不同預處理方法對構樹脫木質素動力學的影響

熊 龍 涂洪峰 鄭方科 姚 蘭 謝益民 楊海濤

（湖北工業(yè)大學材料與化學工程學院，湖北武漢，430068）

木質纖維原料是自然界中含量最豐富的生物質，大多數木質纖維原料含有40%～50%的纖維素、20%～40%半纖維素和20%～30%木質素［1-2］。木質纖維原料的性質，如木質素的含量、纖維素間結合方式和纖維素的結晶度等，與木質纖維原料的抗酶解性能息息相關，同時又決定著木質纖維原料的轉化率。在木質纖維原料制備生物乙醇過程中，為了提高木質纖維原料的轉化率，預處理是一個關鍵步驟。預處理的目的是，在盡量避免碳水化合物損失的前提下，破壞木質纖維原料細胞壁的結構，分離或溶出木質纖維原料中的木質素，增加木質纖維原料內部的孔隙率，提高纖維素酶對纖維素的可及性，從而提高纖維素的酶水解性能［3］。

堿法預處理屬于化學預處理方法，一般以低濃度的堿液作為預處理液［4］。Varga 等［5］在高壓條件下，利用10%氫氧化鈉溶液預處理玉米秸稈1 h，木質素脫除率高達95%。Kim等［6］以玉米秸稈為原料，利用堿法預處理后發(fā)現，原料中50%的聚木糖被降解，在纖維素酶添加量為10 FPU/g的條件下，纖維素轉化率可達93%。有機溶劑預處理一般采用有機溶劑與水混合，通過加熱使溶液處于超臨界狀態(tài)，從而對原料進行預處理。有機溶劑預處理不僅可以溶出木質素，還伴隨著半纖維素的溶出［7］。有機溶劑預處理可分為加酸催化反應和自催化反應兩種形式［8-9］。在眾多的有機溶劑中，乙醇以低沸點、低成本、無毒性、易溶于水和易回收等優(yōu)點成為生物質原料有機溶劑預處理的最佳溶劑［8］。Ioanna等［10］利用5種有機溶劑預處理麥稈制備乙醇發(fā)現，纖維素轉化率最大值可達89%，其對應的預處理條件為：50%乙醇作為預處理液，在180°C 下保溫40 min，乙醇得率可達理論值的67%。Yong 等［11］利用60%乙醇，在190°C 下預處理玉米秸稈120 min 后，再利用纖維素酶對其進行酶解，酶解率為92.6%；而以麥稈為原料，在相同的條件下，酶解率為86.9%。從前人研究可知，堿法和乙醇預處理可以脫除木質纖維原料中大量的木質素，這是提高纖維素轉化率的一個重要原因。

因此，研究木質纖維原料預處理過程中脫木質素的動力學，可為優(yōu)化預處理工藝提供理論支持；同時，也可預測木質纖維素原料生物轉化的適宜條件，提高其反應速率。目前，學術界普遍認為脫木質素主要包括3個明顯階段：初始階段、大量脫木質素階段和殘余脫木質素階段［12］。一般來說，初始階段進行地很快，很難觀察到；大量脫木質素階段是脫除木質素最主要的階段，而殘余脫木質素階段進行較慢，主要作為大量脫木質素階段的補充。Oliet 等［13］以桉樹為原料，在50%（w/w）乙醇濃度條件下，蒸煮桉樹并建立脫木質素模型，得出脫木質素過程為一級反應，并且得到了3 個脫木質素階段的速率和活化能，該成果為研究預處理過程中脫木質素的反應歷程提供了一個可行思路。

本研究以構樹為原料，利用堿和乙醇進行預處理，通過分析兩種預處理方法脫木質素的動力學特性，從而比較它們在脫木質素速率及活化能方面的差異，可望為構樹的綜合利用提供理論支持。

1 實 驗

1.1 實驗原料

構樹，取自湖北恩施某林場，去皮后用微型植物粉碎機（型號FZ102，天津市泰斯特儀器有限公司）粉碎；篩取40～60 目的樣品（經苯-醇抽提去除抽出物）并置于自封袋中平衡水分。利用已報道方法［14-15］對樣品進行成分分析，其組成為：18.60% Klason 木質素，44.14%纖維素（硝酸乙醇法），28.28%半纖維素（除葡萄糖外其余各種糖的含量總和）和4.76%灰分。

1.2 預處理

1.2.1 堿法預處理

稱取1 g處理后的樣品置于15 mL鋼罐反應釜中，加入10 mL濃度為1%的氫氧化鈉溶液，混合均勻后，將反應釜置于油浴鍋中，在所需溫度下進行保溫反應。反應完，過濾將固液分離并使用熱水將預處理后的產物洗滌至中性，放入4°C的冰箱內保存。

1.2.2 乙醇預處理

稱取1 g處理后的樣品置于15 mL鋼罐反應釜中，加入10 mL 50%的乙醇溶液（乙醇∶水=1∶1，V/V，下同），并加入0.5%（V/V）硫酸作為催化劑，混合均勻后，將反應釜置于油浴鍋中，在所需溫度下進行保溫反應。反應完，過濾將固液分離并使用60°C 的50%乙醇將預處理后的產物洗滌至中性，放入4°C的冰箱內保存。

1.3 動力學研究

大量研究表明，木材的脫木質素反應為一級反應［13］，脫木質素模型方程式為：

式中，L為殘余固體木質素的含量，g；L0為原始木質素的含量，g；k 為脫木質素速率，min-1；t 為反應時間，min。

脫木質素速率對溫度的依賴關系可由阿累尼烏斯方程式來描述：

式中，A為指數前因子，Ea為反應活化能，mol/J，R為氣體常數，T為熱力學溫度，K。由式（3）積分得：

根據式（4），已知脫木質素速率k，可以求得脫木質素反應的活化能。

2 結果與討論

2.1 預處理溫度和時間對預處理得率和殘余固體木質素含量的影響

根據前期對實驗條件優(yōu)化的結果分析［16］，選取堿法預處理溫度為110～150°C，保溫時間為5～60 min；乙醇預處理溫度為120～170°C，保溫時間為5～50 min。兩種方法的預處理溫度和保溫時間對預處理得率和殘余固體木質素含量的影響分別如表1 和表2 所示。殘余固體木質素是指預處理液濃度非常低時，木質素碎片發(fā)生縮合反應形成穩(wěn)定的二苯甲烷結構［17］，最后殘留在固料中。

從表1 和表2 可以看出，無論是堿法預處理還是乙醇預處理，預處理溫度越高，預處理得率越低；保溫時間越長，預處理得率越低。說明隨著預處理強度的提高，有更多的物質溶于預處理液中，使得預處理得率降低。比較兩種預處理方法可以看出，保溫時間相同時，在較低的預處理溫度（＜130°C）下，堿法預處理較乙醇預處理的得率低。但隨著預處理溫度的提高，乙醇預處理的得率較堿法預處理低。當預處理溫度為150°C、保溫時間為30 min 時，堿法預處理的得率為69.90%，而乙醇預處理的得率為50.13%，說明乙醇預處理在高溫條件下可以溶出更多的細胞壁組分。

預處理溫度和保溫時間不但會影響預處理得率，還會影響預處理后殘余固體木質素的含量。由表1和表2可知，對于兩種預處理方法，隨著預處理溫度的提高和時間的延長，殘余固體木質素含量減少，說明兩種預處理方法均可以脫除構樹中的部分木質素。比較兩種預處理方法的脫木質素效果可以看出，在相同的預處理溫度和保溫時間條件下，乙醇預處理較堿法預處理可以溶出更多的木質素組分。當預處理溫度為150°C、保溫時間為30 min 時，堿法預處理后殘余固體木質素含量為13.41%，而乙醇預處理后殘余固體木質素含量為9.46%。

表1 堿法預處理溫度和保溫時間對預處理得率和殘余固體木質素含量的影響

2.2 脫木質素動力學研究

2.2.1 堿法預處理脫木質素動力學研究

前期研究［18-20］表明，堿法預處理過程中脫木質素反應屬于一級反應。為了驗證堿法預處理構樹脫木質素的反應級數，本研究對不同預處理溫度下的lnL與預處理時間t的關系進行了分析，具體如圖1所示。

表2 乙醇預處理溫度和保溫時間對預處理得率和殘余固體木質素含量的影響

圖1 堿法預處理反應過程中不同溫度下t-lnL的關系圖

表3 堿法預處理不同溫度下不同反應階段的k值

從圖1可以看出，堿法預處理反應過程中，lnL與t之間的線性擬合度高，這一點也證實了構樹堿法脫木質素屬于一級反應。線性關系方程中的斜率k是預處理脫木質素速率，堿法預處理中不同溫度下不同脫木質素階段的k值如表3 所示。表中的數據顯示當預處理溫度較低時，只存在大量脫木質素階段。當預處理溫度升高至130°C 時，開始出現兩種斜率的直線，說明預處理溫度在130°C 和140°C 時，存在兩種不同的脫木質素階段。第一個階段為大量脫木質素階段，時間約為20 min；第二個階段為殘余脫木質素階段，時間約為40 min。而當保溫溫度升高至150°C 時，原料中木質素的脫出主要為殘余脫木質素階段。由表3還可知，各脫木質素階段的脫木質素速率都會隨著預處理溫度的升高而增大，且大量脫木質素階段的脫木質素速率要高于殘余脫木質素階段，這與前期的研究結論相似［21］。

堿法預處理反應過程中l(wèi)nk與1/T的關系如圖2所示。由圖2可知，堿法預處理時，大量脫木質素階段反應活化能Ea為100.2 kJ/mol，殘余脫木質素階段反應活化能Ea為111.2 kJ/mol。

圖2 堿法預處理反應過程中l(wèi)nk與1/T的關系

殘余脫木質素階段反應活化能大于大量脫木質素階段，說明殘余脫木質素階段木質素脫除難度大于大量脫木質素階段。由于木質素脫除反應的后期主要是脫除大分子木質素，所以殘余脫木質素階段木質素脫除速率小于大量脫木質素階段。崔宇［22］在其研究中發(fā)現，主要脫木質素階段的化學反應活化能為83.6 kJ/mol，殘余脫木質素階段反應活化能為104.5 kJ/mol，較本研究得出的數據偏小。國外學者［23-24］通過研究得出，硫酸鹽法制漿大量脫木質素階段反應活化能約為105～144 kJ/mol，本研究得出的數據均在此范圍內；而崔宇的實驗得出的數據偏小，可能與所選木質纖維原料及其性質不同有關。

2.2.2 乙醇預處理脫木質素動力學研究

為了驗證乙醇預處理脫木質素的反應級數，本研究對不同預處理溫度下lnL與預處理時間t的關系進行了分析，具體如圖3所示。

圖3 乙醇預處理反應過程中t-lnL的關系圖

從圖3可以看出，lnL與t呈線性關系，且線性擬合度很高，證實乙醇預處理過程構樹的脫木質素反應級數為一級反應。乙醇預處理過程中，不同預處理溫度下不同脫木質素階段的k值如表4 所示。與堿法預處理脫木質素動力學得到的結果類似，乙醇預處理過程中，當預處理溫度為120～140°C時，只存在大量脫木質素階段，且其脫木質素速率低于相同溫度下的堿法預處理。當預處理溫度為150～160°C時，出現兩種斜率的直線，說明乙醇預處理脫木質素與堿法預處理脫木質素形式相似，存在兩個脫木質素階段：大量脫木質素階段和殘余脫木質素階段。隨著預處理溫度的升高，兩個階段的脫木質素速率都會增大。這與筆者前期關于大豆秸稈的乙醇預處理過程中脫木質素動力學的研究結果相似［21］。

表4 乙醇預處理不同溫度下不同反應階段的k值

比較兩種預處理方法發(fā)現，當預處理溫度為120℃時，堿法和乙醇預處理的脫木質素速率相同；當溫度繼續(xù)升高至130～140℃時，堿法預處理的脫木質素速率略高于乙醇預處理；堿法預處理在130℃時出現兩個脫木質素階段，而乙醇預處理在150℃時才出現。

乙醇預處理反應過程中l(wèi)nk與1/T的關系如圖4所示。由圖4可知，乙醇預處理大量脫木質素階段的反應活化能Ea為82.3 kJ/mol，殘余脫木質素階段反應活化能Ea為124.7 kJ/mol。

圖4 乙醇預處理反應過程中l(wèi)nk與1/T的關系

比較兩種預處理方法發(fā)現，堿法預處理在大量脫木質素階段的反應活化能高于乙醇預處理，而殘余脫木質素階段的反應活化能低于乙醇預處理。反應活化能的大小可反映木質素脫除的難易，而木質素的脫除主要發(fā)生在大量脫木質素階段。因此，當使用構樹作為研究對象時，在本研究的預處理條件下，乙醇預處理較堿法預處理更容易脫除木質素。前期的研究［25］表明，脫木質素反應的活化能合理范圍是50～250 kJ/mol，而本研究得到的數據在合理范圍內。表5 對比了本研究及其他文獻中相似預處理方法大量脫木質素階段的反應活化能數據。從表5可以看出，本研究得出的脫木質素反應活化能與文獻得到的結果相差不大，存在的些許差異主要是基于具體的反應條件或使用的原材料不同。

表5 本研究及文獻中大量脫木質素階段的反應活化能

3 結 論

堿法預處理和乙醇預處理可以脫除構樹中大量的木質素組分，預處理后殘余固體木質素含量隨著預處理溫度的升高和時間的延長而逐漸降低。通過動力學研究發(fā)現，堿法和乙醇預處理構樹脫木質素屬于一級反應。兩種預處理方法均存在大量脫木質素和殘余脫木質素兩個階段。在堿法預處理反應過程中，大量脫木質素階段的脫木質素速率由110℃的3.5×10-5s-1提高至140℃的2.8×10-4s-1；在乙醇預處理反應過程中，大量脫木質素階段的脫木質素速率由120°C 的4.0×10-5s-1提高至160°C的4.0×10-4s-1。大量脫木質素階段的反應活化能分別為100.2 kJ/mol（堿法預處理）和82.3 kJ/mol（乙醇預處理）；說明在本研究條件下，乙醇預處理（乙醇濃度為50%） 較堿法預處理（NaOH濃度為1%）更容易脫除構樹中的木質素。