CO2加压高温液态水预处理向日葵秆

赵孟姣，贾冠兰，孟嘉峪，陈继程

（1.辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺113001；2.大连理工大学 化工学院，辽宁 大连116024；3.远东页岩炼化有限责任公司，辽宁 抚顺113001）

海湾战争以来，能源成为世界各国面临的主要问题，寻找可再生清洁能源替代部分化石能源是人类解决该问题的方法之一。生物质可直接或间接地转化为清洁能源，而此清洁能源是替代化石能源的重要组成部分。以木质纤维素（农林业废弃物）为原料，将其转化为第二代燃料乙醇，能够实现“不与人争粮，不与粮争地”的目的。

木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。纤维素和半纤维素是转化生成燃料乙醇的主要糖源，其中纤维素水解产生的葡萄糖可直接发酵生成乙醇。采用纤维素酶水解方法对纤维素进行水解的工艺路线绿色环保，受到了广泛的关注[1-3]。由于木质纤维素天然复杂的结构，即难溶于水的高聚物如木质素、半纤维素对纤维素的缠绕包裹，阻碍了酶与纤维素的接触，加大了水解难度。因此，采用预处理的方法以增大纤维素的可及度，提高酶解效率。

预处理的方法很多，主要分为化学法和物理法。化学法有酸预处理[4]、碱预处理[5]、高温液态水预处理[6]、有机溶剂预处理和离子液体预处理[7]等；物理法有水蒸气爆破[8]、超临界二氧化碳爆破[9]和球磨[10]等。在众多预处理方法中，高温液态水由于在预处理过程中既是溶剂又是催化剂，无需添加其他物质，且具有价格低廉、绿色环保等特点而成为研究热点。在180～220 ℃的温度下，高温液态水可使半纤维素水解生成还原糖[11-12]，此外还有很少一部分无定形纤维素在该温度范围内水解生成葡萄糖[13-14]。采用二氧化碳加压的方法，不仅使高温水保持液相，而且部分CO2在水中生成了碳酸。相较于其他无机酸，碳酸酸性较弱，并且随着压力的释放易去除。文献[15]的研究表明，相对于单独高温液态水的作用，碳酸能促进木聚糖水解，起催化作用。然而，相同压力下的CO2能够催化玉米秆中的半纤维素水解，却不能催化杨木中半纤维素水解[16]。因此，本文以向日葵秆为原料，采用N2和CO2两种气体加压高温水进行预处理，考察对半纤维素还原糖收率的影响，以更好地理解CO2的作用机理，并用酶解糖收率评价预处理效果[17]。

1 实验部分

1.1 实验原料

向日葵秆来源于河北郊区，风干后粉碎至20～40 目，密封保存（可溶性成分质量分数13.50%、半纤维素质量分数33.00%、纤维素质量分数35.00%、木质素质量分数17.00%、灰分质量分数1.50%）；氮气（纯度为99%）、二氧化碳（纯度为99%），大连光明气体有限公司；纤维素酶，Sigma 公司，酶活性为30 U/mg。

1.2 实验方法

将向日葵秆与去离子水以质量比1∶20 加入250 mL 不锈钢反应器中，密封后通入一定量的气体。开启加热和搅拌，搅拌速度为800 r/min。当温度达到设定温度后开始计时，此时反应压力为4 MPa。反应结束后，将反应器迅速放入冰水浴中冷却，当反应器温度达到室温时泄压。

取10 mL 预处理液，离心后取上清液，用于检测半纤维素还原糖浓度。所得固体残渣过滤洗涤后烘干保存，用于酶解以检验预处理效果。

糖收率计算公式：

1.3 酶水解

将1 g 固体残渣与0.3 g 酶放入100 mL 锥形瓶中，加入50 mL 配置好的缓冲液（pH=4.8）。将锥形瓶置于水浴摇床中，温度为50 ℃，转数为100 r/min，酶解48 h 后取样，采用DNS 法[9]检测酶解糖浓度。

1.4 pH 检测

采用pH 计（广州亚美电子仪器厂，PHS-2C）测定泄压后溶液样品的pH。

1.5 XRD 和SEM 表 征

采用X 射线衍射仪检测预处理前后样品中纤维素结晶度。X 射线衍射仪辐射源为Cu-Kα，在40 kV、40 mA 的条件下，以5（°）/min 的速度进行扫描，2θ=10°～90°。通过电子显微镜（KYKY -2800B，北京KYKY 科技有限公司）观察预处理前后样品表面形貌的变化。

2 结果与讨论

2.1 预处理对半纤维素还原糖收率的影响

高温液态水预处理木质纤维素的作用有两个：在预处理过程中，半纤维素水解生成衍生糖；预处理结束后，因为半纤维素的水解和部分木质素的去除，纤维素得到充分的暴露，有利于酶解。因此，通过合理调控预处理温度与预处理时间，可使纤维素充分暴露的同时保证半纤维素水解糖收率达到最大，从而达到工艺优化的目的。本文首先对向日葵秆高温液态水预处理的温度与时间进行讨论。因为在该过程中预处理的温度与时间的作用不是独立存在的，故一并考虑。

2.1.1 预处理温度和预处理时间对半纤维素还原糖收率的影响 预处理温度与预处理时间对半纤维素还原糖收率的影响如图1 所示。

图1 预处理温度与预处理时间对半纤维素还原糖收率的影响（4 MPa，CO2）

从图1 可以看出，当预处理温度为180 ℃时，半纤维素还原糖收率随预处理时间的延长而增大；当预处理温度为200 ℃时，半纤维素还原糖收率随着预处理时间的延长先增大后保持不变，20 min 时达到最大值，其值为74.0%；当温度为220 ℃时，半纤维素还原糖收率则随着时间的延长而显著降低。

升高预处理温度对半纤维素水解的影响非常显著，当预处理温度升高时半纤维素还原糖收率增加。从图1 还可以看出，在180 ℃、10 min、4 MPa时，半纤维素还原糖收率为22.0%；在200 ℃、10 min、4 MPa 时，半纤维素还原糖收率为59.0%，是预处理温度为180 ℃时的2 倍多。尽管升高预处理温度有利于半纤维素水解，但预处理温度过高时半纤维素还原糖降解速度加快，从而降低半纤维素还原糖收率。庄新姝等[12]研究发现，预处理温度为220 ℃时的糖降解速率是预处理温度为200 ℃时的5倍，而半纤维素水解产糖的速率只增加了不到2 倍。J.A.Pérez 等[18]也得出了相似的结果，在预处理温度为220 ℃时半纤维素还原糖收率为0.2%，远远低于预处理温度为195 ℃时的半纤维素还原糖收率（38.5%）。半纤维素还原糖收率取决于半纤维素水解速度和衍生糖的降解速度。当半纤维素水解速度大于糖降解速度，则还原糖量增加，反之则减小。对于向日葵秆，半纤维素还原糖收率最大值所对应的条件为预处理温度200 ℃、预处理时间20 min。

2.1.2 加压方式对半纤维素还原糖收率的影响

为保持水在高温时的液相状态，通常采用N2加压的方式。本文采用CO2加压高温液态水进行预处理。CO2加压不仅能保持水的液相，其溶于水后形成的碳酸可能对半纤维素的水解起到促进作用。因此，探讨CO2/N2两种加压方式对半纤维水解的影响。CO2/N2两种气体加压方式对半纤维素还原糖收率的影响如图2 所示。

图2 CO2/N2加压对半纤维素还原糖收率的影响

从图2 可以看出，在预处理温度低、预处理时间短的条件下，CO2加压对半纤维素还原糖收率有促进作用，而在预处理温度高、预处理时间长的条件下CO2加压对半纤维素糖收率的增加几乎没有影响。例如，在180 ℃、0～20 min 的条件下，CO2加压相比于N2加压，半纤维素还原糖收率高约6.0%；当预处理时间为30 min 时，通过两种加压方式所得半纤维素还原糖收率差异很小。其主要原因是：随着预处理时间的延长，还原糖降解生成的有机酸增加，有机酸的催化作用促进了半纤维素的水解，从而降低了CO2的催化效果。

水解液即半纤维素还原糖液的pH 如图3 所示。由图3 可见，在每个预处理温度下，水解液的pH 随着预处理时间的延长而降低，即酸性增强；在相同的预处理时间内，pH 随着预处理温度的升高而降低。这一结果表明，当预处理温度升高、预处理时间延长时，水解液中有更多的由半纤维素还原糖降解生成的有机酸。经计算，180 ℃、4 MPa 的CO2溶于水所得的pH 为3.8。当预处理温度为180 ℃、预处理时间为0～20 min 时，糖液的pH 均高于3.8，即CO2的酸性强于糖液中有机酸的酸性，CO2加压能够提高半纤维素还原糖收率。因此，在CO2加压热水预处理向日葵秆过程中，碳酸与有机酸共同催化半纤维素的水解。

图3 预处理温度和预处理时间对半纤维素还原糖液(预处理液)pH 的影响

2.2 酶水解糖及总糖收率

经过高温液态水预处理，所得的固体残渣中富含大量的纤维素。预处理温度和预处理时间对固体残渣酶水解糖收率和总糖收率的影响如图4 所示。总糖收率是指向日葵秆预处理时的半纤维素水解和预处理后纤维素酶解所得的糖收率之和。

从图4（a）可以看出，向日葵秆经过高温液态水预处理能够提高其纤维素酶水解糖收率；在预处理温度为180 ℃时，酶水解糖收率随着预处理时间的延长而增加；在预处理温度为200 ℃时，酶水解糖收率随预处理时间的延长先增加后降低；在预处理温度为220 ℃时，酶水解糖收率随预处理时间延长而降低。经过200 ℃、20 min 预处理后，酶水解糖收率达到最大，其值为87.0%。这是因为：在预处理温度为180 ℃时，半纤维素与木质素的溶解随预处理时间的延长而增加，暴露出更多的纤维素。在预处理温度为200 ℃时，半纤维素溶解随预处理时间持续增加，而木质素溶解后又再次凝聚[19]在已经暴露的纤维素表面上；在预处理温度为220 ℃时，半纤维素水解加速，更多的木质素再凝聚[19]在纤维素表面上。从图4（b）可以看出，经过200 ℃、20 min 预处理后，总糖收率达到最大，其值为83.0%。

图4 预处理温度和预处理时间对固体残渣酶水解糖收率及总糖收率的影响

向日葵秆经200 ℃、4 MPa 高温液态水预处理后固体残渣的主要成分分析结果见表1。从表1 可以看出，固体残渣中半纤维素质量分数与木质素质量分数随预处理时间的延长而减少。

表1 200 ℃、4 MPa 高温液态水预处理后固体残渣主要成分分析结果

2.3 XRD 和SEM 表 征

2.3.1 XRD 表征 向日葵秆预处理前后XRD 谱图如图5 所示。

图5 向日葵秆预处理前后XRD 谱图

由图5 可知，预处理前后纤维素的XRD 曲线形状没有发生任何变化，但峰值的高低却不同。根据文献[20]的方法计算纤维素相对结晶度。预处理后向日葵秆纤维素的相对结晶度由未预处理前的50.5%增加到68.1%。相对结晶度增加是由于预处理过程中大部分无定型的半纤维素被去除，使纤维素的相对含量增加[11]。另外一个原因是，原料经过高温高压预处理后，纤维素晶格进行了重排，使结构更加紧密[21]。

2.3.2 SEM 表征 向日葵秆预处理前后的SEM图如图6 所示。由图6 可以看出，经过预处理后，向日葵秆表面的形貌发生了很大的变化；在预处理之前，原料表面平滑、紧实、致密；经过预处理后，固体残渣表面粗糙，呈现出沟壑纵横的状态，表面还有许多不规则的孔洞、裂纹；预处理后表面有大量的球状小液滴呈现，这是木质素溶解再聚合，最后沉淀在木质纤维素表面上的结果[19]。

图6 向日葵秆预处理前后的SEM 图（×3 000）

3 结 论

高温液态水预处理向日葵秆的效果显著，能够有效提高后续酶水解糖收率，同时能回收大量半纤维素还原糖。向日葵秆经过200 ℃、20 min、4 MPa的条件下CO2加压高温液态水预处理后，纤维素酶解糖收率、半纤维素还原糖收率以及总糖收率达均到最大，其值分别为74.0%、87.0%和83.0%。采用CO2加压的作用有限，是否能够提高半纤维素还原糖收率与预处理温度和预处理时间有关。SEM 表征结果表明，高温液态水预处理破坏了木质纤维素表面致密光滑的结构，充分暴露了纤维素。XRD 表征结果表明，预处理后纤维素相对结晶度增加。从酶水解结果看，相对结晶度的增加并没有影响预处理效果。