徐友海，張立弟，高玉玲，岳 軍，王繼艷，金 剛，胡世洋，惠繼星

(中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021)

木質纖維素類生物質是儲量最為豐富的可再生生物質資源，我國是農業(yè)大國，農作物秸稈的產量超過7億t/a，是大規(guī)模生產生物燃料的可靠原料來源。這類生物質的主要成分為碳水化合物和木質素等[1]，其中的碳水化合物被纖維素酶降解后所產生的多糖能夠被微生物利用，可用來生產燃料乙醇和丁醇等生物燃料，以替代日益稀缺的化石燃料。在生產生物燃料過程中將秸稈原料中的纖維素和半纖維素轉化為可發(fā)酵性糖是關鍵步驟之一，但由于其組成成分復雜、纖維素與木質素、半纖維素纏繞在一起，使得水解過程難以迅速進行[2]。因此，必須通過預處理來破壞其完整的物理結構，降低結晶度和聚合度，以提高可水解性。

現(xiàn)有預處理方法以堿法、稀酸、蒸汽爆破等方法為主，已經(jīng)取得了較好的研究成果[3-5]，但總體上存在能耗和成本高、效率低和規(guī)?；щy等問題[6]。其中，稀酸法雖已經(jīng)規(guī)?；筝^高酸濃度和反應溫度，增加了反應器的成本，殘余化學添加物與原料分離困難，對環(huán)境的友好性較差，產物中的有害副產物影響進一步生物轉化利用[7]。堿法預處理在脫木質素的同時半纖維素也被分解，有效成分損失較多，另外所產生的堿廢液難以處理，造成了較大的環(huán)境負擔。汽爆預處理工藝除使用蒸汽外無其它化學物質的添加，副產物產生量較小，費用較低，但處理后物料的酶解糖收率較低，最優(yōu)條件下要求壓力偏高，處理品質不穩(wěn)定，難以實現(xiàn)規(guī)模化。近年來，環(huán)胺氧化物尤其是氧化甲基嗎啉(NMMO)被認為是相對比較有前途的預處理木質纖維素類生物質的有機溶劑。研究表明，NMMO可以與水混溶且其N—O具有很強的極性，可破壞木質纖維素的氫鍵網(wǎng)絡并與纖維素形成新的氫鍵，降低其結晶度，從而有效地提高木質纖維素原料的糖化效果。

作者利用NMMO對玉米秸稈進行預處理，以水解還原糖收率和秸稈回收率為主要指標，考察預處理溫度、處理時間和w(NMMO)等因素對玉米秸稈預處理效果的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

玉米秸稈：來自吉林市周邊某玉米產地；纖維素酶：Celluclast 1.5 L，諾維信生物技術有限公司；冰醋酸、醋酸鈉、3，5-二硝基水楊酸、鹽酸、硫酸、NMMO：均為分析純，市售。

CL-32L高壓滅菌鍋：日本ALP公司；TGL-16G高速臺式離心機：上海安亭科學儀器廠；THZ-98AB恒溫振蕩器、DHG-9070A電熱恒溫鼓風干燥箱：上海一恒科學儀器有限公司；SW-CJ-1FD潔凈工作臺：蘇州安泰空氣技術有限公司；SSY-H不銹鋼恒溫水浴鍋：上海三申醫(yī)療器械廠；SBA-40X生物質傳感分析儀：山東省科學院生物研究所；T01-15實驗室蒸煮器：咸陽通達輕工設備有限公司；6202小型高速粉碎機：北京燕山正德機械設備有限公司；MS-70快速水分測定儀：日本AND公司；PLUS微孔板光譜儀：美國Molecular Devices。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料的準備

玉米秸稈自然風干后剪成1～2 cm小段，用6202小型高速粉碎機粉碎后再在 70 ℃ 下干燥 24 h，過0.85 mm 篩，裝袋密封于干燥器中備用。

1.2.2 玉米秸稈的預處理

w(NMMO)=85%的水溶液中加入玉米秸稈混合，置于一定溫度油浴中，處理一定時間后取出，加入等體積蒸餾水，繼續(xù)攪拌10 min，抽濾分離處理試樣與溶液，處理試樣用去離子水洗滌至中性后在 70 ℃ 下干燥至質量恒定，作為酶水解糖化實驗的原料，秸稈回收率按下式計算(秸稈質量為干重)。

1.2.3 預處理樣品的酶水解

準確稱取預處理后的玉米秸稈置于三角瓶中，加入四環(huán)素及醋酸-醋酸鈉緩沖溶液(0.050 mol/L，pH =4.8)，使最終ρ(秸稈)=20 g/L，φ(四環(huán)素)=4 mL/L，纖維素酶添加量為每g底物30FPU?？焖倩旌虾笥?0 ℃恒溫搖床中反應，每隔一定時間取樣300～500 μL，離心取上清液，測定ρ(還原糖)。還原糖收率按下式計算。

1.3 分析方法

1.3.1 玉米秸稈成分測定

采用美國國家可再生能源實驗室(NREL)方法定量分析木質纖維素原料中纖維素、半纖維素及木質素纖維素[8]。

1.3.2 ρ(還原糖)測定

采用DNS 法(3，5-二硝基水楊酸法)測定水解過程中的ρ(還原糖)[9]。

所謂體制機制改革，說到底是權力的問題，是到底誰說了算的問題。學校在教育和管理的過程中，處于什么樣的地位，權力是核心。如何擴大學校辦學自主權涉及三個方面：一是權力分配，二是賦權，三是以校長為首的管理團隊能不能很好地使用權力，既高效又規(guī)范。分權的關鍵在于明確政府的權力邊界，賦權的關鍵在于明確社會中介機構的邊界，用權的關鍵在于明確校長的權力邊界。因此，程序建制、明確權力邊界很關鍵。

1.3.3 電鏡分析

利用SEM觀察和分析處理前后的纖維素物料，獲取樣品的微觀形貌。將噴金處理后的樣品放于鋁制樣品臺上，于20 kV電壓下獲取樣品的圖像。

2 結果與討論

2.1 玉米秸稈樣品組分分析

對玉米秸稈的纖維素、半纖維素、木質素等主要成分(干基)進行分析，結果見表1。

表1 玉米秸稈主要成分

2.2 溫度對預處理效果的影響

將干燥的玉米秸稈按固液比(g/mL)為1∶50加入到w(NMMO)=85%的溶液中，分別于90～150 ℃預處理1 h。預處理結束后，加入一定體積蒸餾水，攪拌10 min，抽濾，并洗滌3次。70 ℃烘箱烘干至質量恒定，稱量，計算秸稈回收率。

稱取一定量的處理后秸稈按1.2.3的方法進行水解糖化，用DNS法測定ρ(還原糖)，計算其還原糖收率，其中總還原糖收率為還原糖收率與秸稈回收率的乘積，實驗結果見圖1。

t/℃圖1 不同預處理溫度對糖化效果的影響

由圖1可見，在處理時間一定的條件下，隨著溫度的提高，處理強度的增強，還原糖收率不斷提高，但秸稈回收率逐步降低。在溫度120 ℃以下時，這種變化幅度不是很顯著，但溫度在120 ℃以上時，還原糖收率快速提升，同時秸稈回收率迅速下降，使得相對于初始秸稈的總還原糖收率(還原糖收率與秸稈回收率的乘積)呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，拐點出現(xiàn)在130 ℃。因此，在處理時間為1 h的條件下，采用130 ℃進行預處理較為合理。

2.3 處理時間對預處理效果的影響

將干燥的玉米秸稈按固液比(g/mL)為1∶50加入到w(NMMO)=85%的溶液中，分別于90～150 ℃預處理1 h。預處理結束后，加入一定體積蒸餾水，攪拌10 min，抽濾，并洗滌3次。70 ℃烘箱烘干至質量恒定，稱量，計算秸稈回收率。

稱取一定量的處理后秸稈按1.2.3的方法進行水解糖化，用DNS法測定ρ(還原糖)，計算其還原糖收率，實驗結果見圖2。

t/h圖2 處理時間對糖化效果的影響

由圖2可見，在一定溫度條件下，隨著預處理時間的增加，處理強度增強，還原糖收率逐步提高，秸稈回收率逐步降低。相對于初始秸稈的總還原糖收率呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，在130 ℃條件下處理時間1 h總還原糖收率最高。

2.4 處理前后秸稈的電鏡分析

未處理物料和利用NMMO在130 ℃處理1 h后的秸稈在放大倍數(shù)為1 000倍時的微觀結構見圖3。

a 未處理

b NMMO預處理圖3 處理前后玉米秸稈掃描電鏡照片

電鏡分析結果可以直觀地看到，未經(jīng)處理的玉米秸稈結構規(guī)整、致密，表面比較光滑，而經(jīng)過NMMO預處理后秸稈的表面變得粗糙，膨脹，失去了原有的緊密結構，這使得纖維表面或內部有更多的接觸位點暴露出來，更易于纖維素酶的吸附及酶解，從而提高了纖維素的水解率。

3 結 論

在溫度130 ℃條件下預處理1 h，既能保證較高的秸稈回收率，又能得到較好的水解糖化效果，秸稈回收率達到71.5%，還原糖收率為0.51 g/g。電鏡結果分析表明，預處理后的玉米稈結構變得疏松，失去了原有的緊密結構，有利于后續(xù)酶解階段酶與纖維素成分的有效結合。

NMMO可以在相對溫和的預處理條件下實現(xiàn)對玉米秸稈的高效預處理，是一種非常有前景的木質纖維素類生物質預處理的方法。

[ 參 考 文 獻 ]

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