木质纤维素预处理技术研究进展

木质纤维素预处理技术研究进展
朱跃钊1,卢定强2,万红贵2,贾红华2
Ξ
(1　南京工业大学　机械与动力工程学院,南京　210009;2　南京工业大学　制药与生命科学学院,南京　210009)
摘　要:详细评述了木质纤维素的预处理工艺研究进展,特别是浓酸低温水解-酸回收工艺、稀酸二阶段水解工艺、金属离子在稀酸水解过程中的助催化作用以及水蒸汽爆裂、氨纤维爆裂、C O 2爆裂、酶催化水解等方法的研究进展情况。

木质纤维素原料预处理技术发展为发酵生产乙醇技术的研究开发奠定了坚实基础。

关键词:木质纤维素;乙醇;水解;发酵
中图分类号:　Q539+13 文献标识码:A 文章编号:167223678(2004)0420011206
Progresses on treatment of lignocellulosic material
ZHU Y ue 2zhao 1,LU Ding 2qiang 2,WAN H ong 2gui 2,J I A H ong 2hua 2
(1　C ollege of Mechanical and P ower Engineering ,Nanjing University of T echnology ,Nanjing 210009,China ;
2　C ollege of Life Science and Pharmacy ,Nanjing University of T echnology ,Nanjing 210009,China
)Abstract :Progress of study on technology of pre 2treatment of lignocellulose is reviewed in this paper.With the exhaustion of oil and rising price of oil ,studies on ethanol production from lignocellulosic material were attra 2tive 1Cellulose and hemicellulose in lignocellulosic material can be converted to sugar via s ome suitable treat 2ments ,and then can be used in the production of ethanol by fermentation further 1The progresses on technology of pre 2treatment of lignocellulosic material were reviewed and commented ,especially the hydrolysis processes via concentrated acid ,tw o 2stage diluted acid ,and catalysis of metal ion in diluted acid 1Several different pre 2treatment methods for cellulase hydrolysis ,such as steam explosion ,aminonia fiber explosion ,C O 2explosion ,acid treatment and enzymatic hydrolysis method ,were reviewed 1The advanced pre 2treatments of lignocellulosic material has laid a concrete basis for ethanol production at a large commercial scale 1K ey w ords :lignocellulose ;ethanol ;hydrolysis ;fermentation
随着现代工业的发展和世界人口的激增,能源危机日趋加剧。

专家估计,可开采石油储量仅还可供人
类使用大约50年,天然气还可用75年,而煤炭则为200～300年[1]。

目前,世界各国纷纷展开新能源,特别是可再生生物能源的研究与开发。

生物能源主要有生物乙醇、生物柴油、沼气、氢气和燃料电池等,其
中以生物乙醇的研究与生产最引人注目。

生物法生产的乙醇在一些国家和地区正广泛使用。

巴西每年
以甘蔗作为原料,生产1100万t 燃料乙醇。

美国则每年大约生产550万t 以上的燃料乙醇。

目前我国乙醇年产量为300多万t ,仅次于巴西、美国,列世界第三[2]。

其中发酵法乙醇占绝对优势,80%左右的乙醇
Ξ收稿日期:2004211201
基金项目:国家重大基础研究项目(2003C B71600)作者简介:朱跃钊,男,副研,研究方向:热能工程。

联系人:卢定强,男,副研,研究方向:生物化工。

第2卷第4期2004年11月
生物加工过程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Nov.2004・11　・
用淀粉质原料,10%的乙醇用废糖蜜生产,而以纤维素原料生产的乙醇约占2%左右。

近年,中国开始推广使用车用乙醇汽油。

预计到2005年将需要1000万t 无水乙醇,今后的需求更大。

与发酵法生产乙醇相关的木质纤维素的转化技术的研究随之成为国内外关注的热点之一,包括将秸秆、蔗渣、废纸、垃圾纤维等木质纤维素类物质高效地转化为糖,进一步发酵成乙醇的相关技术研究内容,其研究成果对开发新能源和新材料,保护环境具有非常重要的现实意义(见图1)。

图1　木质纤维素发酵生产乙醇的路线
Fig 11　The process of ethanol production from lignocellulosic material
1　木质纤维素的性质
木质纤维素的资源量非常丰富。

木质纤维素构成了植物的细胞壁,对细胞起着保护作用。

它主要由纤维素、半纤维素和木质素三部分组成,约占生物质干重的70%～75%(见表1)。

植物每年通过光合作用能产生高达1164×1011t 木质纤维素类物质,其中纤维素、半纤维素的总量为850亿t ,是生产乙醇的最丰富资源。

表1　几种重要生物质的组成[3]T able 1　The components of major biomasses
纤维素
(%)
半纤维素
(%)木质素
(%)硬木402418软木452525玉米秸秆412417麦秸秆402523稻秸秆352512甘蔗渣
40
24
25
木质纤维素的结构较复杂。

细胞壁中的半纤维素和木质素通过共价键联结成网络结构,纤维素镶嵌其中。

木质纤维素的结构示意图如图2所示。

图2　木质纤维素结构示意图
Fig 12　The structure of lignocellulose
纤维素是由葡萄糖通过β21,4糖苷键联接而成
的线性长链高分子聚合物。

纤维素大约由500到10000个葡萄糖单元组成。

纤维素分子中的羟基易于和分子内或相邻的纤维素分子上的含氧基团之间形成氢键,这些氢键使很多纤维素分子共同组成结晶结构,并进而组成复杂的微纤维、结晶区和无定形区等纤维素聚合物。

X 2射线衍射的实验结果显示,纤维素大分子的聚集,一部分排列比较整齐、有规则,呈现清晰的X 2射线衍射图,这部分称之为结晶区;另一部分的分子链排列不整齐、较松弛,但其取向大致与纤维主轴平行,这部分称之为无定形区。

结晶结构使纤维素聚合物显示出刚性和高度水不溶性。

因此高效利用纤维素的关键在于破坏纤维素的结晶结构,使纤维素结构松散,使得酶水解或化学水解更容易进行。

半纤维素在结构和组成上变化很大,一般由较短高度分枝的杂多糖链组成。

组成半纤维素的结构单元主要有:木糖、甘露糖、葡萄糖、阿拉伯糖,半乳糖等。

各种糖所占比例随原料而变化,一般木糖占一半以上。

半纤维素排列松散,无晶体结构,故比较容易被稀酸水解成单糖。

木质素是由苯基丙烷结构单元通过碳碳键连接而成的高分子化合物。

木质素不能水解为单糖,在纤维素周围形成保护层,影响纤维素水解。

木质素中氧含量低,碳含量较高,其能量密度(27M J/kg )较高,水解中留下的木质素残渣可作为燃料。

　・12　・
生物加工过程
第2卷第4期
2　木质纤维素的水解工艺
木质纤维素原料具有较复杂的结构特点,需要将其水解成单糖,才能被微生物发酵利用生产乙醇。

针对不同木质纤维素原料特性,需要采用不同的水解工艺,一般分为酸水解工艺和酶水解工艺。

211　酸水解工艺
酸水解又分为浓酸水解和稀酸水解法。

2.1.1　浓酸水解工艺
浓酸水解在19世纪即已提出,它的原理是结晶纤维素在较低的温度下可完全溶解于72%的硫酸、42%的盐酸和77%～83%的磷酸中,导致纤维素的均相水解。

浓硫酸水解为最常用方法,其主要优点是糖的回收率高,大约有90%的半纤维素和纤维素转化的糖被回收。

William A Farone等[4]提出的浓酸水解工艺:生物质原料干燥至含水10%左右,并粉碎到约3～5mm。

把该原料和70%～77%的硫酸混合,以破坏纤维素的晶体结构,最佳酸液和固体质量比为1125∶1,糖的水解收率达到90%左右。

浓酸对水解反应器的腐蚀作用是一个重要问题。

近年来在浓酸水解反应器中利用加衬耐酸的高分子材料或陶瓷材料解决了浓酸对设备的腐蚀问题。

浓硫酸法糖化率高,约有80%～90%纤维素能被糖化,糖液浓度高,但采用了大量硫酸,需要回收重复利用。

一种方法是利用阴离子交换膜透析回收,硫酸回收率约80%,浓度20%～25%,浓缩后重复使用。

该方法操作稳定,适于大规模生产,但投资巨大,耗电量高,膜易被有机物污染。

1998年W oo2 ley等[5]提出了9段模拟移动床(S M B)连续分离酸液和糖液的方法,总糖(葡萄糖和木糖)的回收率88%,纯度100%。

酸的回收率大于95%。

该S M B 系统由两个偶联的二元S M B组成,其切换时间同步(见图3)。

第一个S M B由5段组成,硫酸(快速移动组分)作为萃余(raffinate)部分回收,醋酸(慢速移动组分)作为萃取(extract)部分回收,两糖混合物(中速移动组分)和剩余醋酸在旁路中回收。

第二个S M B 由4段组成,糖作为萃余(raffinate)部分回收,醋酸作为萃取(Extract)部分回收。

该法不但能有效地分离硫酸和糖液,还能把水解副产物醋酸分离除去,便于糖液后续处理。

浓盐酸水解工艺主要采用盐酸气催化水解。

主要工艺:将木材片磨碎,用少量3%～5%的硫酸处理除去半纤维素,水洗、干燥、38%盐酸浸泡,通入盐酸气,在40%盐酸中水解。

盐酸经过蒸馏回收。

含有少量盐酸的糖液,用水进行逆向抽提,得到浓度约40%糖液,再进行水解、精制、浓缩制结晶葡萄糖。

该工艺的特点是酸容易回收,反应温度低,但糖化率较低。

设备腐蚀问题则成为盐酸水解工艺的重要缺陷。

目前设备腐蚀问题主要采用耐酸的高分子材料作衬底方法解决。

图3　9段模拟移动床的操作流程示意图
Fig13　Operation flow chart of simulated m oving bed
2.1.2　稀酸水解工艺
稀酸水解工艺较简单,是木质纤维素原料生产酒精的最古老的方法,也是较为成熟的方法。

革新的稀酸水解工艺采用两步法[6]。

第一步稀酸水解在较低的温度下进行,半纤维素非常容易被水解得到五碳糖产物,分离出液体(酸液和糖液)。

第二步酸水解是在较高的温度下进行,重新加酸水解残留固体(主要为纤维素结晶结构),得到水解产物葡萄糖。

主要工艺为[7]:木质纤维原料被粉碎到粒径215cm左右,然后用稀酸浸泡处理,将原料转入一级水解反应器,温度190℃,017%硫酸水解3min。

可把约20%纤维素和80%半纤维素水解。

水解糖化液经过闪蒸器后,用石灰中和处理,调pH后得到第一级酸水解的糖化液。

将剩余的固体残渣转入二级水解反应器中,220℃,116%硫酸处理3min。

可将剩余纤维素中约70%转化葡萄糖,30%转化为羟基糠醛等。

经过闪蒸器后,中和,得到第二级水解糖液。

合并两部分糖化液,转入发酵罐,经发酵生产得
　2004年11月朱跃钊等:木质纤维素预处理技术研究进展・13
　・
到乙醇等产品。

在稀酸水解中添加金属离子可以提高糖化收率。

金属离子的作用主要是加快水解速度,减少水解副产物的发生。

近年来,Fe离子的助催化作用的研究令人关注。

Quang A Nguyen等[8]详细研究了Fe 离子的催化效果。

华东理工大学等单位也对二价Fe离子的催化效果进行了详细研究。

总的说来,稀酸水解工艺糖的产率较低,一般为50%左右,而且水解过程中会生成对发酵有害的副产品。

2.1.3　酸水解过程中发酵有害物质的产生及去除方法
酸水解木质纤维素过程中,水解得到的单糖会进一步发生副反应,得到副产物,其主要成分为有机酸、酚类和醛类化合物。

有害物中量最多的是乙酸(可达10g/L以上)。

而这些副产物往往对微生物发酵过程是有害的,降低发酵效率。

由木质素产生的有害组分总量较少,仅有1%～5%的木质素会被分解。

去除发酵有害的水解副产物的方法主要有:过量碱处理法、汽提法、闪蒸法、活性炭吸附、离子交换树脂等。

过量碱处理法,即向水解液中加入石灰或其他碱液,使在碱性条件下溶解度较小的乙酸盐、糠醛和重金属等有害物质都能沉淀除去。

汽提法是利用水蒸汽将乙酸、糠醛、酚等有害物质脱除。

闪蒸法是将水解液体经历一个闪蒸过程,可脱除相当量的有害物质。

活性炭吸附或离子交换树脂处理后也可脱除水解液中相当量的醋酸、糠醛和被溶解的木质素。

212　酶水解工艺
应用酶催化可以高效水解木质纤维素,生成单糖。

酶水解工艺的优点在于:可在常温下反应,水解副产物少,糖化得率高,不产生有害发酵物质,可以和发酵过程耦合。

但是由于木质纤维素致密的复杂结构及纤维素结晶的特点,需要合适的预处理方法,使得纤维素分子成为松散结构,便于纤维素酶分子与纤维素分子的结合,然后通过纤维素酶分子的催化作用,高效地水解产生单糖。

因此木质纤维素酶水解工艺必然包含原料预处理的重要步骤。

21211　原料预处理
利用化学和物理方法进行预处理,使纤维素与木质素、半纤维素等分离开,同时纤维素内部氢键打开,成为无定型纤维素。

此外,还进一步打断部分糖苷键,降低聚合度,半纤维素被水解成木糖、阿拉伯糖等单糖。

经预处理后,有的纤维素的酶法降解速率甚至可以与淀粉水解相比[9]。

2.2.1.1　物理法
物理法主要是机械粉碎。

可通过切、碾和磨等工艺使生物质原料的粒度变小,增加和酶接触的表面积,更重要的是破坏纤维素的晶体结构。

2.2.1.2　物理化学法
a)蒸汽爆裂(自动水解)
蒸汽爆裂是木质纤维素原料预处理较常用的方法[10]。

蒸汽爆裂法是用高压饱和蒸汽处理生物质原料,然后突然减压,使原料爆裂降解。

主要工艺:用水蒸汽加热原料至160～260℃(0169～4183 MPa),作用时间为几秒或几分钟,然后减压至大气压。

由于高温引起半纤维素降解,木质素转化,使纤维素溶解性增加。

蒸汽爆破法预处理后木质纤维素的酶法水解效率可达90%。

蒸汽爆裂法的优点是能耗低,可以间歇也可以连续操作。

主要适合硬木原料和农作物秸秆。

但蒸汽爆裂操作涉及高压装备,投资成本较高。

连续蒸汽爆裂的处理量较间歇式蒸汽爆裂法有增加,但是装置更复杂,投资成本大为增加。

b)氨纤维爆裂
氨纤维爆裂(amm onia fiber explosion,AFEX)法是将木质纤维素原料在高温和高压下用液氨处理,然后突然减压,造成纤维素晶体的爆裂。

典型的AFEX工艺中,处理温度在90～95℃,维持时间20～30min,每千克固体原料用1～2kg氨[11]。

氨纤维爆裂装备与蒸汽爆裂装备基本相同,另外需要氨的压缩回收装置,因此投资成本也很高。

c)C O2爆裂
C O2爆裂原理与水蒸汽爆裂原理相似,在处理过程中部分C O2以碳酸形式存在,增加木质纤维素原料的水解率。

主要工艺:用4kg C O2处理每公斤木质纤维素原料,在5162MPa压力处理后减压爆裂处理,其效果比蒸汽爆裂法和氨纤维爆破法差,更缺乏经济竞争力[12]。

2.2.1.3　化学法
a)稀酸预处理法
前面已介绍稀酸水解产率低,但其破坏纤维素的结晶结构,使原料结构疏松,从而有利于酶水解。

经过稀酸处理后可以显著提高纤维素的水解速率[13]。

　・14
　・生物加工过程第2卷第4期
b)碱预处理
碱处理法是利用木质素能够溶解于碱性溶液的特点,用稀氢氧化钠或氨溶液处理生物质原料,破坏其中木质素的结构,从而便于酶水解的进行。

碱处理机理在于OH-能够削弱纤维素和半纤维素之间的氢键及皂化半纤维素和木质素分子之间的酯键。

稀NaOH处理引起木质纤维原料润胀,结果导致内部表面积增加,聚合度降低,结晶度下降,木质素和碳水化合物之间化学键断裂,木质素结构受到破坏。

碱处理木质纤维原料的效果主要取决于原料中的木质素含量[14]。

2.2.1.4　其它预处理方法
文献报道还有臭氧处理[15]、有机溶剂处理[16]、氧化处理[17]等木质纤维预处理方法,但这些方法都因缺乏竞争力而很少被应用。

21212　酶催化水解
木质纤维素原料经过适当预处理后,可以利用纤维素酶催化水解纤维素生成葡萄糖,其优点是反应条件温和(50℃,pH418),不发生副反应。

细菌、真菌及动物都可以产生可以水解木质纤维素原料的纤维素酶。

纤维素酶是一种很复杂的酶,是由几种酶共同作用下降解纤维素的。

酶降解纤维素至少需要三种酶协同作用:(1)内切葡聚糖酶(EG,endo21,42D2葡聚糖水解酶,或EC3121114),攻击纤维素纤维的低结晶区,产生游离的链末端基;(2)外切葡聚糖酶,常称纤维二糖水解酶(C BH,1,42p2D2葡聚糖纤维二糖水解酶,或EC31211191),通过从游离的链末端脱除纤维二糖单元来进一步降解纤维素分子;(3)葡萄糖苷酶(EC31211121),水解纤维二糖产生葡萄糖。

纤维二糖和葡萄糖对于纤维素酶的催化作用具有强烈的反馈抑制作用[18]。

要提高纤维素酶水解纤维素的效率,必须解除纤维素酶的反馈抑制。

因此将纤维素酶水解与发酵产乙醇进行耦合,使得中间产物纤维二糖和葡萄糖的浓度保持很低水平,从而可以解除其反馈抑制作用。

3　应用现状和前景
经过人们长时间的努力,从2001或2002年开始,木质纤维素原料处理方法在乙醇生产工艺开始得到大规模商业化应用[19]。

BC International公司计划投资9000万美元,采用稀硫酸水解木质纤维素原料甘蔗残渣,得到糖,然后利用转基因的E1coli 发酵酒精,预计年产酒精2000万加仑。

Masada Re2 s ource公司投资115亿美元,建造年产酒精约4万L 的工厂,以城市固体废弃物为原料(木质纤维素),采用浓酸水解工艺得到糖,然后发酵生产乙醇。

Arkenol公司投资1亿美元建造年产酒精3028万L 的工厂,以稻草为原料,采用浓酸水解工艺,利用NRE L开发的转基因Z1mobilis发酵生产乙醇。

总之,随着石油资源短缺形势日趋严峻,利用木质纤维素发酵生产乙醇的原料预处理相关技术必将得到大力发展。

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(上接第10页)
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我国尚未见研究成功的报道。

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