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摘要：秸秆中纤维素含量较高，其可以作为纤维素酒精生产的主要原料。同时，秸秆成本低廉，因此用其生产纤维素酒精还可以降低生产成本。目前，秸秆原料处理中的水热处理工艺是一项十分有潜力的技术，但传统水热处理工艺中存在一些不足，所以需要对其进行完善，以切实提升纤维素酒精生产的效率。本文主要通过在水热处理中增加醋酸来观察PH值、反应时间以及温度度水热处理与酶解收率的影响，进而从中找到最佳的水热处理条件，使水热处理工艺得以完善。
关键词：纤维素；酒精；水稻秸秆
秸秆是一种重要的农作物副产物。我国作为农业大国，每年的水稻秸秆产量十分庞大。但就目前而言，我国各地对水稻秸秆的应用仍只是局限在将其作为肥料、饲料上，或者直接对其进行焚烧处理，这不仅造成了大量秸秆资源的浪费，更引发了严重的环境污染问题。从资源角度讲，秸秆本身是一种十分有用的可再生资源，其可以被作为纤维素酒精的主要生产原料来为社会提供大量乙醇燃料，从而为缓解当前的能源紧缺问题起到重要作用。而对于纤维素酒精产业的发展而言，加强水稻秸秆资源科学高效转化的研究也是当前十分重要研究课题。这主要是因为充分运用水稻秸秆资源不但可以解决纤维素酒精的生产原料问题，更能够降低生产成本，促进产业更加健康可持续发展。
正常的纤维素酒精生产过程包含原料预处理、酶解、发酵、酒精纯化以及废水处置等环节，其中原材料的预处理是整个生产过程的最基础阶段，主要通过脱除原材料内的半纤维素来使纤维素更好的参与到后续生产环节，以提升整个生产过程的效率。目前，纤维素酒精生产中材料的处理工艺多以物理、化学与生化方法为主，然而这些处理工艺或多或少都存在一些局限或不足。对此，探索出更为高效、绿色的预处理工艺就成为提升纤维素酒精生产水平的关键。此次研究主要在水热处理工艺的基础上通过增加可生物讲解的醋酸来探究其对处理工艺的影响效果，进而确定出最优的水热处理工艺条件。
1实验材料与方法
1.1实验材料
此次研究中所使用的水稻秸秆材料主要采用风干并粉碎后的40-60目秸秆颗粒，其主要成分及占比为：纤维素39.88%、半纤维素24.36%、木质素17.48%、灰分4.71%、可溶物11.98%。
此外，实验中的纤维素酶活性为223FPU/mL。
1.2实验仪器
实验中所使用的仪器类型与型号为：物料粉碎机FWI77、高压灭菌锅YX280B、1000mnl反应釜Par-4843、摇床ZHWY-2102C、高效液相色谱仪AGILENT-1100、真空干燥器ZK-82A。
1.3实验方法
1.3.1水热处理
①将20g水稻秸秆、400ml离子水与1000ml醋酸放入高压反应釜；②向反应釜加入氮气至压力达到2Mpa；③加热，至温度达到要求后进行计时与取样；④反应完毕后利用真空抽滤装置对固液产物予以分离；⑤液体产物以高效液相色谱检测，固体用以酶解反应；⑥重复上述过程三次。
1.3.2酶解反应
①将1g固体产物样，0.1g纤维素酶和30g缓冲溶液放入50℃，120r/min恒温摇床中反应72小时；②结束后以G3型砂芯漏斗实施固液分离；③用高效液相色谱对酶解液实施检测；④各组实验重复三次。
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1.3.3分析方法
实验结果通过原料组分分析法、反应产物组分分析法、色谱条件法以及标准曲线测定法进行分析。
2结果与分析
2.1PH值的影响分析
通过向原来料液增加不同浓度醋酸并记录其PH值，然后再将秸秆放入180℃热水中处理30分钟，最后对其固体产物进行酶解反应。
从最终记录的实验结果分析，在PH为7时，其半纤维素脱除率为34.74%。而随着PH值的逐渐下降，其半纤维素脱除率逐渐上升，在PH值为3.42时，半纤维素增至最高的88.48%。而于此同时，纤维素损失率也在逐渐提升，但仅有在PH＜3.7时，其损失率才开时候剧增，而在PH＞3.7时，其增长仍可接受。
而酶解收率在实验过程中却随着PH值的降低呈现出先升后降的变化过程，同样以PH3.7为分界线，PH＞3.7时，酶解收率逐渐上升，PH＜3.7时则开始下降。这主要是由于此时纤维素损失率过高，从而严重影响了后续的酶解收率。
通过上述实验结果与分析可以看出，增加醋酸可以在一定程度上提升酶解收率，且在PH大于3.7时，酶解收率、半纤维素脱除率会因酸度增加而提高，从而使纤维素和酶之间的接触面积增大，进而促进了酶解反应。但在PH小于3.7时，醋酸浓度的增加开始造成酶解收率的大幅下降。此外，通过对3项数据的分析可以发现在PH为3.7时，是该反应的最理想状态，其中酶解收率、半纤维素脱除率都很高，同时纤维素损失率也仅有7.88%。
2.2时间的影响分析
水热处理中时间的影响通过将秸秆放入PH为3.7，温度为18℃的水中反应10至60分钟，然后记录其后续酶解实验结果。
观察最终记录的实验结果能够发现，半纤维素脱除率随时间增加而不断上升，在60分钟时达到91.26%。与此同时纤维素损失率也在不断增加。而酶解收率则在40分钟前逐渐上升，而40分钟后开始下降。这主要是由于随时间增加半纤维素不断被脱除，但40分钟之前暴露出的纤维素并没有被降解，这就促进了酶解收率的提升，但40分钟后纤维素开始降解，这就造成了酶解收率的降低。
2.3温度的影响
研究温度对水热处理的影响主要通过将秸秆放入PH为3.7，温度为170℃到190℃的水中反应40分钟，然后记录其后续酶解实验结果。
观察最终记录的实验结果能够发现，在水温逐渐升至185℃的过程中，半纤维素脱除率、纤维素损失率与酶解收率都在逐渐提高。在这个过程中，大量纤维素被脱除出来参与酶解反应，尽管其损失率也在上升，但并不能影响酶解收率。但随着温度的继续上升，纤维素损失率继续增大，就对酶解收率产生了影响。由此可见，水热处理中温度的提升能够在一定程度上提高纤维素脱除率，但这个温度也必须控制在一定值下，否则就会导致酶解收率的降低。此次实验结果表明，185℃为最佳的水热处理温度，其整体指标处于一个最理想状态。
3结论
通过在水热处理过程中加入醋酸能够有效提升秸秆处理中的半纤维素脱除率，增强酶解效率，进而达到提高酒精生产效率的目的。此次研究中得出，原料液中PH值的提升、反应时间的延长以及水温的提升都可以促进酶解反应，使半纤维脱除率提高，但同时也会不断增大纤维素的损失率。因此在实际水热处理中应将原料液PH值控制在3.7，水温控制在185℃，反应时间控制在40分钟，此时各项指标将处于最佳的理想状态。
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论文作者:康宇
论文发表刊物:《科技新时代》2019年7期
论文发表时间:2019/9/10
标签：纤维素论文; 收率论文; 秸秆论文; 损失率论文; 酒精论文; 水稻论文; 醋酸论文; 《科技新时代》2019年7期论文;