脹性能，提高酶與纖維素反應(yīng)的可接觸面積.

表7 超聲波輔助氫氧化鈉預(yù)處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

3 結(jié)論

甘蔗渣經(jīng)過稀硫酸處理后，半纖維素大量溶解，纖維素大量暴露出來，通過溫度165 ℃、反應(yīng)時間4 min、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%、質(zhì)量濃度1∶20的優(yōu)化處理，得出處理液中糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)17.81%.而氫氧化鈉預(yù)處理法能有效地脫除木質(zhì)素，引起木質(zhì)纖維原料潤脹，導(dǎo)致纖維內(nèi)部表面積增加，聚合度降低，結(jié)晶度下降.采用溫度40 ℃，時間15 min，堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%，質(zhì)量濃度1∶8的優(yōu)化處理，得出優(yōu)化處理液中糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)14.50%.由此可以得出稀硫酸法相對于氫氧化鈉法對甘蔗渣的預(yù)處理效果更好，使糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)可增加3.31%.而超聲波能夠強(qiáng)化甘蔗渣堿預(yù)處理，糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)18.65%，比只用氫氧化鈉預(yù)處理甘蔗渣的情況下增加了4.15%，比用稀硫酸預(yù)處理甘蔗渣的情況下增加了0.84%.

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(責(zé)任編輯 易必武)

ComparativeStudyonMethodsofDretreatingBagassebyEthanol

SHU Xuemei,LIU Jianben,LIU Hongyan

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Jishou University,Jishou 416000,Hunan China)

Bagasse is pretreated by sulphuric acid,sodium hydroxide and alkalinity with supplementary of ultrasonic ware.The effects of different concentration,solid-liquid ratio,different temperature and processing time on pretreatment are studied.With the mass fraction of the sulphuric acid 0.8%,the ratio of liquid to material (g/mL)1∶25,and the temperature 135 ℃ for 4 min,sugar content hydrolyzed by enzyme reaches 17.81% (g/g).With concentration with the mass fraction of the sodium hydroxide 9%,the ratio of liquid to material (g/mL)1∶8,and the temperature 40 ℃ for 15 min，the sugar content hydrolyzed by enzyme achieves 14.50% (g/g).Ultrasonic wave can strengthen the bagasse alkali pretreatment and the sugar content hydrolyzed by enzyme is 18.65%(g/g).

bagasse;fuel ethanol;pretreatment

1007-2985(2014)01-0083-05

2013-10-27

吉首大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃(2012ZXJJ10)

劉建本(1955-)，女(土家族)，湖南攸縣人，吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授，主要從事天然產(chǎn)物研究.E-mail：Liujianben@163.com.

S216.2

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.01.019