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纤维素亚临界水解制取单糖研究 纤维素亚临界水解制取单糖研究 摘要 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， 利用纤维素制取乙醇也成为研究热点。纤维质是地球上资源量最丰富 的可再生资源之一，研究其综合利用对可持续发展具有重大意义。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。 在间歇式高压反应釜中，研究了纤维素在亚临界水中的水解，考 察不同反应条件对水解效果的影响，探索纤维素水解的反应规律和反 应机理，计算反应动力学参数。同时，对水稻秸秆水解进行初步研究。 在亚临界水中水解纤维素，结果发现：2 0 0 时，随着反应时间 的增加，葡萄糖收率逐渐提高；2 2 0 时，在最初的1 o h 内，葡萄糖 收率随反应时间增加而提高，1 o h 后，葡萄糖收率逐渐减小；2 4 0 时，1 0 h 还有少量葡萄糖存在，1 5 h 及以后收率降为零；2 6 0 时， 产物中未检出葡萄糖。2 2 0 时，反应1 o h 达到最高收率7 7 1 。 通过研究a 1 c 1 3 、c o c l 2 、f e c l 3 、f e 2 ( s 0 4 ) 3 、f e ( n 0 3 ) 3 及h 2 c 0 3 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：2 0 0 时，以葡萄糖收率衡量的各催化剂活性顺 序为，f e c l 3 c o c l 2 a 1 c 1 3 ，f e ( n 0 3 ) 3 f e 2 ( s 0 4 ) 3 f e c l 3 ；充入c 0 2 分 压( 2 m p a 、4 m p a 、6 m p a ) 越大，葡萄糖收率越高；在以f e ( n 0 3 ) 3 为催化剂、温度2 0 0 。c 、反应时间o 5 h 时，葡萄糖最大收率为2 1 4 5 。 分析不同温度的纤维素反应速率常数k ，、葡萄糖分解速率常数 k 2 发现温度升高，k l 、k 2 均增大，而k 2 都大于k 1 ，证明葡萄糖的分 浙江- r , _ l k ；k 学硕士学位论文 纤维素亚临乔水解制取单糖研究 解速度大于纤维素的水解速度。其中纤维素水解的活化能e 。1 = 2 5 4 2 4 k j t o o l ，葡萄糖分解反应的活化能e a 2 = 2 0 3 2 3 k j m o l 。催化 剂既增大了纤维素水解速率常数k 】，也增大了葡萄糖反应速率常数 k 2 。c 0 2 可以同时加快纤维素水解和葡萄糖分解，但到达一定分压后， 增加c 0 2 的量可以一定程度上抑制葡萄糖分解，这对葡萄糖收率很有 利。 论文还研究了水稻秸秆在亚临界水中的水解。本试验中水稻秸秆 水解得到的葡萄糖收率并不高。在2 6 0 ，0 5 h 时，葡萄糖的最高产 率是2 2 6 。尽管最高产率出现在2 6 0 ，但单糖产率随着反应时间 增加，下降明显。2 2 0 和2 4 0 时单糖收率稳定，是比较适合秸秆 水解的温度。 关键词：亚临界水；纤维素；秸秆；水解 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo no b t a i n i n gg l u c o s ef r o mc e l l u l o s e h y d r o l y s i si ns u b c 砒t i c a lw a t e r a b s t r a c t n o w d a y s ，w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n do f n o n - r e n e w a b l ef o s s i lf u e l s ( s u c ha so i la n dc o a l ) ，u t i l i z i n gc e l l u l o s et op r e p a r ee t h a n o li sb e c a m i n g a h o tr e s e a r c ht o p i c h o w e v e r , t h ef i b e ri s o n eo ft h em o s ta b u n d a n t r e n e w a b l er e s o u r c e so nt h ee a r t h ，s ot h e r ei sag r e a ts i g n i f i c a n ct oh a v ea c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n o ni t ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t s u p e f f s u b - c r i t i c a lw a t e rh a st h ea d v a n t a g e so ff a s tr e a c t i o nr a t ea n dg o o ds o l u b i l i t y , s oi ti sag o o dc h o i ct oc o m p l e t ec e l l u l o s eh y d r o l y s i si ns u p e r s u b c r i f i c a l w a t e r i nt h i sp a p e r , as y s t e mr e s e a r c ho nt h er e a c t i o nm e c h a n i s ma n dr u l e o fc e l l u l os eh y d r o l y s i si ns u p e f f s u b c f i t i c a lw a t e rw a sc a r r i e do u tv i a c a l c u l a t i n gt h er e a c t i o nk i n e t i c sp a r a m e t e r s ，i n v e s t i g a t i n gt h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tr e a c t i o nc o n d i t i o n si nab a t c hh i g h - p r e s s u r er e a c t o r a n da p r e l i m i n a r ys t u d yo nt h eh y d r o l y s i so ff i c es t r a ww a sd o n e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e d ：t h eg l u c o s ey i e l dg r a d u a l l y i n c r e a s e dw i t hr e a c t i o nt i m ew h e nt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s2 0 0 b u t t h e e x p e r i m e n t a lp h e n o m e n aw a sn o tt h e s a m ew h e nt h er e a c t i o n t e m p e r a t u r et u r n e dt o 2 2 0 。c i nt h i st e m p e r a t u r e ，t h eg l u c o s ey i e l d g r a d u a l l yi n c r e a s e dw i t hr e a c t i o nt i m ed u r i n gt h ei n i t i a l lh ，b u td e c r e a s e d i nt h et i m el e f t t h e r ew a sas m a l la m o u n to fg l u c o s er e m a i n e da f t e rlh r e a c t i o nw h e nt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s2 4 0v ，a n dt h eg l u c o s ey i e l d t u r n e dt oz e r oa f t e r1 5h o u r s r e a c t i o n t h e r ew a sn og l u c o s ed e t e c t e d w h e nt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e dt o2 6 0 i tw a sf o u n dt h a tt h e g l u c o s ey i e l d r e a c h e dt h e h i g h e s tp o i n t 7 71 w h e nt h er e a c t i o n 浙江工、i k 大学硕士学位论文 一一 丝丝耋垩堕墨查笙型娶呈塑竺圣 _ _ _ - _ _ - _ _ - 一一 t e m p e r a t u r ew a s2 2 0 * ca n d r e a c t i o nt i m ew a slh i nt h i sp a p e rt h ei n f l u e n c e so fc a t a l y s t sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d i tw a s f o u n dt h a tc a t a l y s t ss u c ha sa 1 c 1 3 ，c o c l 2 ，f e c l 3 ，f e 2 ( 8 0 4 ) 3 ，f e ( n 0 3 ) 3a n d h 2 c 0 3a l lc o u l di m p r o v et h ec e l l u l o s eh y d r o l y s i sr a t e ，b u tm a d et h e g l u c o s ey i e l dg r e a td i f f e r e n c e s w h e n t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s2 2 0 。c t h e c a t a l y t i ca c t i v i t yo r d e r , m e a s u r e db y t h e g l u c o s ey i e l d ，w a s ： f e c l 3 c o c l 2 a 1 c 1 3 ，f e ( n 0 3 ) 3 f e 2 ( s 0 4 ) 3 f e c l 3 ；a n d t h e g l u c o s ey i e l d i n c r e a s e da st h er a i s i n g o fp a r t i a lp r e s s u r eo f c a r b o nd i o x i d e t h e m a x i m u mg l u c o s ey i e l dr e a c h e dt o2 1 4 5 w h e nf e ( n 0 3 ) 3 w a su s e da s c a t a l y s ta n dr e a c t e d0 5 ha t2 0 0 。c t h ec e l l u l o s e r e a c t i o nr a t ec o n s t a n tk l a n dt h e g l u c o s e d e c o m p o s i t i o nr a t e c o n s t a n tk 2a td i f f e r e n tr e a c t i o nt e m p e r a t u r ew e r e c o m p a r e d i tw a sf o u n dt h a tk 1 ，k 2w e r ei n c r e a s e d a st h et e m p e r a t u r e r i s i n g ，a n dk 2a l w a y sg r e a t e rt h a nk 1 i tp r o v e dt h a tt h ed e c o m p o s i t i o n r a t e o fg l u c o s ei sg r e a t e rt h a nt h er a t eo fh y d r o l y s i so f c e l l u l o s e t h ec e l l u l o s e h y d r o l y s i s a c t i v a t i o ne n e r g ye a l ：2 5 4 2 4 k j m o l ，a n d t h e g l u c o s e d e c o m p o s i t i o na c t i v a t i o ne n e r g yo f t h e e a 2 = 2 0 3 2 3 k j m o l c a r b o n d i o x i d ec a nb o t hp r o m o t et h ec e l l u l o s e r e a c t i o nr a t ea n dt h eg l u c o s e d e c o m p o s i t i o nr a t e ，b u tt h eg l u c o s ed e c o m p o s i t i o nr a t e d e c r e a s e dw h e n t h ep a r t i a lp r e s s u r ei n c r e a s e d ，w h i c hi sb e n e f i c i a lf o rt h eg l u c o s ey i e l d i nt h i sp a p e rt h eh y d r o l y s i so fr i c es t r a wi ns u b c r i t i c a lw a t e rw a s a l s os t u d i e d b u tt h eg l u c o s ey i e l dw a sr e l a t i v e l o w e rc o m p a r e dt o h y d r o l y s i so f c e l l u l o s e t h eh i g h e s ty i e l do fg l u c o s ew a s2 2 6 w h e n t h e r e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s2 6 0 。ca n dr e a c t i o nt i m ew a so 5 h a l t h o u g h t h e m a ) 【i m l 】mo ft h eg l u c o s ey i e l dh a p p e n e da t2 6 0 。c ，b u t t h ey i e l dd e c r e a s e d e d 2 2 0 。cn d2 4 0 。sr e l a t i v e l ysuitablewhen r e a c t i o nt i m em c r e a s e a 2 2 ua n d l s e l a u v e l y u 1 乙 t e m p e r a t u r ef o rs t r a wh y d r o l y s i s k e yw o r ds ：s u b c r i t i c a lw a t e r ；c e l l u l o s e ；h y d r o l y s i s 浙江工业大学硕士学位论文 纤维素亚临界水解制取单糖研究 符号说明 纤维素浓度，g m l 葡萄糖浓度浓度，g m l 3 ，5 二硝基水杨酸比色法 反应活化能，k j t o o l 气相色谱 气相色谱一质谱联用 高效液相色谱 羟甲基糖醛 反应速率常数 凝胶剂 相关系数 时间，m i n 温度， 葡萄糖收率， 浙江工业大学硕士学位论文 & q 洲 & 一 一k 舭露 。t k 纤维素亚临界水解制取单糖研究 1 1 选题的背景与意义 第一章前言 2 1 世纪工业发展迅速，生活越来越富裕，人们对生活品质的要求也逐渐提 升。对工业用品、能源、汽车需求量正在增长，导致对石油的需求量日益增大， 国际石油价格不断上涨。对石油的过量使用，会让环境受严重污染，而这种发展 模式也是不可持续的，因为化石燃料是不可再生能源 1 2 】。因此开发可再生的新 能源已经得到各国科学家的重视并为研究热点【3 】。生物质能是人们寻求替代能源 的重要研究方向之一。其发展历程可以分为第一代生物燃料和第二代生物燃料 【4 】。第代生物燃料是以水稻、玉米、红薯、小麦等粮食作物作为原料生产生物 乙醇的技术，但是随着国际粮价上涨，人口增多，该技术正在逐步被淘汰，以不 使用粮食作物为原料的第二代生物燃料正成为生物能源的研究和发展方向。第二 代生物燃料是以秸秆、废纸和木材等纤维质废弃物为主要原料，将纤维素转化为 生物燃料，其方向大致可以分为制取生物乙醇和生物柴油。乙醇被视廉价、清洁、 环保、可再生的能源，可以代替汽油成为常规燃料5 。6 | 。 纤维素是地球上资源量最丰富的可再生资源，主要包括玉米、水稻、甘蔗、 红薯、小麦等粮食作物，还包括秸秆、农作物壳皮、树枝、落叶、林业边脚余料 和城乡固体垃圾，因此利用纤维素制取乙醇已经成为现在的研究热点【7 。中国发 展纤维素乙醇燃料具有特有的优势。目前我国的粮食产量可以达到l 万亿斤，而 地上和地下秸秆也可有1 万亿斤。同时，我国山地辽阔，草、树枝、树叶等均是 纤维素原料。我国最先发展的是玉米燃料乙醇，这个只是可再生能源研究的开端， 着重研究纤维素乙醇才是未来可持续发展之路【8 。 根据国务院公布的可再生能源中长期发展规划，国家投资2 万亿元并采 取多项措施，确保在2 0 2 0 年前实现规划的任务。该规划指出，今后将 不再增加以粮食为原料的燃料乙醇生产能力，积极发展非粮生物液体燃料，并指 定了目标，到2 0 1 0 实现纤维素乙醇乙产量2 0 0 万t ，2 0 2 0 年达到1 0 0 0 万t 。秸 秆发酵生产燃料乙醇与用粮食转化乙醇相比，除了可以节约粮食以外，对国家粮 食安全也是非常有利的【9 1 。目前我国除少量秸秆作为饲料和燃料外，大部分则作 浙江工、止大学硕士学位论文 i 纤维素亚临界水解制取单糖研究 为农业废弃物被丢弃。正因为如此，如果我们秸秆等纤维质得到较好的利用，乙 醇产量巨大。据测算，光是秸秆，如果有一半得到利用，所制取的生物乙醇数量 就可以达到汽油使用量的1 2 倍【1 0 。 发展纤维素原料生产燃料乙醇的工艺有显著的经济效益，还有其他优势【1 1 ： 一、生物质资源分布均匀，和化石燃料相比，开采使用非常方便；二、减少粮食 和燃料对土地的需求；三、生产纤维素原料投入成本低，收集成本也很低；四、 生产生物质燃料排放的二氧化碳少，符合低碳理念；五、生产生物质燃料的工业 可以提供大量工作岗位。 中国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家，2 1 世纪将面临着经 济增长和环境保护的双重压力【i2 1 。因此，改变能源生产和消费方式，开发利用 生物质能等可再生的洁净能源资源对建立可持续发展的能源系统，促进国民经济 发展和环境保护具有重大意义【1 3 】。 1 2 研究内容 在一套不锈钢间歇式高压釜中研究亚临界水反应体系中纯纤维素、水稻秸秆 的水解，分别考察反应温度、反应时间、催化剂对水解的影响。根据液相分析结 果，计算单糖的收率及分析其变化，并得到最佳反应和催化剂，并初步探讨纤维 素水解反应的机理。具体内容如下： ( 1 ) 纯纤维素在亚临界水中的水解：亚临界水中考察不同反应条件对单糖 产率的影响。反应产物进行有效的固液分离，用高效液相色谱( h p l c ) 对液相 产物进行定性和定量分析。通过液相分析结果，计算单糖的收率及分析产率变化， 并得到最佳反应条件和催化剂。根据反应产物及其收率，推测纯纤维素在亚临界 水中水解的反应机理，通过对实验数据进行拟合，计算反应动力学参数。 ( 2 ) 水稻秸秆在亚临界水中的水解：亚临界水中考察不同反应条件对水稻 秸秆的影响，并将纯纤维素水解实验得到的最佳反应条件和催化剂参考运用到水 稻秸秆，得出最适合水稻秸秆水解的条件。 浙江工业大学硕士学位论文 纤维素亚临界水解制取单糖研究 1 3 实验创新点 超、亚临界流体技术作为一项公认的绿色技术，以亚临界水为流体作为 反应介质，进行纤维素的水解研究，充分利用亚临界水的优势，不仅为是对现有 的纤维素利用途径的一种补充，同时本实验将亚临界水解运用到实际生物质水稻 秸秆中，更是为生物质利用方式指出一个新的方向。 浙江工业大学硕士学位论文 纤维素亚临界水解制取单糖研究 第二章文献综述 纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的5 0 以上，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量有大量的纤维素。但是纤维 素是数千个葡萄糖分子通过b 1 ，4 糖苷键连接而形成的葡聚糖，不溶于水和有机 溶剂，分子间和分子内有氢键作用，结构稳定，难以直接利用。 因此，要利用纤维素，首先要将纤维素进行预处理，将大分子纤维素转化为 小分子低聚糖，目前有两类方法：酶处理技术和物理化学技术h5 1 。当纤维素转化 为小分子低聚糖后，即可以发酵生产生物乙醇。 2 1 纤维素预处理技术 2 1 1 酶处理技术 酶处理技术指利用纤维素酶对纤维素类生物质或者废弃物料进行预处理，固 液分离后等到酶解液，然后将酶解液进行厌氧发酵制取乙酣1 6 】。由于纤维素酶解 有诸多优越性：酶解设备简单，无需耐酸、耐热、耐压，在4 5 5 0 c 下即可水解； 酶具有专一性，其酶解产生的糖不会进一步分解，所以酶解不产生对发酵有害的 产物，可以大大简化糖液净化步骤 i7 。所以纤维素酶解的预处理工艺一直备受重 视。 杨洋等【18 使m c a n d i d as h e h a t a e 生产乙醇的工艺对稻草纸浆的酶解液进行发 酵：研究得出，稻草纸浆的酶解率和反应时间、反应温度、底物浓度、酶的用量 有关，实验得到最大还原糖得率7 3 2 0 ，比酸水解还原糖得率高约4 0 ，比其他 酶水解还原糖得率高约1 0 ；稻草纸浆酶水解液最佳发酵条件跟发酵时间、初始 p h 值、温度、转速、葡萄糖浓度等参数有密切相关；经过探索和优化，乙醇得 率最大可达至1 j 4 9 7 2 ，相应转化率为o 3 6 9 g ( 乙醇稻草纸浆) 。 余先纯掣1 9 贝0 以玉米秸杆为原料，采用纤维素酶进行预处理，该实验重点 探讨了原料粒度、预处理温度、时间以及酶解液用量等条件对乙醇得率的影响。 同时，该研究提出以响应面法建立二次回归模型，对预处理工艺进行优化。经过 4 浙江3 2 k 大学硕士学楫论支 纤维素亚临界水解制取单糖研究 优化的预处理后，乙醇得率比未经预处理有大幅提高，最优的条件下可以提高 3 2 1 7 。 何询等【2 0 】也以玉米秸秆为原料，预处理方法则用碱液湿磨，对预处理后的 玉米秸秆进行酶解，调查了底物浓度和纤维素酶用量这两个参数对反应速度和还 原糖收率的影响，证实纤维素酶用量越大，反应速度越大。该实验结果发现木质 素对纤维素酶的吸附会造成纤维素酶活性缺失，从而降低反应速度和还原糖产 率，并在此基础上初步解释了木质素对纤维素酶解的抑制机理。 由于吸附等作用，使得纤维素酶的回收较为困难，加大了纤维素酶的使用成 本。而纤维素酶价格较为昂贵，要扩大工业应用规模，就需要研究其在酶解过程 中和原料之间的吸附、分配作用。a m a d e u sp r i b o w o 等【2 l 】学者采用名为里氏木霉 的纤维素酶木聚糖酶组件，以经过蒸汽爆破预处理玉米秸秆为原料进行酶解研 究，考察其吸附和活性性状。酶的性状用酶谱、电泳、酶活性和质谱进行衡量。 该研究分别对以下6 种型号的酶的吸附和活性性状进行了表征：纤维素酶7 a ( c b hi ) 、纤维素酶7 b ( e gi ) 、纤维素酶5 a ( e gi i ) 、木聚糖酶1 0 ( e n d o 1 ， 4 - 1 3 一x y l a l l a s ei i i ) ，木聚糖酶11 ( e n d o x y l a n a s ei i ) ，n d l 3 葡萄糖苷酶。反应初 期，每种酶都快速吸附到玉米秸秆上。随后纤维素酶7 a 、纤维素酶7 b 、木聚糖 酶1 0 和p 葡萄糖苷酶这四种酶会和玉米秸秆秸秆达成吸附平衡，并且在后续酶解 过程中继续保持，而纤维素酶5 a 和木聚糖酶11 则主要在上清液。m u c 酶谱和聚 丙烯酰胺凝胶电泳证实当水解率趋于稳定时，纤维素酶7 a 会部分解吸。没有和 原料结合的酶一般不太稳定，2 4 d , 时内就会失去去活性。 h o n g z h a n gc h e t 2 2 发现玉米秸秆的蛋白质和纤维素酶之间的协同作用。实 验运用连续的反应装置从新鲜玉米秸秆中提取了和纤维素酶有协同作用的名为 z e ah 的蛋白质，提纯后用聚丙烯酰胺凝胶电泳进行测定，标定它的纯度和分子 质量( 5 5 7 8 妨a ) 。z e ah 和纤维素酶一起使用时，1 小时内水解率增加了2 倍， 在2 4 h 1 为总的纤维素转化率增加了3 倍。热稳定性分析表明， z e ah 在1 0 0 。c 水中 煮沸3 0 m i n 就会丧失5 0 2 的活性，而在高压蒸汽( 1 6 0 c ) 中5 分钟就会全部失 活。研究表明，z e ah 可以促进纤维素酶和原料之间的吸附作用，减弱原料中氢 键的强度。z e ah 本身不具有纤维素酶的活性，且对纤维素酶的稳定几乎无影响。 z e ah 的优势在于可以减少酶的用量，同时不降低其活性，可以保留纤维素相同 浙江工业大学硕士学位论文 纤维素亚临界水解制取单糖研究 的水解效果。 纤维素酶具有应用前景的非常广阔，也是纤维素预处理工艺中最简单的一 种，它对设备的要求低，反应速度很快，酶具有独特的专一性。但是就目前的技 术而言，纤维素酶的生产技术相对落后，导致纤维素酶的生产成本高，在成本方 面制约了该方法的应用 2 3 】。另外，酶降解的机理还需要进一步研究，因为生物质 降解需要类酶组件，构成复杂。随着酶生产技术的提高，可以生产出较低成本 的酶，在纤维素预处理技术上有非常大的优势，可以创造很出更好的经济技术效 益，创造出更好的经济效益和社会效益 2 4 1 。 2 1 2 物理化学处理技术 物理化学技术指利用物理或者化学方法对纤维素纤维素类生物质或者废弃 物料进行预处理，经过归纳，目前研究的较多的有以下几种2 5 ： ( 1 ) 粉碎、碾磨法 纤维素由于其聚合结构，导致分子内和分子间存在氢键作用，结晶度也比较 高。所以对通过切碎、粉碎、磨碎原料可以降低其结晶度。粉碎程度越好，原料 的比表面积增大，结晶度减少，聚合度也减少，可以增加原料的水溶性。所以说， 纤维素经过粉碎或者碾磨等方法进行处理，可以提高后期处理效果。有研究表明， 当使物料粉碎至4 0 0 目或更小时，效果更好，但在经济上并不划掣2 6 1 。 该方法只能简单的处理原料，并不能解决预处理的实际问题，单独应用有一 定局限性。所以一般配合其他预处理工艺一起使用。 ( 2 ) 超声波、微波处理法 为了提高纤维素的孔隙度、保水性和比表面积，从而促进纤维素酶和木糖酶 的水解，一批学者开始研究超声波、微波在纤维素预处理中的作用【2 - 3 们。超声波、 微波在水介质中产生的机械作用及空化产生的微射流对秸秆表面产生冲击、剪 切，且空化作用所产生的热量及自由基均可使大分子降解 3 1 - 3 2 】。 v i t a l yl 【3 3 】等认为微波在较低温度段进行生物质的辅助分解可以制备高品质 的生物燃料，亦分研究了低温段下微波对纤维素酸催化水解的反应机理。实验得 知1 8 0 是对微波反应非常关键的温度：该温度下，无定形的纤维素分子排列方 式被微波进行有序的重排，然后进行酸催化水解。相比无微波辅助分解，该方式 可以得到较高品质的生物燃料。 6 浙江工j k 大学硕士学位论文 纤维素亚临界水解制取单糖研究 李红艳3 4 1 等对玉米秸秆中的叶子、秸秆皮、秸秆髓分别进行微波预处理， 测定其中的纤维素、半纤维素和木质素变化，结果见图2 - 1 。 采 丧 蜒 蜷 半簧懿囊黪囊誊采箍囊攀妻f 键蘩褥警纛 点麟臻 l j 曩嚣啼曩群转h l p 繇 t l 洲n l 辩捌嗽i蠢雏拓碍 l l 蹦扣 t 囊轴酿 嚣嚣曩 求麓素 德溆耥黼 n 灏冁 圈捕戆琏麓k 如张即肆粥删 豳箍躺赫赫姆懒一删 图2 i 不同秸秆部位的纤维素、木质素和半纤维素含量【3 4 】 由图2 1 可以看出，玉米秸秆在经过微波预处理后，半纤维素含量都有明显 的减少，纤维素略有减少，而木质素则有所增加。所以，在微波处理过程中，纤 维素损失量并不大，而半纤维素和纤维素的减少导则了木质素的相对增加。半纤 维素的减少，后续处理秸秆时纤维素的水解就更为有利。 因此，微波的主要目的是去除玉米秸秆中半纤维素，从而后续处理中增加纤 维素酶与纤维素的有效接触。该预处理方法经济环保，可以和其他预处理方法 联用。 ( 3 ) 酸催化水解 酸法预处理从酸的类型上可分为硫酸、硝酸、盐酸、磷酸等，从浓度上可以 分为稀酸水解和浓酸水解。 早在1 9 9 2 年 3 5 1 a e a b a s a e e d 等人已经验证利用酸催化水解从技术上是可行 的。如果想要减少水解的费用，必须减小纤维素的体积。该研究建立了一套纤维 素水解的模型，并经过数据验证，证实纤维素水解是非均相反应，反应产物主要 受反应温度的影响。增大纤维素的粒径，会使葡萄糖产量减少，反应时间增加， 浙江工业大学硕士学位论文 獭 溉 蹶 燃 瓢 溉 秣 豁 碧 叠 王 l ， #耋墨薯l=苦霉甚旨繁兰鬈o 麓 撼 堍编弧|!|辇燃瓤 董童妻纛#善f靠幂鲢弯_l瞄葚路0 同阻幽勰 器 勰眺戥 缴镪獭 黝臻 ；t 0 0 一 # l l “茎-釜o孽哥#h-e p枣霉毪。_ 纤维素亚临界水解制取单糖研究 且在较高温度段，这种影响更加明显。 据研刭3 6 】稀酸水解效果较好的是0 5 哆扣1 o 的稀硫酸：以粒径l m m 木质纤维 颗粒为原料，加入浓度为0 7 的稀硫酸，搅拌使其混合均匀，升温至1 9 0 。c ，反 应几分钟后，对产物进行液相色谱分析；结果证实，稀酸使半纤维素水解成木糖， 木糖不稳定会继续降解，生成糠醛，使得可发酵糖的得率降低。由于糠醛和其他 副产物对微生物有毒害作用，所以后续的发酵过程产生很不利的影响，这方面问 题若得不到很好的解决，稀酸水解难以实现较好的工业化利用。 李嘉酷等f 3 7 】人利用混酸水解纤维素，研究了甲酸和盐酸的混合体系下，纤维 素的水解特征，以及将酸回收利用的方法：实验探索了混酸的浓度、反应时间、 反应温度和液固比对低聚糖产量变化及纤维素水解规律；除了葡萄糖，若能从水 解液中提取纤维二糖、纤维三糖、纤维四糖等低聚糖，应用于医药或者食品工业， 会有良好的发展前景；虽然低聚糖产率只有8 3 ，但是低聚糖的产品价值高，故 纤维素的分离和提纯也是纤维素综合利用的一个重要方向；水解过程从外观看， 当盐酸浓度较低时，水解液颜色为微黄色，还有大量纤维素粉末分解；随着酸度 逐渐增加，水解液颜色逐渐加深直至黑色，纤维素残留越来越少；虽然该实验用 混酸体系水解纤维素，得到较好的葡萄糖收率( 1 6 7 ) 和低聚糖收率( 8 3 ) ， 但是对混酸水解纤维素机理没有进行探讨。 超低浓度酸水解是一种较新的稀酸水解工艺，一般以浓度低于0 1 的酸作为 水解催化剂，在2 0 0 。c 以上的反应温度将纤维素水解成单糖和低聚糖。低浓度酸， 对反应设备的要求较低，酸液无回收必要，纤维素水解产生的废液较少，符合经 济环保的优点，通过提升温度加快反应速度，即保留了稀酸水解的优点，又节约 了酸的使用量。纤维素水解反应产物分固相和液相两部分：液相主要是单糖可溶 性低聚糖，而固相则是未反应完全的固体残渣。将液相产物和固相产物分开进行 定量和定性分析，可以研究探索纤维素在超低浓度酸环境的水解途径和机理，对 后续该技术进一步研究有非常重大的意义。庄新姝、王树荣等 3 8 1 学者超低浓度酸 水解定量滤纸，选用d n s 法测定还原糖，以高效液相色谱( h p l c ) 法对液相中 中的所有产物进行定性分析( 图2 2 ) ，将其中葡萄糖、纤维二糖、木糖进行定 量测定，并对以上三种糖类在液相产物中的分布进行研究。 浙江工业大学硕士学位论文 纤维素亚临界水解制取单糖研究 毒爵箨1 蠡 洚留砖闺 n 遗 图2 2 纤维素超低浓度酸水解产物h p l c 谱副3 8 】 用气质联用系统( g c m s ) 定性液相产物。g c m s 分析结果如表2 1 所示， 分析得出滤纸的水解产物中含有纤维二四糖，葡萄糖、果糖等糖类，其中葡萄 糖含量最高；纤维素水解产物中的主要副产物为含甲基、乙基、甲氧基、羟基等 官能团的酮类、一些酸类和醛类等化合物。 可见纤维素水解主要产物是纤维二四糖、葡萄糖和果糖，其中葡萄糖含量 最高；葡萄糖可以通过聚合、脱水、开环等进一步分解含甲基、乙基、甲氧基、 羟基等官能团的酮类、一些酸类和醛类等化合物。如果反应温度和酸的浓度比较 低的时候，生物质则很难被降解，所以低浓度算的研究也比较少。采用低浓度酸 时，需要身高反应温度，纤维素才能进行水解，产物则是以葡萄糖为代表的可溶 性糖类。这些糖类可以有广泛的应用，比如发酵制取生物乙醇，木糖还可以作为 生产木糖醇的原料。其副产物乙酰丙酸，可以作为合成化合物和高分子的材料的 原料；糖醛也是一种非常重要的化工原料。 目前，世界上许多发达国家都开始关注以纤维素为原料生产生物乙醇，并坚 决支持其进行工业应用，拉动地方经济发展，改善能源单一的缺陷。虽然h + 离子 可以催化纤维素水解，所以加入稀酸提高可以加速纤维素水解，但是使用稀酸水 解，由于酸量较少，一般用石灰中和，离心去除废渣，会产生二次污染。目前纤 维素仍然存在上述问题，因此，工业化应用还需要进一步研究。 浙江工业大学硕士学位论文 纤维素亚临界水解制取单糖研究 表2 1 不同温度下纤维素水解产物成分的g c m s 鉴别结果3 8 】 保留时间相对峰面积 序号化合物名称j j l n i l n 2 1 5 2 4 0 11 8 8 乙醛0 1 20 0 7 c 2 i - h o 21 9 8 丙酮 2 7 62 3 5 c 3 h 6 0 32 1 8 2 甲基呋喃o 2 20 1 2 c 5 h 6 0 42 3 8 2 丁酮 1 2 0 70 c 4 h 8 0 5 3 0 2 2 ，3 丁二酮 2 6 70 c 4 h t ；0 2 63 7 9 3 炔1 ，5 庚二烯 00 2 2 c 7 h 8 74 1 1 2 , 3 一戊二酮 00 1 7 c 5 h 8 0 2 81 0 7 1 2 一环戊烯一1 酮糠醛 0 8 80 1 4 c 5 h 6 0 91 2 0 6 糖醛 3 2 1 29 4 9 c s f h 0 2 1 01 2 8 l 【v 4 一长叶烯 0 8 60 6 2 c 1 5 h 2 4 6 ，1 0 - - 二甲基，反5 ，9 十二碳 1 11 3 2 40 4 60 c 1 4 h 2 4 0 二烯2 酮 2 羟基3 甲基2 环戊烯1 1 21 7 1 9o 1 2 6 c 6 h 8 0 2 酮 1 32 1 7 2 乙酰丙酸 07 4 2 c 5 h 8 0 3 1 42 3 2 7 5 一羟甲基一2 糖醛 4 0 6 7o c 6 h 6 0 3 1 52 5 1 0 2 甲基1 ，4 苯二甲醛 00 1 8 c 9 h 8 0 2 1 62 8 8 6 2 h 过氧化氢 0 0 3 0 c 6 h 1 4 0 2 浓酸水解法相对于稀酸水解来说有很大的优势。除了了可以处理复杂的纤维 素产物外，糖化产率非常高，一般可以达到6 0 以上。反应速度较稀酸快，不需 要加热提高反应速度，常温下1 0 h - 1 2 h 县p 可完全反应，副产物极少。虽然浓酸水 解有很大的优势，但是很难用于工业化。因为该工艺不仅要使用大量浓硫酸，成 本高；更重要的是要对浓酸和糖液进行分离，就目前的技术而言，浓酸回收技术 不理想。浓酸的回收设备成本昂贵，回收效率不理想。现下的膜分离技术可以用 于浓酸分离回收，但是膜污染严重，膜寿命短。这方面严重制约了浓酸处理纤维 素的发展。另外，浓酸对设备腐蚀严重，要求反应器和回收设备要有高耐腐蚀性， 还有浓酸处理产生的废液对环境污染严重 3 9 - 4 0 。 总体上讲使用酸对纤维素进行预处理是个较好的方向，但是同时我们需要关 注它的弊端，进行进一步研究。 ( 4 ) 碱催化水解 木质和秸秆类纤维中都有半纤维素，一般现在生产的半纤维素都是从这些从 原料分离制得，而可以用碱液提取法、稀酸水解法、酶解法、热水提取法、蒸汽 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 纤维素亚临界水解制取单糖研究 爆破法等多种方法提取半纤维素。每种方法都有优缺点：碱法提取法得到的纤维 素原料降解较少，提取的半纤维素产量高，有利于原料和半纤维素的进一步利用， 生产成本不高，但是会带来污染；酶法水解具有专一、快速、设备要求低和工艺 简单的优点，但由于目前酶制剂技术不发达，成本非常昂贵，限制了它的进一步 发展；蒸汽爆破法对木质纤维原料的结构破坏较大，不利于提取半纤维素之后原 料的进一步利用；热水提取和稀酸水解成本不高，一般需要升温，最不利的是这 两类方法会产生糠醛类对糖类的后续发酵产乙醇不利的物质【4 l 】。玉米是我国常见 农作物，种植范围广，种植面积大，每年都有大量的玉米秸秆产生。目前，这些 玉米秆大多数都是直接燃烧作为热源，使用效率低，资源没有得到充分利用，并 带来很多污染。玉米秆中除了纤维素和木质素外，半纤维素含量也很大，如果考 虑将半纤维素从三大组成中预先提取出来，剩余的纤维素和木质素可以进一步利 用。如果实现，可以分类进行利用，除了节约资源外，还能减少纤维素水解过程 中的副产物。为此，程合耐4 2 】等以玉米秆为原料，利用质量浓度为8 0 9 c 的i ( o i - i 溶液从玉米秸秆中提取半纤维素，效果明显，其中半纤维素溶出率接近9 5 。 碱能破坏连接木质生物资源的木质素和碳水化合物之间的化学键，对木质素 的去除较好。碱也能使半纤维素部分分解或者提取，对纤维素影响不大。经过碱 处理的原料中的纤维素含量可以得到提升，有利于后续处理。跟稀酸处理相似， 稀碱难以回收，后续处理只能用酸中和，加大了成本，容易造成二次污染。该方 面限制了该方法的应用前景 4 3 】。 ( 6 ) 蒸汽爆破法 蒸气爆破法是新提出的纤维素预处理方法，现国内外对该方法的研究在逐渐 增多。蒸气爆破法是在封闭的反应器里，利用蒸气把物料快速加热至预定温度， 高压条件下的水蒸气会渗透进入纤维质材料内。达到预设时间后，使反应器中的 压力的迅速降低，细胞壁里冷凝的水蒸气立即蒸发，该部分水蒸气对细胞结构施 加了一个剪应力的效果，可以破坏纤维质的内部结构1 4 4 1 。 常娟【4 5 】等对玉米秸秆进行蒸汽爆破预处理，压力为2 5 m p a ，时间2 0 0 s ，然后 利用米曲霉进行发酵，研究蒸汽爆破法对秸秆成分及酶组件活性变化的影响。结 果表明，蒸汽爆破可以使木质素、半纤维素和纤维素部分降解，分别达到3 6 6 5 、 5 0 4 5 和8 4 7 ，从数据分析木质素和半纤维素降解明显，而纤维素损失较少， 浙江工业大学硕士学位论文 纤维素亚临界水解制取单糖研究 这对后续发酵非常有利。该实验得出，经过蒸汽爆破预处理后，发酵效果好，该 预处理方法对于提高玉米秸秆的降解率和乙醇产率起了很大促进作用。 j i ao u y a n g 4 6 】等t i a n j i a 添加聚乙二醇和s 0 2 作为催化剂，对玉米秸秆进行蒸汽 爆破，实验证明，经过该预处理方式的纤维素材料进行酶解可以达n 9 1 3 的高 单糖转化率，并且可以节约大约三分之一的纤维素酶使用量。另外在酶上清液的 活动分析中，发现聚乙二醇可以帮助纤维素酶蛋白的解吸。因此，加入聚乙二醇， 不仅可以提高单糖的转化率，也可以减少酶水解过程中因吸附造成的酶损失。 z h o u 4 7 1 等利用经过蒸汽爆破的玉米秸秆作为原料，研究纤维素酶组件的搭 配对其分解效率的影响，证实经过该预处理的玉米秸秆分解效果明显。 蒸气爆破法处理纤维素具有效果好、成本低、污染少等优点，但仍有以下问 题未得到解决【4 8 ：木质素只是被破坏，并没有得到分离。破坏的木质素产物 会对微生物发酵起抑制作用。为了除去抑制发酵的副产物，经过蒸气爆破法预 处理的物料需进行清洗，该过程中会损失部分半纤维素及小分子低聚糖类，使得 原料总体利用率降低。该次清洗过程中，大约2 0 2 5 的物料会损失。 蒸汽爆破法是比较好的预处理方法，效果较好。现在这方面的研究热点是用 蒸汽爆破法和酶分析法联合使用。 ( 7 ) 超、亚临界水解 超、亚临界水用于生物质水解转化是近年来出现的新技术【4 9 1 ，是一种生物 质资源利用的新技术，具有反应速率快、无溶剂污染、转化率高等独特优点，但 技术层面上不成熟。但是这是一项利用超、亚临界技术加工生物