張利權,陳雪芳?,王 璨,熊 蓮,陳新德?
(1.中國科學院廣州能源研究所,廣州 510640;2.中國科學院可再生能源重點實驗室,廣州 510640;3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室,廣州 510640;4.中國科學院大學,北京 100049)
我國每年產生的秸稈廢棄物數(shù)量巨大,達9億t以上[1]。秸稈廢棄物閑置導致農村環(huán)境問題突出;此外,大量消耗傳統(tǒng)化石能源導致化石能源日益枯竭和環(huán)境污染問題日益嚴峻,因此將秸稈廢棄物通過生化方法或化學方法制備成液體燃料、生物燃氣和生物基化工品[2-5],對生態(tài)環(huán)境保護、美麗鄉(xiāng)村建設具有重要意義。
秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質素,及少量水分、灰分和抽提物組成[6]。通常,秸稈采用微生物發(fā)酵法制備高附加值產品需要經過水解和發(fā)酵兩個重要過程[7]。其中,水解過程是將秸稈中的纖維素和半纖維素轉化為可發(fā)酵的還原糖。秸稈稀酸水解技術由于具有水解速度快、效率高,且工藝簡單、成本低廉等優(yōu)勢,因而應用前景廣泛[8-10]。然而,在秸稈稀酸水解制備可發(fā)酵糖的過程中會產生一系列副產物如甲酸、乙酸、糠醛、酚類化合物等,這些副產物的存在會對后續(xù)微生物發(fā)酵過程產生嚴重的負面影響,故這些副產物又稱為發(fā)酵抑制物[11-13]。為了獲得可被微生物利用的富含糖類物質的水解液,對秸稈稀酸水解液進行脫毒處理是必不可少的重要環(huán)節(jié)。
目前,對秸稈稀酸水解液常用的脫毒方法有生物法、化學法和物理法[12,14]。吸附樹脂作為一種人工合成的高分子聚合物,具有較高的比表面積、可調的孔徑結構、良好的吸附選擇性、穩(wěn)定的機械性能和再生性能等優(yōu)勢,目前已廣泛應用于眾多領域[15-17]。采用吸附樹脂通過物理吸附法對水解液進行脫毒,也逐漸成為研究熱點[18-20]。本文將從秸稈稀酸水解液中發(fā)酵抑制物的產生、類型及抑制機理,稀酸水解液常用脫毒方法,吸附樹脂在秸稈稀酸水解液脫毒中的應用進行綜述。
秸稈中的纖維素是一類由葡萄糖通過β-(1,4)糖苷鍵連接形成的直鏈多糖化合物;而半纖維素是一類由六碳糖(葡萄糖、半乳糖等)和五碳糖(木糖、阿拉伯糖等)通過糖苷鍵連接形成的支鏈多糖化合物[21-22]。這兩部分是制備可發(fā)酵還原糖的主要組成部分。在稀酸水解過程中,纖維素和半纖維素水解獲得的單糖在酸性環(huán)境下不穩(wěn)定,會繼續(xù)降解為一系列副產物如甲酸、乙酰丙酸、5-羥甲基糠醛和糠醛等[23-24]。除此之外,木質素是一類由對羥苯基、愈創(chuàng)木基和紫丁香基三種基本結構單元形成的一種復雜酚類聚合物,在水解過程中會降解形成多種酚類物質,這些酚類物質統(tǒng)稱為酸溶木質素[25-26]。這些非糖副產物的存在對后續(xù)微生物發(fā)酵過程非常不利,而且其協(xié)同效應顯著,因此需要對獲得的稀酸水解液進行脫毒處理[27-29]。
通常而言,秸稈稀酸水解后會產生三類發(fā)酵抑制物[23,30-32],這些化合物往往會對后續(xù)微生物發(fā)酵過程帶來嚴重的負面影響,如對微生物細胞活性、細胞膜完整性和通透性、細胞內關鍵酶活力等方面造成影響,且這些化合物之間存在顯著的協(xié)同抑制作用[33-34]。具體分類如下:
(1)有機酸類。具體包括甲酸、乙酸、乙酰丙酸等短鏈脂肪族有機酸類和丁香酸、香草酸等芳香族有機酸類。甲酸是由六碳糖脫水得到的 5-羥甲基糠醛、五碳糖脫水得到的糠醛等進一步降解的產物;乙酸是由半纖維素脫除乙?;玫降漠a物;乙酰丙酸是 5-羥甲基糠醛脫甲酸后的產物。通常,一分子5-羥甲基糠醛可以降解產生一分子甲酸和一分子乙酰丙酸。而丁香酸是木質素中紫丁香基單元的降解產物,香草酸是木質素中對羥苯基單元的降解產物[35-36]。一般而言,甲酸、乙酸和乙酰丙酸等短鏈脂肪有機酸類在秸稈稀酸水解液中濃度較高,其存在會造成水解液發(fā)酵體系呈現(xiàn)酸性,引起微生物細胞胞內 pH下降,導致微生物細胞胞內關鍵酶活力下降,從而抑制細胞生長。而發(fā)酵體系中存在的丁香酸、香草酸等芳香族有機酸盡管濃度不高,但會嚴重影響微生物細胞膜的完整性,從而抑制微生物細胞生長[36-37]。
(2)呋喃類。主要是指5-羥甲基糠醛和糠醛,5-羥甲基糠醛是六碳糖如葡萄糖、半乳糖脫水后的產物,而糠醛主要是五碳糖如木糖、阿拉伯糖等脫水環(huán)化后的產物。但5-羥甲基糠醛和糠醛均不是六碳糖和五碳糖的最終降解產物,如進一步延長反應時間或升高反應溫度等,5-羥甲基糠醛和糠醛均會進一步降解,得到乙酰丙酸和甲酸等[38]。5-羥甲基糠醛和糠醛,尤其是糠醛濃度一般較高,細胞毒性很大,會抑制糖酵解途徑中的關鍵酶如己糖激酶、6-磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的活性。此外,也會對三羧酸循環(huán)中的關鍵酶如檸檬酸合酶、異檸檬酸脫氫酶等的活性造成不利影響,并破壞細胞膜的通透性和結構,從而抑制發(fā)酵過程[39]。
(3)酚類。比較有代表性的酚類化合物有丁香醛、香草醛、4-羥基苯甲醛、鄰苯二酚、對苯二酚、愈創(chuàng)木酚等,均為木質素降解產物[40]。酚類物質對細胞毒性最強,一般在幾毫克每升的濃度下就有明顯的抑制作用,嚴重影響微生物細胞生長代謝活動。特別是香草醛、丁香醛、愈創(chuàng)木酚等小分子化合物的抑制作用更強,能刺穿細胞膜、破壞細胞內部結構,因而對發(fā)酵過程帶來嚴重影響[13,41]。
如前所述,秸稈稀酸水解液中的三類發(fā)酵抑制物對微生物發(fā)酵過程會產生顯著的抑制作用,因此必須對秸稈稀酸水解液進行脫毒處理,全部或部分去除水解液體系中存在的主要發(fā)酵抑制物,然后才可以獲得能被微生物利用的發(fā)酵底物。目前針對秸稈稀酸水解液脫毒的方法主要有生物法、化學法和物理法三種[12,42-44]。
生物法對秸稈水解液進行脫毒處理又可以分為酶處理和微生物處理兩種方法。原理是通過酶或者微生物降解水解液中的發(fā)酵抑制物或者改變水解液中發(fā)酵抑制物的結構,從而降低發(fā)酵抑制物的細胞毒性。
目前研究較多的酶類有錳過氧化氫酶、漆酶、木素過氧化物酶等[26],產生這些酶類的微生物主要是白腐菌類、黃孢原毛平革菌、構巢曲霉等[45-47]。酶處理的優(yōu)點是目標產物選擇性高、過程副產物少,且環(huán)保綠色、消耗能量較低,但因酶價格昂貴、作用目標單一,導致其工業(yè)化應用成本較高。
在微生物處理方面,酵母類油脂微生物等對水解液中的乙酸具有較好的脫除效果[48];而擬青霉(Paecilomyces variotti)絲狀真菌是迄今為止發(fā)現(xiàn)較早、脫毒效果較好的少數(shù)能夠利用木質素作為碳源的微生物[49];鮑氏桿菌(Bordetellasp.BTIIT)對糠醛和HMF等底物的利用優(yōu)于對糖的利用,具有消耗水解液中呋喃類化合物的巨大應用潛力[50]。然而,微生物處理最大的不足是處理周期長,且一般微生物生長會消耗水解液中的糖類物質,導致水解液中可發(fā)酵性糖的損失較大。
一般而言,秸稈稀酸水解液pH值往往較低,僅為1左右。而大多數(shù)的微生物發(fā)酵過程比較適宜的pH值在5 ~ 8之間,因此,需要對水解液的pH值進行調節(jié)[51]。在此過程中,水解液中的有機酸類、醛類化合物也會被部分去除,該方法實質上是化學法?;瘜W法通常是通過往水解液中加入一些堿類物質如 Ca(OH)2、Na2SO3、NaOH 等來調節(jié)水解液的pH值,pH值的變化會影響發(fā)酵抑制物的電離特性,抑或是產生化學沉淀,從而達到降低水解液中發(fā)酵抑制物的含量和生物毒性的目的。最典型的是過量堿處理法(Overliming)處理,即采用Ca(OH)2來調整水解液的pH值到10.0左右,然后過濾沉淀,獲得脫毒水解液。該方法能有效去除醛類和有機酸等物質,但對酚類物質去除效果不佳[52-53]。
物理法主要包括蒸餾法、溶劑萃取法及吸附法。
如前所述,水解液中含有甲酸、乙酸和糠醛等低沸點有機物,因此可以通過減壓蒸餾法將其蒸出[54]。然而,蒸餾法很難將高沸點抑制物如乙酰丙酸、5-羥甲基糠醛進行去除,反而會使其濃度增大。除此之外,蒸餾過程中因高溫會產生一些副產物,且存在能耗高的缺點。
溶劑萃取法是采用有機溶劑將水解液中的發(fā)酵抑制物萃取出來,常用的萃取溶劑有乙酸乙酯、氯仿等。研究表明,該法可以很好地去除糠醛等化合物,但對酚類化合物的去除效果不佳,主要原因在于糠醛極性相對酚類化合物更小,因此糠醛在乙酸乙酯、氯仿等溶劑中的溶解性更好,在有機相中分配更多[55]。但萃取過程效率低、溶劑消耗大,工業(yè)應用受到限制。
吸附法一般具有過程能耗低、不產生副產物、可循環(huán)使用等優(yōu)點,常用的吸附劑主要有活性炭、離子交換樹脂和吸附樹脂等?;钚蕴繉λ庖褐懈鞣N抑制物都具有較好的吸附性能[56],但選擇性較差,糖損失率較高,且活性炭較難重復使用,因而成本較高。離子交換樹脂一般吸附選擇性較好、吸附容量較高,但其再生過程需要消耗酸或堿,產生大量酸或堿廢液,造成環(huán)境負擔[57]。吸附樹脂具有微孔?介孔?大孔結構的球狀聚合物,其分子交聯(lián)呈網(wǎng)狀結構且內部孔道復雜[15]。相比活性炭和離子交換樹脂,吸附樹脂具有比表面積高、孔徑結構可控、吸附選擇性良好、機械性能穩(wěn)定等優(yōu)勢,且再生容易,再生試劑一般為乙醇,可循環(huán)利用,因而采用吸附樹脂對水解液進行脫毒,逐漸成為研究熱點[58]。
吸附樹脂是一大類人工合成的球狀聚合物[59]。目前,常用于秸稈水解液脫毒的吸附樹脂主要有大孔吸附樹脂和超交聯(lián)樹脂兩類,分別對應兩種不同的成孔機制[18,60]。大孔樹脂是通過不參與反應的致孔劑(惰性溶劑)為模板與單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑等組成油相,聚合結束后移除模板形成多孔結構。這類樹脂孔徑較大(>50 nm),因此稱為大孔樹脂[61]。超交聯(lián)樹脂是通過傅克反應將帶有芳香環(huán)的化合物或帶有芳香環(huán)的聚合物交聯(lián)在一起,當交聯(lián)密度極高時,聚合物鏈間無法緊密堆積因此形成多孔結構,這類方法形成的樹脂以微孔(0 ~ 2 nm)為主,其次是介孔(2 ~ 50 nm)[62]。為同時獲得較大比表面積與較寬的孔徑分布,這兩種成孔方法常配合使用[63]。
大孔吸附樹脂是20世紀60年代發(fā)展起來的高分子有機高聚物吸附劑,一般是苯乙烯?二乙烯基苯系共聚物,多呈白色球狀,是由許多彼此間存在空穴的微觀網(wǎng)絡組成,不溶于酸、堿和有機溶劑,具有較好的吸附選擇性、較高的吸附容量、良好的機械性能和循環(huán)再生性能,在醫(yī)藥、環(huán)保、食品等領域得到了廣泛應用[64]。大孔吸附樹脂根據(jù)極性大小和所選單體結構的不同,又可以分為非極性、中等極性和極性大孔吸附樹脂。其中,非極性大孔吸附樹脂指由偶極矩較小的單體、交聯(lián)劑聚合成孔制得,其疏水性很強,通過與極性體系中的小分子產生疏水作用力,從而實現(xiàn)吸附過程,如已經商業(yè)化的苯乙烯?二乙烯基苯樹脂;中等極性大孔吸附樹脂指由酯基單體與偶極矩較小的單體、交聯(lián)劑聚合成孔制得,既含親水基團又含疏水基團,因此可以吸附極性體系中的非極性物質,又可以吸附非極性體系中的極性物質,如丙烯酸縮水甘油酯改性大孔樹脂;極性大孔吸附樹脂是包含酰胺基、氰基、酚羥基等極性基團的吸附樹脂,靠與吸附質之間的靜電作用實現(xiàn)吸附過程[65-66]。
超高交聯(lián)吸附樹脂起源于20世紀70年代,科學家DAVANKOV利用傅克反應對聚苯乙烯進行交聯(lián)制備的一種大網(wǎng)均孔苯乙烯共聚物[59]。與大孔吸附樹脂的最大不同就在于超高交聯(lián)吸附樹脂具有更高的比表面積和更小的孔徑分布,因而也具有更好的吸附選擇性和更高的吸附容量。與傳統(tǒng)的沸石、分子篩、活性炭等相比,超高交聯(lián)吸附樹脂具有吸附容量高、吸附選擇性好、再生容易、循環(huán)使用性能良好等突出優(yōu)勢[15]。目前制備超高交聯(lián)吸附樹脂的主要方法有后交聯(lián)法、一步傅克烷基化法、懸掛雙鍵后交聯(lián)法等[67]。其中,后交聯(lián)法應用廣泛,因為該方法能充分結合大孔樹脂和超交聯(lián)樹脂的優(yōu)點,即首先制備交聯(lián)度較低的苯乙烯?二乙烯基苯前驅體樹脂,然后采用 1,2-二氯乙烷、對二氯芐等雙官能團化合物為交聯(lián)劑,以無水氯化鐵或無水氯化鋁等路易斯酸為催化劑,通過傅克反應獲得超高交聯(lián)吸附樹脂。通過該方法制備的超高交聯(lián)吸附樹脂具有更大的比表面積和更為均勻的孔徑分布,因此吸附性能更加突出。
與傳統(tǒng)活性炭、活性白土等吸附劑相比,吸附樹脂可以通過調節(jié)樹脂孔徑、極性等參數(shù),實現(xiàn)比傳統(tǒng)吸附劑吸附容量更高、吸附選擇性更好的吸附效果,且更易再生,可以多次循環(huán)使用。因此吸附樹脂已在石化行業(yè)、工業(yè)廢水、醫(yī)藥環(huán)保等領域廣泛應用。例如,采用大孔吸附樹脂吸附分離純化食品中的鮮核桃皮青皮汁多酚,藥草中的三七和甘草、工業(yè)廢水中的苯甲酸等[65-66,68];采用超高交聯(lián)吸附樹脂吸附制藥廢水中的苯甲酸、苯胺、酚類化合物,工業(yè)廢水中的重金屬離子等的凈化處理等[69-71]。
作為一種人工合成的吸附劑,吸附樹脂由于具備許多傳統(tǒng)吸附劑沒有的優(yōu)點,近些年來以吸附樹脂代替活性炭、活性黏土等應用于秸稈稀酸水解液的脫毒精制領域,顯示出了巨大的應用潛力,并獲得了一些研究進展。如 HUANG等[60]采用苯乙烯?二乙烯基苯大孔吸附樹脂對水稻秸稈水解液中的發(fā)酵抑制物進行吸附,對甲酸、乙酸、乙酰丙酸等有機酸類,對糠醛、5-HMF等呋喃類,尤其是對酸溶木質素等有較好的吸附效果,且總糖損失率不超過3%。HUANG等還系統(tǒng)研究了稻草稀酸水解液中的酸溶木質素在大孔吸附樹脂 HQ-8上的吸附平衡、熱力學、動力學行為。結果表明,酸溶木質素在HQ-8上的吸附平衡符合 Freundlich吸附等溫模型,且吸附過程屬于優(yōu)惠吸附,擬二階模型能較準確地描述酸溶木質素在 HQ-8上的吸附動力學[25],且 HQ-8的循環(huán)使用性能良好。在此基礎上,HUANG等[72]引入不同酯基官能團對苯乙烯?二乙烯基苯吸附樹脂進行修飾改性,結果表明,經酯基修飾改性能夠顯著提高非極性苯乙烯?二乙烯基苯吸附樹脂的吸附性能,引入甲基丙烯酸縮水甘油酯對稻草稀酸水解液中甲酸、乙酸、乙酰丙酸、5-HMF、糠醛、酸溶木質素等的吸附容量分別提高了 156%、86%、79%、131%、52%、45%,同時該改性吸附樹脂的再生過程綠色高效,循環(huán)使用性能良好。CHEN等[27]采用二乙烯三胺對交聯(lián)聚丙烯酸甲酯?苯乙烯?二乙烯基苯進行改性,制備的帶酰胺基團的吸附樹脂對酸溶木質素吸附容量達135.3 mg/L,且其循環(huán)使用性能穩(wěn)定、良好,經吸附樹脂脫毒后的甘蔗渣稀酸水解液可發(fā)酵性能獲得顯著提升。
此外,學者們對吸附樹脂在其他木質纖維素稀酸水解液脫毒中也開展了一些研究工作。如HATANO等[72]采用Amberlite XAD-4樹脂對玉米芯水解液進行脫毒,檢測發(fā)現(xiàn)對香草醛、糠醛和5-HMF等抑制物具有較好的脫毒效果,并以脫毒前后的水解液為發(fā)酵底物,接種Saccharomyces cerevisiae酵母,發(fā)現(xiàn)其在脫毒前后的水解液中獲得的乙醇產量分別為1.40 g/L和4.92 g/L。YU等[73]利用非極性大孔吸附樹脂對白楊樹水解液中的酸溶木質素進行吸附,酸溶木質素的去除率高達97.3%以上。
吸附樹脂主要依靠與目標物之間的吸附作用來實現(xiàn)吸附過程,其中起主導影響的作用力有氫鍵作用力、π-π作用力、范德華力和倫敦色散力等;與此同時,不同目標物的分子大小不同、極性各異,因此,吸附樹脂的比表面積、孔徑分布、極性、表面性質等也是影響吸附的重要因素[60,72,74]。
如前所述,無論秸稈稀酸水解工藝如何選取,制備的秸稈水解液仍然組成復雜,包含的主要化學物質種類多達十幾種。因此,在使用吸附樹脂對秸稈水解液進行脫毒過程中,主要存在以下問題:
(1)多組分競爭吸附不可避免,糖類有一定損失。秸稈稀酸水解液以糖類物質為主,一般總糖濃度可達30 ~ 50 g/L,相對糖類物質而言,發(fā)酵抑制物在水解液中的濃度較低,且糖類和發(fā)酵抑制物存在競爭吸附。因此,競爭吸附將使得發(fā)酵抑制物在吸附樹脂中的吸附難度增加,進而導致吸附樹脂對水解液的脫毒效果并不理想,同時,伴有1% ~ 10%的糖類損失。
(2)幾類發(fā)酵抑制物的極性大小各不相同,采用單一功能基團改性的吸附樹脂難以同時提高對所有發(fā)酵抑制物的吸附性能。如有機酸類、呋喃類和酚類等三類發(fā)酵抑制物的極性差別大,其中有機酸類多屬極性較強的化合物,能夠在水解液中電離出H+,而酚類化合物因含有苯環(huán)而導致疏水性較強,呋喃類化合物極性居中,因此,若僅僅增加吸附樹脂的極性基團數(shù)量,可能導致酸類抑制物吸附增加,而酚類抑制物吸附容量減少,反之亦然。
(3)各種發(fā)酵抑制物分子大小相差甚遠,對樹脂的孔徑要求也各不相同。有機酸類中的甲酸、乙酸等屬于小分子化合物,而酚類化合物和呋喃類化合物分子相對較大。吸附劑孔徑和化合物的大小只有在特定的相匹配范圍內才能顯示出最佳的吸附性能;即針對不同大小的吸附質,只有相對應大小的孔才有最高的選擇性和吸附容量。因此,這些抑制物大小不同,就意味著其對樹脂孔徑大小有不同的要求,因此要合成特定孔徑分布的樹脂也是一個挑戰(zhàn)。
針對吸附樹脂在秸稈水解液脫毒中存在的上述問題,未來吸附樹脂在秸稈稀酸水解液脫毒中的應用研究可以集中在以下幾個方面:
(1)調控吸附樹脂結構和孔徑分布。通過系統(tǒng)探究制備吸附樹脂的過程中單體類型、交聯(lián)劑類型、溶劑、分散劑、致孔劑等對吸附樹脂吸附秸稈水解液中發(fā)酵抑制物的影響,減少對糖類物質的吸附,揭示吸附樹脂的結構與吸附樹脂對秸稈水解液中各組分吸附性能之間的“構效關系”,從而定向可控制備應用于秸稈水解液脫毒的吸附樹脂。此外,采用后交聯(lián)方法制備超高交聯(lián)吸附樹脂,可以大幅提高樹脂的比表面積,同時增加微孔數(shù)量,提高吸附樹脂的吸附選擇性和吸附容量,可以顯著提高吸附樹脂的脫毒效果。
(2)針對不同抑制物引入不同功能基團,并調控吸附樹脂極性。根據(jù)修飾在吸附樹脂的功能基團極性的差別,可以得到非極性、中等極性和極性吸附樹脂。如上所述,三類發(fā)酵抑制物極性差異很大,因此,單一極性的吸附樹脂難以實現(xiàn)對所有發(fā)酵抑制物的高選擇性吸附。因此,未來需要系統(tǒng)研究在吸附樹脂上引入不同功能基團,深入探討具備不同功能基團的吸附樹脂對秸稈水解液中發(fā)酵抑制物的吸附效果,找到改性基團對發(fā)酵抑制物的影響規(guī)律。
(3)闡明秸稈水解液中發(fā)酵抑制物在吸附樹脂上的競爭吸附機理。秸稈水解液中發(fā)酵抑制物種類多,多組分競爭吸附顯著,各因素相互影響,相互制約,單純依靠實驗獲得較好的吸附分離條件需要消耗大量人力、物力。因此,構建吸附樹脂吸附秸稈水解液的數(shù)學模型,闡明競爭吸附機理意義重大。
秸稈高值化綜合利用是對農業(yè)廢棄物類生物質資源研究的發(fā)展趨勢,采用稀酸水解法將秸稈纖維素和半纖維素進行降解,從而獲得富含可發(fā)酵糖的水解液具有廣闊的應用前景。而秸稈水解液組成復雜,因此對其進行脫毒精制是必不可少的重要環(huán)節(jié)。吸附樹脂作為一種人工合成的新型吸附劑,在秸稈水解液脫毒精制中具有良好的應用潛力。然而,目前使用過程中仍然存在吸附容量不高、吸附選擇性不好等問題。因此,以后研究的重點還是在于從吸附樹脂的制備著手,通過調控吸附樹脂的結構、孔徑分布、表面性質、極性等方面,提高吸附樹脂對秸稈水解液中發(fā)酵抑制物的吸附性能。同時,還需深入研究秸稈水解液發(fā)酵抑制物在吸附樹脂上的競爭吸附規(guī)律,闡明秸稈水解液中發(fā)酵抑制物在吸附樹脂上的競爭吸附機理;對減少實驗過程中人力、物力的消耗及建立以吸附樹脂為吸附介質的秸稈水解液脫毒工藝具有較好的指導意義,也為吸附樹脂在未來的工業(yè)應用提供理論參考。