前言

生物精煉與石油練制的概念相似，不同之處在于生物精煉是基于生物質原料的轉化，而不是以原油為原料生產的。生物精煉在理論上是可以以多種生物質形式為原料，形成一個靈活的產品組合，包括燃料、電力、熱量、化學品和材料。在生物精煉廠，生物質將被轉化成更高價值的化學品和燃料 （包括氣體和液體）。一個國家只有具備了一定的生產技能，必要的基礎設施和一定的產業(yè)規(guī)模才可能擁有一個完整的林產工業(yè)。擁有足夠的生物質可以加快生物燃料和生物技術的商業(yè)化發(fā)展進程。美國制漿和造紙工業(yè)每年可以持續(xù)收集和處理約108萬噸木材用于生產紙漿和紙張，每年從制漿工藝中可提取約700萬升松節(jié)油和塔爾油，這些提取物在生物柴油中可得到應用。

木聚糖半纖維素在闊葉木中含量相對較大（15%～30%），在針葉木中含量較少（5%～10%）。 通常，半纖維素有單體的取代基，或在某些情況下，擁有低聚物分支鏈，這些取代基或分子鏈具有不同的組成和結構。在闊葉木中半纖維素具有以β-1-4糖苷鍵合成的平均聚合度為100～200的直鏈木糖單體。目前，在硫酸鹽法造紙廠中，半纖維素這種副產品還沒有得到合理利用。通常，半纖維素的處理方法是在回收爐里焚燒以獲取部分熱量，但半纖維素具有相對低的熱值。如果在制漿操作之前對原料進行一定程度的半纖維素糖類的提取，這樣不僅可以得到新產品，還可以保證硫酸鹽漿的質量。原料經過制漿前的預提取后減少了溶解的木材組成，最終在紙漿纖維得率上不會造成太大影響。在綠液中可以提取部分半纖維素，在這個過程中部分稀白液（未經苛化）可以作為提取半纖維素的萃取溶劑。綠液中的鹽分起到了緩沖作用，以防止pH過低而導致過多提取及紙漿質量的下降。制漿前的預提取物大多都是低聚糖。在這個過程中還可以得到一定量的醋酸。乙酰脂通常黏著在半纖維素上，另一些則附著在糖上。

所需要的發(fā)酵提取物如乙醇，它是低聚糖經過水解后產生的單體成分。該水解反應可以是通過酸或酶催化水解完成的。通過對闊葉木綠液中成分的提取，已證明酸解半纖維素已經得到了很好地研究和有效的預測。但從給定的綠液中提取低聚物所需要的最佳酸量還不確定。酸化一個強緩沖溶液系統(tǒng)會增加酸的消耗，同時也會增加最后的中和工序和后期石膏出售的成本。本研究的目的是為了獲得最佳酸水解條件，這樣就可以有效地控制水解過程中反應時間和反應溫度，優(yōu)化整個水解過程。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗原料

整個研究過程中所用的原料是由位于美國緬因州舊城區(qū)的紅盾硫酸鹽紙漿廠提供的東北混合闊葉材木片。該木片原料中50%為楓木，其余主要是櫸木和楊木。原料經過機械振動篩的篩選，篩子的篩徑為7/8～5/8（22.6～16.0 mm）。 篩選后的木片經過空氣干燥后直接用于綠液的化學成分萃取研究。干燥后的木片經過超微粉碎機研磨，然后用孔徑為0.595～0.42 mm的網進行篩選，檢測水分和碳水化合物含量。根據國家再生能源實驗室的化學分析和測定標準程序對原料組分進行分析，結果如表1所示。

表1 東北混合闊葉材化學成分（以絕干計）

這些數據是分析東北混合闊葉材（50%的楓木、櫸木、楊木）得出的平均結果。

1.2 綠液

綠液是從硫酸鹽制漿中部分回收得到的。它是由黑液在燃燒爐里經過煅燒后得到的燃燒物 （硫化鈉，碳酸鈉和一些雜質）溶解于水中得到的。實驗中所用藥品均為分析純，純度為65%的硫化鈉，純度為99.5%的碳酸鈉，純度為99.2%的硫酸鈉，純度為98.5%的氫氧化鈉。綠液的化學組分如表2所示。

表2 用于提取工藝的綠液的化學組分

1.3 萃取

緬因州立大學工藝開發(fā)中心使用20L回轉式蒸煮器對半纖維素進行提取。蒸煮器的不銹鋼籃中裝有2千克尺寸為16mm×22.6 mm×4 mm的風干木片。風干木片中殘留水份的多少用于計算需要加入綠液的量，每公斤絕干木材添加4 L的液體：0.55 L的綠液與6.35 L的水混合，加入到3.1 kg含水量為36.1%的木材中。整個過程中蒸煮器不斷的轉動（轉速為2 r/min），持續(xù)升溫至溫度達到160℃，保溫110 min，然后冷卻，保持H因子為800。H因子是一個溫度影響因素，表示為反應速率隨時間的變化規(guī)律，如方程式1所示。

式中：t——時間，單位為min；

T——溫度，單位為K。

1.4 蒸發(fā)

采用旋轉蒸發(fā)器 （德國GmbH和Co KG制造）濃縮從蒸煮器中得到的約0.5 L半纖維素萃取液。大約40 min后從蒸發(fā)器中取出樣品。蒸發(fā)器轉速為150 r/min，水浴溫度為30℃。根據國家可再生能源實驗室標準測定程序第002號和012號分別對糖和固體含量進行分析檢測。綠液固含量濃縮至5.78%后用于后期的水解實驗。

1.5 二次酸水解

在密封的管狀反應器內進行水解實驗，反應器示意圖如圖1所示。反應器為長150 mm，直徑為10mm的316不銹鋼管，它的一端和內部容積為12 cm3的世偉洛克管相連接。用10 ml的半纖維素提取物進行酸水解實驗，酸水解的條件為：反應溫度為（100～160）℃，硫酸濃度為 2%～6%，反應時間為 2～258 min。容器的溫度是通過浸泡在充滿有機熱載550的油浴中來調節(jié)的。容器最初浸入設定50℃的油浴中，來快速升至預熱所需的反應溫度。然后容器快速轉移至第二個設定在所需反應溫度的油浴中。由插入反應器內的熱電偶進行容器內反應物溫度的檢測。反應完成以后，將容器置于冰浴中冷卻10min。

圖1 裝有熱電偶的水解容器示意圖

初始糖濃度的測定也可通過酸水解實現(xiàn)，根據國家可再生能源實驗室第002號標準方法實行，其水解條件為4%的硫酸濃度，120℃下反應60 min。這些條件的設定都是為了在水解過程中對降解的糖的校正，以便準確分析原料的組成。在后面進行的水解實驗中可以得到糖的最佳產量，該數據沒有對水解過程中糖的降解進行校正。

1.6 高效液相色譜法

高效液相色譜法可以對糖類化合物進行定量分析。用于碳水化合物測量的該高效液相色譜儀由日本島津公司生產，該色譜儀有一根HPX-87H（300 mm×7.8 mm）的分析柱和一個陽離子保護柱（30 mm×4.6 mm）。該柱子保持在60℃下，用5mMol H2SO4作為洗脫劑，流速為0.6 ml/min。所有的糖峰由一個RI檢測器在紫外吸收（280 nm）處進行檢測，并與正品確定的標準保留時間進行量化比較。該儀器的分析柱允許同時分析糖、短小鏈有機酸和糖的降解產物，但它不能區(qū)分木糖、甘露糖和半乳糖，因此報告中為三種單糖的總和（XMG）。先前的研究已經表明，使用高效液相色譜儀對綠液提取物中總糖的定量和其他方法一樣是一種有效的分離方法。

2 結果與討論

2.1 萃取

從混合闊葉材綠液中萃取所得到的碳水化合物的濃度如表3所示。在以上提到的萃取條件下，萃取量約為木材的質量11.4%。本實驗中對所用的綠液（3%以氧化鈉計，對木材）的濃度有要求，這是由于先前的實驗已經證明在該濃度下木片在萃取后可以確保硫酸鹽漿的數量和質量。實驗證明較高的綠液濃度可以得到較低濃度的碳水化合物，而綠液濃度較低的時候就可以得到較高的糖得率，但紙漿的質量和數據稍差些。

表3 提取物經過兩次水解后各組分的分析結果

為了增加糖的餾分，半纖維素的提取，在旋轉蒸發(fā)器中進行，其條件為：（1）在150 r/min的轉速下攪拌，溫度為30℃；（2）提取過程中的蒸發(fā)時間為0、30、40 min。

2.2 質量分數

另外，從表3中亦可以查到通過蒸發(fā)濃縮后的碳水化合物的濃度。在本實驗中用于水解測試的半纖維素提取物是部分蒸發(fā)提取物，這部分提取物包含了0.6 g/L的葡聚糖、9.5 g/L的木聚糖和1.7 g/L的阿拉伯聚糖，從而總糖含量為11.8 g/L。從收集到的數據中可以看出，易于揮發(fā)的組分在蒸發(fā)的過程中優(yōu)先揮發(fā)掉。半纖維素碳水化合物中提取的葡聚糖、XMG和阿拉伯聚糖的比例分別為 0.06∶1∶0.18。這些比例的大小意味著XMG組分主要來自阿拉伯糖基葡萄糖醛酸的降解。少量的葡萄糖可能也是由半乳糖葡萄甘露糖分解得到的。在稀釋和較濃的提取物濃度中優(yōu)先蒸發(fā)得到的乙酰基，比例從0.93減少至0.83的微妙的變動在表3中也被記錄下來。

2.3 稀酸的二級水解

對從各種酸水解條件和過程中得到的糖產量進行了比較，這樣簡化了因子Ro的使用，例如用于制漿的H因子、時間和溫度。反應縱軸由下式給出：

式中：t——保留時間，單位為min；

T——反應溫度，單位為K。

用Ro因子表示酸水解的溫度和反應時間，結果如表4所示。實驗設計包括三個范圍的Ro：低（Ro=59～64），中（Ro=234～256）和高（Ro=935～993）。

表4 在一定操作條件下使用管狀反應器酸化后的各組分含量

2.4 稀酸二級水解：反應強度的影響

圖2 北方混合闊葉材綠液經兩次酸水解后XMG（木糖、甘露糖、半露糖）、乙酸、糠醛產量和溫度之間的關系

表4列出了半纖維素提取物水解試驗中酸水解條件和可溶性糖的濃度。對半纖維素的水解條件溫度（100～160）℃，稀硫酸的質量分數（2%、4%、6%）,反應時間（2～256）min進行了評估。圖2中的數據表明，糖、乙酸和糠醛的得率不能完全由反應的程度決定，這是由于相同反應程度不同反應溫度下可得到不同濃度的水解產物。反應程度決定得率的這種預測中所產生的偏差可明顯的從糖降解到糠醛的過程中觀測到，如圖2a、2c中所示。從圖中可以看出，反應程度的影響低于反應溫度的影響：隨著溫度的升高，反應速率的增加超過了補償的反應程度的時溫等效。這一結果與先前預測降解產物的累積的適用性一致。在條件為4%的硫酸質量分數、140℃、反應時間16 min中等反應程度下，可得到最高得率為9.1 g/L的木糖 （圖2a）。乙酸的得率如圖2b所示。在多數的測試中，醋酸鹽在130℃到140℃的之間的溫度區(qū)間內出現(xiàn)峰值。累計乙酸較為平滑的曲線是一種比反應程度更有效地預測函數。木糖的分解產物糖醛，隨著溫度和高Ro因子的增加而增加（圖2c）。這清楚地表明，戊糖（木糖和阿拉伯糖）來自于半纖維的進一步降解。然而，在水解產物中沒有檢測到羥甲基糠醛（HMF）。其主要原因可能是在綠液的提取物中出現(xiàn)了少量的葡萄糖和葡聚糖。然而，這些微量成分的數據由于數量小而導致了小的錯誤的發(fā)生。

圖3 北方混合闊葉材綠液經兩次酸水解后XMG（木糖、甘露糖、半露糖）、乙酸、糠醛產量和停留時間之間的關系

圖3和圖2由相同數據繪制，圖3縱坐標軸是時間。對每一個時間和酸濃度的組合進行了從2～256 min之間的一系列的反應時間的研究。如圖3a所示，設計了一個利用二水平因子研究反應程度和東北混合闊葉材的預水解停留時間在木糖中所占的最大百分比的影響。當反應條件為中等反應程度和4%的硫酸（pH值為0.85）時，在二次水解產物中可得到最大量為6.8 g/L乙酸和9.1 g/L木糖。最大量的提取是在等溫反應16 min后得到的。由于較短的反應時間被認為是不切實際的，因而認為這些反應條件是接近最優(yōu)的綠液預制漿提取中二次酸水解的。將在接近最佳條件下提取得到的糠醛和乙酸的產量繪制成停留時間的函數，結果如圖3b、3c所示。從圖3b中可以看到，最大量下，在條件為高反應程度、4%的硫酸（pH=0.85）和停留時間為16 min下可檢測到8.3 g/L潛在的糠醛，這意味著大部分的木糖組分已經通過水解損失掉了。更高的反應程度可能會在一定程度上減少剩余提取物中木聚糖的損失。測試的反應時間要足夠長，目的是降低木糖得率，以確保至少在括號內的每個實驗條件下的溫度和pH值可得到最大糖得率。

圖4 北方混合闊葉材綠液經酸水解后XMG、總糖產量和結合強度之間的關系

2.5 稀酸水解結果：酸濃度的影響

由于較高的酸性條件下糖可降解為呋喃，因而我們評估了稀硫酸水解條件下酸劑量在低、中和高三個反應程度范圍內對結合強度指數的影響結果。使用5.87%的提取物，酸劑量為4%，中等反應強度條件下得到的最大產量為9.1 g/L的XMG，這意味著96%為可用的XMG。總體而言，約91%的半纖維素轉化為單體糖（總的XMG和阿拉伯糖為10.2 g/L），只有50%的葡聚糖（3 g/L）被轉換為葡萄糖，如圖4中所示。有趣的是，對于較高和較低酸濃度的測試中，最佳糖濃度分別是在較低和較高的強度指數下得到的，而整體的最佳的糖產量是在中等強度指數和中等酸濃度條件下得到的。在較低和較高的酸濃度條件下，用2%H2SO4和6%H2SO4分別在140℃和130℃下保持64 min和8 min，總糖的最大收率可分別達到9.4 g/L和9.7 g/L。此外，由于在每個酸濃度下，都有大量的碳水化合物，試驗過程中（試驗號5，8，和18）有小分子的糠醛產生。

總的硬度函數已經被用來整合酸的影響，硬度成為一個變量，并被定義為下式：

式中：CS——總的硬度指數；

Ro 由（2）式給出。

表4中的數據被表示為相對于最大可能的糖濃度的產品產率并與總的硬度指數一起作圖，作圖結果如圖4所示。從圖中可以看出，該數據很好地沿著一個連續(xù)的總硬度指數變化，最佳條件的出現(xiàn)是在CS=1.7附近。

3 結論

在優(yōu)化條件下保持預得率和質量，利用綠液從去皮木材中提取出約占木材質量11.4%的組分，進而導致了較低的半纖維糖的濃度。為提高提取的糖的濃度，在水解前進行蒸發(fā)萃取。蒸發(fā)萃取作為一種方法來研究稀硫酸水解轉換所提取的可發(fā)酵單糖的低聚物。部分蒸發(fā)提取的可發(fā)酵的糖的最大濃度為10.7 g/L，占最大可能得率的90.7%。在水解結果中應用生物預處理的硬度函數可提供一個相對較低的反應溫度和反應時間的相互作用。包括反應時間、溫度和酸的濃度在內的總的硬度函數證明是可提供一個有用手段，用于協(xié)調這三個變量對總糖產量的綜合作用。

杜芳 編譯自：Appl Biochem Biotechnol(2009 153：127-138