一种用于甜高粱渣的综合热液处理策略，以提高可发酵糖的产量

《Biomass and Bioenergy》：An integrated hydrothermal processing strategy for sweet sorghum bagasse to improve fermentable sugar production

甜高粱秸秆通过集成水热处理（PWE-HR/SE/SWH）显著提升可发酵糖产量至72.59±3.30 g/100g，较单独工艺提高50%。该策略结合热压萃取、蒸爆预处理和亚临界水解，在单一反应器中实现高效糖分释放与发酵抑制剂减少。

　　

莱昂纳多·R·滕·卡滕（Leonardo R. Ten Caten）|纳塔纳埃尔·C·达·罗莎（Natanael C. da Rosa）|弗拉维奥·D·迈耶（Flávio D. Mayer）|莱奥尼·N·布隆达尼（Leoni N. Brondani）|弗朗西斯科·D·维扎罗（Francisco D. Vezaro）|埃德森·R·阿巴伊德（Ederson R. Abaide）

巴西圣玛丽亚联邦大学化学工程系生物质与生物燃料实验室（L2B），地址：Roraima Avenue 1000，Santa Maria，RS 97105-900

摘要

本研究提出了一种综合的水热处理策略，用于提高甜高粱渣（SSB）的利用率。该策略结合了加热过程中的加压水提取（PWE-HR）、蒸汽爆炸（SE）和亚临界水水解（SWH）技术，并在一个实验装置中完成。在PWE-HR阶段，随着温度逐渐升高至目标条件，提取物中的游离糖分在加压水流作用下被选择性回收。SE预处理有助于去除半纤维素，从而提高多糖的水解效率。当仅采用PWE-HR后接SWH处理未经处理的生物质时，在260°C和溶剂与原料比为32 g/g的条件下，可发酵糖的最大产量（YFS，即收集到的液体组分中葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和纤维素糖的总和）达到了48.27 ± 0.97 g/100 g SSB。相比之下，完全整合的PWE-HR/SE/SWH配置在相同的水热条件下将糖的回收率提高了约50%，达到72.59 ± 3.30 g/100 g SSB。这些结果表明，在单一加压系统中顺序进行水热处理可以提高生物质的分离效率，同时保持无化学物质、基于水的处理方式。

引言

开发用于生产第二代生物燃料的可发酵糖的木质纤维素生物质处理技术涉及多个参数，如转化效率、处理速度、抑制剂生成、经济性和环境可行性以及生物质的选择[1,2]。亚临界水水解（SWH）的主要优势在于其能够快速将纤维素和半纤维素分解为可发酵糖（仅需几分钟），并且由于不使用化学物质而具有环境友好性[3]。SWH可以生成多种可发酵糖，如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和纤维素糖，这些糖具有转化为生物乙醇、生物氢和生物甲烷的潜力[4,5]。然而，转化效率和抑制剂生成方面仍有一些改进空间[6]。 工业上常用的生物质处理方法（如酶水解）通常需要预处理以提高纤维素和半纤维素转化为戊糖和己糖的效率[6]。在这种情况下，先进行预处理再采用SWH可以提高多糖转化为可发酵糖的效率[7]。蒸汽爆炸（SE）是一种在比SWH更温和的温度和压力条件下仅使用水的预处理方法，这表明SE和SWH可以在同一实验装置中同时应用，从而整合预处理和水解步骤[3,8]。 SE可以被视为一种热化学预处理方法，其中温度和压力的作用导致半纤维素发生自水解并释放出酸[9]。在这种条件下停留一段时间后，压力会瞬间释放，由于液态水迅速膨胀产生机械力，从而破坏木质纤维素的结构[9]。通过部分或完全去除半纤维素，生物质中的纤维素含量增加，同时通过木质素的解聚降低生物质的抗性[3]。因此，SE有助于进一步的水解，提高从纤维素中获得的葡萄糖和纤维素糖的产量[8]。 除了SE在优化SWH糖产量方面的潜力外，预处理还有可能减少发酵抑制剂的生成[6]。这是因为SE可以去除生物质中的半纤维素，半纤维素部分会水解为戊糖（如木糖和阿拉伯糖），但大部分会转化为有机酸[3]。这是由于半纤维素链中含有乙酰基，在SWH的温度和压力下会形成乙酸[10]，这会使得水解产物难以用于后续的发酵过程。 蒸汽爆炸和亚临界水水解都发生在水的临界点以下，但它们代表了生物质处理中的不同技术途径。蒸汽爆炸的特点是在饱和蒸汽、接近饱和蒸汽或压缩液体条件下短时间停留，随后快速减压，其中爆炸性减压引起的机械破坏在结构分解中起主导作用[3,11]。相比之下，亚临界水水解是在高温高压的连续液相条件下进行的，其中由水性质变化（离子产物和介电常数）驱动的化学水解占主导[6]。因此，尽管这两种过程都发生在亚临界热力学条件下，但它们在操作模式、相行为和主要转化机制上存在显著差异，这需要在工艺设计和分析中进行区分。 基于蒸汽的预处理和亚临界水处理等水热技术已从实验室规模的批处理系统发展到半连续和连续模式的试点和示范装置。从技术角度来看，反应器配置、加热策略、压力控制和能量集成是决定可扩展性和经济可行性的关键参数[3,11]。蒸汽辅助预处理通常在配备快速减压装置的批处理或塞流系统中实施，而亚临界水处理则在连续管式和填充床反应器中进行，以改善传热效率和停留时间控制[8,12]。能源需求受到加热速率、溶剂与原料比、反应器流体动力学和热回收策略的强烈影响，因此热集成和工艺强化对于降低运营成本和提高工艺可持续性至关重要[2,6]。最近在集成生物精炼概念方面的进展表明，将分离和升级步骤结合在协调的工艺方案中可以同时提高环境和经济效益，特别是在同时生产燃料和增值化学品的情况下[12,13]。 选择用于生产可发酵糖的生物质时需要考虑组成因素，因为主要目标是纤维素，它可以生成葡萄糖和纤维素糖[14]。半纤维素也有潜力生成戊糖，以及在较小程度上的己糖，但其分子还含有尿苷酸和乙酰基[3]。虽然木质素会通过增加生物质的抗性来阻碍水解，但灰分化合物在反应中是惰性的[8]。来自木质纤维素生物质（如甜高粱渣）的提取物通常包含对发酵过程有用的化合物，如游离糖[14]。 大多数进行水解的研究仅关注纤维素和半纤维素，因为木质纤维素生物质中的其他化合物不适合用于生物燃料的发酵过程[3,9,15,16]。然而，作为农业工业残余物的甜高粱渣在其提取物中仍含有游离糖，这使其相对于其他木质纤维素生物质具有优势[17]。 甜高粱是一种生长迅速的作物（四个月），可以在甘蔗淡季种植，因此可以作为糖和乙醇工厂的替代品[18]。其生长气候温暖，理想温度为26至30°C，并且具有良好的耐旱性，使其栽培完全机械化[19]。甜高粱的绿色生物质产量很高（每公顷60至80吨[20,21]）。此外，甜高粱茎秆中的可提取糖含量为每吨绿色生物质80至130公斤[20,21]。此外，这种植物还产生谷物，其营养特性与玉米相似[22]。 在一代乙醇工厂中，甜高粱茎秆经过压榨以提取糖分[20]。甜高粱的处理最终会产生一种称为甜高粱渣（SSB）的农业工业残余物，通常用于锅炉中产生蒸汽。然而，SSB具有主要由纤维素（30–50%）组成的木质纤维素基质，以及相当数量的半纤维素和木质素，使其成为生物转化过程的理想原料[23]。其提取物中的游离糖含量也很高，而在一代乙醇工厂中这些糖并未被完全提取[17]。这可能最终提高这种生物质用于后续处理以获取可发酵糖和生产生物燃料的可行性。 因此，本研究旨在通过在一个环境友好且快速的工艺中，利用加压水提取（PWE-HR）在加热过程中提取SSB中的游离糖，随后进行蒸汽爆炸（SE）和亚临界水水解（SWH）。这种综合方法旨在最大限度地提高这种农业工业残余物的利用率，以生产可发酵糖及其在生物燃料生产中的潜在用途。

部分内容摘录

原材料制备与表征

甜高粱渣（SSB）从巴西南里奥格兰德中部的当地生产商处获取。材料在70°C下干燥，研磨后过筛至25目（0.7毫米）的粒度。SSB的化学成分按照国家可再生能源实验室（NREL）的分析程序确定：NREL/TP-510-42620测定水分[25]，NREL/TP-510-42619测定提取物[26]，NREL/TP-510-42622测定灰分[27]，NREL/TP-510-42618测定结构性碳水化合物[28]。

甜高粱渣的表征

甜高粱渣（SSB）的主要成分（按湿基计）包括水分（7.63 ± 0.05 wt%）、提取物（29.71 ± 1.12 wt%）、灰分（3.06 ± 0.07 wt%）、纤维素（26.05 ± 0.83 wt%）、半纤维素（22.05 ± 0.56 wt%）和木质素（11.62 ± 0.57 wt%）。甜高粱渣的组成受种植过程中的多种因素影响，如收获时间、天气条件和土壤农艺[31]。需要强调的是，尽管存在这些变化，但这些成分的值仍然具有一定的稳定性。

结论

本研究证明，将加压水提取（PWE-HR）与加热过程、蒸汽爆炸（SE）和亚临界水水解（SWH）集成到一个水热过程中，是一种有前景且环保的策略，可用于从甜高粱渣（SSB）中获取产品。这种综合/顺序处理策略（PWE-HR/SE/SWH）使可发酵糖的产量提高了72.59 ± 3.3 g/100 g SSB，优于单独使用这些技术的效果。

作者贡献声明

莱昂纳多·R·滕·卡滕（Leonardo R. Ten Caten）：撰写初稿、可视化处理、数据分析、概念构思。 纳塔纳埃尔·C·达·罗莎（Natanael C. da Rosa）：方法论设计、数据分析。 弗拉维奥·D·迈耶（Flávio D. Mayer）：方法论设计、数据分析。 莱奥尼·N·布隆达尼（Leoni N. Brondani）：撰写初稿、可视化处理、数据分析、概念构思。 弗朗西斯科·D·维扎罗（Francisco D. Vezaro）：撰写和编辑、审稿、项目监督、概念构思。 埃德森·R·阿巴伊德（Ederson R. Abaide）：撰写和编辑、审稿、撰写初稿。

资金来源

本研究得到了巴西石油、天然气和生物燃料局（ANP）的人力资源计划（PRH/ANP）通过石油和生物燃料加工人力资源培训计划（PRH 52.1）以及国家科学技术发展委员会（CNPq）的财政支持（项目编号404881/2023-8）和研究资助（项目编号301566/2025-9）。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。