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1、高效降解甘蔗渣的预处理技术新进展第l6卷第2期2oo8年6月纤维素科学与技术JournalofCelluloseScienceandTechnology,bI.16NO.2lun.2oo8文章编号:1004-8405(2008)02-0059-07高效降解甘蔗渣的预处理技术新进展张小梅,魏东(华南理工大学轻工与食品学院,广东广州510640)摘要:甘蔗渣是一种重要的可再生生物质资源,其生物转化利用已成为必然趋势.蔗渣的预处理是利用其生产还原糖的第一个步骤.文章综述了近年来蔗渣预处理技术的新进展,比较了各种预处理技术,并展望其应用前景..关键词:甘蔗渣;预处理中图分类号:TS724文献标识码
2、:A甘蔗渣是制糖工业的主要废弃物,约占甘蔗干重的24%---27%(其中含水量约50%).我国的糖厂每生产1吨蔗糖就会产生2～3吨蔗渣.目前蔗渣主要作为锅炉燃料和造纸,制板的原料,少部分用来水解生产低聚木糖【l】.蔗渣的来源集中,量大面广,日益成为一种重要的可再生生物质资源.世界产糖大国(如巴西,古巴,中国等)日益重视蔗渣的深加工利用【2】,重点在于把大量的蔗渣纤维素经济,有效地水解成还原糖,并进一步发酵生产燃料酒精,单细胞蛋白饲料,生物柴油,山梨醇等重要产.这对于缓解目前国际社会资源浪费,能源紧缺,环境恶化的状况,实现社会可持续发展具有重大意义.如何实现高效率,低成本的蔗渣纤维的酶法降解
3、是目前实现产业化的关键所在,而高效的蔗渣预处理技术又是至关重要的第一步.因此,经济,简便,高效的蔗渣纤维预处理新技术已成为世界各国研究和开发的重点.1蔗渣的结构共性和预处理原则蔗渣主要由纤维素,半纤维素和木质素三大部分组成【5】.半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间,而木质素具有网状结构,作为支撑骨架包围并加固纤维素和半纤维素【6】.由于蔗渣的纤维素结晶结构,半纤维素与木质素的结合层复杂结构,使得蔗渣纤维致密不透水,直接影响着化学试剂或酶制剂的可及性,从而导致水解速度慢,效率低.为了实现有效水解,破坏结晶构造,脱去木质素以及提高基质的孔隙率就显得非常重要J,这也是充分利用蔗渣纤维
4、技术中最不成熟,成本最高的环节.经济,有效的预处理过程应该满足以下原则:使酶的转换率最大化;减少糖的降解和损失;避免生成对水解及发酵过程起抑制作用的副产品;不需要额外的化学有毒试剂:使能量,收稿日期:2007-I1-26基金项目:国家自然科学基金一广东省自然科学基金联合基金项目(U0633009);国家科技部"十--]i"科技支撑计划子课题(2o06BAD27B03).作者简介:张小梅(1984---),女,硕士研究生;主要从事可再生生物质资源的生物利用研究.?通讯作者:魏东(1966--),男,博士,副教授;主要从事生物化工,生物工程领域的研究和开发.纤维素科学与技术第16卷化学药品,资
5、金和设备的使用最小化【.预处理方法主要有物理法,化学法,生物法以及综合法,但目前应用于蔗渣的并不多,主要是针对农作物秸秆,谷壳,麸皮,林木(软木和硬木)及林业加工废弃物,草类等木质纤维素类生物质【引,且至今尚无一种公认的理想方法.这些预处理方法对应用于蔗渣具有很好的借鉴性,但在实际应用中应综合考虑预处理成本,原料利用率,酶解效率以及有无污染等问题.2蔗渣的预处理方法2.1物理法物理方法的主要目的是通过改变原料的晶体结构来增加纤维素与酶的接触表面积,从而提高酶解效率.2.1.1蒸汽爆破蒸汽爆破法是目前国内外研究最多的预处理方法之一,其主要作用在于去除半纤维素.它将纤维素原料和水或水蒸汽快速加
6、热至180~210℃,保持1～10min后,立即降压,高压蒸汽渗入至纤维内部,以气流的方式从封闭的空隙中释放出来,造成纤维发生一定的机械断裂;同时高温,高压加剧了纤维素内部氢键的破坏和有序结构的变化,游离出新的羟基,提高了纤维素的吸附能力,也促进了半纤维素的自水解以及木质素的软化IoJ.处理过程常根据需要添加化学试剂,常用的有碱,铁盐,二氧化硫,二氧化碳等.目前最常用的方法是使用酸催化的蒸汽爆破.蒸汽爆破需要很好地控制温度,停留时间,是否使用催化剂以及酶水解的可及性【lOl.在高温,短停留时间(270℃,1min)或者低温,长停留时间(190℃,10min)下都可以达到最优的半纤维素溶解和
7、水解的效果【oJ.由于蔗渣的木质素分子质量和聚合度低,采用较低温度和较长停留时间处理效果会好些J.蒸汽爆破预处理技术已成功应用于商业化水解半纤维素.有研究报道了蔗渣蒸汽爆破法预处理的最佳条件为:温度220℃,停留时间30s,液固比2,1%H2SO4,预处理后100g蔗渣生成65.1g糖【l¨.通过比较蔗渣采用不同浸渍剂的蒸汽爆裂情况,发现二氧化硫浸渍过的蔗渣能获得最高的木糖量(0.162g/g),阿拉伯糖量(0.015g
