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王敏，王倩，吳榮榮
（衡水學院生命科學學院，河北衡水742500）
摘要：生物質能源是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，在整個能源系統中占有重要地位。木質纖維素原料的預處理技術是影響其生產燃料乙醇發酵工業化的關鍵因素。文章較詳細地綜述了近年國內外主要的木質纖維素預處理方法，并展望了木質纖維素生產燃料乙醇的發展前景。
隨著化石燃料資源的日趨枯竭和環境污染日益嚴重，利用再生能源為石化產品的替代品變得愈加重要。而燃料乙醇是生物質液體能源物質的主要形式，也是化石燃料最可能的替代品。與傳統能源相比，燃料乙醇具有2個顯著優勢：一是一種清潔能源；二是一種可再生能源，因而備受青睞。
目前，世界乙醇生產主要以淀粉類(糧食作物為主，如玉米、木薯等)和糖類（如甘蔗、甜菜等）[1-2]作為發酵原料。采用微生物法發酵生產乙醇技術成熟，但是高昂的原料成本使糧食發酵生產乙醇的工業應用受到限制，同時存在與人爭糧或與糧爭地等弊端，并且導致糧食價格持續走高，因此尋找新的原料勢在必行。所以現在科學家把目光投向成本更為低廉、來源更廣泛的木質纖維素原料[3]。它不僅包括秸稈等農業廢棄物，還包括城市固體廢棄物、辦公廢紙、雜草、鋸末等以及市政廢水中的固體部分[4]。
地球上每年植物光合作用的生物量可達2000億t，其中大部分為木質纖維素類。它的主要成分是纖維素、木質素、半纖維素。在植物組織中木質素與半纖維素以共價鍵形式結合，并將纖維素分子包埋其中，形成一種堅固的天然屏障，使一般微生物很難進入使其降解。木質纖維素原料生產燃料乙醇的過程主要包括預處理、糖化、發酵等，其預處理是生物轉化的關鍵步驟，影響整個纖維素酒精生產過程。因此高效、便捷的預處理技術是木質纖維素原料生產燃料乙醇的關鍵所在。
預處理的目的是使纖維素與木質素、半纖維素等分離，使纖維素內部氫鍵打開，使結晶纖維素成為無定型纖維素，以及進一步打斷部分β-1，4-糖苷鍵，降低聚合度，改變天然纖維素的結構，破壞纖維素—木質素—半纖維素之間的連接，降低纖維素的結晶度以及提高基質的孔隙率。常用的預處理方法可分為物理法、化學法、物理化學結合法和生物法4大類。
1物理方法
物理法包括機械粉碎、蒸汽爆碎、熱液分解和超聲波處理等。物理法具有污染小、操作簡單等優點，但能耗大，成本高。物理方法處理目的在于降低纖維素結晶度，破壞木質素、半纖維素結合層。
1.1機械粉碎
機械粉碎處理是指用球磨、碾磨、輥筒等將纖維素物質粉碎。經粉碎的物料粉末沒有膨潤性，體積小，提高基質濃度，有利于酶解過程中纖維素酶或木質素酶發揮作用。但是能耗較高，處理效果較差。
1.2熱液處理
此處理方法是將物料置于高壓狀態的熱水中，高壓熱水能夠讓生物質中的半縮醛鍵斷裂并生成酸，酸又會使半纖維素水解成單糖。預處理后的纖維素具有較高的酶解效率，同時預處理過程可以得到高產率的半纖維素轉化的糖，水解產物可以直接用來發酵生成乙醇。其缺點是由半纖維素水解來的部分單糖在酸的作用下會進一步水解生成糠醛等微生物發酵的抑制物。
Wheals，Kadam[5-6]等用汽爆、高壓熱蒸汽、稀酸等處理軟木、硬木，破壞其纖維素結晶結構，同時用酶水解纖維素、半纖維素轉化為糖，為生物質轉化乙醇奠定了基礎。
1.3微波處理
微波是一種波長指在1mm~100cm范圍內（頻率300MHz~300KMHz）的電磁波。微波處理時間短、操作簡單、糖化效果明顯，但由于處理費用高而難以得到工業化應用。微波可以改變植物纖維素原料的超分子結構，使纖維素結晶區尺寸發生變化；能夠部分降解木質素和半纖維素，從而增加其可及度，提高植物纖維素的酶水解(糖化)的效率。Ooshima[7]等發現微波對植物纖維素原料進行預處理可以部分降解木質素和半纖維素，從而增加其可及度，提高植物纖維素的酶水解（糖化）效率。
1.4超聲波
超聲波是指振動頻率大于20KHz的聲波，以縱波的方式在彈性介質內傳播，可產生力學效應、空化效應和熱效應[8]。超聲波產生的空化作用不僅能強化傳質，對被作用材料本身也能產生結構上的影響。木質纖維素中包含纖維素、半纖維素和木質素3種成分，需要降低反應過程中的傳質阻力、打破其包裹結構。如何澤超[9]通過研究發現超聲波場對纖維素的酶水解過程有明顯的加速作用，在28Mw/mL的超聲波場中，可提高反應速度約0.6倍。
1.5高能輻射
高能輻射方法是利用高能射線如電子射線、γ射線來對纖維素原料進行預處理，以降低的纖維素聚合度和增加纖維素的活性。電離輻射的作用，一方面是使纖維素聚合度下降，分子量的分布特性改變，使其分子量分布比普通纖維素更集中；另一方面是使纖維素的結構松散，并影響到纖維素的晶體結構，從而使纖維素的活性增加，有利于后續的水解。但是此方法設備投入較高，目前僅限于實驗室。陳靜萍等[10]采用60Co-γ1000~1500kGy處理稻草秸稈，電鏡觀測顯微組織結構變化。實驗結果表明，隨著輻射劑量的增大，稻草表面硅晶結構和纖維結構，隨著輻射劑量的加大破壞程度增強。
1.6蒸汽爆破
結果使得半纖維索分解為蒸汽爆破是木質纖維原料預處理目前最常用的方法。將物料用水加熱到200℃左右后保持0.5~15min，在高溫高壓下使水分子穿透生物質的細胞壁結構，然后迅速減壓，造成纖維素纖維結構發生一定的機械斷裂，內含水閃蒸時產生巨大的爆破力、摩擦力與碰撞力，使纖維原料被破碎。同時高溫高壓加劇了纖維素內部氫鍵的破壞和有序結構的變化，游離出新的羥基，增加了纖維素的吸附能力，也促進了半纖維素的水解和木質素的轉化。蒸汽爆破預處理的費用較低，效果明顯，其不足之處是對設備的要求較高，能耗較大，在高溫條件下部分木糖會進一步降解生成糠醛等有害物質。Sassner等[11]用汽爆（180~210℃，4，8，12min）+H2SO4（0.25%、0.5%w/w）處理柳樹木屑。處理后每100g干物質得到總糖55.6g，接種普通酵母經同步糖化發酵得到乙醇16g/L。
2化學方法
2.1酸處理
纖維素水解試劑有濃酸、稀酸和無水無機酸[12]。稀酸預處理是較常用而成熟的方法之一。酸水解可分為高溫水解和低溫水解。低溫水解溫度為100℃或100℃以下，而大多數高溫水解是160~220℃。該方法溫度和酸濃度越劇烈木質纖維素的處理效果越好，但其產生的發酵抑制產物（甲酸、乙酸、糠醛、經甲基糠醛、糖醛酸、己糖酸等不穩定生成物）相對增加，因此多采用稀酸和低溫處理，常用為稀硫酸。經稀硫酸處理后，半纖維素水解，可以大大增加纖維素的水解性。纖維素被降解主要轉化成葡萄糖；半纖維素則生成多種單糖（木糖、阿拉伯糖、甘露糖等）；木質素則降解成多種單環芳香族化合物。
Orozco，Ahmad等用不同濃度的磷酸，不同溫度下在微波發生器內處理原料草。結果為在磷酸濃度2.5%，溫度175℃為草水解的最佳條件[13]。Curreli[14]等用2%稀H2SO4水解半纖維素，1%NaOH+H2O2水解木質素，最后酶解得到純度較高的纖維素。
2.2堿處理
堿處理法主要用的堿有氨水、Ca(OH)2，NaOH和堿性過氧化氫。其原理是利用木質素能溶解于堿性溶液來破壞其中的木質素結構，機理是基于OH-削弱纖維素和半纖維素之間的氫鍵及木聚糖半纖維素和其它組分內部分子之間酯鍵的皂化作用。隨著酯鍵的減少木質纖維原料的空隙率增加，半纖維素部分溶解、纖維素則因水化作用而膨脹，纖維素的結晶度也有所降低。但是堿處理的主要缺點在于氫氧化鈉成本較高且不易回收，廢液會造成環境污染。
Kim等[15]采用15%氨水循環浸沒玉米秸稈可以高效去除70%~85%的木質素（近紅外光譜分析測定），溶解40%~60%的半纖維素，保留完整的纖維素組分。酶解纖維素水解率為99%。電鏡照片顯示經氨水處理后生物質結構變形，纖維素暴露。
2.3酸催化有機溶劑處理
有機溶劑萃取木素的研究最早開始于造紙行業。有機溶劑處理酸催化有機溶劑法最為常用。有機溶劑包括甲醇、乙醇、丙酮、乙烯基乙二醇、三甘醇及四氫化糠基乙醇，有機酸指草酸、乙酰水楊酸和水楊酸。它是利用有機溶劑在高溫條件下，依靠溶液的H+來進攻亞甲基醌結構中的碳負離子，從而破壞LCC復合物，脫出木素[16]。有機溶劑處理可降低成本，避免阻礙微生物生長、酶法水解和發酵的化合物生成。但同時存在腐蝕和毒性等問題的限制，容易造成壞境污染。
2.4氧化處理
臭氧處理是利用氧氣、臭氧、過氧化氫等強氧化劑將木質素氧化分解，同時溶出大部分的半纖維素，纖維素幾乎不受影響。這種處理方法條件溫和，操作簡便。缺點是需要臭氧量較大，生產成本昂貴。
除上述方法，還有濕氧化法預處理。此法通常是在加溫加壓條件下，水、氧氣和堿共同處理木質纖維素原料，木質素、半纖維素溶解于堿液。濕氧化法不會產生糠醛、羥甲基糠醛等發酵阻抑物，處理后的液體含有溶解的半纖維素、羧酸等是真菌生長繁殖的營養來源[17]。Eniko等人采用濕氧化法在195℃，15min，1.2MPaO2、6.5g/L Na2CO3對60g/L玉米秸稈進行預處理，其中60%半纖維素，30%木質素被溶解，90%纖維素呈固態分離出來，纖維素酶解轉化率達85%左右。
3物理化學結合法
物理化學結合法處理木質纖維素原料主要有氨冷凍汽爆法、CO2汽爆法。將化學試劑加入蒸汽爆破處理的物料中提高預處理效果。
3.1氨纖維爆破
氨纖維爆破（ammonia fiber explosion，AFEX）將木質纖維原料在液態氨（壓力115MPa，溫度50~80)℃處理一定時間，然后突然減壓使原料爆破。在此過程中，由于液體氨的迅速汽化而產生的驟冷作用，不但有助于纖維素表面積的增加，同時還可避免高溫條件下糖的降解以及有害物質的產生。此法采用的液態氨可以通過回收循環使用，整個過程能耗較低，被認為是一種較有發展前途的預處理技術。典型的AFEX工藝中，處理溫度在90~95℃，維持時間20~30min，每kg原料用1~2kg液氨。Lee等采用兩種不同的預處理方法：自動水解和氨纖維爆破沿海百慕大草。氨纖維爆破在100℃處理30min后經酶解得到理論糖量的94.8%；自動水解經170℃，60min處理后酶解得到55.4%。AFEX并沒有改變百慕大草的組分，但是自動水解使得半纖維素含量下降。試驗結果表明AFEX增加了原料的酶解率，獲得了更多的可發酵性糖[18]。
3.2 CO2汽爆法
其過程類似于汽爆，在高溫高壓固體原料和CO2反應，在處理過程中部分CO2以碳酸形式存在，增加木質纖維原料的水解率。CO2爆破預處理效果比蒸汽爆破和氨纖維爆破法差，但是成本較汽爆高，缺乏經濟競爭力，目前應用較少。
4生物處理
生物法是利用分解木質素的微生物降解木質素，從而提高纖維素和半纖維素的酶解糖化率。木腐菌是能分解木質素的微生物，通常分為白腐菌、褐腐菌和軟腐菌3種。白腐菌是自然界中最主要的木素降解菌，其分泌的胞外氧化酶主要包括木質素過氧化物酶(LiP)、錳過氧化物酶(MnP)、漆酶(Laccase)。這些木質素降解酶能有效、徹底地將木質素降解成為H2O和CO2。除了木質素酶外，白腐菌還具有纖維素酶、半纖維素酶活性。
白腐菌在降解木材的過程中，在適宜的條件下，白腐菌菌絲開始沿著細胞腔蔓延，主要集中在紋孔處。在菌絲下細胞壁被分解出一條溝槽，它可從細胞腔到復合胞間層，逐漸降解纖維素、半纖維素和木質素[19]。微生物處理方法設備簡單、能耗低、無污染、條件溫和，但微生物處理方法的一個最大缺點是處理周期長，而且許多白腐真菌在分解木質素的同時也消耗部分纖維素和半纖維素。
由前可知，影響木質纖維素物料酶解率的主要因素有纖維素的結晶度、可及表面積、木質素的保護、以及半纖維素的覆蓋等。綜上所述，隨著人類對環境污染和資源危機等問題的認識不斷深入，天然高分子所具有的可再生、可降解性等性質日益受到重視，雖然目前已經取得了一些成績，但是對于纖維素原料的水解及發酵轉化乙醇的工業化仍然存在許多挑戰性的問題，隨著研究的深入，許多關鍵性問題將得到解決。
參考文獻：
[1]TAYLOR F,KURANTZ J M,GOLDBERG N,et al.Dry grind process for fuel ethanol by continuous fermentation and stripping[J].Biotechnol Prog,2000,16:541-547.
[2]ANTONI D,ZVERLOV V,SCHWARZ H W.Biofuels from microbes J].Appl Microbiol Biotechnol,2007,77:23-35.
[3]WYMAN E C.What is vital to advancing cellulosic ethanol J].Trends in Biotechnology,2007,25(4):153-157.
[4]路鵬,江滔,李國學.木質纖維素乙醇發酵研究中的關鍵點及解決方案[J].農業工程學報,2006,22(9):237-240.
[5]WHEALS E A,BASSO C L,ALVES M G,et al.Fuel ethanol after 25 years[J].Tibtech December,1999,17:482-487.
[6]KADAM L K,WOOLEY J R,ADEN A,et al.Softwood forest thinnings as a biomass source for ethanol production:a feasibility study for california[J].Biotechnol Prog,2000,16:947-957.
[7]OOSHIMA H,ASO K,HARANO Y.Microwave treatment of cellulosic materials for their enzymatic hydrolysis[J].Biotechnol Lett,1984,6(5):289-294.
[8]程存弟.超聲技術——功率超聲及其應用[M].西安:陜西師范大學出版社,1993:59.
[9]何澤超.纖維素的酶水解機超聲波對其加速作用的研究[D].成都:四川大學,2001:98.
[10]陳靜萍,王克勤,彭偉正,等.60Co-γ射線處理稻草秸稈對其纖維質酶解效果的影響[J].激光生物學報,2008,17(1):38-42.
[11]SASSNER P,MARTENSSON C G,GALBE M,et al.Steam pretreatment of H2SO4 impregnated Salix for the production of bioethanol[J].Bioresouce technology,2008,99(1):137-145.
[12]SAHA C B,ITEN B L,COTTA A M,et al.Dilute acid pretreatment，enzymic saccharification and fermentation of wheat straw to ethanol[J].Process Biochemistry,2005,40(12):3 693-3 700.
[13]CURRELI N,AGELLI M,PISU B,et al.Complete and efficient enzymic hydrolysis of pretreated wheat straw[J].Process Biochemistry,2002,37:937-941.
[14]SAHA C B,COTTA A M.Enzymatic saccharification and fermentation of alkaline peroxide pretreated rice hulls to ethanol[J].Enzyme and Microbial Technology,2007,41(4):528-532.
[15]KIM H T,KIM S J,SUNWOO C,et al.Pretreatment of corn stover by aqueous ammonia[J].Bioresource Technology,2003,90:39-47.
[16]馬英輝,王聯結.秸稈預處理的最新研究進展[J].纖維素科學與技術,2009,17(3):71-78.
[17]VARGA E,SCHMIDT S A,RECAEY K,et al.Pretreatment of corn stover using wet oxidation to enhance enzymatic digestibility[J].Applied biochemistry and biotechnology,2003,104:37-50.
[18]HATAKKA.Lignin-modifying enzymes from selected white-rot Fungi: Production and role in lignin degradation[J].FEMS Micro Rev,1994,13:125-135.
[19]王麗,曾光明,黃丹蓮,等.白腐菌處理鉛污染廢棄稻草的動態變化研究[J].環境科學研究,2006,19(6):90-93. |
