玉米秸秆制乙醇过程中的酸、碱预处理及聚乙二醇/酶解

七进2008年第27卷增刊CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS●105.玉米秸秆制乙醇过程中的酸、碱预处理及聚乙二醇/酶解计红果12，庞浩，刘伟2，廖兵'(1中国科学院广州化学研究所，中国科学院纤维素化学重点实验室，广东广州510650;2中国科学院研究生院，北京10039)摘要:为了用玉米秸秆制备乙醇，对玉米秸秆进行酸碱预处理并进行酶解。通过处理渣的红外光谱、结晶度的变化及滤液中还原糖含量比较两种方法对木质纤维素的不同作用及对随后纤维素酶水解的影响。非离子表面活性剂聚乙二醇对两种玉米秸秆处理渣的酶解增强效果明显。结果显示酸处理主要是溶解木质纤维素中的半纤维素，碱处理是降解木质素，两者分别获得8.3 gL, 3.9 g/L还原糖;聚乙二醇对两种处理渣的酶解都有促进作用，本实验条件下，碱处理效果较好,处理渣经纤维素酶水解得到27.7 g[L还原糖，添加聚乙二醇后还原糖浓度提高50.5%.关键词:玉米秸秆;预处理;酶解;聚乙二醇利用农作物秸秆、林业加工废料和废弃纸品压下80~100 C搅拌、蒸煮回流6h。反应物冷却, .等木质纤维素原料生产绿色可持续发展能源替代过滤，清洗至pH=5~7,滤渣放于烘箱内105 C烘品-乙醇已成为国内外广泛关注的研究课题["。干3h，以备下一步酶水解使用。其中较为有效的- -种转化途径是利用纤维素酶对预1.4聚乙二醇/纤维 素酶水解处理后的原料生物降解获得糖，再通过微生物发酵0.1 mol/L、pH=4.8 的柠檬酸/柠檬酸钠缓冲溶分解糖得到乙醇。预处理方法很多，真接影响酶解液60mL,酶/底物质的量比为0.02,50C、160r/min效果25]。酶解是关键步骤，研究人员致力于从各方于SHZ 82A恒温气浴振荡仪振荡培养80 h。0.3 g面提高酶解效率，降低成本，研究发现非离子表面聚乙二醇4000于反应前1h加入。活性剂对酶水解木质纤维素具有明显的促进效果。1.5分析测试.有相关报导表示表面活性剂对纯纤维素的酶解无促取样:反应过程中吸管取滤液，10 000 r/min进作用'6，对酸处理木质纤维素作用优于碱处理木离心分离,取上清液待测。预处理液要求调pH=5~质纤维素7，从而说明其主要作用机制是表面活性7。酶解液取出后立即于沸水浴加热5 min。剂减少了酶在木质素上的无效吸附，提高酶利用还原糖总量由3.,5-二硝基水杨酸即DNS法用率8);还有报道称表面活性剂增强了体系的亲水性,UV-2550紫外分光光度计测定。降低固液两相反应阻力，提高了反应效率91。滤渣及原料的红外吸收谱由RX-65A傅里叶红本文分别采用酸、碱预处理玉米秸秆，比较两外光谱仪测得。种作用方式的区别，将处理渣进行纤维素酶水解和2结果与讨论聚乙二醇/纤维素酶水解，考察处理方法对酶解的影响，以及聚乙二醇在纤维素酶水解两种处理渣过程2.1玉米秸秆的预处理中的促进作用。.按1.2所述分别对玉米秸秆粉进行酸、碱预处理，从处理液中总还原糖含量随时间变化及滤渣的1原料与方法红外、X-ray 谱图分析两种处理方法的差异。1.1原料由图1可看出，2354cm-1处的酸半纤维素特玉米秸秆购于辽宁省松原市，粉碎至80目左征峰经碱处理后有所减弱，经酸处理后基本消失,右，在105 C烘千3h备用。而1626 cm-'、1504cm~'、 1355cm~、1241 cm-里氏木酶纤维素酶，上海 伯澳生物技术有限公的吸中国煤化工酸可以溶解木质司，初始酶活15 000 U/go纤维CN M H G降解部分木质素，1.2 碱、碱预处理酸处理后，干纤班系仅旧肝，咸物分子结晶度也烘干的玉米秸秆粉分别于0.8%H2SO4水溶液、相应提高了，正如图2所示，碱处理后，由于碱1.0%NaOH水溶液，以1: 15 (g/mL) 固液比，常的溶胀作用，使木质纤维素经臧处理后结晶度大●106.化工进展2008年第27卷2.2玉米秸秆 的纤维素酶水解及聚乙二醇/纤维素24酸处理酶水解0r将酸、碱处理得到的滤渣于相同条件下分别进270 F60原料行纤维素酶水解和聚乙二醇/纤维素酶水解。由图4、查50图5可见，酶解直接引起木质纤维素结晶度的明显0F30 t碱处理上升，这是由于底物分子中无定形态纤维素易受到0t酶的攻击而降解，而结晶态组分由于致密结构不易o一与酶反应，随水解进行，底物中结晶组分将越来越4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500波数/cm~1多，表现为总体结晶度的上升。添加聚乙二醇酶解图1玉米秸秆及其经酸、 碱预处理后的滤渣的结晶度下降，即聚乙二醇的加入有利于纤维素酶水红外吸光谱图解结晶纤维素，使总体结晶度下降，这与预处理方法无关。1600一原料。3200280012002400PEG/酶解800x 2000海160040012000 t02040 6(8(100201(°1020 304050图2玉米秸秆及其经酸、 碱预处理后的滤渣的X-ray图2081(° )图4经酸预处理 后的玉米秸秆直接酶解及添加聚乙二醇酶大下降。两种处理方法都有利于随后纤维素酶水解解的结晶度变化木质纤维素，酸处理主要是通过溶解半纤维素，降200低反应阻力，增加纤维素表面积，利于酶与底物接3600触并反应;碱处理主要通过溶胀底物分子，去除木3000 t质素，增加反应面积，促进酶解。图3是两种预处理溶液中总还原糖含量随反应t 1800 t时间的变化。半纤维素的水解产物主要是大部分的1200 F五碳糖和少许六碳糖，而碱处理主要降解木质素，600因此酸处理得到的糖高于碱处理。本实验条件下，反应4小时后糖含量基本稳定,分别获得8.3 g/L和3020<" )3.9 g/L的总还原糖.图5经碱预处理后的玉米秸秆 直接酶解及掭加聚乙二醇酶■酸处理图6为酶解80h滤液中糖含量随时间变化,●碱处理由图6可知，直接酶解时，碱处理淹的初始反应速率及得糖率都高于酸处理，如表1所示，添加聚乙二醇酶解，酸、碱处理渣的最终得糖率分别为11.7gL中国煤化工别提高了27.2%、50.5CNMHG时间/h显然，在本实验条件r,饿处理玉米秸秆的酶图3玉米秸秆经酸、 碱预处理后滤液中解效果好于酸处理，聚乙二醇对两种预处理渣的酶总还原糖含量解都有促进作用，在碱处理渣.上表现更明显。增刊计红果等:玉米秸秆制乙醇过程中的酸、碱预处理及聚乙二醇/酶解●107.s0上升，得还原糖8.3g/L;碱处理主要是溶胀分子，，40去处木质素，提高酶解效果，处理后结晶度下降，得还原糖3.9 g/L。 聚乙二醇可有效增强纤维素酶。30解效果，不受酸、碱处理方法限制，只是作用程; 20度不同。本实验条件下，酸、碱处理的玉米秸秆10 I直接酶解得还原糖浓度分别为9.2 g/L、27.7 g/L，添加聚乙二醇酶解得还原糖浓度分别提高到11.7g/L、41.7g/L. 另外，木质纤维素预处理及酶解效60时间h果也可从底物的失重率间接表现出来。非离子表图6经酸、 臧预处理后的玉米秸秆真接酶解及添加聚乙二面活性剂对纤维索酶水解木质纤维素的增强作用醇酶解，溶液中还原糖含量随水解时间的变化值得进一步关注，下一步工作中作者将选择具体■酸处理后直接酶解:●碱处理后直接酶解:体系进行详细研究。，▲酸处理后PEG酶解:▼碱处理后PEG酶觶参考文献2.3失重率({1]陈洪章. 纤维素生物技术[M].北京:化学工业出版社，2005.对本文涉及的几组实验，计算相应的失重率，(2] 计红果，庞浩，廖兵.木质纤维戴的预处理及酶解[J].化学通报，2008 (5); 329-334.如表1所示。结合相应实验所得还原糖含量可以[3] Charles E W, Bruce E D, RicbardTE, et al. Coordinated development看出，反应程度越大，所得糖浓度越高，失重率of leading biomass pretreatment technologies({]. Bioresource也越大。因此失重率也可以看作衡量反应效果的Teclnology, 2005. 96: 1959-1966.[4] ZuSD,WuY X, YuZ N, et a Comparison of three一个因素。microwave/cbemical pretreatment process for enzymatic bhydrolysis ofrice straw[J]. Biosysens Engineering. 2006， 93: 279-283.表1玉米秸秆的预处理 及酶解所得还原糖总量及失重辜[5] CariloF, Lis MJ, Colom X, et al. Efect of alkali pretreatment oncellulose hydrolysis of wheat staw: kinetic study PocssJ],实验总还原糖/g.L1失重韦%Biochemistry, 2005, 40: 3360- 3364.酸预处理3.3{6] Brjesson J, Petersoo R, Tjemeld F Enhanced enzymatic conversion of碱预处理3.9softwood lgoclulose by poly(ethylene glycol) addition[J].酸处理后酶解,.26.7Enzymeand Microbial Technolog, 2007， 40: 754-762.[7] KristensenJB, BrjessonJ, Brun M H, etal. Use of surface active碱处理后酶解7.71.4additives in enzymatic bydrolysis of wheat straw lgnocelulose[I].酸处理后PEG酶解1.729.7Enaymeand Microbial Technolog, 2007, 40: 88-895.碱处理后PEG酶解[8] EnikssonT, Borjesso J, Tjerneld R. Mechanism of surfactant efet inenzymatic hydrolysis of lgnoelulose[], Enyme and Micobial3结论Technology, 2002. 31: 353-364.[9] ParkJW, Takahata y, Kajuchi T, et al. Efects of nonionic surfactant酸处理玉米秸秆主要是溶解半纤维素，增加on eazymatic bydrolysis of used newspaper[]). Biotechnol. Bioeng.酶与纤维素反应面积，促进酶解，处理后结晶度1992. 39: 1.1210.0第一作者简介:计红果(1981--),女，博士研究生，主要从事植物生物质能源化利用研究工作。E - mailjihongguo@gic.ac.cn. 联系人:廖兵，研究员，博士生导师，从事功能高分子材料、生物质材料的研究。E - mail liaobing@gic.ac.cn.中国煤化工MYHCNMHG