杨树转化燃料乙醇的H2SO4预处理效果研究

第21卷第3期甘肃科学学报2009年9月Journal of Gansu Sciencessep.2009杨树转化燃料乙醇的H2SO4预处理效果研究陶玲,任珺,何宝珍,乔国栋〔兰州交通大学环境与市政工程学院,兰州交通大学环境生态研究所,甘肃兰州730070)摘要:采用H2SO、对不同种杨树进行预处理,探讨经过处理后不同品种杨树的纤维素、半纤维素、木质素等木质特征的含量变化情况.结果表明,木质纤维纛原料预处理是木质纤维素转化过程中重要的一个环节,H2SO4处理后的杨树木屑样品中的纤维素含量明显增加,半纤维素含量则减少可以缩短微生物转化的时间,减少纤维素酶的用量并提高乙醇的产率关键词:预处理;杨树;木质特征;燃料乙醇中图分类号:TQ351.01+1文献标志码:A文章编号:10040366(2009)03-005704Effect of H, so, Pretreatment on Wood Characteristics ofPoplar Used in Transformation of Fuel EthanolTAO Ling, REN Jun, HE Bao-zhen, QIAO Guo-dong(School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)Abstract: The content changes in cellulose, hemicellulose and lignin of five differentwere studied after H, SO. pretreatment. Results showed that after H2 SO pretreatment ofwood sam-ples, the cellulose content increased significantly, but lignin content reduced. The pretreatment of lignocel-lulosic material is an important aspect of lignocellulosic transforming process; it can shorten the time of mi-cro-organism conversion, reduce the amount of cellulase and improve the yield of ethanol.Key words: pretreatment; poplar; characteristics of wood; fuel ethanol我国石化资源贮量有限但能源需求量巨大,为75%.据文献报道,每年地球上由光合作用生成的维持经济、资源、环境的协调可持续发展开发利用植物体总量达18×10kg,其中40%是纤维素生物质能源对我国具有重要的战略意义,2.燃料纤维素类资源具有来源丰富、品种多、再生时间短等乙醇也称生物燃料、燃料酒精,是生物质能源的一优点0,我国的纤维素原料非常丰富,其中玉米秸种,具有无污染,可再生,易于普及推广使用安全等(35%)小麦秸(21%)和稻草(19%)是我国的3大优点4,乙醇混合燃料不但可以减少汽油的用量,秸秆,林业副产品、城市垃圾和工业废物数量也很可还可以减少温室气体的排放,燃料乙醇以淀粉质、观m.因此,以纤维素降解发酵生产乙醇具有巨大糖质、纤维素为原料,其燃烧所释放的二氧化碳量等的潜力于通过光合作用和酒精发酵所固化的二氧化碳纤维素是一种以很多的葡萄糖单体以β1,4糖量.我国的燃料乙醇生产已形成规模,主要是以玉苷键连接的直链多糖,多个分子平行紧密排列成丝米为原料,同时正在积极开发甜高粱、薯类秸秆等状不溶性微小纤维,其基本组成单位是纤维二糖,是其他原料生产乙醇,目前产量居世界第三t多组分物料纤堆耋在歡温下不会发生水解作纤维质原料的主要有机成分包括纤维素、半纤用,中国煤化工响很小.为了维素和木质素3部分,约占生物质干重的70%~提高CNMHG纤维素原料进行收稿日期:20090105基金项目:兰州交通大学“青蓝”人才工程基金58甘肃科学学报009年第3期预处理,其目的是降低纤维素的聚合度、结晶度,破的木屑后,用去离子水冲洗,调整pH值至中性后所坏木质素、半纤维素的结合层脱去木质素,增加有得即为处理的实验样品21效比表面积11.目前,用于植物木质纤维素原料12纤维素、半纤维素和木质素的测定预处理的方法包括物理化学方法、液氨冷冻爆破法、将1g样品放入250mL干净锥形瓶中,加入超临界CO2法和微波处理等6-21.稀酸预处理的25mL硝酸一乙醇混合液,沸水浴加热1h后移去冷基本原理是利用植物纤维中各组分对酸的稳定性不凝器,取下锥形瓶静置用G2玻沙漏斗滤出液体后用同而达到除去杂质的目的.人们对稀酸预处理研究真空将滤器中滤液吸干,用此方法反复多次,直到试的比较多2-2)样成白色.最后将锥形瓶中试样全部移入滤器,用10杨树是一种速生、适应性强、分布广、品种多的mL硝酸一乙醇混合液洗涤,再用热水洗涤用甲基橙树种,中国的杨树资源非常丰富,天然林面积约3×试之不呈酸性为止,最后用乙醇洗涤2次吸干洗液10hm2,天然种有53种之多20.我们就经H2SO4在105±3℃烘干至恒重计算得纤维素的含量)预处理不同种杨树后纤维素、半纤维素、木质素含量称取已粉碎试样20g置于100mL的烧杯中,加等木质特性的影响做了初步探讨,采用预处理综合2%的硫酸水解煮沸2~3h后,冷却后用已称重的化法即机械粉碎法和酸处理法对5种不同品种的杨砂芯漏斗抽滤,然后把砂芯漏斗和残渣放在干燥器中素等木质特征预处理前后的变化,为后续的纤维素素=1-(W-砂芯漏斗质量)/绝干试样质量”象树进行预处理然后比较其纤维素、半纤维素、木质干燥取出称重W.半纤维素的含量计算公式:半纤维原料制取燃料乙醇提供参考称取0.5g(W1)样品放人研钵中,加入72%硫1实验部分酸20mL,用研磨棒搅拌至无块状,室温静置4h,将该混合液移至1000mL的三角瓶中,加入蒸馏水1.1材料与方法765mL,在电炉上回流煮沸4h后,用已恒重(W2)实验材料选用河北杨( Ponulus hopeiensis);新疆的砂芯坩埚(规格G4)抽除过滤,再将盛有木质素的杨 Populus bolleana);银白杨( Populus alba);箭杆杨坩埚放在烘箱中105℃烘至恒重,取出称重(W)( Populus nigrae)和大叶杨( Populus lasiocarpa)的幼木质素含量%=[W:-W2)/W1]×100苗,树苗采自兰州市红古区水车湾种苗繁育中心1.3数据统计分析先将杨树枝条用电锯截成小段分类做好标记装采用 Statistica6.0统计软件对实验的数据利用人培养皿中然后放入烘箱,并调整温度到(45±3)℃,单因素方差分析(ANOA)对5种杨树的纤维素称重后放到烘箱中干燥48h,然后放到干燥器中,自半纤维素和木质素及处理后的纤维素、半纤维素和然冷却到室温,最后将木头放入电动粉碎机进行机器木质素之间的差异性进行显著性分析,并且利用最粉碎处理,同时釆用筛网进行过滤处理小显著性差异(LSD)多重比较方法,对5种杨树预在固液比为1:30,常压下煮沸1h,采用质量处理前后的纤维素、半纤维素和木质素的两两之间分数为1%的H2SO溶液分别处理上述5种树种的差异性进行比较分析(见图1)中国煤化工半纤维素木质素CNMHG图1杨树硫酸预处理前后纤维素、丰纤维素和木质素的含量口河北杨四新杨曰银白杨m箭杆杨■大叶杨第21卷陶玲等:杨树转化燃料乙醇的H2SO4预处理效果研究2结果与分析质素含量高于河北杨银白杨、大叶杨的木质素含量预处理后河北杨、新疆杨、银白杨、箭杆杨、大叶2.1预处理对杨树木质特征的影响杨5种杨树的纤维素含量不存在显著性的差异,河预处理前河北杨、新疆杨银白杨、箭杆杨、大叶北杨、银白杨、箭杆杨的纤维素含量不存在显著性的杨5种杨树的纤维素含量、半纤维素含量不存在显差异著性的差异.预处理后河北杨新疆杨银白杨、箭杆预处理后5种杨树的纤维素含量明显高于预处杨、大叶杨等5种杨树的半纤维素含量、木质素含量理前的纤维素含量;半纤维素含量、木质素含量低于不存在显著性的差异预处理前的半纤维素含量、木质素含量预处理前新疆杨的木质素含量与河北杨、银白2.2杨树木质特征预处理的效果研究杨、箭杆杨、大叶杨相比表现出显著性的差异(F利用单因素方差分析硫酸处理前后的5种杨树8.4118,p=0.0031).预处理前新疆杨箭杆杨的木的纤维素、半纤维素和木质素含量的差异(见表1)衰1杨树预处理前后纤维素、半纤维章、木质含量的方差分析纤维素半纤维素木质素处理前处理后处理前处理后处理前处理后F值含量/%含量/%含量/%合量/%含景/%含囊/%河北杨45.292.910.6177疆杨41.6128.310··25.1430.2621.3021.170028.15.250·0.3796杆杨43.4153.2826.2216.3422.110··27.3323.401.8230大叶杨0.5290注:·表明方差分析结果为一般显著性差异(0.01