吕 谦 谭玉凤 张 慧 林 昊 肖卫华
(中国农业大学工学院, 北京 100083)
玉米秸秆是量大面广的重要生物质资源,蕴藏着可持续生产清洁生物燃料和高价值化学品的巨大潜力,释放这种潜力需要开发高效、可持续和具有经济效益的技术路线[1-4]。秸秆植物细胞壁中木质素、纤维素和半纤维素互相交联形成结构稳定、难降解的网状结构,是生物质转化为生物燃料和增值产品的主要障碍[5-7]。开发一种快速、简单的木质纤维素组分分离技术对玉米秸秆高价值利用至关重要[8-10]。
本课题组的前期研究表明[11],过氧乙酸复合马来酸(PAM)可以在环境友好、温和的条件下溶解玉米秸秆中87.77%的木质素和88.21%的半纤维素,保留86.83%的纤维素,实现对纤维素的富集。该方法可以有效打破木质纤维生物质的顽固结构,使纤维素充分暴露,在后续酶解糖化过程中获得90%的葡萄糖得率。半纤维素作为玉米秸秆的主要组分之一,含量仅次于纤维素,也是一种以木糖为主的多糖[12-13]。从生物合成的角度看,木糖可以转化为糠醛和木糖醇等高附加值的化学品,在生产化学品和燃料方面潜力巨大[14]。在PAM预处理中,半纤维素主要的水解产物为木糖,其水解规律尚不清楚,制约了半纤维素中有用组分的生产与应用,限制了PAM预处理在生物炼制中的可持续性和经济可行性。为了提高半纤维素资源的利用效率,为PAM预处理的实际应用奠定基础,探讨半纤维素在PAM预处理过程中的水解机制十分必要。半纤维素大分子的不均一性使得其水解过程复杂、水解产物差异大,增加了了解水解反应机制的难度[15]。而动力学模型则可以用来描述水解的动力学特性,对于研究水解反应机制有很大优势,因此可以通过建立动力学模型来研究半纤维素的水解反应规律[16]。
半纤维素的水解反应通常被假设为拟均相一级不可逆的反应,使用水解动力学模型来研究其水解反应历程。关于半纤维素水解动力学模型的建立,最早用来描述半纤维素动力学的是Saeman模型[17],该模型由两个连续的一级反应组成,半纤维素水解为木糖,随后木糖降解为降解产物。它是至今为止应用最广泛和最简单的半纤维素水解动力学模型[15]。SCHWIDERSKI等[18]使用Saeman模型拟合木聚糖在不同酸催化下的水解过程,研究表明该模型可以很好地描述木聚糖的水解及其降解产物的生成过程。KOBAYASHI等[19]发现木聚糖的转化率达到70%以后,其水解反应速率显著下降,提出双相模型阐释半纤维素由两种类型的木聚糖组成,一种是快速水解的木聚糖,另一种是慢速水解的木聚糖。该模型与Saeman模型均遵循一阶动力学。一些学者使用该模型对稀酸预处理中半纤维素水解成木糖进行了研究,结果表明通过该模型可以确定半纤维素水解成木糖的最佳反应条件,并且在低温条件下半纤维素的水解以双相反应为主[20-21]。不同研究者使用动力学模型的假设也不尽相同,并且动力学模型的变化与试验条件相关,因此有必要对具体的原料和工艺进行专门的动力学研究[22]。研究表明,PAM预处理的反应温度低于150℃,且半纤维素的主要降解产物为木糖[11]。本文使用双相模型来研究PAM预处理玉米秸秆过程中半纤维素水解的反应历程以及动力学特性,研究不同预处理条件对玉米秸秆中半纤维素含量的影响,建立PAM预处理过程中半纤维素水解的反应动力学模型,基于半纤维素水解的动力学参数,计算PAM预处理中半纤维素水解的表观活化能。
1.1 试验材料
玉米秸秆取自河北省怀安县,玉米秸秆风干后使用RT-34型粉碎机进行粉碎并过40目筛,粉碎的样品使用自封袋置于室温保存,玉米秸秆的主要组成为:纤维素36.12%、半纤维素21.89%、木质素18.99%、灰分1.72%。
1.2 预处理试验
取2.0 g玉米秸秆置于聚四氟反应罐中,加入一定量的反应溶液后放入微波反应器中,设定在指定温度下的预处理时间,每组试验重复两次。玉米秸秆水解动力学研究的试验条件如表1所示。
表1 PAM预处理玉米秸秆的试验条件Tab.1 Experimental parameters of PAM pretreatment on corn stover
待预处理结束之后,将反应罐取出置于冰水中降温,反应混合物用布氏漏斗进行真空抽滤,过滤后的固体用去离子水洗涤至中性,洗涤后的固体放入105℃干燥箱中干燥至质量恒定,用于后续木质纤维组分含量的测定。
1.3 分析方法
玉米秸秆以及不同预处理后的样品中木质纤维组分的测定是采用美国国家可再生能源实验室(NREL)的NREL/TP-510-42618标准方法[23]。
1.4 动力学模型
半纤维素在低温下可以看作是拟均相反应,研究表明,在PAM预处理过程中,半纤维素主要的水解产物是木糖,木糖可以在预处理液体中稳定存在,没有进一步降解[11]。以此为研究基础,故本试验采用双相动力学模型来分析木聚糖的水解,该模型考虑了木聚糖的水解包含快速反应和慢速反应两个阶段,即
——降解产物
(1)
(2)
(3)
对式(1)～(3)进行积分可得
(4)
其中
式中Hx——慢速反应的木聚糖与原料中木聚糖质量分数的比值
H0——原料中木聚糖质量分数
Hr——残余在固体原料中的木聚糖质量分数
Hf——残余在固体原料中快速反应的木聚糖质量分数
Hs——残余在固体物料中慢速反应的木聚糖质量分数
kf、ks——快速反应和慢速反应的速率常数
HR——残余在固体原料中木聚糖质量分数与原料中木聚糖质量分数的比值
H——木糖单体的质量分数
1.5 表观活化能
根据Arrhenius方程,一般化学反应速率和反应温度存在的关系为
(5)
对式(5)两边取对数可得
(6)
式中ki——反应速率常数,min-1
T——开氏温度,K
A0——指前因子
Ea——表观活化能,kJ/mol
R——理想气体常数,取8.314×10-3kJ/(mol·K)
2.1 不同预处理条件下木聚糖含量变化
不同预处理温度下玉米秸秆中木聚糖含量随时间的变化如图1所示,在PA(单独过氧乙酸)预处理中,当处理温度低于110℃时,木聚糖含量随反应时间延长基本保持不变,温度升高至120℃时,木聚糖含量随着处理温度的升高显著降低;在120℃时,处理时间在10 min以内,木聚糖含量无明显变化,继续延长时间至40 min时,木聚糖含量快速下降,降低至12%。相比之下,PAM预处理中木聚糖的水解受温度的影响更显著,随着处理温度的升高,PAM预处理水解木聚糖的效果显著增强,当处理温度为120℃,处理时间为40 min时,木聚糖质量分数快速降低至6%,这主要归因于高温加速了氢离子的电离,增强了酸水解的作用[24]。由于玉米秸秆中半纤维素是一种无定形态、以木聚糖为主的不均匀聚合物,相较于纤维素,半纤维素的无定形态结构在酸性条件容易发生水解[17],所以PAM预处理在120℃条件下可以水解86%的木聚糖。与PA预处理相比,PAM预处理在温度为120℃、处理时间为10 min的条件下,即可将木聚糖质量分数降低至9%,可见PAM预处理对木聚糖的水解效果显著。
图1 不同预处理温度下玉米秸秆中木聚糖含量随 时间的变化规律Fig.1 Content of xylan on pretreated solid fractions at different temperatures
2.2 反应动力学模型构建
2.2.1木聚糖水解动力学模型建立
以玉米秸秆中残余木聚糖与原料中木聚糖质量分数的比值HR来描述木聚糖在预处理过程中的水解程度。其中HR为木聚糖在预处理过程中的保留率,与木聚糖的水解率之和为100%。不同温度下,HR的试验值及模型预测曲线如图2、3所示。由图2可知,在PA预处理中,随着处理温度的升高,木聚糖水解程度不断增加,HR则不断降低;在温度为90℃时,处理40 min后HR为0.88,即仅可水解12%的木聚糖;当处理温度升高至120℃,反应40 min时71%的木聚糖被水解。图3显示,PAM预处理与PA预处理呈相似的趋势,与PA预处理相比,PAM水解木聚糖的能力明显高于PA预处理。PAM预处理在处理温度为120℃、处理时间为10 min的条件下,HR为0.22,即可水解78%的木聚糖,是同样条件下PA预处理水解的木聚糖的2.5倍。从图2、3中可以看出,随着处理时间的变化,残余木聚糖的含量在较短的反应时间(≤6 min)内快速下降,随着反应时间延长(>6 min),残余木聚糖含量的下降趋于缓慢。根据反应速率的不同,玉米秸秆中木聚糖的水解明显分为两个阶段,即快速反应阶段和慢速反应阶段。
图2 不同温度下PA预处理中残余木聚糖的HR拟合曲线Fig.2 Experimental and fitted data profiles of xylan hydrolysis of PA pretreatment
图3 不同温度下PAM预处理中残余木聚糖HR的拟合曲线Fig.3 Experimental and fitted data profiles of xylan hydrolysis of PAM pretreatment
2.2.2水解动力学参数拟合
将HR代入式(4)中,用Origin 2018软件对双相动力学模型进行拟合,得到的动力学参数列于表2,其中R2是决定系数。该模型的预测结果与试验结果吻合良好,R2≥0.98,证明了该模型可以有效模拟木聚糖的水解过程,证实了模型的有效性。结果显示,在PA预处理和PAM预处理中慢速反应速率ks和快速反应速率kf均随着处理温度的升高不断升高,同时,同一温度下kf比ks高至少一个数量级,说明慢速反应是木聚糖水解的限速步骤,在两阶段水解过程中,快速反应部分的木聚糖更容易发生水解。这是由于木聚糖结构的非均一性、木质纤维原料中半纤维素的空间分布以及木聚糖与其他组分结合而导致不同的反应速率[25]。在PAM预处理中慢速反应速率ks和快速反应速率kf均显著高于PA预处理中ks和kf,证实马来酸的添加会加快木聚糖水解的反应速率,促进木聚糖的水解。
表2 不同预处理条件下木聚糖水解动力学参数的 拟合结果Tab.2 Fitted kinetic constants during hydrolysis under different pretreatment conditions
在PAM预处理和PA预处理中Hx均随着处理温度的升高不断下降,当处理温度从90℃升高至120℃时,在PAM预处理中,Hx从0.86降低至0.29,在PA预处理中,Hx从0.93降低至0.87。Hx是由不同反应条件下确定的值的平均值所确定[26],在PAM预处理中,不同预处理温度的条件下Hx平均值为0.62,在PA预处理中,Hx平均值为0.90。可见在PAM预处理和PA预处理中均是以慢速反应部分木聚糖为主,表明慢速反应阶段决定木聚糖的水解进程。另外,PAM预处理中的Hx明显低于PA预处理中的Hx,与之对应,在PAM预处理中快速反应木聚糖的比例则显著高于PA预处理中快速反应木聚糖的比例。这可能是由于PAM预处理中添加了马来酸,而马来酸作为一种二元羧酸,其结构具有一定的特异性[27]。过氧乙酸可以有效溶解植物细胞中层的木质素,还可以有效地断裂木质素与半纤维素的连接键[28],使得碳水化合物暴露在酸性介质中;在PAM预处理中,额外添加了马来酸,引入了大量的H+,强化了糖苷键的水解反应[21],同时,两个马来酸分子很容易形成类似于糖苷酶的活性位点,进而会遵循糖苷酶催化断裂糖苷键的原理使得木聚糖中糖苷键断裂[29-30];并且马来酸是一种二元羧酸,在水溶液中H+不会完全电离,未解离的H+与糖环上的羟基互相作用,使得木聚糖变得更易水解[31],因此PAM预处理水解木聚糖的效率明显高于PA预处理。
PAM预处理和PA预处理的Hx均高于稀酸预处理、水热预处理以及乙酸预处理[22, 26, 32],可能是PAM预处理和PA预处理中处理温度较低(<150℃),影响了H+的电离,进而影响了木聚糖的水解,导致PAM预处理和PA预处理的Hx偏高。研究表明,快速反应和慢速反应木聚糖的比例并不是木聚糖内部的属性,该比例只是适用于动力学模型的一个概念参数[32],它受很多因素的影响,如原料、预处理条件、水解产物的扩散,这也可以解释PAM预处理和PA预处理中Hx比文献中的报道偏高。玉米秸秆中木聚糖的双相水解行为主要受以下因素影响:首先,半纤维素的空间分布决定了与催化剂的可及度,部分被镶嵌在纤维素和木质素链中的木聚糖较难与催化剂接触;其次,一部分木聚糖与木质素以共价键的方式连接形成木质素-碳水化合物(LCC)嵌入或附着在木质素上,导致其反应缓慢;此外,乙酰基和糖醛酸与木糖比例的变化会导致木聚糖结构的变化,引起水解速率的差异[33-34]。
2.2.3表观活化能分析
图4显示了PA预处理和PAM预处理中木聚糖水解的速率常数和1/T的Arrhenius曲线,斜率为反应活化能,并将本研究的反应活化能与其它文献中木聚糖水解活化能结果列于表3。在本研究中,木聚糖的慢速水解反应需要更多的能量,因为其活化能高于木聚糖快速水解反应的活化能,与表3中文献结果一致。通过对比得知,不同原料和预处理条件导致木聚糖水解所需要的活化能不同[35],PAM预处理中木聚糖快速水解和慢速水解的活化能均较低,可能是预处理条件的差异所导致。PAM预处理中木聚糖水解的活化能不仅低于单独的马来酸预处理[21],也低于单独的PA预处理,可见PAM预处理对玉米秸秆中木聚糖的水解具有一定的优势,能降低木聚糖水解反应的能垒。因此,PAM预处理中过氧乙酸复合马来酸有共同增强木聚糖水解的作用。这可能是过氧乙酸脱木质素的作用,打开了植物细胞壁中触及碳水化合物的通道,而马来酸双羧酸结构的特异性则可以加速木聚糖的水解,使得因脱木质素而暴露的木聚糖更易水解。
图4 不同预处理中速率常数与温度的拟合曲线Fig.4 Arrhenius plots of rate constants and temperature for different pretreatment of corn stover
表3 不同预处理下木聚糖水解活化能的比较Tab.3 Comparison of activation energies for xylan hydrolysis in different pretretatments
以PA预处理为对照,通过动力学模拟分析,研究了PAM预处理玉米秸秆过程中半纤维素的水解规律。结果表明,玉米秸秆中半纤维素的水解在90～120℃下符合双相动力学模型,由快速反应和慢速反应两个阶段构成,并且慢速反应部分的比例随着处理温度的升高而下降。使用Arrhenius方程得到了不同预处理中木聚糖水解的活化能,在PA预处理中木聚糖快速水解和慢速水解的活化能分别为75 kJ/mol和139.1 kJ/mol,在PAM预处理中木聚糖快速水解和慢速水解的活化能分别为71.4 kJ/mol和79.1 kJ/mol。PAM预处理可以显著降低木聚糖水解反应的活化能并提高木聚糖水解反应速率,表明马来酸的添加可以有效促进木聚糖的水解。该动力学模型与试验数据显示出良好的一致性,验证了该模型可以有效模拟PAM预处理玉米秸秆中半纤维素的水解过程。
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