摘要
研究了低酸喷雾协同低温蒸汽爆破(以下简称汽爆)预处理条件对小麦秸秆纤维的化学组分、结构及酶水解效率的影响。结果表明,在5%硫酸浓度(料液比1∶1)、汽爆反应温度170 ℃(0.79 MPa)、反应时间5 min预处理条件下,纤维素保留率达91.3%,半纤维素脱除率达83.4%,水解液糖得率为80.1%;对预处理后小麦秸秆进行酶水解反应72 h,可获得84.9%的葡萄糖酶解率。本研究提出的低温汽爆预处理农业秸秆的方法,可实现纤维素的高保留率并获得优异的酶水解效率。
随着世界人口的增长和现代工业的快速发展,社会对能源的需求不断增大,能源短缺问题日益凸显,开发和利用可再生资源已势在必
蒸汽爆破是应用较为广泛的一种生物质预处理工艺,通过高温高压水蒸气处理和瞬时释压的方式实现生物质组分分
植物纤维三大组分中,半纤维素对酸不稳定,在酸的作用下,半纤维素大分子间的糖苷键被破坏,水解为单
因此,本研究提出一种低酸喷雾协同低温蒸汽爆破(以下简称汽爆)预处理小麦秸秆纤维的方法,重点研究了汽爆预处理条件对小麦秸秆纤维化学组分和结构的影响,并考察了汽爆预处理对小麦秸秆纤维酶水解效率的影响,旨在提高纤维素保留率和酶水解效率,并提高半纤维素的脱除率,为低能耗预处理技术提供新思路。
小麦秸秆,易高卓新节能技术(上海)有限公司提供。
硫酸,分析纯,北京化工厂;一水柠檬酸、柠檬酸三钠,分析纯,上海阿拉丁试剂有限公司;Cellic CTec2纤维素酶(138 FPU/mL滤纸酶活),丹麦诺威信公司。
高效液相色谱仪(HPLC,Agilent 1200),美国安捷伦科技有限公司;移动式汽爆装置(BL-08),北京旺家业科技有限公司;pH计(雷磁PHS-3C),上海仪电科学仪器股份有限公司;场发射扫描电子显微镜(SEM,LEO1530VP),德国Zeiss公司;X射线衍射仪(XRD,D8 ADVANCE),德国Bruker公司;傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR,TENSOR27),德国 Bruker 公司;热重分析仪(TGA,TGA Q500),美国TA公司。
将100 g小麦秸秆切至3~5 cm,配制100 mL浓度分别为0、3%、5%、8%、10%的硫酸溶液,并装入喷壶装置,用喷壶将硫酸溶液喷淋在小麦秸秆上并不断搅拌,随后静置,使硫酸和小麦秸秆充分接触(料液比为1∶1)。将处理后的小麦秸秆装入汽爆装置的直立高压筒内,通入饱和水蒸气,至温度达150、160、170、180、190 ℃,保压时间为0.5、3、5、8、10 min。反应结束后瞬间打开放料阀,将反应物料喷放到储料罐中,并进行固液分离。将部分汽爆残渣密封放于冰箱中保存待用,另一部分汽爆残渣置于105 ℃烘箱中干燥24 h,取出待用;水解液用pH计测量pH值,并利用0.22 μm有机针头过滤器过滤,然后置于冰箱中保存待用,进行3次重复实验。
测量汽爆残渣的水分,并取适量汽爆残渣于锥形瓶中,加入0.05 mol/L、pH值为4.8柠檬酸缓冲液(固液比1∶50),按酶用量25 FPU/g汽爆残渣(绝干)加入纤维素酶,在50 ℃、200 r/min的恒温振荡器中反应72 h,并分别在6 、12 、24 、48 、72 h取酶解液,通过HPLC测量葡萄糖浓度,进行3次重复实验,结果取平均值。葡萄糖酶解率(n,%)按
(1) |
式中,M为酶解前汽爆残渣纤维素质量;m为酶解后葡萄糖质量。
利用HPLC定量分析水解液、小麦秸秆纤维及汽爆残渣中葡萄糖、木糖、阿拉伯糖含量。检测条件:示差折光检测器,色谱柱为BIO-RAD Aminex HPX-87H柱,流动相为5 mmol/L 硫酸溶液,流速0.5 mL/min,柱箱温度60 ℃,检测器温度为40 ℃。纤维素保留率(N1,%)、半纤维素脱除率(N2,%)和木糖得率(N3,%)分别按式(2)~
(2) |
(3) |
(4) |
式中,M1为原料中纤维素质量;m1为残渣中葡萄糖质量;M2为原料中半纤维素质量;m2为原料中木糖和阿拉伯糖质量之和;为残渣中木糖和阿拉伯糖质量之和;m3为水解液中木糖质量。
水解液中低聚木糖含量的检测方式为二次水解,即水解液与同体积8% 硫酸溶液混合(即硫酸浓度稀释为4%),随后在121 ℃的高压灭菌锅中水解60 min。再水解后的溶液经HPLC检测后可得到水解液的总木糖含量,即预处理后水解液中木糖和低聚木糖之和,总木糖含量减去二次水解之前水解液测得的木糖含量即为低聚木糖的含量。
采用XRD对小麦秸秆纤维和汽爆残渣的纤维素结晶度进行分析。Cu Kα靶,管电压为40 kV,管电流为40 mA,2θ=10°~30°,扫描速度为0.02°/min。试样纤维素结晶度用结晶度指数(CrI)表示,按
(5) |
式中,I200为2θ≈22.5°处纤维素结晶区的衍射峰强度;Iam为2θ≈18.0°处纤维素无定形区的衍射峰强度。
考察了硫酸浓度、反应时间、反应温度对小麦秸秆及水解液组分的影响,结果如

图1 预处理条件对小麦秸秆及水解液组分的影响
Fig. 1 Effects of pretrement conditions on the components of wheat straw and its hydrolyzate
由
由
由
综上,基于纤维素保留率和半纤维素脱除率,最优预处理条件为:硫酸浓度5%(料液比1∶1,汽爆水解液中硫酸浓度为0.71%)、汽爆反应温度为170 ℃(0.79 MPa)、反应时间5 min。该条件下,纤维素保留率达91.3%,半纤维素脱除率达83.4%,水解液糖得率为80.1%。近年来对农业秸秆的蒸汽爆破预处理研究普遍使用较高的反应压力(≥1.5 MPa

图2 预处理条件对酶水解反应的影响
Fig. 2 Effect of pretrement conditions on enzymatic hydrolysis reaction
宏观上,汽爆后物料破坏程度较大,汽爆强度越高,浆料多呈褐色泥状,掺有丝状物料;汽爆强度低时,反应不充分,浆料夹带较多秸秆原料。采用SEM观察汽爆预处理前后小麦秸秆纤维的表面形貌,结果如

图3 汽爆预处理前后小麦秸秆纤维的SEM图
Fig. 3 SEM images of wheat straw fiber before and after steam explosion pretreatment
小麦秸秆纤维及汽爆残渣的XRD谱图及纤维素结晶度分别如

图4 汽爆预处理前后小麦秸秆纤维的XRD谱图
Fig. 4 XRD patterns of wheat straw fiber before and after steam explosion pretreatment

图5 汽爆预处理前后小麦秸秆纤维的纤维素结晶度
Fig. 5 Crystallinity index of wheat straw fiber before and after steam explosion pretreatment
注 反应时间5 min, 硫酸浓度5%。
小麦秸秆纤维及汽爆残渣的FT-IR谱图如

图6 汽爆预处理前后小麦秸秆纤维的FT-IR谱图
Fig. 6 FT-IR spectra of wheat straw fiber before and after steam explosion pretreatment
1734 c
小麦秸秆纤维和汽爆残渣的TG及DTG曲线如

图7 汽爆预处理前后小麦秸秆纤维的TG及DTG曲线
Fig. 7 TG and DTG curves of wheat straw fiber before and after steam explosion pretreatment
与小麦秸秆纤维(最大分解速率温度(Tmax)为339.9 ℃)相比,汽爆残渣的热降解温度向高温方向移动,且Tmax向高温方向移
与小麦秸秆纤维(热解残渣率为24.56%)相比,汽爆残渣的热解残渣率降至23.06%,而在硫酸的协同作用下,进一步降至19.91%。这是因为汽爆后半纤维素溶出,半纤维素相对含量减少,而硫酸的加入使半纤维素溶出程度增大,随着温度的升高,纤维素和木质素开始降解,LCC被破坏,导致小麦秸秆纤维抗降解能力下降,因而热解残渣减少。
本研究提出低酸喷雾协同低温蒸汽爆破(以下简称汽爆)预处理小麦秸秆的方法,主要研究了预处理条件对小麦秸秆纤维的化学组分、结构及酶水解效率的影响。
3.1 汽爆预处理可在相对较低的反应温度下,实现高纤维素保留率、高半纤维素脱除率以及优异的酶水解效率。当硫酸浓度5%(料液比1∶1)、汽爆反应温度170 ℃,反应时间5 min时,纤维素保留率达91.3%,半纤维素脱除率达83.4%,水解液中糖得率为80.1%(木糖40.1%,低聚木糖40.0%)。
3.2 汽爆预处理可显著提高小麦秸秆的酶水解效率。经180 ℃-5 min汽爆预处理,小麦秸秆酶水解72 h后葡萄糖酶解率由原料的20.8%提高至75.4%,在5%硫酸协同作用下,可进一步提高至93.5%。在硫酸浓度为5%、汽爆反应温度为170 ℃(0.79 MPa)、反应时间5 min的最优预处理条件下,酶水解反应72 h后,葡萄糖酶解率为84.9%。同时,硫酸浓度越大、反应时间越长、反应温度越高,酶水解效率越高。
3.3 扫描电子显微镜等分析结果表明,汽爆预处理后小麦秸秆纤维结构遭到很大程度的破坏,提高了纤维素的可及性;随着汽爆预处理程度增强,半纤维素脱除率提高,水解液糖得率提高,纤维素保留率有所降低,小麦秸秆纤维的纤维素结晶度先增大后降低,热稳定性提升。
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