全 文 ：第 24 卷 第 3 期 农 业 工 程 学 报 Vol.24 No.3
2008 年 3 月 Transactions of the CSAE Mar. 2008 219

用加压热水预处理山毛榉树粉生产燃料乙醇的初步研究

吕 欣 1,2，坂 志朗 2, 董明盛 1，陈晓红 1，姜 梅 1
（1．南京农业大学食品科技学院，南京 219500； 2．京都大学大学院能源研究科，京都府 京都市，日本，606-8501）

摘 要：采用间歇式加压热水实验装置，研究了加压热水用于山毛榉树粉的分离规律，探讨了不同温度、处理时间对生
物质分离的影响。当温度低于 200℃时，随着温度升高和反应时间延长，木粉溶解量、木糖浓度和糠醛浓度均逐渐升高，
而葡萄糖浓度和 5-羟甲基糠醛浓度则较低。但当温度高于 200℃时，生物质溶解量基本不随反应时间的变化而变化，葡
萄糖浓度随反应时间延长逐渐增加，木糖浓度则随着反应时间的延长而下降，糠醛浓度则随着反应时间的延长基本不变
甚至略有下降，5-羟甲基糠醛浓度则随着反应时间的延长而增大。
关键词：燃料乙醇；加压热水；预处理；降解；生物质；生物质能
中图分类号：S216；X382.1 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2008)-3-0219-04

吕 欣，坂 志朗, 董明盛，等. 用加压热水预处理山毛榉树粉生产燃料乙醇的初步研究[J].农业工程学报，2008，24(3)：
219－222.
Lü Xin, Shiro Saka, Dong Mingsheng, et al. Preliminary investigation on hot-compressed water pretreatment of Japanese beech
powder for fuel-ethanol production[J]. Transactions of the CSAE, 2008,24(3)：219-222.(in Chinese with English abstract)

0 引 言
随着对高油价及能源可持续性的担心，生物质能源
被越来越多地关注，其中由于乙醇作为燃料可以直接添
加到汽油中，而被广泛研究[1,2]。传统的乙醇生产方法主
要采用粮食作物（如玉米）为原料，对粮食安全的担心
促使人们将目光投向农林废弃物、生活垃圾等生物质原
料。生物质要转化为液体燃料，首先需要物理或者化学
的方法进行预处理，而后酶水解为单糖，再进一步用发
酵的方法来获取乙醇[3]。
然而，生物质是复杂的纤维素、半纤维素和木质素
的聚合物[3]，三种大分子通过氢键、范德华力等连接而形
成稳定结构，天然条件下十分稳定，因而需要采用预处
理技术将生物质碳水化合物分离。已有的预处理方法有
酸处理、碱处理、蒸汽爆破、热水、氨爆破等，其中酸
水解的研究最为广泛和深入[4]。但由于这些方法存在成
本、水解物发酵抑制、环境污染等问题，亟待新的环境
友好、高效的预处理方法。
超临界流体是温度和压力同时高于其临界值的流
体[5]，其中水作为反应介质，在超临界条件下特殊的性质
引起了广泛关注[6-9]。 生物质在超临界水中的变化研究也
日益增多，但其中气化生物质的研究报道较多[10,11]。而对
于在低于超临界条件下，加压热水预处理过程中生物质

收稿日期：2007-07-19 修订日期：2007-12-04
作者简介：吕 欣（1975－），男，上海人，博士，主要从事生物质能的研
究。南京 南京农业大学食品科技学院，219500。
Email: xinlu_syu@yahoo.com.cn

分离特性的研究还鲜有报道。本文探讨了加压热水预处
理温度及时间对生物质分离特性的影响。
1 材料和方法
1.1 材料
山毛榉树粉，粉碎并过 1 mm 筛，用乙醇－苯（1︰2）
法萃取，得到脱脂木粉，105℃下干燥至恒重，备用。脱
脂树粉含纤维素 45%，半纤维素 29%和木质素 26%。
1.2 加压热水处理
采用如图 1 所示反应装置进行生物质加压热水反应。
反应管(材料 Inconel-625)有效体积 5mL，配热电偶测定反
应管内温度。约 150 mg 木粉加入反应管中，而后加入 4.9
mL 蒸馏水（HPLC 级），油浴加温，研究温度范围 160～
220℃，反应时间 3～75min。 反应时间从反应管内温度
达到设定温度起开始计算，反应完成后迅速用冷水冷却。

图 1 生物质加压热水反应装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of apparatus for hot-compressed
water treatment of biomass

220 农业工程学报 2008 年
1.3 分析方法
反应后，用 1 mL 微量取样器从反应管中取 0.2 mL
样品，放入超滤离心管（0.45 μm Millipore filter tube）
离心分离（5000 r/min，1 min），分离所得滤液放入 HPLC
样品瓶用于 HPLC 分析。采用 Shimadzu LC-10A 高效液
相色谱系统，RID/UV 双检测器，Shodex Sugar KS-801
(Showadenk)液相色谱柱，采用外标法定量葡萄糖、木糖、
糠醛和 5-羟甲基糠醛，进样量 10 μL。测定条件为：流
动相：水；流速：1 mL/min；柱温：80℃。
反应后，将反应管内反应液抽滤，所得残渣置于
105℃干燥箱干燥至恒重，称量。木粉溶解百分比的计算：
木粉溶解百分比（wt%）=（加入反应管中木粉量-残渣量）
/加入反应管中木粉量×100%
2 结果与分析
在温度 160～220℃，反应时间 3～75 min 范围内，
考察了不同温度和反应时间条件下，木粉溶解百分比的
变化情况。如图 2 所示，随温度升高和时间延长，木粉
经加压热水处理后水溶解部分百分比逐渐增加，但当温
度高于 210℃时，木粉溶解百分比随反应时间变化不显
著，采用 SPSS11.0 进行相关性分析，160～220℃范围内，
反应时间与木粉溶解百分比的相关系数分别为：0.94
(160℃)，0.62 (170℃)，0.42 (180℃)，0.56 (190℃)，0.31
(200℃)，0.53(210℃)，0.35(220℃)，可以看出只有 160℃
时，木粉溶解百分比与反应时间显著相关，而高温条件
下相关性不显著，即高温条件下，木粉溶解百分比与处
理时间不相关。此外，随着温度的升高，木粉溶解量差
异逐渐缩小。210℃平均溶解量为 41.6%，220℃平均溶解
量 42.4%，仅增加 0.8%；而 160℃平均溶解量 11.4%，170℃
则达到 28.7，增加 17.3%。即，在研究的温度范围内，温
度每提高 10℃，木粉溶解增加量逐渐减小。从图 2 还可
以看出，160℃条件下，最大木粉溶解百分比仅为 20%且
反应时间长（75 min），因而本文后续研究对该温度没有
进一步考察。另外，除 160℃以外，170～220℃范围内，
木粉溶解百分比在 15 min 后基本不变。由于延长反应时
间，糖类等物质会进一步降解，从而影响后续的发酵过
程，一方面降低了糖的收率，另一方面，产生的降解物
质会抑制微生物的发酵过程。基于以上分析，本文后续
重点分析和考察了反应温度 170～220℃，反应时间 3～
15 min 水溶解部分的糖类及降解产物的变化。
如图 3 所示，当温度低于 200℃时，生物质中纤维素
糖苷键基本不断裂，因而葡萄糖浓度低，在反应时间范
围内，浓度低于 0.25 g/L；但当温度高于 200℃时，随反
应时间延长，纤维素在加压热水作用下糖苷键断裂而释
放单体葡萄糖，葡萄糖浓度显著增加，210℃，9 min 达
到最大值 1.54 g/L，随后葡萄糖浓度基本不变。而当温度
为 220℃时，6 min 即可达最大值 1.47 g/L，即随着温度升
高，葡萄糖单体产生速率加快；但随后由于葡萄糖降解，
反应生成 5-HMF 或其他降解产物[12]，葡萄糖浓度逐渐下
降。

图 2 加压热水处理后木粉溶解百分比
Fig.2 Water-soluble percentages after hot-compressed
water treatment

图 3 水溶解部分中葡萄糖浓度
Fig.3 Glucose concentration in water-soluble
portion after hot-compressed water treatment

图 4 水溶解部分中木糖浓度
Fig.4 Xylose concentration in water-soluble portion
after hot-compressed water treatment

如图 4 所示，当温度低于 200℃时，随反应温度及时
间的延长，木糖浓度逐渐升高，200℃，15 min 木糖浓度
达最大值 2.40 g/L。而当温度高于 200℃时，木糖浓度随
着反应时间的延长而下降。210℃，3 min 木糖浓度为
2.21g/L，15 min 则下降至 0.64 g/L；而在 220℃，3 min
最大木糖浓度仅为 1.46 g/L，并逐渐下降，15 min 时降至
0.17 g/L。根据上面分析，在高于 200℃的条件下，木糖
第 3 期 吕 欣等：用加压热水预处理山毛榉树粉生产燃料乙醇的初步研究 221
更易发生降解反应，且温度越高降解反应越剧烈。

图 5 水溶解部分中糠醛浓度
Fig.5 Furfural concentration in water-soluble
portion after hot-compressed water treatment

如图 5 所示，当温度低于 200℃时，糠醛的浓度随着
温度升高和时间延长而升高，但当温度高于 200℃时，糠
醛浓度基本不随反应时间而变，210℃，平均糠醛浓度为
0.91 g/L；220℃，平均糠醛浓度也为 0.91 g/L，且随反应
时间延长略有下降。

Fig.6 水溶解部分中 5-羟甲基糠醛浓度
Fig.6 5-HMF concentration in water-soluble portion
after hot-compressed water treatment

如图 6 所示，当温度低于 200℃时，5-羟甲基糠醛的
浓度很低，最大值仅为 0.11 g/L（200℃，15 min）。但当
温度高于 200℃时，5-羟甲基糠醛的浓度迅速升高，并随
着反应时间的延长而增大，210℃，15 min 达最大值 0.64
g/L；220℃时，9 min 即可达最大值 0.80 g/L。即，高温
下葡甘露聚糖糖苷键断裂，生成葡萄糖单体，进而生成
5-羟甲基糠醛。糖类单体高温下，首先降解为对发酵有抑
制作用的呋喃类化合物（如糠醛和羟甲基糠醛）[13,14]，若
继续升高温度，这些化合物还会进一步降解为有机酸等
小分子物质。进一步，随着温度的升高，木质素来源芳
香族降解物质也将显著增加，而这类物质对发酵也有明
显抑制作用[15,16]。除可能的抑制作用外，由于糖类降解导
致低糖收率，进而降低乙醇发酵产率，因而考虑发酵过
程，采用较低温度较为有利。
3 结 论
预处理技术一直是生物质能源研究的热点和难点，
采用加压热水处理，与传统的化学方法（酸法、碱法等）
相比，该方法无化学添加剂，是一种绿色、环保的新预
处理技术。本研究以加压热水为手段，探索了用于木粉
预处理的基本规律。当温度低于 200℃时，随着温度的升
高和反应时间的延长，木粉溶解量、木糖浓度和糠醛浓
度均逐渐升高，而葡萄糖浓度和 5-羟甲基糠醛浓度则较
低。但当温度高于 200℃时，木粉溶解量基本不随反应时
间的变化而变化，木糖浓度则随着反应时间延长而下降，
糠醛浓度则随着反应时间的延长基本不变甚至有略有下
降，5-羟甲基糠醛浓度则随着反应时间的延长而逐渐增
大。从增加木糖得率、防止分解反应以及后续乙醇发酵
的角度考虑，宜采用低于 200℃的加压热水处理生物质。

[参 考 文 献]
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Preliminary investigation on hot-compressed water pretreatment
of Japanese beech powder for fuel-ethanol production

Lü Xin1,2, Shiro Saka2, Dong Mingsheng1, Chen Xiaohong1, Jiang Mei1
(1. College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;
2. Graduate School of Energy, Kyoto University, Kyoto 606-8501, Japan)

Abstract: The effects of temperature and reaction time on dissolution of Japanese beech powder by hot-compressed
water treatment were investigated. When the temperature was lower than 200℃ , water-soluble portion, xylose
concentration and furfural concentration increased with the increase of temperature, while glucose concentration and
5-HMF concentration were lower. When temperature was higher than 200℃, water-soluble portion did not vary
significantly with reaction time prolonged. Glucose concentration increased with reaction time prolonged while xylose
concentration decreased with reaction time prolonged. Furfural concentration did not vary or even decrease a little with
reaction time prolonged while 5-HMF increased with reaction time prolonged.
Key words: fuel-ethanol; hot-compressed water; pretreatment; decomposition; biomass; bioengergy