【摘 要】
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大力开发绿色可再生的生物质能是解决全球性能源和环境危机的有效方法,其中木质纤维乙醇是其重要发展方向。由于木质纤维组成复杂、结构致密、抗生物降解性强,严重制约了后续转化生物乙醇的效率,增加了生产成本。本文以杨木为原料,在已有稀磷酸蒸汽爆破预处理基础之上,为降低预处理条件提高预处理效率,引入渗透剂JFC-M,开发了渗透剂协同稀磷酸浸渍杨木蒸汽爆破预处理工艺,实现了杨木纤维绿色高效低毒的拆解分离。主要结
【基金项目】
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科技部、国家重点研发计划课题“林木生物质绿色拆解分离技术与智能装备”（课题编号:2019YFB1503801）； 湖南省科学技术厅、湖南省重点研发计划项目“林业剩余物生物化学协同转化燃料乙醇与增值联产技术创新”（项目编号:2020WK2019）；
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大力开发绿色可再生的生物质能是解决全球性能源和环境危机的有效方法,其中木质纤维乙醇是其重要发展方向。由于木质纤维组成复杂、结构致密、抗生物降解性强,严重制约了后续转化生物乙醇的效率,增加了生产成本。本文以杨木为原料,在已有稀磷酸蒸汽爆破预处理基础之上,为降低预处理条件提高预处理效率,引入渗透剂JFC-M,开发了渗透剂协同稀磷酸浸渍杨木蒸汽爆破预处理工艺,实现了杨木纤维绿色高效低毒的拆解分离。主要结论如下:（1）在三种聚氧乙烯醚渗透剂（AEO-3P、JFC-M、AEC-9Na）中,以原料润湿性、预处理木糖溶出量及抑制物含量为评价指标筛选出了最佳渗透剂JFC-M,结果显示:当采用2.0%JFC-M+2.0%磷酸,预浸渍2h,杨木原料的润湿性最大,润湿质量最大提高了 84.5%;经预浸渍爆破预处理,爆破液木糖溶出量较对照组（2.0%磷酸预浸渍）提高了 57.6%,表明该工艺较对照组可以显著提高半纤维素的去除率;爆破后产生的抑制剂主要为糠醛,其含量较对照组（2.0%磷酸蒸汽爆破）并未显示明显增加;借助木片浸渍程度数学模型对浸渍过程中杨木屑的浸渍程度变化进行了验证。（2）以纤维素拆解分离得率及酶解糖化率为评价指标,采用单因素及正交实验优化了渗透剂协同稀磷酸浸渍杨木蒸汽爆破预处理工艺。以纤维素拆解分离得率为评价指标,获得最高纤维素拆解分离得率为94.2%（酶解糖化率77.3%）。以酶解糖化率为评价指标,经正交优化获得最优工艺参数:固液比1:5、浸渍时间2 h、磷酸浓度2.5%、JFC-M浓度2.0%、爆破压强2.0 MPa、维压时间180 s,在此条件下酶解糖化率最高为78.5%（纤维素拆解分离得率92.6%）,相比磷酸浸渍蒸汽爆破对照组提高了 14.0%。各因素对酶解糖化率的影响次序为:磷酸浓度＞爆破压强＞JFC-M浓度＞维压时间。（3）以渗透剂协同稀磷酸浸渍杨木蒸汽爆破残渣为底物进行酶解糖化,采用单因素及正交实验优化获得最优工艺:底物浓度5.0%、酶量15 FPU/g纤维素酶+9 U/g β-葡萄糖苷酶、酶解时间72 h,所得酶解糖化率为82.3%;各因素对酶解糖化率的影响主次顺序为:底物浓度＞酶量＞酶解时间,为反馈指导蒸汽爆破预处理工艺优化提供了重要依据。（4）采用SEM、XRD、FTIR、TG、2D-HSQCNMR、压汞法等手段对杨木屑原料、预处理产物及酶解后残渣进行了表征,揭示渗透剂协同稀磷酸浸渍对杨木纤维蒸汽爆破预处理机理机制,结果表明:渗透剂JFC-M的引入增加了半纤维素的去除,降低了纤维素的绝对结晶度,实现了纤维素的高拆解分离得率;减少了纤维表面球状物的附着,促进了木质素发生转化和去除,木质素发生聚合,更多S型木质素被去除;打破了纤维内部理想孔径分布,孔径类型丰富,结构松散,孔道畅通;预处理后固体产物的热解性质发生改变。GC/MS及FTIR的分析结果表明,加入JFC-M的实验组抑制物种类和相对丰度并未增多,且主要为糠醛和苯酚;预处理过程中JFC-M的聚氧乙烯醚主体结构并未发生明显变化。
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