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)處理固體殘渣和預(yù)處理液中葡萄糖、木糖、乙酸、糠醛、5-羥甲基糠醛和木質(zhì)素含量的測定參照美國能源部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）測定。

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

水解液中低聚合度木糖含量的檢測方式為再水解，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)處理固體殘渣中的纖維素質(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)處理后固體殘渣中纖維素質(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)處理后固體殘渣中木糖質(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)處理后固體殘渣中木質(zhì)素質(zhì)量，g。

采用美國安捷倫科技有限公司7890A-5975C型氣質(zhì)聯(lián)用儀（GC-MS）對水熱耦合稀乙酸預(yù)處理液的成分進行分析。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康塔NOVA2000e氮吸附儀測定。采用日本島津IRTracer100傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）表征固體殘渣結(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）對比分析楊木、固體殘渣的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，實驗條件：管壓40 kV，管流40 mA，入射線波長0.15418 nm，掃描范圍2θ=3°~90°，掃描步長0.04°，掃描速度38.4 s/步。纖維素結(jié)晶度（CrI）計算如式（4）所示。

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

圖1為溫度170℃、反應(yīng)時間30 min、固液比1∶20條件下，乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對拆解楊木纖維三大組分的影響。從圖1中看出，純水水熱對楊木的拆解作用比較溫和，能保留絕大部分的纖維素，但對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略有下降。而當(dāng)乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，木糖去除率提高到92.9%，木質(zhì)素去除率為11.8%，同時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，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，實現(xiàn)對木糖的高去除率。

圖1  乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對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)時間30 min條件下，固液比對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時木糖去除率達(dá)到峰值92.9%，而在固液比為1∶30時木糖去除率驟降至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，大都在10%左右，由此可見，固液比對木糖的去除率影響較大，而對纖維素和木質(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)時間對拆解楊木纖維三大組分的影響。當(dāng)反應(yīng)時間為10 min時，雖然纖維素的拆解分離得率高達(dá)98.3%，但此時木糖和木質(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。延長反應(yīng)時間，纖維素的拆解分離得率隨反應(yīng)時間的延長呈線性降低，當(dāng)反應(yīng)時間為120 min時，纖維素拆解分離得率降至86.4%。與此同時，木糖的去除率隨反應(yīng)時間的增加呈先升高后降低的趨勢，當(dāng)反應(yīng)時間為30 min時，木糖去除率大幅升高至92.9%，此時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)時間為60 min時，木糖去除率與30 min時相當(dāng)。繼續(xù)延長反應(yīng)時間，木糖去除率開始下降，120 min時僅為83.5%。木質(zhì)素去除率隨著反應(yīng)時間的延長沒有特別明顯的變化趨勢，大都在7%～13.3%的范圍內(nèi)。在反應(yīng)時間為120 min時，木質(zhì)素去除率達(dá)到最大值13.3%，這也說明反應(yīng)時間過長會導(dǎo)致木質(zhì)素的降解，綜上所述可以初步確定反應(yīng)時間為30 min。

圖3  反應(yīng)時間對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)時間30 min和固液比1∶20條件下，溫度對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。當(dāng)溫度低于180℃時，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℃時達(dá)到最大值92.9%。當(dāng)溫度超過185℃時，纖維素拆解分離得率由于纖維素的降解而開始下降，同時木質(zhì)素的去除率顯著增加，其所形成的水溶性物質(zhì)可能因為再凝結(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)緩慢增長的趨勢，在200℃時達(dá)到15.2%，這也間接地說明溫度對木質(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℃時較為合適。

圖4  溫度對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)時間30 min。此時，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楊木進行預(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，提高了纖維素酶的可及性^[18]。

采用FT-IR和XRD對水熱耦合稀乙酸預(yù)處理產(chǎn)生的固體殘渣進行結(jié)構(gòu)表征（見圖5）。FT-IR振動峰對應(yīng)的官能團歸屬參考文獻(xiàn)[19-20]。如圖5（a）所示，1740 cm^-1處的振動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)處理不會改變纖維素的晶型。固體殘渣的XRD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)并沒有因為預(yù)處理而發(fā)生明顯改變，與紅外分析結(jié)果一致。由式（4）計算得出楊木的結(jié)晶度為35.4%。經(jīng)預(yù)處理后，固體殘渣結(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