超低濃度馬來酸水解玉米芯纖維素的工藝研究

超低濃度馬來酸水解玉米芯纖維素的工藝研究

0超低馬來酸水解生物質(zhì)糖苷鍵豫米芯是玉米加工生產(chǎn)的副產(chǎn)品。中國每年生產(chǎn)約1.1.23億玉米芯。由于品種的不同，玉米芯中的維生素和半養(yǎng)分的含量差異，但平均質(zhì)量比約為75%。因此，利用玉米芯用水、生產(chǎn)糖和制備乙醇具有很大的工業(yè)應(yīng)用潛力。纖維素燃料乙醇的一般生產(chǎn)流程為原料預(yù)處理—糖化—發(fā)酵。糖化一般分為酶水解和酸水解。酸水解是一種有效的產(chǎn)糖方式,常使用低濃度硫酸、鹽酸作為催化劑。稀酸解離出的氫離子與β-1,4糖苷鍵上呋喃糖環(huán)間的氧原子結(jié)合,使得糖苷鍵破壞,分解出低聚糖和葡萄糖。但糖降解及腐蝕容器問題始終得不到有效解決。為解決這一問題,引入超低濃度酸水解。超低酸水解以質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.2%的酸為催化劑,在200℃以上、加壓情況下將生物質(zhì)水解成單糖和低聚糖,具有水解效果好、反應(yīng)器友好等特點(diǎn)。Mosier等對低濃度馬來酸和硫酸的水解情況進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)馬來酸可以水解95%~99%的纖維二糖,最大產(chǎn)糖率為90%,硫酸可水解100%的纖維二糖,但只有80%的糖產(chǎn)率;進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),以馬來酸為代表的有機(jī)酸由于具有雙羧酸基,可以進(jìn)行模擬纖維素酶的催化水解作用域,有效催化水解纖維素而保持較少的糖降解量。莊新姝和筆者也進(jìn)行了相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)馬來酸是一種能高效水解纖維素并減少糖降解的有機(jī)酸催化劑。本文采用的是高溫液態(tài)水解預(yù)處理(第一步水解)玉米芯和超低馬來酸水解殘?jiān)?第二步水解)相結(jié)合。高溫液態(tài)水解法是一種常用的預(yù)處理方法,可以去除半纖維素,部分木質(zhì)素,初步破壞纖維密實(shí)的物理結(jié)構(gòu)。超低馬來酸水解法是一種較為新穎的酸水解法。本文將超低濃度馬來酸引入高溫水解玉米芯之后,旨在考察超低馬來酸水解生物質(zhì)纖維素的性能;通過全面的產(chǎn)物分析考察各種產(chǎn)物,探討可能對馬來酸水解造成的影響,進(jìn)一步完善馬來酸應(yīng)用于生物質(zhì)水解的條件,為有機(jī)酸高效水解生物質(zhì)提供依據(jù)。1材料和方法1.1玉米芯粉的制備本研究所用的玉米芯購自山西,半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為39.84%、35.44%和13.09%(木質(zhì)素測定按照GB/T2677.8-1994,棕纖維素測定按照GB/T2677.10-1995,纖維素測定采用硝酸—乙醇法,半纖維素含量為綜纖維素含量減去纖維素含量所得)。將玉米芯粉碎篩分至20~40目,清洗烘干備用。馬來酸(順丁烯二酸),分析純。反應(yīng)裝置如圖1所示。1.2測試方法1.2.1玉米芯水解液態(tài)水解和破碎馬來酸水解的制備工藝參照徐明忠的研究,反應(yīng)釜中進(jìn)行高溫液態(tài)水預(yù)處理的工況選為溫度200℃、壓力4MPa、反應(yīng)時間10min、攪拌轉(zhuǎn)速500r/min,參照筆者先前研究,超低馬來酸水解的工況選為酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%、溫度220℃、壓力4MPa、攪拌轉(zhuǎn)速500r/min。第一步水解(高溫液態(tài)水解):將30g玉米芯置于反應(yīng)釜中,倒入600mL蒸餾水使得液固比為20∶1mL/g,密閉容器通入1.5MPa氮?dú)?開啟溫控使得一小時內(nèi)升溫至200℃,4MPa。此時開啟攪拌(500r/min),計(jì)時10min取全部液體樣,并打入冷水保護(hù)釜內(nèi)剩余殘?jiān)?。第二步水?超低馬來酸水解):將第一步殘?jiān)糜诜磻?yīng)釜中,倒入蒸餾水,密閉容器通入約1.5MPa氮?dú)?開啟溫控使得一小時左右升溫至220℃,壓力升至4MPa左右。此時由酸罐打入馬來酸溶液,使得液固比20∶1mL/g,酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%,開啟攪拌(500r/min),反應(yīng)開始計(jì)時,每隔5min取樣,至40min。打入冷水保護(hù)釜內(nèi)剩余殘?jiān)?。多點(diǎn)取樣產(chǎn)物進(jìn)行3,5-二硝基水楊酸(3,5-DinitrosalicylicAcid,簡稱DNS)法分析,確定最佳取樣點(diǎn)。1.2.2護(hù)釜內(nèi)殘液工藝流程按照1.2.1所示方法分別進(jìn)行第一、二步水解,其中第二步水解在最佳工況點(diǎn)結(jié)束,取全部液體樣,并打入冷水保護(hù)釜內(nèi)殘?jiān)?具體流程參照圖2。液體樣留待DNS法和高效液相色譜法(highperformanceliquidchromatography,簡稱HPLC)分析,殘?jiān)炕厥蘸蠛娓闪舨糠诌M(jìn)行VanSoest分析(又稱范氏分析)和X射線衍射(x-raydiffraction,簡稱XRD)分析,剩余進(jìn)行下一步水解。1.3樣品分析1.3.1還原糖轉(zhuǎn)化率測定還原糖濃度采用DNS法分析確定。式中,η為還原糖收率,%;ρ(rs)為還原糖質(zhì)量濃度,g/L;V為液體的量,L;0.9為還原糖向原料換算的比例系數(shù);M為原料中纖維素和半纖維素的總質(zhì)量,g。還原糖轉(zhuǎn)化率按以下公式計(jì)算式中,η1為還原糖轉(zhuǎn)化率,%;ρ(rs)為還原糖質(zhì)量濃度,g/L;V為液體的量,L;0.9為還原糖向原料換算的比例系數(shù);M1為轉(zhuǎn)化的纖維素和半纖維素質(zhì)量,g。單糖含量:使用Waters2695高效液相色譜進(jìn)行分析,采用Waters2489UV/VisibleDetector中的示差折光檢測器,分析柱為ShodexSugarSP0810柱;流動相為重蒸水,流速為0.6mL/min;柱溫為80℃;試樣以0.22μm濾膜過濾,進(jìn)樣量為10μL,運(yùn)行時間35min。葡萄糖質(zhì)量濃度用外標(biāo)法確定。1.3.2spicaremetergc-ms其它液體產(chǎn)物成分的測定,采用島津-QP2010氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GasChromatograph-MassSpectrometer,簡稱GC-MS)進(jìn)行。選用DB-5MS30m×0.25mm×0.25μm毛細(xì)管柱,MS檢測器,流速為0.96mL/min。初始柱溫為50℃,停留5min,而后以10℃/min升至260℃,停留30min。質(zhì)譜采用EI電離方式,離子源溫度200℃,接口溫度230℃,掃描范圍(m/z)為20~500。1.3.3原料和殘液的纖維素含量的變化情況原料轉(zhuǎn)化率的計(jì)算公式。式中,η2為原料轉(zhuǎn)化率,%;M1為轉(zhuǎn)化的纖維素和半纖維素質(zhì)量,g;M為原料中纖維素和半纖維素的總質(zhì)量,g。采用范式分析方法比較原料和第Ⅰ、Ⅱ步水解殘?jiān)陌肜w維素、纖維素、木質(zhì)素含量變化情況。采用X射線衍射來分析生物質(zhì)原料和殘?jiān)睦w維素結(jié)晶度(晶區(qū))的變化情況,獲知纖維素的水解前后的變化趨勢。采用PANalyticalX射線衍射儀,測試條件為:反射法,CuKa靶,電壓40kV,電流40mA,掃描速率0.4o/s,掃描范圍5°~100°。1.4數(shù)據(jù)處理方法采用Origin和MicrosoftExcel處理數(shù)據(jù)。每個試驗(yàn)重復(fù)2次。2結(jié)果與分析2.1還原糖含量測定將玉米芯按照1.2.1的方法進(jìn)行高溫液態(tài)水解,得到的殘?jiān)娓珊筮M(jìn)行超低馬來酸水解,并于5、10、15、20、25、30、40min進(jìn)行取樣獲得液相產(chǎn)物,還原糖質(zhì)量濃度如圖3所示。DNS檢測發(fā)現(xiàn)20min時還原糖濃度最高,因此選第二步酸水解的最優(yōu)取樣時間為20min。2.2聚糖結(jié)構(gòu)的ss-ms分析將玉米芯原料分別進(jìn)行第一、二步水解,其中第二步水解于20min取樣。由HPLC分析得到的單糖分布可知木糖是高溫液態(tài)水解玉米芯的主要產(chǎn)物,質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為約占31%,其次是葡萄糖和甘露糖,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20.3%和13.9%。葡萄糖含量較高是一個奇特的現(xiàn)象,因?yàn)榘肜w維素為雜多糖,通常是木聚糖占優(yōu),而水解出較多的葡萄糖說明玉米芯半纖維素成分中葡萄糖含量較多,有文獻(xiàn)指出禾木科植物的主要半纖維素結(jié)構(gòu)為聚木糖類,主要結(jié)構(gòu)的典型分子式一個β-1,4連接的D吡喃式木糖為主鏈,其上連接有L-呋喃式阿拉伯糖和D-吡喃式葡萄糖醛酸。但是葡萄糖醛酸基或者阿拉伯糖的含量明顯少于聚木糖。或者說明水解去掉了部分纖維素,這需要范式分析來驗(yàn)證。另外一個結(jié)論是聚糖含量較多。由于色譜柱無法分離纖維三-五糖,因此不能獲得此3種糖的確切濃度,但可用總還原糖減去單糖濃度獲得。本研究中纖維二-五糖總質(zhì)量濃度約4.05g/L,占總還原糖的33%。由于DNS方法檢測聚糖時結(jié)果稍小于真實(shí)值,因此可能本研究中水解液的聚糖含量不止33%,而真實(shí)的總還原糖質(zhì)量濃度也應(yīng)該略大于12.24g/L。阿拉伯糖在第二步水解后濃度有所上升,一方面可能因?yàn)榘⒗窃诘谝徊剿夂笠跃厶切问酱嬖?第二步水解使其進(jìn)一步降解為單糖,另外,余強(qiáng)等的研究表明,相比于木糖和葡萄糖,阿拉伯糖的熱穩(wěn)定性更好,因此,第一步水解未排出的阿拉伯單糖繼續(xù)存在于濕渣中,而聚糖進(jìn)一步降解為單糖,這兩個條件使得第二步的糖濃度不降反升。如表1所示,玉米芯殘?jiān)M(jìn)行第二步水解后,DNS分析得總還原糖質(zhì)量濃度為9.94g/L,HPLC分析得出葡萄糖占20.32%,聚糖占60.76%。第一步水解后半纖維素得到大部分去除,而玉米芯原料的木質(zhì)素含量不高,因此第二步水解轉(zhuǎn)化的玉米芯殘?jiān)蟛糠謶?yīng)為纖維素。2.3不同種類擴(kuò)散劑對玉米芯糖的影響表2和表3是玉米芯原料、第一步殘?jiān)偷诙綒堅(jiān)姆妒椒治鼋Y(jié)果。第一步水解后,半纖維素、纖維素和木質(zhì)素分別去除了91.76%、3.61%和31.08%。美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室Stephen等研究指出木質(zhì)素的損失主要是在反應(yīng)過程中一部分木質(zhì)素會溶解于高溫液態(tài)水。結(jié)果測得還原糖收率為24.75%,還原糖轉(zhuǎn)化率為49.85%,原料轉(zhuǎn)化率為49.64%。本研究結(jié)果與徐明忠進(jìn)行的稻桿作物高溫液態(tài)水解情況極為類似。在他的研究報告中,還原糖質(zhì)量濃度8.9g/L,還原糖轉(zhuǎn)化率51.85%,原料轉(zhuǎn)化率達(dá)48.18%。本論文進(jìn)行了多次玉米芯的高溫液態(tài)水試驗(yàn),和徐明忠的結(jié)果對照,可以得出在高溫液態(tài)水環(huán)境下,利用本研究的試驗(yàn)工況,玉米芯和稻桿類生物質(zhì)的還原糖轉(zhuǎn)化率和原料轉(zhuǎn)化率基本在50%左右。由表3,第一步水解只損失了0.46g纖維素,因此殘?jiān)欣w維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)72.01%,但是第二步水解的糖產(chǎn)率并不高。結(jié)果測得第二步水解的還原糖收率為22.72%,還原糖轉(zhuǎn)化率為23.94%,原料轉(zhuǎn)化率為94.92%。分析原因,一是隨著水解深入進(jìn)行,木質(zhì)素所占比例越來越大(從初始的19.07%到最后的78.13%),而且轉(zhuǎn)化的部分木質(zhì)素溶解于液體中與水解產(chǎn)生的單糖或者低聚糖發(fā)生聚合反應(yīng),影響單糖或者低聚糖產(chǎn)量,原因二是由于實(shí)驗(yàn)臺限制,水解20min取出液體產(chǎn)物后殘?jiān)⒉荒苎杆俳禍?保護(hù)水打入2次后溫度仍處于130℃左右,經(jīng)檢測保護(hù)水含糖,可見這部分糖是纖維素降溫過程中產(chǎn)生的,如果降溫及時,這部分糖可避免損失。若將此部分換算為纖維素,則第二步水解的還原糖轉(zhuǎn)化率為26%,即消耗的纖維素中約1/3轉(zhuǎn)化為糖。綜上可得,第二步水解轉(zhuǎn)化纖維素的能力強(qiáng)大,但是可能由于溶解木質(zhì)素對糖降解物的影響,產(chǎn)糖能力并不高,如果能夠在水解前去除木質(zhì)素,將大大提高纖維素產(chǎn)糖效率。為進(jìn)一步驗(yàn)證高溫液態(tài)水和超低馬來酸在最佳工況下水解玉米芯的效果,對2種殘?jiān)M(jìn)行XRD分析。圖4顯示,第一步水解后纖維素的特征峰分辨率高,響應(yīng)較好,說明第一步水解起到了暴露纖維素的作用,而第二步水解后纖維素特征峰模糊,響應(yīng)較弱,說明第二步水解劇烈,纖維素基本全部去除,殘?jiān)痪邆滹@著的纖維素結(jié)構(gòu),水解較徹底。2.4副萃取酸分析2.4.1半纖維素糖水解劑的檢測圖5為第一、二步水解液副產(chǎn)物的GC-MS圖譜。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),第一步水解的副產(chǎn)物主要是酸類、酮類、少量酯類、糠醛、酚類以及硅氧烷類,為半纖維素和木質(zhì)素的特征降解物。通常半纖維素高溫液態(tài)水解過程中,乙?；猱a(chǎn)生乙酸,木糖降解生成糠醛,木質(zhì)素降解產(chǎn)生一定的酚類物質(zhì)。本試驗(yàn)中,GC-MS檢測到糠醛的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.56%,乙酸為12.13%,而乙酸和醇類的化合生成的乙酸正丁酯及2-戊醇酸酯為8.39%和5.16%,這4種副產(chǎn)物占檢出物的59.24%,充分說明半纖維素的糖降解物大部分仍維持自身特性,沒有過度與溶解木質(zhì)素反應(yīng)。另外第一步水解中木質(zhì)素的易水解部分溶解于水中,并被GC-MS檢測出仍為大分子的酚類物質(zhì),如4-乙烯基-2-甲氧基-苯酚,3,5-二甲氧基-4-羥基苯甲醛(丁香醛)、4-烯丙基-2,6-二甲氧基苯酚等。2.4.2玉米中其他有機(jī)化合物的降解分析第二步水解副產(chǎn)物譜圖發(fā)現(xiàn),清晰的峰產(chǎn)生在17號之前,19~33號較清晰,62號為大峰,其后產(chǎn)生了密密麻麻的小峰,并于32min產(chǎn)峰完畢。以上峰對應(yīng)的產(chǎn)物主要是酸類、酮類、糠醛類、酚類、呋喃類及少量硅氧烷類。預(yù)處理后玉米芯的超低酸水解副產(chǎn)物有和濾紙纖維素相同的成分,比如甲酸、乙酸、2,3-丁二酮、2-丁酮、糠醛、5-甲基糠醛和5-羥甲基糠醛,說明這些單糖降解物的產(chǎn)生和木質(zhì)素、灰分等的存在無關(guān),是超低馬來酸催化纖維素降解的主要副產(chǎn)物。這些成分占檢出物的56.24%,比純?yōu)V紙纖維素水解生成的副產(chǎn)物少(這些成分約占后者檢出物的85.83%)。這是由于木質(zhì)素和金屬鹽的存在,使得玉米芯纖維素水解副產(chǎn)物產(chǎn)生了多種多樣的衍生物,一個明顯的特點(diǎn)是有較多的苯酚、苯酚衍生物(例如2-甲氧基苯酚以及呋喃類衍生物)。糖降解產(chǎn)物含有較多種的酸,除了小分子有機(jī)酸,還產(chǎn)生了乙酰丙酸(4-氧代戊酸)、糠酸甲酯(2-呋喃羧酸甲酯)、乳酸(2-羥基丙酸)、戊烯酸等化合物。小分子酸、5-羥甲基糠醛(5-HMF)和糠醛的產(chǎn)生過程不再贅述。乙酰丙酸由5-羥甲基呋喃得來;而糠醛氧化得到糠酸,糠酸和甲醇酯化得到糠酸甲酯;戊烯酸可能和乙酰丙酸的產(chǎn)生過程有關(guān)。木質(zhì)素在高溫高壓的酸環(huán)境中,會解開芳醚鍵,部分溶解于溶劑中。木質(zhì)素含有較多的酚類化合物,如對羥苯酚、愈創(chuàng)木酚(鄰甲氧基苯酚)、紫丁香酚等。本研究中GC-MS檢測到較多的酚類化合物,應(yīng)該來自木質(zhì)素。其中苯酚類衍生物主要包括:苯酚、4-乙烷基苯酚、4-乙烷基-2-甲氧基-苯酚、2,6二甲氧基苯酚(紫丁香醇)、2-甲氧基苯酚、香蘭素、苯甲酸、N-甲基苯甲酰胺、3,5-二甲氧基-4-羥基苯甲醛、鄰苯二甲酸二乙酯。其中,4-乙烷基-2-甲氧基-苯酚、2,6二甲氧基苯酚以及2-甲氧基苯酚可能由木質(zhì)素降解產(chǎn)生,也可能是玉米芯纖維素糖苷鏈上的固有成分;文獻(xiàn)報道香蘭素可由木質(zhì)素降解得到,也可能由木質(zhì)素脫除的酚類制得。另外,水解液中含有較多種苯并呋喃衍生物,文獻(xiàn)顯示苯酚經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)過程可以產(chǎn)生2,3-二氫苯并呋喃,再經(jīng)過化學(xué)修飾可得到一系列苯并呋喃衍生物;這些衍生物也可能是糠醛化合來。水解液還檢測到了1,6-脫水-β-D-葡萄糖,可能是葡萄糖降解初期的中間體。另外檢測到乳糖、半乳糖二酸和L-乳酸。其中D-半乳糖是乳糖的組成成分,主要以半乳聚糖形式存在植物細(xì)胞壁中,半乳糖二酸可能由D-半乳糖上的醛基和伯醇基氧化得來。和高溫液態(tài)水解類似,第二步水解也得到較多種類的硅氧烷,包括十八甲基環(huán)壬硅氧烷、十甲基環(huán)五硅氧烷和八甲基環(huán)四硅氧烷。GC-MS檢測到的多種有機(jī)合成中間體都需要金屬離子的催化,可能玉米芯中含有的金屬鹽起到了催化作用。檢測到的多種酚類、酯類不溶或者微溶于水,因而水解液表面有一層稀薄的油脂,但由于副產(chǎn)物含量較低,水解液依然是水相居多。3討論3.1木質(zhì)素的降解通過第二步水解的結(jié)果可以看出,木質(zhì)素含量升高對纖維素水解產(chǎn)糖有明顯的抑制作用,水解的纖維素只有1/3產(chǎn)糖。木質(zhì)素是植物原料中與纖維素伴生的主要成分之一,是無定形、粒狀質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)聚集的芳香族化合物,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,至今知道的基本輪廓為:木質(zhì)素由苯基丙烷單元通過醚鍵和碳碳鍵連接而成的三維空間結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀組織,具有甲氧基、羥基、羰基等功能基團(tuán),并且結(jié)構(gòu)單元隨品種來源不同而存在不同比例的愈創(chuàng)木基、紫丁香基和對羥苯基。木質(zhì)素在化學(xué)上極不穩(wěn)定,即使較溫和條件下也能產(chǎn)生變化。如果木質(zhì)素通過酸性環(huán)境形成縮合不溶物來抑制纖維素產(chǎn)糖,則不能解釋范式分析得到的水解前后纖維素大量減少。但是對比濾紙纖維素在超低馬來酸環(huán)境中的緩慢降解,可見生物質(zhì)水解時木質(zhì)素的確對糖降解的正反應(yīng)起到了促進(jìn)作用,很可能是和5-HMF以及其降解物(如小分子酸)產(chǎn)生反應(yīng),從而促進(jìn)5-HMF的后續(xù)反應(yīng),間接促進(jìn)了葡萄糖的降解。綜上,推測木質(zhì)素的抑制作用體現(xiàn)在:一方面,木質(zhì)素在酸性環(huán)境中會產(chǎn)生縮合作用形成不溶的體型結(jié)構(gòu),從而使得剩余纖維素更加難以滲透,難以水解;另一方面,溶解的部分木質(zhì)素在高溫酸環(huán)境中降解充分,產(chǎn)生苯酚、苯甲酸等物質(zhì),這些物質(zhì)的苯環(huán)上帶有醛基、羰基、羥基等多種功能團(tuán),在高溫高壓的密閉環(huán)境,完全可以和葡萄糖的降解物反應(yīng),加速葡萄糖降解正反應(yīng)的進(jìn)行。3.2木質(zhì)素的用量通過第一步水解玉米芯,其中的半纖維素基本降解,1/2產(chǎn)糖,其中聚糖約占33%;通過第二步水解,纖維素