杨木废弃物预处理技术和水解反应动力学的研究
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摘要
本文以纸厂备料段的杨木废弃物为原料，对预处理工艺（包括湿氧化法、亚硫酸氢钠法、机械法和黄孢原毛平革菌法）的效果进行了研究，采用X-射线衍射、扫描电镜、热重分析仪、红外光谱、高效液相色谱和气质联用等分析手段对预处理所得物料和预处理液进行了分析，从而表征预处理过程中发生的物理化学变化；探讨了物料水解工艺（包括浓硫酸、稀硫酸和纤维素酶水解）对纤维转化率的影响，对水解残渣和水解液进行了表征，并建立了相应的动力学模型；最后对酶解液进行发酵成功制取了乙醇。
湿氧化预处理是氧和碱在热高压条件下与木质纤维原料反应的处理工艺，可以有效地脱除半纤维素，获得以纤维素为主的物料（预处理物料的纤维素含量63.26%，聚戊糖含量2.77%），且所得物料的可酶解性较高。较优的工艺条件为：初始pH值为10，最佳保温时间15min，氧压1.2MPa，温度195oC，在此条件下得到的还原糖产率为46.75%。X-射线衍射图谱显示原料的结晶度从85.42%降到了65.74%，扫描电镜显示纤维细纤维化程度增强，红外光谱分析显示木素发生了降解反应，这些变化均有利于后续纤维素酶水解反应的进行。湿氧化预处理工艺是一种行之有效的预处理手段，为木质生物质制取燃料乙醇开辟了新的途径。
NaHSO_3预处理是基于木素的磺化溶出反应来增强木质纤维原料的可酶解性。较优的工艺条件为：NaHSO_3用量6.0%，液比1:3，温度200oC，保温时间30min，在此条件下所得预处理物料残余木素占原料的16.7%，聚戊糖占1.66%，物料酶解所得还原糖产率为41.55%。X-RD表明预处理后物料的结晶度降为31.57%，SEM显示出纤维表面呈鱼鳞状凸起，比表面积增加，为后续纤维素酶的水解提供了有利条件。
机械预处理通过改变纤维粒度及增大比表面积来改善其酶解性，但是改善效果不明显，破碎预处理物料的比表面积比盘磨预处理物料大，但可酶解性较差（酶解还原糖产率分别为8.11%和9.88%）。进一步对机械预处理物料进行亚硫酸氢钠处理后，两者物料的酶解性能都有很大提高，而且破碎预处理物料的可酶解性高于盘磨预处理（酶解还原糖产率分别为45.17%和42.56%）。
黄孢原毛平革菌预处理可以选择性地降解木质纤维原料中的木素，从而改善物料的酶解效果。在接种量25%，33oC环境中静置培养28天的预处理物料经过灭菌和碱处理后，酶解还原糖得率为14.51%。木素被选择性地脱除（占原料的13.98%）。碱抽提液的GC-MS分析显示，木素中的C_α-C_β键发生氧化断裂，部分木素发生了甲基化等反应。
经过对比，湿氧化预处理效果最好，所得底物的酶解性能最高，NaHSO_3预处理次之，而机械预处理和白腐菌预处理效果较差，因此，继续研究了湿氧化预处理底物的酶解历程和酶解液的发酵。
利用纤维素酶对湿氧化预处理物料进行了水解，响应面分析法得到酶水解的最优工艺条件为：酶解温度49oC，酶解时间56h，酶用量38FPU/g，在此条件下所得纤维转化率为96.39%。水解液中只含有葡萄糖和木糖两种单糖，其中葡萄糖含量最多（占总糖量的97.54%），水解残渣的结晶度大幅下降。对纤维素酶水解过程进行了研究，得出纤维素酶水解动力学方程式可以表达为YC=17.84×C~(0.4244)×(1-e~(-0.2023t))×100%（R~2=0.8658）。
采用浓硫酸对杨木废弃物进行水解，响应面分析法得到浓酸水解的最优工艺为：温度50.97oC，时间120min，硫酸浓度60%，所得纤维转化率为90.81%。HPLC分析结果表明所得水解液的主要成分为葡萄糖（占总糖量的60.49%，木糖占19.84%），另含有单糖降解物（主要为乙酸和羟甲基糠醛）。X-RD表明水解残渣结晶度下降幅度较大，浓酸水解动力学方程YC=39.24×T~(0.1808)×(1-e~(-0.0726t))×100%（R~2=0.8105）。
采用稀酸对杨木废弃物进行水解，响应面分析法得到稀酸水解的最优工艺为：温度158oC，时间5min，酸浓2.5%，所得纤维转化率为52.97%。水解液中主要成分是木糖（占总糖量的64.80%，葡萄糖占18.93%），而水解液中的单糖降解物很少，说明在稀酸水解过程中只有极少量的碳水化合物发生了降解，水解物料的结晶度降低。
对酿酒酵母发酵工艺（以葡萄糖为底物）进行了优化，得到最佳发酵条件为：发酵温度33oC，底物浓度7.5g/L，发酵液初始pH值5.25，接种量5%，转速160r/min，发酵时间48h，在此条件下所得乙醇转化率为82.99%。对湿氧化预处理物料的纤维素酶水解液进行浓缩和脱毒后在最佳发酵条件下发酵，所得乙醇转化率为70.83%。对杨木废弃物湿氧化预处理-酶解-发酵过程进行了物料衡算，得出乙醇产率相当于理论产率的50%。
Selection and optimization of pretreatment operations on poplar wood processing residues,including chemical method (wet-oxygen, sodium hydrosulfite), mechanical method (platerefiner and miller) and biological method (fungi strain: Phanerochaete chrysosporium), prior tohydrolysis, were investigated in this thesis. Some modern analysis instruments such as X-RD,SEM, TG, FT-IR, HPLC and GC-MS were employed to characterize physical and chemicalchanges of poplar stocks and hydrolyzate with different pretreatment methods. To compareconversion effects of different hydrolysis conditions on production of reducing sugars, acidichydrolysis (concentrated and low-consistency sulfuric acid) and enzymolysis (cellulase) wereapplied, the hydrolyzed residual solids and hydrolyzate were analyzed, and kinetic modelswere explored. Finally, fermentation of enzymic hydrolyzate by yeast was carried out toproduce bio-ethanol.
Wet oxidation, a lignin and hemicellulose-selective oxidation operation combining oxygenand alkali at higher pressure condition, was applied to pretreatment of poplar wood processingresidues. Results show that hemicellulose was removed effectively, and cellulose (cellulose63.26%, pentose2.77%) contents was enriched in pretreated stock and the performance ofenzymic hydrolysis was enhanced. The optimal conditions of wet-oxidation were proposed,such as: initial pH number of10, reaction time15min, elevated temperature195°C, and oxygenpressure1.2MPa. The optimal wet-oxidation conditions was verified and crystallinity ofpretreated stock decreased from85.42%to65.74%(by X-RD), fiber surface corrodedextensively (by SEM), de-lignification effectively (by FT-IR) and provided enzymic hydrolysisof pretreated poplar wood processing residues a reducing sugar yield of46.75%. It could beconcluded that this pretreatment operation can benefit to sequenced enzymolysis operation.
Sodium hydrosulfite (NaHSO_3) pretreatment was based on the lignin dissolution withsulfonation reaction, resulting to enforced the stock enzymolysis. The proper conditions wereproposed as: dosage of NaHSO_36%(w/w), solid to liquor ratio1:3, temperature200oC and time30min, lignin and hemicellulose was removed obviously (lignin content decreased from23.6%to16.7%, hemicellulose content referred as pentose from18.7%to1.66%). Afterenzymic hydrolysis, the reducing sugar yield of41.55%can be obtained. The crystallinity ofpretreated stock was decreased to31.57%, the specific surface area of cell-walls increasedwhich also can benefit to the followed enzymolysis.
The proposed of mechanical method, breaking up and grinding, could increase the fiberspecific surface area to improve stock enzymolysis, however, the effect was limited. Theenzymolysis of pretreated stock was not increased corresponding with higher BET surface area(reducing sugar yield was8.11%and9.88%, respectively). The two kinds of stocks werefurther treated by sodium hydrosulfite, and the enzymolysis properties were increased greatly.The reducing sugar yield was45.17%and32.56%, respectively.
Phanerochaete chrysosporium pretreatment could remove lignin in raw material andincrease reducing sugar yield. The proposed condition for this pretreatment as: inoculationamount25%, training28days at33oC environment quietly. After sterilization and alkalineextraction, the stock was enzymolysis by cellulase, and14.51%of reducing sugar yield couldbe obtained. Lignin in raw material was selectively removed (13.98%of raw material), GC-MSshowed the fracture of C_α-C_βbond and methylation of lignin during pretreatment.
During these pretreatments, the effect of wet oxidation was the best, the effects ofmechanical and Phanerochaete chrysosporium pretreatment were limited. Therefore, wetoxidation pretreatment was chosed to discuss enzymolysis progress and fermentation.
Cellulase was employed for hydrolysis of wet oxidation pretreated stock, the proposedcondition was: temperature49oC, time56h, enzyme loading38FPU/g. Under above condition,the cellulose conversion of96.39%could be obtained. The hydrolysate just contained glucose(97.54%) and xylose, and the crystallinity of residue dropped substantially. The kinetic ofenzymolysis can be expressed as: Y_C=17.84×T0.4244×(1-e~(-0.2023t))×100%(R~2=0.8658).
Concentrated sulfite acid was employed for hydrolysis of Poplar wood processing residue,the proposed concentrated sulfite acid hydrolysis condition was: temperature50.97, time120min, H_2SO_4concentration60%. The optimal mesh number of poplar wood processing residue grain size was160-200. Under above condition, the cellulose conversion of90.81%can beobtained. The hydrolyzate contained glucose (60.49%) and xylose (19.84%), what’s more,acetic acid and hydroxyl methyl furfural (HMF) was the main degradation products. Thecrystallinity of residue decreased greatly. The kinetic of concentrated sulfite acid hydrolysiscan be expressed as: YC=39.24×T~(0.1808)×(1-e~(-0.0726t))×100%(R~2=0.8105).
Comparing with concentrated sulfite acid hydrolysis, low-consistency sulfuric acidhydrolysis was chosen. The proposed low-consistency sulfuric acid hydrolysis condition was:temperature of158oC, time5min, H2SO4concentration2.5%, and under these conditions,52.97%of cellulose conversion could be obtained. The hydrolyzate contained xylose (64.80%),glucose (18.93%) and small amount of degradation products. The crystallinity of residue wasdecreased.
The fermentation process of Saccharomyces cerevisiae (with glucose as the substrate) wasoptimized as: fermentation temperature33oC, substrate concentration7.5g/L, initial pH5.25,inoculation amount5%, rotated speed160r/min and fermentation time48h. Under abovecondition,82.99%of ethanol conversion could be resulted. The ethanol conversion of70.83%can be obtained with enzymolysis hydrolyzate of wet oxygen pretreated stock as substract.Finally, material balances for the conversion of poplar wood processing residue to ethanol (wetoxidation pretreatment-enzymolysis-fermentation) was calculated. According to the effectiveexperimental results, the ethanol yield (equivalent to theory production) of50%can beobtained.
湿氧化预处理是氧和碱在热高压条件下与木质纤维原料反应的处理工艺，可以有效地脱除半纤维素，获得以纤维素为主的物料（预处理物料的纤维素含量63.26%，聚戊糖含量2.77%），且所得物料的可酶解性较高。较优的工艺条件为：初始pH值为10，最佳保温时间15min，氧压1.2MPa，温度195oC，在此条件下得到的还原糖产率为46.75%。X-射线衍射图谱显示原料的结晶度从85.42%降到了65.74%，扫描电镜显示纤维细纤维化程度增强，红外光谱分析显示木素发生了降解反应，这些变化均有利于后续纤维素酶水解反应的进行。湿氧化预处理工艺是一种行之有效的预处理手段，为木质生物质制取燃料乙醇开辟了新的途径。
NaHSO_3预处理是基于木素的磺化溶出反应来增强木质纤维原料的可酶解性。较优的工艺条件为：NaHSO_3用量6.0%，液比1:3，温度200oC，保温时间30min，在此条件下所得预处理物料残余木素占原料的16.7%，聚戊糖占1.66%，物料酶解所得还原糖产率为41.55%。X-RD表明预处理后物料的结晶度降为31.57%，SEM显示出纤维表面呈鱼鳞状凸起，比表面积增加，为后续纤维素酶的水解提供了有利条件。
机械预处理通过改变纤维粒度及增大比表面积来改善其酶解性，但是改善效果不明显，破碎预处理物料的比表面积比盘磨预处理物料大，但可酶解性较差（酶解还原糖产率分别为8.11%和9.88%）。进一步对机械预处理物料进行亚硫酸氢钠处理后，两者物料的酶解性能都有很大提高，而且破碎预处理物料的可酶解性高于盘磨预处理（酶解还原糖产率分别为45.17%和42.56%）。
黄孢原毛平革菌预处理可以选择性地降解木质纤维原料中的木素，从而改善物料的酶解效果。在接种量25%，33oC环境中静置培养28天的预处理物料经过灭菌和碱处理后，酶解还原糖得率为14.51%。木素被选择性地脱除（占原料的13.98%）。碱抽提液的GC-MS分析显示，木素中的C_α-C_β键发生氧化断裂，部分木素发生了甲基化等反应。
经过对比，湿氧化预处理效果最好，所得底物的酶解性能最高，NaHSO_3预处理次之，而机械预处理和白腐菌预处理效果较差，因此，继续研究了湿氧化预处理底物的酶解历程和酶解液的发酵。
利用纤维素酶对湿氧化预处理物料进行了水解，响应面分析法得到酶水解的最优工艺条件为：酶解温度49oC，酶解时间56h，酶用量38FPU/g，在此条件下所得纤维转化率为96.39%。水解液中只含有葡萄糖和木糖两种单糖，其中葡萄糖含量最多（占总糖量的97.54%），水解残渣的结晶度大幅下降。对纤维素酶水解过程进行了研究，得出纤维素酶水解动力学方程式可以表达为YC=17.84×C~(0.4244)×(1-e~(-0.2023t))×100%（R~2=0.8658）。
采用浓硫酸对杨木废弃物进行水解，响应面分析法得到浓酸水解的最优工艺为：温度50.97oC，时间120min，硫酸浓度60%，所得纤维转化率为90.81%。HPLC分析结果表明所得水解液的主要成分为葡萄糖（占总糖量的60.49%，木糖占19.84%），另含有单糖降解物（主要为乙酸和羟甲基糠醛）。X-RD表明水解残渣结晶度下降幅度较大，浓酸水解动力学方程YC=39.24×T~(0.1808)×(1-e~(-0.0726t))×100%（R~2=0.8105）。
采用稀酸对杨木废弃物进行水解，响应面分析法得到稀酸水解的最优工艺为：温度158oC，时间5min，酸浓2.5%，所得纤维转化率为52.97%。水解液中主要成分是木糖（占总糖量的64.80%，葡萄糖占18.93%），而水解液中的单糖降解物很少，说明在稀酸水解过程中只有极少量的碳水化合物发生了降解，水解物料的结晶度降低。
对酿酒酵母发酵工艺（以葡萄糖为底物）进行了优化，得到最佳发酵条件为：发酵温度33oC，底物浓度7.5g/L，发酵液初始pH值5.25，接种量5%，转速160r/min，发酵时间48h，在此条件下所得乙醇转化率为82.99%。对湿氧化预处理物料的纤维素酶水解液进行浓缩和脱毒后在最佳发酵条件下发酵，所得乙醇转化率为70.83%。对杨木废弃物湿氧化预处理-酶解-发酵过程进行了物料衡算，得出乙醇产率相当于理论产率的50%。
Selection and optimization of pretreatment operations on poplar wood processing residues,including chemical method (wet-oxygen, sodium hydrosulfite), mechanical method (platerefiner and miller) and biological method (fungi strain: Phanerochaete chrysosporium), prior tohydrolysis, were investigated in this thesis. Some modern analysis instruments such as X-RD,SEM, TG, FT-IR, HPLC and GC-MS were employed to characterize physical and chemicalchanges of poplar stocks and hydrolyzate with different pretreatment methods. To compareconversion effects of different hydrolysis conditions on production of reducing sugars, acidichydrolysis (concentrated and low-consistency sulfuric acid) and enzymolysis (cellulase) wereapplied, the hydrolyzed residual solids and hydrolyzate were analyzed, and kinetic modelswere explored. Finally, fermentation of enzymic hydrolyzate by yeast was carried out toproduce bio-ethanol.
Wet oxidation, a lignin and hemicellulose-selective oxidation operation combining oxygenand alkali at higher pressure condition, was applied to pretreatment of poplar wood processingresidues. Results show that hemicellulose was removed effectively, and cellulose (cellulose63.26%, pentose2.77%) contents was enriched in pretreated stock and the performance ofenzymic hydrolysis was enhanced. The optimal conditions of wet-oxidation were proposed,such as: initial pH number of10, reaction time15min, elevated temperature195°C, and oxygenpressure1.2MPa. The optimal wet-oxidation conditions was verified and crystallinity ofpretreated stock decreased from85.42%to65.74%(by X-RD), fiber surface corrodedextensively (by SEM), de-lignification effectively (by FT-IR) and provided enzymic hydrolysisof pretreated poplar wood processing residues a reducing sugar yield of46.75%. It could beconcluded that this pretreatment operation can benefit to sequenced enzymolysis operation.
Sodium hydrosulfite (NaHSO_3) pretreatment was based on the lignin dissolution withsulfonation reaction, resulting to enforced the stock enzymolysis. The proper conditions wereproposed as: dosage of NaHSO_36%(w/w), solid to liquor ratio1:3, temperature200oC and time30min, lignin and hemicellulose was removed obviously (lignin content decreased from23.6%to16.7%, hemicellulose content referred as pentose from18.7%to1.66%). Afterenzymic hydrolysis, the reducing sugar yield of41.55%can be obtained. The crystallinity ofpretreated stock was decreased to31.57%, the specific surface area of cell-walls increasedwhich also can benefit to the followed enzymolysis.
The proposed of mechanical method, breaking up and grinding, could increase the fiberspecific surface area to improve stock enzymolysis, however, the effect was limited. Theenzymolysis of pretreated stock was not increased corresponding with higher BET surface area(reducing sugar yield was8.11%and9.88%, respectively). The two kinds of stocks werefurther treated by sodium hydrosulfite, and the enzymolysis properties were increased greatly.The reducing sugar yield was45.17%and32.56%, respectively.
Phanerochaete chrysosporium pretreatment could remove lignin in raw material andincrease reducing sugar yield. The proposed condition for this pretreatment as: inoculationamount25%, training28days at33oC environment quietly. After sterilization and alkalineextraction, the stock was enzymolysis by cellulase, and14.51%of reducing sugar yield couldbe obtained. Lignin in raw material was selectively removed (13.98%of raw material), GC-MSshowed the fracture of C_α-C_βbond and methylation of lignin during pretreatment.
During these pretreatments, the effect of wet oxidation was the best, the effects ofmechanical and Phanerochaete chrysosporium pretreatment were limited. Therefore, wetoxidation pretreatment was chosed to discuss enzymolysis progress and fermentation.
Cellulase was employed for hydrolysis of wet oxidation pretreated stock, the proposedcondition was: temperature49oC, time56h, enzyme loading38FPU/g. Under above condition,the cellulose conversion of96.39%could be obtained. The hydrolysate just contained glucose(97.54%) and xylose, and the crystallinity of residue dropped substantially. The kinetic ofenzymolysis can be expressed as: Y_C=17.84×T0.4244×(1-e~(-0.2023t))×100%(R~2=0.8658).
Concentrated sulfite acid was employed for hydrolysis of Poplar wood processing residue,the proposed concentrated sulfite acid hydrolysis condition was: temperature50.97, time120min, H_2SO_4concentration60%. The optimal mesh number of poplar wood processing residue grain size was160-200. Under above condition, the cellulose conversion of90.81%can beobtained. The hydrolyzate contained glucose (60.49%) and xylose (19.84%), what’s more,acetic acid and hydroxyl methyl furfural (HMF) was the main degradation products. Thecrystallinity of residue decreased greatly. The kinetic of concentrated sulfite acid hydrolysiscan be expressed as: YC=39.24×T~(0.1808)×(1-e~(-0.0726t))×100%(R~2=0.8105).
Comparing with concentrated sulfite acid hydrolysis, low-consistency sulfuric acidhydrolysis was chosen. The proposed low-consistency sulfuric acid hydrolysis condition was:temperature of158oC, time5min, H2SO4concentration2.5%, and under these conditions,52.97%of cellulose conversion could be obtained. The hydrolyzate contained xylose (64.80%),glucose (18.93%) and small amount of degradation products. The crystallinity of residue wasdecreased.
The fermentation process of Saccharomyces cerevisiae (with glucose as the substrate) wasoptimized as: fermentation temperature33oC, substrate concentration7.5g/L, initial pH5.25,inoculation amount5%, rotated speed160r/min and fermentation time48h. Under abovecondition,82.99%of ethanol conversion could be resulted. The ethanol conversion of70.83%can be obtained with enzymolysis hydrolyzate of wet oxygen pretreated stock as substract.Finally, material balances for the conversion of poplar wood processing residue to ethanol (wetoxidation pretreatment-enzymolysis-fermentation) was calculated. According to the effectiveexperimental results, the ethanol yield (equivalent to theory production) of50%can beobtained.
引文
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