氧化甲基吗啉预处理玉米秸秆的工艺研究*

徐友海，张立弟，高玉玲，岳 军，王继艳，金 刚，胡世洋，惠继星

(中国石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021)

木质纤维素类生物质是储量最为丰富的可再生生物质资源，我国是农业大国，农作物秸秆的产量超过7亿t/a，是大规模生产生物燃料的可靠原料来源。这类生物质的主要成分为碳水化合物和木质素等[1]，其中的碳水化合物被纤维素酶降解后所产生的多糖能够被微生物利用，可用来生产燃料乙醇和丁醇等生物燃料，以替代日益稀缺的化石燃料。在生产生物燃料过程中将秸秆原料中的纤维素和半纤维素转化为可发酵性糖是关键步骤之一，但由于其组成成分复杂、纤维素与木质素、半纤维素缠绕在一起，使得水解过程难以迅速进行[2]。因此，必须通过预处理来破坏其完整的物理结构，降低结晶度和聚合度，以提高可水解性。

现有预处理方法以碱法、稀酸、蒸汽爆破等方法为主，已经取得了较好的研究成果[3-5]，但总体上存在能耗和成本高、效率低和规模化困难等问题[6]。其中，稀酸法虽已经规模化，但要求较高酸浓度和反应温度，增加了反应器的成本，残余化学添加物与原料分离困难，对环境的友好性较差，产物中的有害副产物影响进一步生物转化利用[7]。碱法预处理在脱木质素的同时半纤维素也被分解，有效成分损失较多，另外所产生的碱废液难以处理，造成了较大的环境负担。汽爆预处理工艺除使用蒸汽外无其它化学物质的添加，副产物产生量较小，费用较低，但处理后物料的酶解糖收率较低，最优条件下要求压力偏高，处理品质不稳定，难以实现规模化。近年来，环胺氧化物尤其是氧化甲基吗啉(NMMO)被认为是相对比较有前途的预处理木质纤维素类生物质的有机溶剂。研究表明，NMMO可以与水混溶且其N—O具有很强的极性，可破坏木质纤维素的氢键网络并与纤维素形成新的氢键，降低其结晶度，从而有效地提高木质纤维素原料的糖化效果。

作者利用NMMO对玉米秸秆进行预处理，以水解还原糖收率和秸秆回收率为主要指标，考察预处理温度、处理时间和w(NMMO)等因素对玉米秸秆预处理效果的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

玉米秸秆：来自吉林市周边某玉米产地；纤维素酶：Celluclast 1.5 L，诺维信生物技术有限公司；冰醋酸、醋酸钠、3，5-二硝基水杨酸、盐酸、硫酸、NMMO：均为分析纯，市售。

CL-32L高压灭菌锅：日本ALP公司；TGL-16G高速台式离心机：上海安亭科学仪器厂；THZ-98AB恒温振荡器、DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司；SW-CJ-1FD洁净工作台：苏州安泰空气技术有限公司；SSY-H不锈钢恒温水浴锅：上海三申医疗器械厂；SBA-40X生物质传感分析仪：山东省科学院生物研究所；T01-15实验室蒸煮器：咸阳通达轻工设备有限公司；6202小型高速粉碎机：北京燕山正德机械设备有限公司；MS-70快速水分测定仪：日本AND公司；PLUS微孔板光谱仪：美国Molecular Devices。

1.2 实验方法

1.2.1 原料的准备

玉米秸秆自然风干后剪成1～2 cm小段，用6202小型高速粉碎机粉碎后再在 70 ℃ 下干燥 24 h，过0.85 mm 筛，装袋密封于干燥器中备用。

1.2.2 玉米秸秆的预处理

w(NMMO)=85%的水溶液中加入玉米秸秆混合，置于一定温度油浴中，处理一定时间后取出，加入等体积蒸馏水，继续搅拌10 min，抽滤分离处理试样与溶液，处理试样用去离子水洗涤至中性后在 70 ℃ 下干燥至质量恒定，作为酶水解糖化实验的原料，秸秆回收率按下式计算(秸秆质量为干重)。

1.2.3 预处理样品的酶水解

准确称取预处理后的玉米秸秆置于三角瓶中，加入四环素及醋酸-醋酸钠缓冲溶液(0.050 mol/L，pH =4.8)，使最终ρ(秸秆)=20 g/L，φ(四环素)=4 mL/L，纤维素酶添加量为每g底物30FPU。快速混合后于50 ℃恒温摇床中反应，每隔一定时间取样300～500 μL，离心取上清液，测定ρ(还原糖)。还原糖收率按下式计算。

1.3 分析方法

1.3.1 玉米秸秆成分测定

采用美国国家可再生能源实验室(NREL)方法定量分析木质纤维素原料中纤维素、半纤维素及木质素纤维素[8]。

1.3.2 ρ(还原糖)测定

采用DNS 法(3，5-二硝基水杨酸法)测定水解过程中的ρ(还原糖)[9]。

所谓体制机制改革，说到底是权力的问题，是到底谁说了算的问题。学校在教育和管理的过程中，处于什么样的地位，权力是核心。如何扩大学校办学自主权涉及三个方面：一是权力分配，二是赋权，三是以校长为首的管理团队能不能很好地使用权力，既高效又规范。分权的关键在于明确政府的权力边界，赋权的关键在于明确社会中介机构的边界，用权的关键在于明确校长的权力边界。因此，程序建制、明确权力边界很关键。

1.3.3 电镜分析

利用SEM观察和分析处理前后的纤维素物料，获取样品的微观形貌。将喷金处理后的样品放于铝制样品台上，于20 kV电压下获取样品的图像。

2 结果与讨论

2.1 玉米秸秆样品组分分析

对玉米秸秆的纤维素、半纤维素、木质素等主要成分(干基)进行分析，结果见表1。

表1 玉米秸秆主要成分

2.2 温度对预处理效果的影响

将干燥的玉米秸秆按固液比(g/mL)为1∶50加入到w(NMMO)=85%的溶液中，分别于90～150 ℃预处理1 h。预处理结束后，加入一定体积蒸馏水，搅拌10 min，抽滤，并洗涤3次。70 ℃烘箱烘干至质量恒定，称量，计算秸秆回收率。

称取一定量的处理后秸秆按1.2.3的方法进行水解糖化，用DNS法测定ρ(还原糖)，计算其还原糖收率，其中总还原糖收率为还原糖收率与秸秆回收率的乘积，实验结果见图1。

t/℃图1 不同预处理温度对糖化效果的影响

由图1可见，在处理时间一定的条件下，随着温度的提高，处理强度的增强，还原糖收率不断提高，但秸秆回收率逐步降低。在温度120 ℃以下时，这种变化幅度不是很显著，但温度在120 ℃以上时，还原糖收率快速提升，同时秸秆回收率迅速下降，使得相对于初始秸秆的总还原糖收率(还原糖收率与秸秆回收率的乘积)呈现先升高再降低的趋势，拐点出现在130 ℃。因此，在处理时间为1 h的条件下，采用130 ℃进行预处理较为合理。

2.3 处理时间对预处理效果的影响

将干燥的玉米秸秆按固液比(g/mL)为1∶50加入到w(NMMO)=85%的溶液中，分别于90～150 ℃预处理1 h。预处理结束后，加入一定体积蒸馏水，搅拌10 min，抽滤，并洗涤3次。70 ℃烘箱烘干至质量恒定，称量，计算秸秆回收率。

称取一定量的处理后秸秆按1.2.3的方法进行水解糖化，用DNS法测定ρ(还原糖)，计算其还原糖收率，实验结果见图2。

t/h图2 处理时间对糖化效果的影响

由图2可见，在一定温度条件下，随着预处理时间的增加，处理强度增强，还原糖收率逐步提高，秸秆回收率逐步降低。相对于初始秸秆的总还原糖收率呈现先升高再降低的趋势，在130 ℃条件下处理时间1 h总还原糖收率最高。

2.4 处理前后秸秆的电镜分析

未处理物料和利用NMMO在130 ℃处理1 h后的秸秆在放大倍数为1 000倍时的微观结构见图3。

a 未处理

b NMMO预处理图3 处理前后玉米秸秆扫描电镜照片

电镜分析结果可以直观地看到，未经处理的玉米秸秆结构规整、致密，表面比较光滑，而经过NMMO预处理后秸秆的表面变得粗糙，膨胀，失去了原有的紧密结构，这使得纤维表面或内部有更多的接触位点暴露出来，更易于纤维素酶的吸附及酶解，从而提高了纤维素的水解率。

3 结 论

在温度130 ℃条件下预处理1 h，既能保证较高的秸秆回收率，又能得到较好的水解糖化效果，秸秆回收率达到71.5%，还原糖收率为0.51 g/g。电镜结果分析表明，预处理后的玉米秆结构变得疏松，失去了原有的紧密结构，有利于后续酶解阶段酶与纤维素成分的有效结合。

NMMO可以在相对温和的预处理条件下实现对玉米秸秆的高效预处理，是一种非常有前景的木质纤维素类生物质预处理的方法。

[ 参 考 文 献 ]

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[5] 曹建业.美国纤维素乙醇产业化前景[J].全球科技经济瞭望,2007(12)：44-47．

[6] 刘睿，万楚筠，黄茜，等.秸秆预处理技术存在的问题与发展前景[J].环境科学与技术.2009,32(5)：88-91.

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