木质纤维素生产燃料乙醇预处理技术研究进展

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1、第12卷第4期衡水学院学报Vol.12,No.42010年8月JournalofHengshuiUniversityAug.2010木质纤维素生产燃料乙醇预处理技术研究进展王敏,王倩，吴荣荣（衡水学院生命科学学院，河北衡水742500）摘要：生物质能源是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在整个能源系统中占有重要地位．木质纤维素原料的预处理技术是影响其生产燃料乙醇发酵工业化的关键因素．文章较详细地综述了近年国内外主要的木质纤维素预处理方法，并展望了木质纤维素生产燃料乙醇的发展前景．关键词：生物质能源；木质纤维素；预处理技术；燃料乙醇中图分类号：TQ35

2、文献标识码：A文章编号：1673-2065(2010)04-0106-04随着化石燃料资源的日趋枯竭和环境污染日益严重，利用再生能源为石化产品的替代品变得愈加重要．而燃料乙醇是生物质液体能源物质的主要形式，也是化石燃料最可能的替代品．与传统能源相比，燃料乙醇具有2个显著优势：一是一种清洁能源；二是一种可再生能源，因而备受青睐．[1-2]目前，世界乙醇生产主要以淀粉类(粮食作物为主，如玉米、木薯等)和糖类（如甘蔗、甜菜等）作为发酵原料．采用微生物法发酵生产乙醇技术成熟，但是高昂的原料成本使粮食发酵生产乙醇的工业应用受到限制，同时存在与人争粮或与粮争地等弊端

3、，并且导致粮食价格持续走高，因此寻找新的原料势在必行．所以现[3]在科学家把目光投向成本更为低廉、来源更广泛的木质纤维素原料．它不仅包括秸秆等农业废弃物，还包括[4]城市固体废弃物、办公废纸、杂草、锯末等以及市政废水中的固体部分．地球上每年植物光合作用的生物量可达2000亿t，其中大部分为木质纤维素类．它的主要成分是纤维素、木质素、半纤维素．在植物组织中木质素与半纤维素以共价键形式结合，并将纤维素分子包埋其中，形成一种坚固的天然屏障，使一般微生物很难进入使其降解．木质纤维素原料生产燃料乙醇的过程主要包括预处理、糖化、发酵等，其预处理是生物转化的关键步骤，

4、影响整个纤维素酒精生产过程．因此高效、便捷的预处理技术是木质纤维素原料生产燃料乙醇的关键所在．预处理的目的是使纤维素与木质素、半纤维素等分离，使纤维素内部氢键打开，使结晶纤维素成为无定型纤维素，以及进一步打断部分β-1，4-糖苷键，降低聚合度，改变天然纤维素的结构，破坏纤维素—木质素—半纤维素之间的连接，降低纤维素的结晶度以及提高基质的孔隙率．常用的预处理方法可分为物理法、化学法、物理化学结合法和生物法4大类．1物理方法物理法包括机械粉碎、蒸汽爆碎、热液分解和超声波处理等．物理法具有污染小、操作简单等优点，但能耗大，成本高．物理方法处理目的在于降低纤维素

5、结晶度，破坏木质素、半纤维素结合层．1.1机械粉碎机械粉碎处理是指用球磨、碾磨、辊筒等将纤维素物质粉碎．经粉碎的物料粉末没有膨润性，体积小，提高基质浓度，有利于酶解过程中纤维素酶或木质素酶发挥作用．但是能耗较高，处理效果较差．1.2热液处理此处理方法是将物料置于高压状态的热水中，高压热水能够让生物质中的半缩醛键断裂并生成酸，酸又会使半纤维素水解成单糖．预处理后的纤维素具有较高的酶解效率，同时预处理过程可以得到高产率的半纤维素转化的糖，水解产物可以直接用来发酵生成乙醇．其缺点是由半纤维素水解来的部分单糖在酸的作用下会进一步水解生成糠醛等微生物发酵的抑制物．

6、收稿日期：2010-03-15基金项目：河北省科技支撑计划项目(09225512)作者简介：王敏(1977-),女,河北衡水人,衡水学院生命科学学院副教授,在读博士;王倩(1977-),女,河北衡水人,衡水学院生命科学学院讲师,工学硕士.第4期王敏,等木质纤维素生产燃料乙醇预处理技术研究进展107[5-6]Wheals,Kadam等用汽爆、高压热蒸汽、稀酸等处理软木、硬木，破坏其纤维素结晶结构，同时用酶水解纤维素、半纤维素转化为糖，为生物质转化乙醇奠定了基础．1.3微波处理微波是一种波长指在1mm~100cm范围内（频率300MHz~300KMHz）的电

7、磁波．微波处理时间短、操作简单、糖化效果明显，但由于处理费用高而难以得到工业化应用．微波可以改变植物纤维素原料的超分子结构，使纤维素结晶区尺寸发生变化；能够部分降解木质素和半纤维素，从而增加其可及度，提高植物纤维素的[7]酶水解(糖化)的效率．Ooshima等发现微波对植物纤维素原料进行预处理可以部分降解木质素和半纤维素，从而增加其可及度，提高植物纤维素的酶水解（糖化）效率．1.4超声波超声波是指振动频率大于20KHz的声波，以纵波的方式在弹性介质内传播，可产生力学效应、空化效应[8]和热效应．超声波产生的空化作用不仅能强化传质，对被作用材料本身也能产生

8、结构上的影响．木质纤维素[9]中包含纤维素、半纤维素和木质素3种成分，需要降低反