纤维素在亚临界水中催化水解制取葡萄糖的研究

章仁勐，徐明仙，林春绵

(1.浙江工业大学生物与环境工程学院，浙江 杭州 310014；2 杭州职业技术学院临江学院，浙江 杭州310018)

纤维素在亚临界水中催化水解制取葡萄糖的研究

章仁勐1，徐明仙2，林春绵1

(1.浙江工业大学生物与环境工程学院，浙江 杭州 310014；2 杭州职业技术学院临江学院，浙江 杭州310018)

以纤维素为原料，在反应温度200～260 ℃、反应时间0.5～5.0 h的条件下，研究了纤维素在亚临界水中水解制取葡萄糖反应及以金属盐类、H2CO3(CO2)等催化剂对水解过程的影响。结果表明：温度和反应时间对葡萄糖收率起决定性作用；无催化剂时，在220 ℃，反应1.5 h的条件下，葡萄糖收率达到最高的6.56%；200 ℃时，以葡萄糖收率衡量的各催化剂活性顺序为，FeCl3>CoCl2>AlCl3，Fe(NO3)3>Fe2(SO4)3>FeCl3；充入CO2压力(2 MPa、4 MPa和6 MPa)越大，葡萄糖收率越高；在以Fe(NO3)3为催化剂、温度200 ℃、反应时间0.5 h时，葡萄糖最大收率为21.45%。

纤维素 亚临界水 水解

随着人类对石油、煤炭等不可再生的化石燃料的需求不断增加，开发可再生的新能源已经得到各国科学家的重视，利用纤维素制取乙醇也成为研究热点[1,2]。纤维质是地球上资源量最丰富的可再生资源。除了农产品外，秸秆、农作物壳皮、树枝、落叶、林业边脚余料和城乡固体垃圾等均含有大量的纤维素[3]。但是纤维素是数千个葡萄糖分子通过β-1,4-糖苷键连接而形成的葡聚糖，且分子间和分子内有氢键作用，结构稳定[4]。目前的纤维素利用方法主要有酸催化水解和纤维素酶分解。王树荣等研究了纤维素在低浓度硫酸下的水解，纤维素转化率可以达到70%左右，还原糖得率最高为46.55%[5]。张玉苍等以稻草纸浆为原料研究纤维素酶解，当酶用量150 U/g料，底物浓度2%，反应温度55 ℃，pH4.8，反应时间8 h，酶解得率可高达到73.20%[6]。然而纤维素的酸催化水解存在着酸回收难、污染严重等问题，纤维素酶也有生产成本高等缺点，需要进一步完善[7]。超、亚临界水因具有反应速度快、溶解性好等优点,因此利用其进行纤维素水解受到广泛的关注[8,9]。吕秀阳等研究了纤维素在近临界水中的分解动力学和产物分布[10]。巩桂芬等以稻草秸秆、经预处理的稻草秸秆、脱脂棉、微晶纤维素和定性滤纸为原材料进行超临界水解，对应的最大还原糖产率分别为14.84%、18.10%、25.10%、36.02%和28.48%[11]。朱宪等研究了金属氯化物对纤维素亚临界水解的影响，结果显示 ZnCl2、FeCl3、CuCl2及 AlCl3均能促进纤维素的水解及葡萄糖的降解，AlCl3可使纤维素的水解速率常数大于葡萄糖的降解速率常数，有利于葡萄糖的生成[12]。

本实验以AlCl3、CoCl2、FeCl3、Fe2(SO4)3、Fe(NO3)3及H2CO3（CO2）作为催化剂，探究纤维素在亚临界水中水解制取葡萄糖的工艺条件，分别比较金属阳离子与酸根离子对纤维素亚临界催化水解制取葡萄糖的影响，进一步寻找可以提高葡萄糖收率的合适催化剂，为纤维素的资源化利用提供理论基础。

1 实验部分

1.1 实验材料

本实验所用试剂包括微晶纤维素（平均粒径50 µm）、葡萄糖、果糖、乙腈、氯化钴、氯化铝、氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、CO2和去离子水。CO2为干冰级（99.5%），乙腈为色谱纯试剂，除去离子水外其余均为分析纯试剂。

1.2 实验与分析方法

量取30 mL去离子水，准确称取2.4 g纤维素及催化剂（分别加入0.1、0.2、0.2、0.2和0.3 mmol的Fe2(SO4)3、Fe(NO3)3、FeCl3、AlCl3和CoCl2）置于50 mL高压反应釜内。当以H2CO3（CO2）为催化剂时，分别充入一定压力（2 MPa、4 MPa和6 MPa）的CO2。升温至所需反应温度，开始计时。恒温反应到预设时间后，将高压反应釜放入冰水中迅速冷却至室温。冷却后，反应混合物经抽滤定容后待分析。

样品中葡萄糖的量用高效液相色谱HPLC（Water1525）进行分析，色谱柱为Zorbax Carbohydrate analysis柱（4.6 mm×250 mm），柱温为30 ℃，流动相为乙腈和水（V乙腈:V水=7:3）。葡萄糖收率是指水解所得的葡萄糖质量与加入的纤维素质量之比。

2 结果与讨论

2.1 纤维素无催化水解

2.1.1 产物分析

纤维素在亚临界水条件下的水解液一般为棕黄色，反应时间较长则颜色较深，反应温度越高颜色也越深。通常产物主要有葡萄糖、果糖、低聚糖（纤维三糖、纤维二糖等）、1,6-苷键葡萄糖、甘油醛、二羟基丙酮、丙酮醛、5-HMF及酸等[12]。纤维素在亚临界水中的反应主要有以下几种：纤维素水解最先生成低聚物（纤维三糖、纤维二糖等）和葡萄糖；葡萄糖可以异构化为果糖，它们可以分解生成赤藓糖和乙醇醛，或分解生成甘油醛和二羟基丙酮；甘油醛可转化为二羟基丙酮，二者均可脱水生成丙酮醛；丙酮醛、赤藓糖和二羟基丙酮还可以进一步分解为小分子物质，主要为1~3个碳的酸、醛和醇[8]。从本实验结果看，主要产物为葡萄糖，果糖生成量极少，见图1。

图1 220 ℃时反应1.5 h纤维素水解产物液相色谱图Fig.1 HPLC of cellulose hydrolysate without catalysts at 220 ℃, 1.5 h

2.1.2 温度及反应时间对葡萄糖收率的影响

温度对葡萄糖收率有很大影响，不同温度下，葡萄糖收率有明显的差别，见图2。200 ℃时，随着反应时间的增加，葡萄糖收率逐渐提高，到2.5 h后，略有下降； 220 ℃时，在最初的1.5 h内，葡萄糖收率随反应时间增加而提高，1.5 h后，葡萄糖收率快速下降，经过3 h及更长的反应时间，葡萄糖收率均为零；240 ℃，1.0 h还有少量葡萄糖存在，经1.5 h及更长的反应时间后收率降为零；260 ℃时，产物中未检出葡萄糖。220 ℃时，反应1.5 h达到最高收率的6.56%。

同一反应温度下，葡萄糖收率随反应时间增加，先增大后减小，这是因为纤维素的水解产物葡萄糖的稳定性较差，会在亚临界条件下分解[9]。较短的反应时间（0.5 h）内，葡萄糖收率随反应温度的增大而增大，证明温度升高促进了纤维素水解；随着反应时间增加（1.0~2.0 h），葡萄糖收率随反应温度增加，先增大后减少，较长的反应时间（2.5 h及以上），葡萄糖收率随温度增加反而降低，说明温度升高也同时促进了葡萄糖分解，且分解速度超过了纤维素水解的速率。

2.1.3 葡萄糖的分解

为了考证葡萄糖在亚临界水中的稳定性，用葡萄糖代替纤维素，按照2.2的方法进行亚临界分解，研究葡萄糖在亚临界水中停留一定时间的残留百分率。结果显示，在本实验的亚临界水条件下，葡萄糖并不稳定，自身分解速率比较快，反应速率随温度增加而增加。如图3，200 ℃时，葡萄糖在1 h时已只剩余49.7%，随时间推延，葡萄糖进一步分解，残留率也越来越低。220 ℃时，葡萄糖分解明显加快，1 h残留率只有12.6%。240和260 ℃时，1 h内葡萄糖基本已经全部分解，残留率接近0。

图2 不同温度和反应时间的葡萄糖收率Fig.2 The glucose yield at different temperatures and reaction time

图3 葡萄糖亚临界水分解曲线Fig.3 Decomposition curve of glucose by subcritical water treatment

2.2 金属盐类催化剂对葡萄糖收率的影响

2.2.1 金属离子对葡萄糖收率的影响

Fe3+、Al3+等金属离子可以促进纤维素水解[12,13]。实验中分别加入0.2、0.2和0.3 mmol的FeCl3、AlCl3和CoCl2，使得这三份催化剂含有等量Cl-，以消除其影响，均在200 ℃下水解纤维素，结果见图4。以AlCl3为催化剂，单糖收率随时间增加先增加后快速下降，直至为零；以FeCl3和CoCl2为催化剂，单糖收率随时间增加，先增加后略微减少。因此可以得知AlCl3可以极快的促进纤维素水解速率和葡萄糖分解速率，FeCl3和CoCl2也能促进纤维素水解和葡萄糖分解，葡萄糖收率相对无催化均有所提高。以葡萄糖收率衡量的催化剂活性顺序为FeCl3>CoCl2>AlCl3。

图4 200 ℃时金属离子对葡萄糖收率的影响Fig.4 Effect of metal ions on the glucose yield at 200 ℃

图5 200 ℃时酸根离子对葡萄糖收率的影响Fig.5 Effect of radical ions on the glucose yield at 200 ℃

2.2.2 酸根离子对葡萄糖收率的影响

实验中分别加入0.1、0.2和0.2 mmol 的Fe2(SO4)3、Fe(NO3)3和FeCl3,使得这三份催化剂含有等量的Fe3+，以消除其影响，均在200 ℃下水解纤维素。见图5，以Fe(NO3)3为催化剂，单糖收率先快速升高后逐渐下降；以FeCl3和Fe2(SO4)3为催化剂，单糖收率随时间增加，先增加后略有减少。因此Fe2(SO4)3、Fe(NO3)3和FeCl3均促进纤维素水解和葡萄糖分解，葡萄糖收率都有提高；其中Fe(NO3)3效果最为明显，最大收率为21.45%。以葡萄糖收率衡量的催化剂活性顺序为Fe(NO3)3>Fe2(SO4)3>FeCl3。

2.2.3 H2CO3对葡萄糖收率的影响

由于H2CO3是一种弱酸，可以电离出H+，因而可以促进纤维素水解[14]。向高压釜中充入压力为4 MPa的CO2，研究H2CO3对葡萄糖收率的影响，结果如图6所示。同一温度下，葡萄糖收率随反应时间增加先增加后减少；反应温度越高，单糖最大收率越低。H2CO3促进了纤维素水解，葡萄糖收率有明显提高。在200 ℃、2 h达到最高收率14.07%。

200 ℃时，通过充入不同压力（2 MPa、4 MPa和6 MPa）的CO2，研究H2CO3的量对纤维素水解制取单糖的影响。由图7可以得知，随着压力增加，葡萄糖收率也增加。其中在6 MPa、2 h时出现最高收率19.56%。

图6 H2CO3对葡萄糖收率的影响Fig.6 Effect of H2CO3 on the glucose yield

图7 200 ℃时CO2压力对葡萄糖收率的影响Fig.7 Effect of CO2 pressure on the glucose yield at 200 ℃

3 结 论

通过纤维素亚临界水解产物分析得知：温度和反应时间对葡萄糖收率起决定性作用；无催化剂时，葡萄糖收率在220 ℃的条件下，反应 2 h达到最高的 6.56%。通过研究 AlCl3、CoCl2、FeCl3、Fe2(SO4)3、Fe(NO3)3及H2CO3等催化剂，发现这些催化剂均可以提高纤维素水解速率，但是对葡萄糖收率有较大区别：200 ℃时，以葡萄糖收率衡量的各催化剂活性顺序为，FeCl3>CoCl2>AlCl3，Fe(NO3)3>Fe2(SO4)3>FeCl3；充入CO2压力（2 MPa、4 MPa和6 MPa）越大，葡萄糖收率越高；在以Fe(NO3)3为催化剂、温度200 ℃、反应时间0.5 h时，葡萄糖最大收率为21.45%。

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Study on Obtaining Glucose from Cellulose Hydrolysis in Subcritical Water

Zhang Renmeng1，Xu Mingxian2，Lin Chunmian1
(1.College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2. Hangzhou Vocational and Technical College, Hangzhou 310018, China)

In this experiment, the cellulose hydrolysis in subcritical water was studied at the temperature of 200-260 ℃ and reaction time of 0.5-5.0 h, and the influences of temperature, reaction time and catalysts(metal salt and carbonic acid) on hydrolysis process were investigated. The results showed that temperature and reaction time played a crucial role in the yield of glucose. Without catalysts, under the condition of 220 ℃ and 1.5 h, the glucose yield reached the highest 6.56%. Under 200 ℃, the order of catalyst activity measured by the glucose yield is FeCl3>CoCl2>AlCl3and Fe(NO3)3>Fe2(SO4)3>FeCl3. Charged the higher CO2pressure (2 MPa, 4 MPa,6 MPa) into reacting system at 200 ℃，got the higher glucose yield. Using Fe (NO3)3as a catalyst, at 200 ℃ and reaction time 0.5 h, the maximum glucose yield reached 21.45%.

Cellulose; subcritical water; hydrolysis

TQ323.8 文献标识码：A

1001—7631 ( 2012) 01—0092—05

2011-11-28;

2011-12-23

章仁勐(1987-)，男，硕士研究生；林春绵(1962-)，男，教授，通讯联系人。E-mail:lcm@zjut.edu.cn