水熱耦合稀乙酸拆解楊木纖維的條件優(yōu)化及表征

水熱耦合稀乙酸預(yù)處理固體殘?jiān)皖A(yù)處理液中葡萄糖、木糖、乙酸、糠醛、5-羥甲基糠醛和木質(zhì)素含量的測(cè)定參照美國(guó)能源部NREL/TP510-42618標(biāo)準(zhǔn)^[16]，均采用日本島津LC-16高效液相色譜儀（HPLC）測(cè)定。

葡萄糖、木糖和乙酸的含量測(cè)試采用的色譜柱為Aminex HPX-87P，示差折光檢測(cè)器。測(cè)試條件為：流動(dòng)相0.05 mol/L H₂SO₄、流速0.6 mL/min，進(jìn)樣量20 μL；糠醛和5-羥甲基糠醛含量測(cè)試采用的色譜柱為Shim-pack GIST C18，UV檢測(cè)器，流動(dòng)相為乙腈∶水=10∶90，流速1 mL/min，進(jìn)樣量20 μL。所測(cè)樣品均用0.22 μm水系濾膜過濾后進(jìn)樣。

水解液中低聚合度木糖含量的檢測(cè)方式為再水解，即水解液與同體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)8% H₂SO₄溶液混合（即H₂SO₄質(zhì)量分?jǐn)?shù)稀釋為4%），隨后在121℃的高壓滅菌鍋中水解60 min。水解后的溶液經(jīng)HPLC檢測(cè)后可得到水解液的總木糖濃度，即預(yù)處理后水解液中木糖和低聚合度木糖含量的總和，總木糖含量減去再水解之前水解液測(cè)得的木糖含量即為低聚合度木糖含量。

纖維素是林木生物質(zhì)轉(zhuǎn)化醇類燃料的最主要組分，通過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理將纖維素與半纖維素、木質(zhì)素分離，從而增加纖維素酶的可及性，即為纖維素拆解分離。纖維素拆解分離得率是指林木生物質(zhì)經(jīng)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理固體殘?jiān)械睦w維素質(zhì)量與原料中的纖維素質(zhì)量之比。本研究中纖維素拆解分離得率（ε）、木糖去除率（σ）及木質(zhì)素去除率（μ）分別按式（1）、式（2）和式（3）計(jì)算。

式中， X1$X_{\mathrm{1}}$表示楊木中纖維素質(zhì)量，g；X2$X_{\mathrm{2}}$表示楊木經(jīng)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理后固體殘?jiān)欣w維素質(zhì)量，g；Y1$Y_{\mathrm{1}}$表示楊木中木糖質(zhì)量，g；Y2$Y_{\mathrm{2}}$表示楊木經(jīng)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理后固體殘?jiān)心咎琴|(zhì)量，g；Z1$Z_{\mathrm{1}}$表示楊木中木質(zhì)素質(zhì)量，g；Z2$Z_{\mathrm{2}}$表示楊木經(jīng)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理后固體殘?jiān)心举|(zhì)素質(zhì)量，g。

采用美國(guó)安捷倫科技有限公司7890A-5975C型氣質(zhì)聯(lián)用儀（GC-MS）對(duì)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理液的成分進(jìn)行分析。色譜條件：色譜柱為HP-5MS (30.0 m×250 μm, 0.25 μm)，氣化室溫度250℃，載氣He，載氣流量1.0 mL/min，不分流進(jìn)樣。質(zhì)譜條件：EI源，電子能量70 eV，離子源溫度230℃，掃描質(zhì)量范圍為20～500 amu。

水熱耦合稀乙酸預(yù)處理前后楊木的比表面積、孔容和孔分布情況采用美國(guó)康塔NOVA2000e氮吸附儀測(cè)定。采用日本島津IRTracer100傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）表征固體殘?jiān)Y(jié)構(gòu)，掃描范圍為 400~4000 cm^-1，分辨率為2 cm^-1，掃描次數(shù)為 2次。采用日本理學(xué)UItimaIV X射線衍射儀（XRD）對(duì)比分析楊木、固體殘?jiān)慕Y(jié)晶結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)條件：管壓40 kV，管流40 mA，入射線波長(zhǎng)0.15418 nm，掃描范圍2θ=3°~90°，掃描步長(zhǎng)0.04°，掃描速度38.4 s/步。纖維素結(jié)晶度（CrI）計(jì)算如式（4）所示。

式中，I002$I_{\mathrm{002}}$和Iam$I_{\mathrm{a}\mathrm{m}}$分別表示2θ=22°時(shí)結(jié)晶區(qū)的最大峰強(qiáng)度和2θ=18°時(shí)非結(jié)晶區(qū)的最小峰強(qiáng)度。

圖1為溫度170℃、反應(yīng)時(shí)間30 min、固液比1∶20條件下，乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)拆解楊木纖維三大組分的影響。從圖1中看出，純水水熱對(duì)楊木的拆解作用比較溫和，能保留絕大部分的纖維素，但對(duì)木糖的去除效果有限，去除率僅為73.2%。加入低濃度的乙酸可以提高催化活性，促進(jìn)楊木纖維中聚木糖的水解。隨著乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，木糖去除率不斷上升，但纖維素拆解分離得率會(huì)略有下降。而當(dāng)乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，木糖去除率提高到92.9%，木質(zhì)素去除率為11.8%，同時(shí)纖維素拆解分離得率仍可以達(dá)到94.0%。繼續(xù)增加乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，纖維素拆解分離得率大幅下降至78.2%，木質(zhì)素的去除率增加到21.2%，而木糖去除率相差不大。由此可見乙酸水熱法所加入的乙酸含量不宜過高，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的乙酸可以在最大程度保留纖維素不被破壞的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)木糖的高去除率。

圖1  乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)楊木纖維拆解效果的影響

Fig. 1  Effect of acetic acid mass fraction on the deconstruction of poplar fiber

圖2為乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、溫度170℃和反應(yīng)時(shí)間30 min條件下，固液比對(duì)拆解楊木纖維三大組分的影響。從圖2中可以看出，固液比對(duì)纖維素拆解分離得率影響不大，而木糖去除率隨著固液比的增加先上升后下降。在固液比為1∶20時(shí)木糖去除率達(dá)到峰值92.9%，而在固液比為1∶30時(shí)木糖去除率驟降至81.1%，這是由于過量的水反而吸收了反應(yīng)體系的空化能量，導(dǎo)致木糖去除率下降^[7]。木質(zhì)素去除率隨固液比的增大略有上升并逐漸呈現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢(shì)，大都在10%左右，由此可見，固液比對(duì)木糖的去除率影響較大，而對(duì)纖維素和木質(zhì)素的影響較小，選擇固液比為1∶20較為合適。

圖2  固液比對(duì)楊木纖維拆解效果的影響

Fig. 2  Effect of solid-liquid ratio on the deconstruction of poplar fiber

圖3為乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、溫度170℃和固液比1∶20條件下，反應(yīng)時(shí)間對(duì)拆解楊木纖維三大組分的影響。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為10 min時(shí)，雖然纖維素的拆解分離得率高達(dá)98.3%，但此時(shí)木糖和木質(zhì)素的去除率均處于較低水平，不利于楊木纖維三大組分的拆解。延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，纖維素的拆解分離得率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈線性降低，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為120 min時(shí)，纖維素拆解分離得率降至86.4%。與此同時(shí)，木糖的去除率隨反應(yīng)時(shí)間的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)，木糖去除率大幅升高至92.9%，此時(shí)木糖去除率與纖維素的拆解分離得率均保持在較高水平，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí)，木糖去除率與30 min時(shí)相當(dāng)。繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，木糖去除率開始下降，120 min時(shí)僅為83.5%。木質(zhì)素去除率隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)沒有特別明顯的變化趨勢(shì)，大都在7%～13.3%的范圍內(nèi)。在反應(yīng)時(shí)間為120 min時(shí)，木質(zhì)素去除率達(dá)到最大值13.3%，這也說明反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致木質(zhì)素的降解，綜上所述可以初步確定反應(yīng)時(shí)間為30 min。

圖3  反應(yīng)時(shí)間對(duì)楊木纖維拆解效果的影響

Fig. 3  Effect of holding time on the deconstruction of poplar fiber

圖4為乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、反應(yīng)時(shí)間30 min和固液比1∶20條件下，溫度對(duì)拆解楊木纖維三大組分的影響。從圖4中可以看出，纖維素拆解分離得率隨溫度的升高逐漸降低，木糖去除率隨溫度的升高呈先升高后略有下降的趨勢(shì)。當(dāng)溫度低于180℃時(shí)，能保持較高的纖維素拆解分離得率且均在91.3%以上，木糖的去除率在170℃時(shí)達(dá)到最大值92.9%。當(dāng)溫度超過185℃時(shí)，纖維素拆解分離得率由于纖維素的降解而開始下降，同時(shí)木質(zhì)素的去除率顯著增加，其所形成的水溶性物質(zhì)可能因?yàn)樵倌Y(jié)作用而附著于水熱濾渣的表面^[17]，從而導(dǎo)致木糖去除率也隨之下降。木質(zhì)素去除率隨溫度的升高呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在200℃時(shí)達(dá)到15.2%，這也間接地說明溫度對(duì)木質(zhì)素去除率的影響并不大。因此，水熱耦合稀乙酸預(yù)處理的溫度不宜過高，170℃時(shí)較為合適。

圖4  溫度對(duì)楊木纖維拆解效果的影響

Fig. 4  Effect of temperature on the deconstruction of poplar fiber

綜上所述，水熱耦合稀乙酸拆解楊木纖維的較優(yōu)條件為：乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、固液比1∶20、溫度170℃、反應(yīng)時(shí)間30 min。此時(shí)，纖維素拆解分離得率為94.0%，木糖去除率為92.9%，木質(zhì)素去除率為11.8%。

采用氮吸附儀對(duì)楊木經(jīng)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理前后的孔隙結(jié)構(gòu)變化情況進(jìn)行分析，未經(jīng)預(yù)處理的楊木比表面積和孔體積較小，其比表面積為1.46 m²/g，孔體積為0.004 cm³/g，說明楊木結(jié)構(gòu)較為致密，使得纖維素酶難以和纖維素形成有效的接觸。而采用水熱耦合稀乙酸的方法對(duì)楊木進(jìn)行預(yù)處理后，楊木的比表面積增加至2.25 m²/g，孔體積增大至0.01 cm³/g，說明此預(yù)處理可以有效地破壞楊木的致密結(jié)構(gòu)，從而使更多的纖維素暴露出來(lái)，提高了纖維素酶的可及性^[18]。

采用FT-IR和XRD對(duì)水熱耦合稀乙酸預(yù)處理產(chǎn)生的固體殘?jiān)M(jìn)行結(jié)構(gòu)表征（見圖5）。FT-IR振動(dòng)峰對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)歸屬參考文獻(xiàn)[19-20]。如圖5（a）所示，1740 cm^-1處的振動(dòng)峰為聚木糖的特征峰，經(jīng)過水熱耦合稀乙酸預(yù)處理后，1740 cm^-1處振動(dòng)峰明顯減弱，說明大部分半纖維素被脫除。1024、1112、898 cm^-1處的振動(dòng)峰為纖維素特征峰，其中898 cm^-1處是纖維素I型特征峰，表明預(yù)處理不會(huì)改變纖維素的晶型。固體殘?jiān)腦RD衍射結(jié)果如圖5（b）所示。從圖5（b）可以看出，處理前后主要信號(hào)峰均在2θ=18°~22°，均為纖維素I型的晶面。這表明纖維素的晶態(tài)結(jié)構(gòu)并沒有因?yàn)轭A(yù)處理而發(fā)生明顯改變，與紅外分析結(jié)果一致。由式（4）計(jì)算得出楊木的結(jié)晶度為35.4%。經(jīng)預(yù)處理后，固體殘?jiān)Y(jié)晶度為41.5%，結(jié)晶度略有提高，這說明在水熱耦合稀乙酸預(yù)處理過程中，隨著木糖的去除，使得纖維素組分比例增加，從而表現(xiàn)為纖維素結(jié)晶度的增加。

圖5  水熱耦合稀乙酸預(yù)處理前后楊木的FT-IR譜圖和XRD譜圖

Fig. 5  FT-IR and XRD spectra of poplar before and after hydrothermal coupling dilute acetic acid pretreatment