竹质纤维的蒸汽爆破预处理研究

李定国 ，王树东 ，吴志庄 ，詹 鹏 ，张 林 ，陈介南 ，何 钢

（1.中南林业科技大学 a国家林业局生物乙醇研究中心；b生物环境科学与技术研究所, 湖南 长沙 410004;2. 国家林业局 竹子研究开发中心，浙江 杭州100091)

竹质纤维的蒸汽爆破预处理研究

李定国1a,b，王树东2，吴志庄2，詹 鹏1a,b，张 林1a,b，陈介南1a,b，何 钢1a,b

（1.中南林业科技大学 a国家林业局生物乙醇研究中心；b生物环境科学与技术研究所, 湖南 长沙 410004;2. 国家林业局 竹子研究开发中心，浙江 杭州100091)

考察了蒸汽爆破法对竹子进行预处理效果的影响。结果表明：爆破原料粉碎至0.5～1.0 cm可得爆破还原糖得率为6.85%，原料含水率为10%时可有效促进半纤维素在蒸汽爆破过程中降解和去除部分木质素，得到还原糖得率最高，为7.95%；随着爆破压力增加和保压时间延长, 爆破还原糖得率大体上逐渐提高,而剧烈的爆破条件（压力＞3.5 MPa、时间＞240 s）下，还原糖得率会有所下降，半纤维素、纤维素、木质素有相应的降解，同时实验证实汽爆压力对爆破效果更为显著，好的处理效果应以高温短时间(180 s)为佳；电镜扫描(SEM)表明竹纤维木质素结构随着压力的增高、保压时间延长其被破坏程度逐渐加深，纤维素结构由致密变得疏松多孔，甚至呈蜂窝状。

竹子；竹质纤维；蒸汽爆破；预处理；电镜扫描

目前燃料乙醇生产主要以粮食为原料，考虑到粮食安全，开发木质纤维素等非粮乙醇技术受到国内外广泛重视[1]。竹子是森林资源的重要组成部分，作为世界上竹子资源最丰富的国家，我国是竹子的中心产区之一，素有“竹子王国”的美誉[2]。竹子是速生型植物资源，具有生长快、易繁殖、单产高、成本低、生产周期短等优点[3]；同时竹子富含半纤维素和纤维素且廉价易得，可以代替有限的粮食作为发酵生产燃料乙醇的原料[4]。利用纤维素酶水解木质生物资源转化乙醇时，纤维素对纤维素酶的可及性是决定水解速度的关键因素。众多实验表明，不经过预处理的天然状态的纤维素生物资源的酶解率低于20%[5]。同时竹子具有强度高、硬度大、弹性好等特点[6]，因此，要想利用竹子，必须对物料进行预处理，增加纤维素对酶的可及性，从而有效地酶解纤维素。生物质原料预处理的方法很多,包括物理法、化学法、物理化学法和生物法等，但普遍存在能耗大、生产效率低、成本高、处理时间长、有毒副产物对后续酶解有影响等缺点。蒸汽爆破预处理方法作为一个热机械化学过程，在适宜条件下，可有效地分离出活性纤维，使催化剂与纤维素的可及性大大增加[7]，并且不用或少用化学药品，对环境无污染，能耗较低[8]，因此被视为提高木质生物资源的酶可及性的有效手段之一。目前，有关蒸汽爆破对竹子预处理的研究还未见相关报道。

本试验主要研究蒸汽爆破原料粒径、含水率、爆破压力和保压时间对爆破后纤维木质素成分的变化、爆破还原糖得率等方面的影响，初步分析其作用机制，为木质纤维素转化燃料乙醇提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

取自广东广宁青皮竹，将竹子切成片状，得到蒸汽爆破所需原料。原料的含水率为0～5%，经检测试样干重含量组成为纤维素44.81%，半纤维素27.48%，木质素22.76%。

1.2 实验装置

本研究使用的爆破设备是由鹤壁市正道重型机械厂研发的蒸汽爆破试验台——QBS-80型汽爆分析试验台，该设备分为燃气加热装置、蒸汽爆破腔、蒸汽发生器、收集腔和辅助控制系统等部分。

1.3 试验与方法

1.3.1 竹子预处理

在蒸汽爆破装置的爆破反应器中填装竹子片；开启蒸汽发生器，蒸汽到达预设温度后即可通入爆破反应器；在预设蒸汽压力下维压不同时间，瞬间释放压力，爆破完成，将爆破液和爆破渣一起干燥，爆破渣烘干至无水,收集备用。

1.3.2 分析方法

纤维木质素成分含量测定采用质量减重法[9]，木质纤维素内部结构的变化程度的分析采用电镜扫描(SEM))观察[10]。还原糖含量测定采用3，5-二硝基水杨酸法(DNS法)[11]。

2 结果与分析

2.1 原料粒度对蒸汽爆破预处理效果的影响

2.1.1 不同粒径原料蒸汽爆破后的主要成分

从图1可知，爆破后半纤维素含量大幅度降低，随着粒度的减小而减少，＜0.5 cm的半纤维素降低明显，由爆破前的27.48%降至11.38%。但原料的大小变化对爆破后半纤维素含量影响并不明显，维持在11.38%～13.76%，在1.0～2.0 cm以下半纤维素组分的差异不大，表明颗粒在小于1.0 cm时蒸汽爆破的效果基本相同，没必要将竹子过度粉碎，减少磨碎需要的能耗。原料粒径由大变小，纤维素含量有所下降，由2.0～3.0 cm的46.64%降到了＜0.5 cm的38.78%。木质素的含量随粒度的减小而增大，在＜1.0～2.0 cm时变化很小，但粒径达到2.0～3.0 cm时，木质素含量为24.14%，木质素的去除效果较差，将不利于后续的酶解发酵的进行。

图1 不同粒径对竹子蒸汽爆破的影响Fig. 1 Effects of different particle diameter on bamboo steam explosion

2.1.2 不同粒度原料蒸汽爆破后的还原糖得率

还原糖得率随着竹子逐渐变大先升高后降低，粒径为＜0.5、0.5～1.0、1.0～2.0 cm时差异很小，分别为6.26%、6.85%、6.43%，而粒径为2.0～3.0 cm时迅速降到0.28%。这是因为粒径小的物料表面积大，传热阻力小，在同等处理强度下，高压蒸汽渗透速率快，受热程度较均匀。但粒径过小并不适宜进行蒸汽爆破预处理，这是因为受热程度太过剧烈会导致更多木糖和阿拉伯糖的降解以及产生醛等抑制物，而且过小的物料颗粒粉碎时能耗大。结合爆破渣成分的变化和还原糖得率综合考虑，建议爆破竹子以0.5～1.0 cm为宜。

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2.2 原料含水率对蒸汽爆破预处理效果的影响

2.2.1 不同含水率原料蒸汽爆破后成分变化

由图2可以看出，3组分随含水率的增加变化趋势是一致的，都逐渐升高，在30%以下差异很小，30%以上较大，半纤维素从含水率30%的12.87%升到70%的27.94%，原因为随着含水率的增加，减少了半纤维素的去除而使得其含量相应增加。木质素从含水率30%的13.45%升到70%的24.03%，而纤维素随含水率的改变其成分变化非常小，维持在43.84%～45.88%之间。

图2 不同含水率对竹子蒸汽爆破的影响Fig. 2 Effects of different mositure content on bamboo steam explosion

2.2.2 不同含水率生物质蒸汽爆破后的还原糖得率

由图3所示，爆破原料含水率10%至70%的爆破渣还原糖得率呈现出了线性的关系，这对竹子爆破在选择含水率时有着重要的意义。原因为提高物料湿度，有助于蒸爆物料充分溶胀从而提高汽爆效果。但湿度过高(＞30%)会使蒸爆的效果变差，其原因为原料内部的空隙被过多的水分子占据，而降低了传质效率使高压蒸汽难以渗入，达不到爆破处理强度。

图3 含水率对蒸汽爆破后还原糖得率的影响Fig. 3 Effects of mositure content on reduced sugar yield after explosion

2.3 爆破压强与保持压强时间（保压时间）共同对预处理效果的影响

通过蒸汽爆破来处理竹子，是借助适当压力的蒸汽在爆破缸内对物料进行加热和渗透，然后瞬时将物料置于较小压力下来达到半纤维素、纤维素和木质素组分分离的过程，故决定蒸爆效果的主要参数为蒸汽爆破时的蒸汽压力和维持压力的时间。

本实验前期研究已经做过对单因素爆破压力和保压时间的探索，现对压力的3个水平（2.5、3.0、3.5 MPa）、保压时间的3个水平（120、180、240 s）进行爆破，分析爆破压力和保压时间共同对爆破效果的影响。

2.3.1 蒸汽压力、保留时间对纤维木质素成分影响

（1）对爆破后半纤维素的影响

图4 爆破压力对半纤维素的影响Fig. 4 Effects of steam exploded pressure on hemicellulose

（2）对爆破后纤维素的影响

如图5所示，在2.5 、3.5 MPa时随着时间的延长，纤维素含量有微小变化，3.0 MPa在180 s时纤维素含量最高，为47.62%，保压时间延续至240 s时，迅速下降到了39.01%，表明此压力下，延长保压时间能大幅度地促进纤维素的降解。对于相同的保压时间，不同的压力规律不一致，120 s时纤维素随压力增加而逐渐减少。180 s、3.0 MPa下纤维素比重最高，原因是半纤维素和木质素的降解使得纤维素比重升高，而较大压力3.5 MPa时各组分都有相应的降解，故纤维素含量也不会很高。维压为240 s时，蒸汽压力3.0 MPa下纤维素含量最低，为39.01%，表明此时的保压时间下能很好地降解纤维素。虽然压力3.5 MPa和保压时间240 s下的纤维素含量不低，但鉴于能耗随压力的升高和保压时间的延长而增加，它不一定就是最好条件。

图5 爆破压力对纤维素的影响Fig. 5 Effects of steam exploded pressure on cellulose

（3）对爆破后木质素的影响

如图6所示，在压力2.5与3.0 MPa 下木质素含量伴随保压时间延长而降低，3.0 MPa下的变化曲线更为明显。这表明在蒸汽爆破过程中，适当压力下延长保压时间有助于木质素的降解。压力3.5 MPa下在120～240 s内木质素含量差异很小，只是在240 s时因为半纤维素大幅度降解而有所微小提升，说明此压力下得到木质素含量随着保压时间的延长相对比较稳定。对于相同的保压时间180、240 s呈现的规律是一样的，随着压力变大而木质素含量降低，并且3.0～3.5 MPa降幅明显比2.5～3.0 MPa大，说明提高压力能促进木质素的去除。在120 s时压力3.0 MPa下木质素含量比2.5 MPa略高，因为3.0 MPa时半纤维素和纤维素比2.5 MPa降解得多，而3.5 MPa较大的压力则能大幅度降解木质素的缘故。3.5 MPa在不同保压时间木质素最低，分别为11.05%、10.63%、11.29%，对于3.5 MPa保压时间持续到240 s时木质素含量有所提高。除了是因为大部分半纤维素水解而使木质素百分比增加外，水解过程中产生的羟甲基糠醛和糠醛抑制物在酸性环境下反应形成假木质素（类似木质素结构）也是引起木质素增加的主要因素[13]。总体上认为，提高压力比、延长保压时间对去除木质素的效果要好。

2.3.2 蒸汽压力、保留时间对还原糖得率的影响

从图7可知，还原糖得率在不同压力下随保留时间变化表现不完全一致。当爆破时间一样时，还原糖得率呈现的规律是一致的，3.0 MPa＞2.5 MPa＞3.5 MPa，并且3.0～3.5 MPa变化幅度要比2.5～3.0 MPa大。在压力2.5 MPa下变化较小，一旦压力达到了3.0 MPa，还原糖得率迅速升到最大值后降到3.5 MPa的最低值。这是由于较低的汽爆压力（如2.5 MPa）下纤维木质素被破坏的内部结构有限，纤维素和半纤维素只是部分降解为单糖，得到木糖及少量葡萄糖；3.0 MPa时因为水蒸汽渗透进入纤维素内部结构能使部分半纤维素中乙酰基团水解而形成有机酸，如糠醛酸和乙酸。这些酸成为催化剂又加快了半纤维素的分解，而太高的压力（3.5 MPa）容易使已经降解生产的单糖进一步分解，故还原糖降低[14]。当保压时间不同时，2.5 MPa下随保留时间增加还原糖得率逐渐增加，3.0 MPa下随着保压时间的延长还原糖得率呈现先升后降的规律，在180 s还原糖得率达到最高（7.93%），3.5 MPa下随保留时间延长还原糖得率表现出迅速递减的规律。这是由于保压时间的延长，纤维素和半纤维素开始降解，还原糖得率上升，但在高温高压的条件下，木质素、纤维素、半纤维素降解产物可能会进一步分解成乙酸、5-羟甲基糠醛、糠醛、酚类化合物等[15]，还原糖得率降低，这和过高的爆破压力下还原糖得率低是相似的。还原糖得率最高值（7.93%）取得于压力3.0 MPa、保留时间180 s条件下，其次是压力3.0 MPa、维压时间120 s下的7.30%。

图6 爆破压力对木质素的影响Fig.6 Effects of steam exploded pressure on lignin

图7 蒸汽爆破压力和保留时间对还原糖得率的影响Fig. 7 Effects of steam exploded pressure and retained time on reduced sugar yield

2.4 电镜扫描

Chen[16]SEM扫描得到麦草蒸汽爆破后的照片，发现麦草经汽爆后半纤维素及部分木质素降解成低分子物质，纤维素变为易于后续酶解的疏松多孔结构，本实验得出类似的结果。

图8 蒸汽爆破竹子扫描电镜照片Fig. 8 SEM picture of steam exploded bamboo

从图8可知，竹子在经汽爆预处理前表面光滑，纤维整齐排列且无明显的孔隙和破损，结构致密。在相同保压时间120 s时，随着汽爆压力的增加，竹子爆破后结构破坏程度加剧，大部分细胞壁在3.0 MPa压力时被破坏，部分的半纤维溶出，竹子表面出现了断裂的木质纤维素成分，不再有有序排列的单纤维束，竹子表面的孔隙度有所增多；而3.5 MPa压力下汽爆的竹子表面几乎看不到排列的纤维，已经呈现出蜂窝状结构，且结构松软，表明竹子被破损的程度和溶出半纤维素的程度随蒸汽压力增大而加剧。在同样的3.0 MPa爆破压力、保压时间为120、240 s时的SEM照片可知，爆破后的竹子表面随压力的变化要比随保压时间的变化更加明显。保压时间为120 s时表面出现了部分的碎片，而240 s时表面碎片变得更加细小模糊，但表面的孔隙度及纤维束的排列状况变化有限。这表明对于破坏竹子结构，保压时间的作用不是很明显，但随着保压时间的延长，附着在竹子表面的大部分碎片类物质如半纤维素等被降解和溶解。总体来讲，在爆坏破碎竹子结构程度上，保压时间要比蒸汽压力的作用小。

样品经过预处理后有疏松的表面，且出现层层脱离现象，孔径加多、加大，有助于样品比表面积的增大，结构的这些改变均促进纤维素酶的酶解，是提高纤维质酶水解率的基础。

3 结 论

(1)蒸汽爆破预处理时，原料粉碎至0.5～1.0 cm不仅减少了因原料粉碎过细而过多消耗能量，又能适度破坏竹子内部结构，得到较高还原糖得率，为6.85 %。

(2)原料含水率在10%时可有效促进半纤维素在蒸汽爆破过程中溶出，去除部分木质素，得到还原糖得率最高（7.95%），半纤维素和木质素由70%的27.94%、24.03%分别降到了10%含水率的13.65%、14.42%。

(3)随着爆破压力的增加和保压时间的延长,爆破渣还原糖得率大体上逐渐提高,半纤维素、纤维素、木质素有相应地降解，同时实验证实汽爆压力对爆破效果更为显著。

(4)对不同压力、保压时间下的爆破渣进行SEM电镜扫描，SEM观察发现去纤维化随着压力的增高和时间的延长而加剧，提高了纤维素的粗糙度和增加孔隙结构，将有利于后续酶解。

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Study on steam explosion pretreatment of bamboo lignocellulose

LI Ding-guo1a,b, WANG Shu-dong2, WU Zhi-zhuang2, ZHAN Peng1a,b, ZHANG Lin1a,b, CHEN Jie-nan1a,b, HE Gang1a,b
(1a. Bioethanol Research Center Attached to State Administration of Forestry;b. Institute of Biological and Environmental Science& Technology Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Forestry Bamboo Research and Development Center Attached to State Administration of Forestry, Hangzhou 100091, Zhejiang, China)

The effects of steam explosion on bamboo pretreatment were examined. In terms of effectiveness for steam explosion,after the raw materials were ground to 0.5～1.0 cm, the explosion reduced sugar yield was 6.85%. The moisture content of 10% was favorable for the degradation of hemicellulose and partial removal of lignin in the process of steam explosion, thus producing the highest reduced sugar yield of 7.95%. Along with the increases in explosion pressure and duration, the reduced sugar yield substantially and gradually increased, but under severe explosion conditions (pressure ＞ 3.5 MPa, time ＞ 240 s), the reduced sugar yield declined, with corresponding degradation of hemicellulose, cellulose, and lignin. The steam explosion pressure was shown to be more signif i cant than duration on explosion effect, therefore high temperature and short time (180s) are preferred for good treatment effect. The scanning electron microscopy (SEM) shows that the extent of damage to lignocellulose structure increased gradually with the increases of explosion pressure and duration, the lignocellulose structure changed from dense to loose and porous, and even to honeycomb-like.

bamboo; bamboo fi ber; steam explosion; pretreatment; scanning electron microscopy

S781.9

A

1673-923X(2013)05-0114-06

2012-12-16

国家公益性行业科研专项 (编号201004001)；国家948项目(编号2012-4-10)；湖南省科学技术厅科技计划重点项目（编号2011WK2001）；常德市科学技术局技术研究与开发资金项目（编号2011GK06）

李定国（1987-），男，广西桂林人，硕士研究生，研究方向为酶工程、发酵工程、生物化学；Tel：18711075210；

E-mail：lidingguo1108@163.com

陈介南（1961-），男，美国佛罗里达州人，教授,博士，博士生导师，研究方向为生物能源、生物环境、生物纳米的研究；

E-mail：chenjnx@gmail.com

[本文编校：谢荣秀]