水熱耦合稀乙酸拆解楊木纖維的條件優(yōu)化及表征

馬欣宇 詹 鵬 卿 彥 劉 進(jìn) 黃一磊 余志強(qiáng)

（中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南省木質(zhì)資源定向轉(zhuǎn)化國(guó)際科技創(chuàng)新合作基地，湖南長(zhǎng)沙，410004）

隨著地球上不可再生能源的減少，如何減少碳排放，降低對(duì)化石燃料的依賴(lài)，是世界各國(guó)面臨的重大問(wèn)題[1]。目前，利用可再生的林木生物質(zhì)原料制備高效清潔的燃料是解決這一問(wèn)題的途徑之一[2-4]。但由于林木生物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、更為致密，抗降解性強(qiáng)，嚴(yán)重制約了后續(xù)醇類(lèi)燃料的轉(zhuǎn)化與生產(chǎn)[5]。而現(xiàn)有傳統(tǒng)的預(yù)處理技術(shù)大都存在反應(yīng)條件苛刻、毒性大以及成本高的缺點(diǎn)[6-8]。因此，需要尋找一種綠色、高效、低毒的預(yù)處理技術(shù)來(lái)拆解分離林木三大組分，提高纖維素的拆解分離得率（亦稱(chēng)纖維素回收率或纖維素保留率），并促進(jìn)其向醇類(lèi)的轉(zhuǎn)化[9-10]，同時(shí)使用拆解過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物來(lái)生產(chǎn)高值化的產(chǎn)品，從而降低醇類(lèi)燃料的生產(chǎn)成本。近年來(lái)，水熱預(yù)處理技術(shù)在分離結(jié)構(gòu)較為疏松的農(nóng)林剩余物方面取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。王安等人[11]對(duì)玉米秸稈進(jìn)行水熱預(yù)處理，其半纖維素去除率達(dá)92.9%。但對(duì)于結(jié)構(gòu)更為致密的林木生物質(zhì)來(lái)說(shuō)，往往要耦合其他預(yù)處理技術(shù)才能達(dá)到較好的拆解分離效果[12]。通過(guò)加入適量的HCl、H2SO4等無(wú)機(jī)強(qiáng)酸可以提高拆解分離效果。Cara 等人[13]使用水熱耦合質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%稀硫酸拆解橄欖樹(shù)，取得了很好的效果，但其高達(dá)75%的總糖去除率說(shuō)明在去除半纖維素的同時(shí)也破壞了大量的纖維素，并產(chǎn)生了大量的抑制物影響了后續(xù)的酶解發(fā)酵。

采用低濃度的乙酸耦合水熱預(yù)處理可以對(duì)半纖維素特別是木糖進(jìn)行有效地去除，也不會(huì)引入新的酸性物質(zhì)[14]。而且在合適的反應(yīng)條件下，對(duì)纖維素和木質(zhì)素的破壞較小，可以避免纖維素的損失和酚類(lèi)抑制物的產(chǎn)生，不會(huì)影響后續(xù)的酶解發(fā)酵[15]。因此本研究采用水熱耦合稀乙酸的方法對(duì)楊木進(jìn)行預(yù)處理，研究乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、時(shí)間、固液比等對(duì)楊木纖維拆解的影響規(guī)律，分析預(yù)處理前后楊木、水熱預(yù)處理液中化學(xué)成分以及結(jié)構(gòu)的變化，從而構(gòu)建綠色低毒的拆解分離技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)楊木組分的拆解分離，增加纖維素酶解可及性。同時(shí)獲得高品質(zhì)木糖和木質(zhì)素進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為高附加值的化學(xué)品，用來(lái)降低林木生物質(zhì)制備醇類(lèi)燃料的成本，實(shí)現(xiàn)增值聯(lián)產(chǎn)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及試劑

實(shí)驗(yàn)所用楊木為山東省德州市木材加工剩余物（40～60 目），乙酸（GR 級(jí)，阿拉丁試劑公司，純度99.8%）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將乙酸稀釋到指定濃度后與適量楊木共同置于高壓反應(yīng)釜中，開(kāi)啟攪拌槳，使楊木與乙酸混合均勻，然后升溫至反應(yīng)溫度，并保溫一定時(shí)間。反應(yīng)結(jié)束后，迅速通入冷凝水終止反應(yīng)并抽濾得到預(yù)處理液。殘?jiān)眉兯啻蜗礈爝^(guò)濾，于105℃下干燥備用。

1.3 分析方法

1.3.1 固體殘?jiān)皖A(yù)處理液的成分分析

水熱耦合稀乙酸預(yù)處理固體殘?jiān)皖A(yù)處理液中葡萄糖、木糖、乙酸、糠醛、5-羥甲基糠醛和木質(zhì)素含量的測(cè)定參照美國(guó)能源部NREL/TP510-42618 標(biāo)準(zhǔn)[16]，均采用日本島津LC-16 高效液相色譜儀（HPLC）測(cè)定。

葡萄糖、木糖和乙酸的含量測(cè)試采用的色譜柱為Aminex HPX-87P，示差折光檢測(cè)器。測(cè)試條件為：流動(dòng)相0.05 mol/L H2SO4、流速0.6 mL/min，進(jìn)樣量20 μL；糠醛和5-羥甲基糠醛含量測(cè)試采用的色譜柱為Shim-pack GIST C18，UV 檢測(cè)器，流動(dòng)相為乙腈∶水=10∶90，流速1 mL/min，進(jìn)樣量20 μL。所測(cè)樣品均用0.22 μm水系濾膜過(guò)濾后進(jìn)樣。

水解液中低聚合度木糖含量的檢測(cè)方式為再水解，即水解液與同體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)8% H2SO4溶液混合（即H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)稀釋為4%），隨后在121℃的高壓滅菌鍋中水解60 min。水解后的溶液經(jīng)HPLC 檢測(cè)后可得到水解液的總木糖濃度，即預(yù)處理后水解液中木糖和低聚合度木糖含量的總和，總木糖含量減去再水解之前水解液測(cè)得的木糖含量即為低聚合度木糖含量。

纖維素是林木生物質(zhì)轉(zhuǎn)化醇類(lèi)燃料的最主要組分，通過(guò)適當(dāng)?shù)念A(yù)處理將纖維素與半纖維素、木質(zhì)素分離，從而增加纖維素酶的可及性，即為纖維素拆解分離。纖維素拆解分離得率是指林木生物質(zhì)經(jīng)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理固體殘?jiān)械睦w維素質(zhì)量與原料中的纖維素質(zhì)量之比。本研究中纖維素拆解分離得率（ε）、木糖去除率（σ）及木質(zhì)素去除率（μ）分別按式（1）、式（2）和式（3）計(jì)算。

式中，X1表示楊木中纖維素質(zhì)量，g；X2表示楊木經(jīng)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理后固體殘?jiān)欣w維素質(zhì)量，g；Y1表示楊木中木糖質(zhì)量，g；Y2表示楊木經(jīng)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理后固體殘?jiān)心咎琴|(zhì)量，g；Z1表示楊木中木質(zhì)素質(zhì)量，g；Z2表示楊木經(jīng)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理后固體殘?jiān)心举|(zhì)素質(zhì)量，g。

采用美國(guó)安捷倫科技有限公司7890A-5975C型氣質(zhì)聯(lián)用儀（GC-MS）對(duì)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理液的成分進(jìn)行分析。色譜條件：色譜柱為HP-5MS(30.0 m×250 μm, 0.25 μm)，氣化室溫度250℃，載氣He，載氣流量1.0 mL/min，不分流進(jìn)樣。質(zhì)譜條件：EI 源，電子能量70 eV，離子源溫度230℃，掃描質(zhì)量范圍為20～500 amu。

1.3.2 固體殘?jiān)紫督Y(jié)構(gòu)與化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

水熱耦合稀乙酸預(yù)處理前后楊木的比表面積、孔容和孔分布情況采用美國(guó)康塔NOVA2000e 氮吸附儀測(cè)定。采用日本島津IRTracer100 傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）表征固體殘?jiān)Y(jié)構(gòu)，掃描范圍為400～4000 cm-1，分辨率為2 cm-1，掃描次數(shù)為2 次。采用日本理學(xué)UItimaIV X 射線(xiàn)衍射儀（XRD）對(duì)比分析楊木、固體殘?jiān)慕Y(jié)晶結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)條件：管壓40 kV，管流40 mA，入射線(xiàn)波長(zhǎng)0.15418 nm，掃描范圍2θ=3°～90°，掃描步長(zhǎng)0.04°，掃描速度38.4 s/步。纖維素結(jié)晶度（CrI）計(jì)算如式（4）所示。

式中，I002和Iam分別表示2θ=22°時(shí)結(jié)晶區(qū)的最大峰強(qiáng)度和2θ=18°時(shí)非結(jié)晶區(qū)的最小峰強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 水熱耦合稀乙酸預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化

2.1.1 乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)拆解楊木纖維三大組分的影響

圖1 為溫度170℃、反應(yīng)時(shí)間30 min、固液比1∶20 條件下，乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)拆解楊木纖維三大組分的影響。從圖1中看出，純水水熱對(duì)楊木的拆解作用比較溫和，能保留絕大部分的纖維素，但對(duì)木糖的去除效果有限，去除率僅為73.2%。加入低濃度的乙酸可以提高催化活性，促進(jìn)楊木纖維中聚木糖的水解。隨著乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，木糖去除率不斷上升，但纖維素拆解分離得率會(huì)略有下降。而當(dāng)乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，木糖去除率提高到92.9%，木質(zhì)素去除率為11.8%，同時(shí)纖維素拆解分離得率仍可以達(dá)到94.0%。繼續(xù)增加乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，纖維素拆解分離得率大幅下降至78.2%，木質(zhì)素的去除率增加到21.2%，而木糖去除率相差不大。由此可見(jiàn)乙酸水熱法所加入的乙酸含量不宜過(guò)高，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的乙酸可以在最大程度保留纖維素不被破壞的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)木糖的高去除率。

圖1 乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)楊木纖維拆解效果的影響Fig.1 Effect of acetic acid mass fraction on the deconstruction of poplar fiber

2.1.2 固液比對(duì)拆解楊木纖維三大組分的影響

圖2 為乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、溫度170℃和反應(yīng)時(shí)間30 min條件下，固液比對(duì)拆解楊木纖維三大組分的影響。從圖2中可以看出，固液比對(duì)纖維素拆解分離得率影響不大，而木糖去除率隨著固液比的增加先上升后下降。在固液比為1∶20時(shí)木糖去除率達(dá)到峰值92.9%，而在固液比為1∶30 時(shí)木糖去除率驟降至81.1%，這是由于過(guò)量的水反而吸收了反應(yīng)體系的空化能量，導(dǎo)致木糖去除率下降[7]。木質(zhì)素去除率隨固液比的增大略有上升并逐漸呈現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢(shì)，大都在10%左右，由此可見(jiàn)，固液比對(duì)木糖的去除率影響較大，而對(duì)纖維素和木質(zhì)素的影響較小，選擇固液比為1∶20較為合適。

圖2 固液比對(duì)楊木纖維拆解效果的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on the deconstruction of poplar fiber

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)拆解楊木纖維三大組分的影響

圖3 為乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、溫度170℃和固液比1∶20 條件下，反應(yīng)時(shí)間對(duì)拆解楊木纖維三大組分的影響。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為10 min時(shí)，雖然纖維素的拆解分離得率高達(dá)98.3%，但此時(shí)木糖和木質(zhì)素的去除率均處于較低水平，不利于楊木纖維三大組分的拆解。延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，纖維素的拆解分離得率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈線(xiàn)性降低，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為120 min 時(shí)，纖維素拆解分離得率降至86.4%。與此同時(shí)，木糖的去除率隨反應(yīng)時(shí)間的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)，木糖去除率大幅升高至92.9%，此時(shí)木糖去除率與纖維素的拆解分離得率均保持在較高水平，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí)，木糖去除率與30 min時(shí)相當(dāng)。繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，木糖去除率開(kāi)始下降，120 min時(shí)僅為83.5%。木質(zhì)素去除率隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)沒(méi)有特別明顯的變化趨勢(shì)，大都在7%～13.3%的范圍內(nèi)。在反應(yīng)時(shí)間為120 min 時(shí)，木質(zhì)素去除率達(dá)到最大值13.3%，這也說(shuō)明反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致木質(zhì)素的降解，綜上所述可以初步確定反應(yīng)時(shí)間為30 min。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)楊木纖維拆解效果的影響Fig.3 Effect of holding time on the deconstruction of poplar fiber

2.1.4 溫度對(duì)拆解楊木纖維三大組分的影響

圖4 為乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、反應(yīng)時(shí)間30 min 和固液比1∶20 條件下，溫度對(duì)拆解楊木纖維三大組分的影響。從圖4 中可以看出，纖維素拆解分離得率隨溫度的升高逐漸降低，木糖去除率隨溫度的升高呈先升高后略有下降的趨勢(shì)。當(dāng)溫度低于180℃時(shí)，能保持較高的纖維素拆解分離得率且均在91.3%以上，木糖的去除率在170℃時(shí)達(dá)到最大值92.9%。當(dāng)溫度超過(guò)185℃時(shí)，纖維素拆解分離得率由于纖維素的降解而開(kāi)始下降，同時(shí)木質(zhì)素的去除率顯著增加，其所形成的水溶性物質(zhì)可能因?yàn)樵倌Y(jié)作用而附著于水熱濾渣的表面[17]，從而導(dǎo)致木糖去除率也隨之下降。木質(zhì)素去除率隨溫度的升高呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在200℃時(shí)達(dá)到15.2%，這也間接地說(shuō)明溫度對(duì)木質(zhì)素去除率的影響并不大。因此，水熱耦合稀乙酸預(yù)處理的溫度不宜過(guò)高，170℃時(shí)較為合適。

圖4 溫度對(duì)楊木纖維拆解效果的影響Fig.4 Effect of temperature on the deconstruction of poplar fiber

綜上所述，水熱耦合稀乙酸拆解楊木纖維的較優(yōu)條件為：乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、固液比1∶20、溫度170℃、反應(yīng)時(shí)間30 min。此時(shí)，纖維素拆解分離得率為94.0%，木糖去除率為92.9%，木質(zhì)素去除率為11.8%。

2.2 水熱耦合稀乙酸固體殘?jiān)姆治?/h3>

2.2.1 孔隙結(jié)構(gòu)分析

采用氮吸附儀對(duì)楊木經(jīng)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理前后的孔隙結(jié)構(gòu)變化情況進(jìn)行分析，未經(jīng)預(yù)處理的楊木比表面積和孔體積較小，其比表面積為1.46 m2/g，孔體積為0.004 cm3/g，說(shuō)明楊木結(jié)構(gòu)較為致密，使得纖維素酶難以和纖維素形成有效的接觸。而采用水熱耦合稀乙酸的方法對(duì)楊木進(jìn)行預(yù)處理后，楊木的比表面積增加至2.25 m2/g，孔體積增大至0.01 cm3/g，說(shuō)明此預(yù)處理可以有效地破壞楊木的致密結(jié)構(gòu)，從而使更多的纖維素暴露出來(lái)，提高了纖維素酶的可及性[18]。

2.2.2 組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

采用FT-IR和XRD對(duì)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理產(chǎn)生的固體殘?jiān)M(jìn)行結(jié)構(gòu)表征（見(jiàn)圖5）。FT-IR 振動(dòng)峰對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)歸屬參考文獻(xiàn)[19-20]。如圖5（a）所示，1740 cm-1處的振動(dòng)峰為聚木糖的特征峰，經(jīng)過(guò)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理后，1740 cm-1處振動(dòng)峰明顯減弱，說(shuō)明大部分半纖維素被脫除。1024、1112、898 cm-1處的振動(dòng)峰為纖維素特征峰，其中898 cm-1處是纖維素I 型特征峰，表明預(yù)處理不會(huì)改變纖維素的晶型。固體殘?jiān)腦RD 衍射結(jié)果如圖5（b）所示。從圖5（b）可以看出，處理前后主要信號(hào)峰均在2θ=18°～22°，均為纖維素I 型的晶面。這表明纖維素的晶態(tài)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有因?yàn)轭A(yù)處理而發(fā)生明顯改變，與紅外分析結(jié)果一致。由式（4）計(jì)算得出楊木的結(jié)晶度為35.4%。經(jīng)預(yù)處理后，固體殘?jiān)Y(jié)晶度為41.5%，結(jié)晶度略有提高，這說(shuō)明在水熱耦合稀乙酸預(yù)處理過(guò)程中，隨著木糖的去除，使得纖維素組分比例增加，從而表現(xiàn)為纖維素結(jié)晶度的增加。

圖5 水熱耦合稀乙酸預(yù)處理前后楊木的FT-IR譜圖和XRD譜圖Fig.5 FT-IR and XRD spectra of poplar before and after hydrothermal coupling dilute acetic acid pretreatment

2.3 水熱耦合稀乙酸預(yù)處理液成分的分析

表1為GC-MS分析的水熱耦合稀乙酸預(yù)處理液中的主要成分，包括游離酸、醛、酚、芳香族等多種物質(zhì)。由于預(yù)處理中除了加入的少量乙酸外，在預(yù)處理過(guò)程中由于乙?；拿摮矔?huì)產(chǎn)生一定量的乙酸，因此預(yù)處理液體中乙酸相對(duì)含量較高，約為71.55%。同時(shí)糠醛的相對(duì)含量達(dá)到了11.38%，說(shuō)明預(yù)處理過(guò)程中有木糖降解成單糖并轉(zhuǎn)化成糠醛。預(yù)處理液中少量的5-羥甲基糠醛、乙酰丙酸和苯基類(lèi)化合物反映了水熱耦合稀乙酸對(duì)楊木中纖維素和木質(zhì)素的破壞很小。采用HPLC 進(jìn)一步分析了各主要化學(xué)成分的含量，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2 可以看出，預(yù)處理液中含有6.52 mg/L 糠醛、138 mg/L 木糖和2628 mg/L 低聚合度木糖，說(shuō)明半纖維素中的木糖主要轉(zhuǎn)化成了低聚合度木糖，反映出生產(chǎn)高價(jià)值低聚木糖的巨大潛力；雖然其也發(fā)生了過(guò)度降解產(chǎn)生了糠醛，但是含量很少。預(yù)處理液中僅含有少量的葡萄糖和5-羥甲基糠醛說(shuō)明水熱耦合稀乙酸對(duì)楊木中纖維素的影響較小，這也與前述預(yù)處理后楊木纖維高拆解分離得率的結(jié)果相符。因此水熱耦合稀乙酸是一種溫和的楊木預(yù)處理技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)楊木中木糖的高值高效分離的同時(shí)，對(duì)纖維素和木質(zhì)素的破壞較小，從而減少了副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

表1 GC-MS分析的預(yù)處理液中的主要成分Table 1 Main components of pretreated solution analyzed by GC-MS

表2 HPLC測(cè)定的預(yù)處理液中的主要成分Table 2 Main components of pretreated solution determined by HPLC mg/L

3 結(jié) 論

3.1 水熱預(yù)處理過(guò)程中加入少量的乙酸能夠促進(jìn)楊木纖維的拆解分離，可以實(shí)現(xiàn)在去除大部分木糖的同時(shí)，仍能夠保持較高的纖維素拆解分離得率以及較低的木質(zhì)素去除率。結(jié)果表明，在乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、固液比1∶20、溫度170℃、反應(yīng)時(shí)間30 min 條件下，木糖去除率為92.9%，纖維素拆解分離得率為94.0%，木質(zhì)素去除率為11.8%。

3.2 水熱耦合稀乙酸預(yù)處理主要去除楊木中的半纖維素，導(dǎo)致纖維孔容增大、比表面積增大，同時(shí)纖維素的結(jié)晶度略有增加。

3.3 楊木拆解分離出半纖維素中的木糖主要轉(zhuǎn)化成了高價(jià)值的低聚合度木糖，只有少量過(guò)度降解成葡萄糖和糠醛。葡萄糖、5-羥甲基糠醛以及苯基類(lèi)化合物含量少說(shuō)明預(yù)處理對(duì)纖維素和木質(zhì)素的破壞小，在去除不利于酶解發(fā)酵的五碳糖的同時(shí)，增加纖維素酶的可及性，有利于醇類(lèi)原料的生產(chǎn)和木質(zhì)素的工業(yè)化利用。