蒸汽爆破和有机溶剂法预处理分离麦草纤维组分

杜昆仑，刘 忠，惠岚峰，潘 诚

(天津科技大学造纸学院，天津 300457)

对农林废弃物的不当处理会造成资源浪费，也会加剧环境污染[1]．寻求农林废弃物有效的处理方案是研究者们的当务之急．生物质精炼是利用生物质转化工艺生产一系列燃料、能源、材料以及化学品的技术．生物质精炼通过预处理的方法来实现．原料预处理的过程，实质上就是破坏植物纤维三大组分之间的联接，从而分离成为具备一定活性的单一成分[2]．

蒸汽爆破法是国内外研究较多的一种预处理方法，饱和蒸汽压范围一般为 0.69～4.83,MPa[3]．反应物料在设定的温度及压力下，维持至所需时间后，迅速减压产生二次蒸汽，原料在压力的巨大剪切力下被分离，形成单根纤维，各组分得以分离[4]．在这个过程中，可以有效完成对半纤维素的分离，使用化学药品较少，对环境污染小，是相对清洁的预处理过程．

有机溶剂法根据木质纤维原料中各组分在溶解性方面的不同，使用有机溶剂对木质纤维素原料进行预处理，从而达到组分分离的目的[5]．而乙醇凭借可以蒸馏回收的优势，已经被用于有机溶剂制浆[6]．

使用单一的预处理技术，很难对原料中的多组分进行有效分离，为了实现纤维原料多组分的分离利用，通常采用几种预处理技术相结合的方法．将蒸汽爆破法和乙醇蒸煮法相结合，分别对植物纤维原料中不同组分加以分离，是本文的主要研究内容．

1 材料与方法

1.1 原料和试剂

实验所用麦草取自天津蓟州区，切成3～5,cm小段，储存备用．参照文献[7]对实验麦草主要化学组分进行分析，结果为(以质量分数计)：纤维素 38.70%,、聚戊糖 23.34%,、木质素 17.14%,、水分 8.83%,．体积分数 95%,的乙醇、质量分数 98%,的浓硫酸、D–(＋)–葡萄糖、乙酸，分析纯，Sigma公司；D–(＋)–木糖、L–(＋)–阿拉伯糖，色谱纯，Sigma公司．

1.2 实验仪器

BL–08型蒸汽爆破装置，北京林业大学订制；NJKR–10型空气浴蒸煮器，陕西科技大学制造；1200,series型高效液相色谱仪(配备有 RI示差检测器)，美国Agilent Technologies公司；Am inex HPX–87H 型色谱分离柱(300,mm×78,mm，9,µm)，Microguard Cation–H 型保护柱(30,mm×46,mm)；流动相为0.005,mol/L H2SO4溶液，流量0.6,mL/min．

1.3 实验方法

1.3.1 麦草原料组分分离工艺

麦草原料组分分离的工艺流程如图1所示．

图1 实验工艺流程Fig. 1 Process of the experiment

实验每组称取 200,g绝干原料，进行蒸汽爆破．蒸汽爆破后，收集底物称其总质量，并取出 20,g样品，加入 100,mL去离子水中，95,℃水浴抽提 3,h，更换100,mL去离子水继续抽提3,h，过滤、合并提取液，定容到200,mL，使用高效液相色谱法测定其中各单糖的浓度[8]．通过 20,g样品中各单糖的含量，来折算底物中所提取的总糖含量．将剩余底物转移至尼龙浆袋中，用热水洗涤，疏解、筛浆后得到汽爆浆．通过优化得出最佳的蒸汽爆破条件，批量反应并收集汽爆浆，在自然通风处平衡水分．实验每组称取80,g绝干浆料，在空气浴蒸煮器中加入体积分数 45%,乙醇溶液进行蒸煮．蒸煮完成后，采用两段洗涤法，第一段采用 60,℃乙醇洗涤(同蒸煮液浓度)，第二段采用60,℃热水洗涤．洗涤后收集浆料，即得到最终产物.通过两步酸水解，使用高效液相色谱仪对物料中纤维素、半纤维素的质量分数进行测定，为测定木质素质量分数，需要检测残余木质素中灰分含量[9–10]．

1.3.2 响应曲面法设计实验

采用 Design-Expert软件，使用响应曲面法分别对蒸汽爆破反应和乙醇蒸煮反应过程进行优化．实验所采用的条件范围以及中心点条件的选择，都是通过单因素实验优化得到的．蒸汽爆破反应阶段使用响应曲面法中的 Central Composite模型(CCD)．自变量压力和维压时间分别用 A、B表示，并且用＋1、0、－1来分别表示自变量的高、中、低 3个不同的水平．根据单因素实验得到，中心点条件为压力(A)1.60,MPa、维压时间(B)5,min．乙醇蒸煮阶段使用响应曲面法中的 Box-Behnken模型，自变量保温时间、保温温度和液比分别用C、D、E表示，并且用＋1、0、－1来分别表示自变量的高、中、低 3个不同的水平．中心点实验条件为保温时间(C)20,min、蒸煮时的保温温度(D)170,℃、液比(E)5.25．

2 结果与讨论

2.1 蒸汽爆破阶段

在蒸汽爆破反应实验中，麦草中半纤维素稳定性相对较差，易水解生成低聚糖、乙酸和羟甲基糠醛等．蒸汽爆破实验结果见表1．

表1 蒸汽爆破实验结果Tab. 1 Result of the steam explosion pretreatment

2.1.1 汽爆浆中半纤维素质量分数响应曲面分析

汽爆浆中半纤维素的质量分数是评价此阶段最重要的指标．利用 Design-Expert软件对实验结果进行多元回归拟合，拟合得到底物中半纤维素质量分数(Y1)对压力(A)、维压时间(B)的二次多项回归模型方程为

对模型方程进行线性回归分析，P 的检验值代表该项拟合的显著度，P＜0.01 视为该项拟合高度显著，P＞0.05视为该项拟合不显著．该模型 P＝0.000,1，表明所选用模型高度显著，可用来进行响应值的预测．该模型的变异系数为 6.51%,，说明实验的重复性较好，可以用来对实验结果进行预测．

压力(A)、维压时间(B)及其交互作用对半纤维素质量分数的影响如图2所示．

图2 压力、维压时间及其交互作用对半纤维素质量分数影响的响应面Fig. 2 Response surface plot of the effect of pressure and holding time on the hemicellulose content

随着时间的增长，半纤维素质量分数呈现出整体下降的趋势．当压力固定在 1.80,MPa时，半纤维素质量分数随着时间的增加呈现出先下降后略微上升的趋势．这是由于在高温高压的条件下，木质素和半纤维素的部分 LCC结构(木素–碳水化合物复合体)被破坏，可能会加速木质素的溶出[11]．随着反应时间的延长，酸溶性木质素在酸性介质中被溶解，同时部分纤维素也开始降解．后期由于这两种物质的降解导致了物料中残余半纤维素的相对含量会略有上升．固定维压时间时，半纤维素的质量分数随着压力的增大而下降，这表明增大压力同样更有利于半纤维素的降解．

2.1.2 汽爆浆中纤维素质量分数的响应曲面分析

汽爆浆中纤维素质量分数(Y2)对压力(A)、维压时间(B)的二次多项回归模型方程为通过线性回归分析，该模型 P＝0.003,0，表明所选用模型高度显著，可以用来进行响应值的预测．变异系数约为2.08%,，表明重复性较好．

反应后物料中纤维素质量分数也是本实验的评价指标之一．如图 3所示，当压力不变时，随着时间的增加，纤维素质量分数呈现出整体上升的趋势．在高温高压的汽相介质条件下，麦草纤维各个组分都会发生不同程度的降解，而纤维素质量分数随着反应强度增大而上升，这表示相对其他组分，随着蒸汽爆破反应强度的加剧，纤维素的降解速率变化相对较慢．

图3 压力、维压时间及其交互作用对纤维素质量分数影响的响应面Fig. 3 Response surface plot of the effect of pressure and holding time on the cellulose content

2.1.3 模型的优化与验证分析

为了体现组分分离利用的特点，以获得较高的纤维素质量分数、较低的半纤维素质量分数以及较高的得率为目的，采用 Design-Expert软件进行实验条件优化．优化所得的最佳工艺条件为压力 1.74,MPa、维压时间3.3,min．为了检验此结果的合理性，对此优化结果进行了验证实验，实验结果见表 2．由表 2可知：实验结果与预测值比较接近，相对误差较小，证明该模型能够满足对实验结果的预测．

表2 蒸汽爆破阶段回归模型优化及验证结果Tab. 2 Verification results of the optimized model equation in the steam explosion pretreatment

2.1.4 蒸汽爆破底物中的可回收半纤维素

使用 200,g绝干麦草原料，在最佳工艺条件下进行实验，在其底物的水解液中，共检测到了 1.01,g葡萄糖、9.37,g木糖、1.05,g阿拉伯糖，它们在水解液中以寡糖和单糖的形式存在．麦草中的半纤维素主要是木糖和阿拉伯糖，水解液中所收集到的木糖和阿拉伯糖总量占原料中半纤维素的22.31%,．

2.2 乙醇蒸煮阶段

在乙醇蒸煮过程中，使用体积分数 45%,的乙醇溶液．影响因素有乙醇的用量、蒸煮时的保温温度及保温时间．实验结果见表3.

表3 乙醇蒸煮实验结果Tab. 3 Result of the ethanol pretreatment

2.2.1 底物中纤维素质量分数响应面分析

利用 Design-Expert软件对数据进行多元回归拟合，获得底物中纤维素质量分数(Y1)对保温时间(C)、温度(D)、液比(E)的二次多项回归模型方程为

通过线性回归分析，该模型 P＝0.000,7，表明所选用模型高度显著，可以用来进行响应值的预测．该模型变异系数约为0.83%,，表明重复性非常好．

时间、温度、液比及其交互作用对纤维素质量分数的响应面如图4所示．从图4可以看出，固定液比和温度时，随着蒸煮时间的增加，纤维素质量分数呈现出先上升后下降的趋势．在10～20,min区间内，底物中纤维素质量分数大幅度增大．而随着时间的延长，纤维素的质量分数上升速率变慢，甚至有略微下降的趋势．这是由于随着蒸煮时保温时间的延长，纤维结构中外层的木质素被乙醇溶剂溶解或降解，内部的纤维素更多地暴露在乙醇溶剂中，被降解成为小分子的葡萄糖低聚糖，溶解在乙醇溶液中[12]．

图4 时间、温度、液比及其交互作用对纤维素质量分数的响应面Fig. 4 Response surface plot of the effect of holding time，temperature and ratio of liquor to straw on the cellulose content

当保温时间较短时，纤维素质量分数随蒸煮保温温度增大而升高，说明蒸煮保温温度越高，木质素相对降解速率越快．

2.2.2 底物中木质素质量分数响应面分析

乙醇预处理底物中木质素质量分数(Y2)对保温时间(C)、温度(D)、液比(E)的二次多项回归模型方程为

我住的地方，叫柴米河。它是一条河，也是一个村子。河两岸多芦苇，也就是柴，附近人家都来这里淘米做饭，慢慢的，柴米河这名字就叫开了。村子并不大，二十来户人家，家家种胡葱，这里本没有胡葱，它是胡人入侵后带过来的。

通过线性回归分析，该模型 P＝0.000,4，表明所选用模型高度显著，可以用来进行响应值的预测．变异系数约为5.16%,，说明实验的重复性一般．

浆料中木质素的分离效果是评价乙醇预处理最直接的指标．在乙醇蒸煮的过程中，木质素的脱除主要靠木质素的降解和溶解以及两者的共同作用，木质素被降解成乙醇木质素，溶解在乙醇溶液中．

图 5为固定预处理条件(温度 170,℃、保温时间20,min、液比 5)为中心值时，各个单因素对木质素质量分数的扰动影响．从图中可以看到，保温时间(C)对底物木质素质量分数的扰动效果最大，温度(D)和液比(E)同样对木质素质量分数有一定的影响．

图5 单因素对木质素质量分数的扰动曲线Fig. 5 Perturbation curve of single factor on lignin content

温度、液比、时间及其交互作用对底物木质素质量分数的影响如图6所示．

由图 6(b)和图 6(c)可知：当固定保温时间和温度时，随着液比的增大，木质素质量分数有略微下降的趋势．这是因为液比较大时，浆料与乙醇溶液接触更充分，反应更均匀，加大了木质素的溶解速率．这两幅图都证明了在 10,℃的范围内，增大液比对于木质素的去除是有利的．

在反应强度较低时，保温时间对底物中木质素的质量分数影响较大．在反应强度较高时，随着保温时间的延长，由于浆料中的纤维素降解，底物中木质素质量分数略有上升．

图6 温度、液比、时间及其交互作用对底物木质素质量分数的响应面Fig. 6 Response surface plot of the effect of holding time，temperature and ratio of liquor to straw on the lignin content

2.2.3 模型的优化和验证

本阶段的预处理实验，为了体现多组分分离利用特点以及去除更多的木质素，同时保护浆料中的纤维素组分，所以以获得较高的蒸煮得率、较高的纤维素质量分数以及较低的木质素质量分数为目的．优化得出的最佳工艺条件为保温时间 13.6,min、温度179,℃、液比 5.25．为了检验此结果的合理性，对此优化结果进行了验证实验，实验结果见表 4．由表 4可知：实验结果与预测值比较接近，相对误差较小，证明 Design-Expert软件优化的此实验条件可以满足本实验底物特性的预测．在乙醇蒸煮的过程中，浆料中纤维素的回收率为 94.6%,，木质素的分离率为58.49%,，在两步预处理过程中，纤维素相对于麦草的回收率为76.82%,．

表4 乙醇蒸煮阶段回归模型优化及验证结果Tab. 4 Verification results of the optimized model equation in the ethanol pretreatment

2.2.4 物料预处理前后的电镜结果分析

麦草纤维在预处理过程中的扫描电镜图如图 7所示，从中能够看出麦草纤维在预处理过程中外观形态的变化．原料纤维结构稳定，纤维挺直，经过蒸汽爆破处理后，纤维结构破坏严重，表层结构变得疏松多孔，表面上附着较小的沉淀物，这些沉淀物可能是半纤维素或者降解的木质素．进一步乙醇蒸煮过后，表面沉淀物的溶出或脱除，纤维表面变得光滑．

图7 麦草纤维在预处理过程中的电镜扫描图Fig. 7 SEM of wheat straw fibre

3 结 论

(1)蒸汽爆破预处理过程中，对半纤维素的分离达到了很高的效率，同时部分木质素发生软化和降解．利用 Design-Expert软件优化所得最佳处理条件为压力1.74,MPa、维压时间3.3,min．

(2)进一步的乙醇蒸煮预处理，对物料中木质素分离效果较好，同时较好保留了其中的纤维素组分．优化所得最佳处理条件为保温时间 13.6,min、温度 179,℃、液比 5.25．

(3)经过蒸汽爆破和乙醇蒸煮两步法预处理，最终底物中的纤维素相对于麦草的回收率为 76.82%,；被分离的半纤维素存在于水提液中，以寡糖和单糖的形式被回收，相对于麦草其回收率为22.31%,．

［1］ 赵建，曲音波. 木质纤维素资源生物精炼技术研究进展[J]. 生命科学，2014(5)：489–496.

［2］ 周义德，王方，岳峰. 我国生物质资源化利用新技术及其进展[J]. 节能，2004(10)：8–11.

［3］ Viola E，Cardinale M，Santarcangelo R，et al. Ethanol from eel grass via steam explosion and enzymatic hydrolysis[J]. Biomass & Bioenergy，2008，32(7)：613–618.

［4］ Öhgren K，Bura R，Saddler J，et al. Effect of hemicellulose and lignin removal on enzymatic hydrolysis of steam pretreated corn stover[J]. Bioresource Technology，2007，98(13)：2503–2510.

［5］ Wörmeyer K，Ingram T，Saake B，et al. Comparison of different pretreatment methods for lignocellulosic materials. Part Ⅱ：Influence of pretreatment on the properties of rye straw lignin[J]. Bioresource Technology，2011，102(5)：4157–4164.

［6］ Kurabi A，Berlin A，Gilkes N，et al. Enzymatic hydrolysis of steam-exploded and ethanol organosolv-pretreated douglas-firby novel and commercial fungal cellulases[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，2005，121(1)：219–230.

［7］ 石淑兰，何福望. 制浆造纸分析与检测[M]. 北京：中国轻工业出版社，2003.

［8］ 陈敬文，张红漫，雷鸣柳，等. HPLC法测定蒸汽爆破玉米秸秆水解液中的糖含量[J]. 食品科技，2011，36(6)：292–296.

［9］ 张红漫，郑荣平，陈敬文，等. NREL法测定木质纤维素原料组分的含量[J]. 分析试验室，2010，29(11)：15–18.

［10］ Li Y，Liu W，Hou Q，et al. Release of acetic acid and its effect on the dissolution of carbohydrates in the autohydrolysis pretreatment of poplar prior to chemithermomechanical pulping[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research，2014，53(20)：8366–8371.

［11］ Zhang L H，Li D，Wang L J，et al. Effect of steam explosion on biodegradation of lignin in wheat straw[J]. Bioresource Technology，2008，99(17)：8512–8515.

［12］ Pan X J，Arato C，Gilkes N，et al. Biorefining of softwoods using ethanol organosolv pulping：Preliminary evaluation of process streams for manufacture of fuelgrade ethanol and co-products[J]. Biotechnology and Bioengineering，2005，90(4)：473–481.