木质纤维素处理转化为乙醇的研究进展

木质纤维素处理转化为乙醇的研究进展
潘春雷081143020 生科制药班摘要：木质纤维素是廉价易得，来源广泛的生物质，将其转化为生物无污染的，可再生的乙醇燃料具有很好发展前景。

本文介绍了对木质纤维素的物理处理，物理化学处理，化学水解处理，生物处理的方法。

关键词：木质纤维素，乙醇，处理方法。

研究背景：目前世界温室效应及能源危机日益上升，人们在不断地寻找一种可再生的污染小的能源。

各国将焦点放在乙醇的生产上。

乙醇可以从粮食以及木质纤维素的发酵中得到，但由于全球仍然面临粮食危机，所以研究的焦点转到了对纤维素的处理上。

纤维素原料是地球上产出量很大的可再生资源,其来源包括树木的枝叶、农作物的秸秆等, 据估计木质纤维素原料占世界生物质量(100 亿～500 亿t)的50 %【1】在整个生态系统的能量循环中有重要地位。

在近几年的生态环境调查中表明农作物秸秆大多被焚烧，以获得钾肥，但此做法不仅污染了环境，而且浪费了资源，开发以木质纤维素为原料制备乙醇的工艺是未来工业燃料生产的发展方向。

1、木质纤维素生物质的主要成分
木质纤维素物质的主要组成是纤维素、半纤维素和木质素，纤维素和半纤维素可通过处理得到糖类。

纤维素是由葡萄糖分子通过高度脱水缩合连接而成的高分子聚合物，纤维素的水解产物是葡萄糖单体。

半维素也是生物高聚物，是由各种不同糖基组成的，主要是六碳糖和五碳糖，在特定条件下可以水解成单糖。

木质素是由苯丙烷结构单体组成的天然高分子化合物，在细胞壁中起支撑和把纤维素和半纤维素结合起来的作用，但是木质素不能水解为单糖。

2、木质纤维素的预处理技术
（1） 物理处理方法
常见处理方法是机械破碎法、液相热水处理法等。

其优点在于处理方便，装置简单，且处理过程中产生的污染小，但物理法处理要很高的能量, 如电能和热能，所以会增加生产成本。

机械破碎法：通常木质纤维素经碾碎处理后的原料大小通常为10～30 mm, 而经粉碎、研磨之后的原料颗粒大小一般为0.2～2 mm。

粉碎处理的方法中, 以研磨中的球磨尤其是振荡球磨的效率高【2】。

但是粉碎法耗能大, 粉碎处理耗能占整个过程总耗能的一半以上。

而且该方法也不能适合所有的物质处理【3】所以此种物理处理方法不是很常用。

液相热水处理法：水在强的外界压力下能够渗透到木质纤维素的细胞结构中，从而达到水解纤维素和消除半纤维素的目的。

原因是水使得离子化合物电离并溶解半纤维素。

相对于化学预处理法, 液态热水法具有以下优点:①不使用酸碱类化学物质, 所以不需使用化学药品进行各种复杂
耗时的准备阶段的处理, 对于反应设备无特别严格的抗碱耐酸要求，从而降低了成本，获得更高的经济利益。

②在进行液相热水处理法之前, 无需对物料进行降低颗粒大小的粉碎处理,相对于机械破碎法，反应能耗较少③水解产物中中性残余物数量极少, 几乎不产生对发酵有抑制作用的副产品, 对纤维素和半纤维素的下一步化学或生物水解处理不会产生不良的影响【4】。

（2）物理化学法
物理化学法预处理主要包括蒸汽爆裂、氨纤维爆裂、CO2 爆裂等。

蒸汽爆裂法是使高温蒸汽与生物质混合,经计算预定好的时间后迅速打开阀门降压,水蒸气提供了一个强有力的热量载体,可使原料快速升温而不至于使生成的糖受到太强的稀释作用。

在减压时，喷射出的蒸汽和液化物质由于压力降低而迅速放热，温度降低。

该预处理方法可以使高压蒸汽可渗入纤维内部,最终以气体的形态从封闭的细胞膜和细胞壁中爆发出来,使纤维发生一定的物理断裂，于此同时,高温高压加剧了纤维素内部氢键的破坏和顺序构型的变化,得到了可以构成糖的官能团,促进半纤维素和
木质素的水解或转化。

变化的主要形式是纤维素结晶度和聚合度下降, 细胞结构破环, 纤维素—半纤维素—木质素的结构破坏, 半纤维素通过自水解作用转变成单糖和寡糖, 部分木质素的β—芳醚键断裂且木质素发生部分缩合作用。

水蒸气爆裂的效果主要决定于停留时间、处理温度、原料含水量等。

蒸汽爆裂法的优点是能耗低,有间歇和连续的操作方式,主要适合于密度较高的木原料和质地较硬的农作物秸秆。

缺点是木糖耗损量多,且产生对生物处理有抑制作用的副产物。

氨纤维爆裂(简称AFEX)原理类似于蒸汽爆裂,氨纤维爆裂预处理可去除部分半纤维素和木质素,并降低纤维素的结晶性,提高纤维素酶和纤维素的粘合度。

木质素除去后, 大部分的半纤维素和纤维素可以保留下来实现其利用价值, 不会产生发酵抑制物, 水解液可以不用处理直接发酵微生物, 并且氨气可以回收, 残留的铵盐可以作为微生物的营养【5】。

Teymouri 等【6】采用AFEX 工艺对玉米秸秆进行预处理, 对工艺参数进行了优化, 得出最佳的预处理条件为: 温度90 ℃, 1 kg 液氨/kg 干玉米秸秆, 玉米秸秆湿度为60 %, 停留时间为5 min。

经过预处理后的秸秆在60 FPU/g 葡聚糖的纤维素酶作用下, 获得了接近理论值的葡萄糖含量和理论值80 %的木糖含量。

在相同的预处理条件下, 在纤维素酶添加量为15 FPU/g 葡聚糖时,仍然获得了较高的葡萄糖含
量和木糖含量, 分别达到理论值的95 %左右和70 %。

; CO2 爆裂与氨纤维爆裂基本相似,只是以CO2 取代了氨,但其效果比前者差【7】。

Ballesteros 等【8】对不同尺寸大小的禾本农业废弃物基质通过汽爆处理后的酶解性质研究表明:基质颗粒较大时(8～12mm) ,处理后酶解效果较好,基质较小时,采用汽爆处理后酶解效果反而不理想。

（3） 化学处理方法
主要是指以酸、碱作为物料的预处理剂, 破坏纤维素的晶体结构,同时也破坏木质素，从而使木质素与纤维素分离, 并使半纤维素溶解。

酸处理：酸法预处理既可用硫酸、硝酸、盐酸等无机酸, 也可使用乙酸、丙酸等有机酸。

最常用的而且效果比较好的酸是稀硫酸( 0.5 %~1.0 %)，与其它预处理方法相比,稀酸法不仅可以破坏原料中纤维素的晶体结构,使原料的结构变得疏松，而且由于酸的较大的介电常数，可以有效地水解半纤维素,节省了半纤维素酶的使用,从而使生物质原料得到充分利用。

用稀酸在较低的温度下处理木质纤维素生物质，可降解其半纤维素，生成单糖和可溶性低聚糖。

Torget 等【9】研究了2 种草类木质纤维素用0. 5 %( v/ v) 的硫酸在140 ℃下处理60min 可将92 %的半纤维素水解,预处理后原料中75 %的纤维素可被酶水解。

用0.45 % (v/ v) 的硫酸在160 ℃下处理杨木5～10min ,可将90 %以上的半纤维素水解,预处理后原料中纤维素酶水解率可达到90 %～100 %。

但在稀硫酸的条件下水解得到的木糖会进一步水解为醛类物质，降低了木糖的产率，所以在此过程中通常需要采用离子交换、过量石灰中和等措施脱毒, 或选育和使用能抗毒性物质的酒精发酵菌，通过这种做法提高了木糖的最终产量，但成本增加。

就目前的状况来说，稀酸处理法是比较实际的处理方法，关键是要找到廉价的能够代替价格较高的脱毒剂的物质，研究前景较为开阔。

另一种酸处理是浓酸处理方法。

用浓酸使纤维素水解的原理是:结晶纤维素在较低温度下可完全溶解在硫酸中,聚合键断裂，纤维素由高聚物转化成含几个葡萄糖单元的低聚糖。

将此溶液加水稀释并加热,一定时间后就可把低聚糖水解为葡萄糖。

浓酸水解的优点是糖的回收率高(可达90%以上) ,可以处理不同的原料,相对迅速(共10～12 h) ,糖的分解降解量少。

【10】 但浓酸处理对设备的耐腐蚀要求较高，且对整个生产流程的控制要求严格。

最重要的问题是浓酸回收处理，处理不适当会造成严重的环境污染。

所以就综合效益和环境保护方面来讲，稀酸处理法更适合科学发展观，而浓酸处理方法一般不适用于大型工业化生产。

碱处理：研究的主线是用NaOH、Ca(OH)2等碱性试剂处理木质纤维素生物质，脱除木质素，提高纤维素的酶可及度。

碱处理的机制是通过碱的作用来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之间的酯键。

经过碱处理过后的木质纤维素多孔且蓬松,因此,碱处理后的基质更适于丝状真菌的生长。

例如用稀NaOH 溶液对木质纤维素进行处理,可使原料得到浸润膨胀,从而增加其内部表面积,
并由此降低纤维素和半纤维素的聚合度和结晶度,同时可将木质素与碳水化合物之间的连接打破，使两者得以分离。

用石灰处理的优点是原料成本低, 操作简单, 将副产物CO2 气体通入残余的预处理液中与
Ca(OH)2 中和, 生成CaCO3, 锻烧可将石灰回收利用。

Margareta【11 】 .等采用两步法对麦杆进行温和碱氧化处理,结果可使质量分数81 %的木质素得到降解,处理费用较低且只产生少量的污染物。

但其缺点是NaOH 虽有较强的脱木质素和降低结晶度能力, 但在脱木质素的同时, 半纤维素也被分解, 致使损失太多;同时在后续处理之前, 还需要大量的酸中和, 此外NaOH 本身的成
本很高, 增加了运行的困难性。

多数石灰法预处理均采用高温(100～200 ℃)、纯氧条件下进行反应, 这就需要不锈钢、耐高压、耐腐蚀的设备, 而且要消耗大量纯氧，增加了生产成本。

（4） 生物处理方法
生物法是采用分解木质素的微生物降解木质素, 从而提高纤维素和半纤维素的酶解糖化率。

4.1. 微生物降解法
生物处理是利用分解木质素的微生物除去木质素以解除其对纤维素的包裹作用。

常用的降解木质素的微生物有Pharerochacte chry2sos p ri um , Coriol us versicolor 等白腐菌,降解条件温和，常温常压，ph值接近7，把木质素降解为以水和二氧化碳形式存在的最终产物，耗能低，反应要求低，污染小的优点。

但是白腐菌在分解木质素的同时也消耗部分纤维素和半纤维素,所以需要严格控制反应的条件或者对白腐菌进行基因改良。

此方法法预处理具有条件温和、专一性强、能耗低、不会对环境产生污染等优点。

但是, 目前存在木质素降解微生物种类少、木质素分解酶类的酶活力低、处理时间长等问题，还有待进一步研究。

极端嗜热菌(65℃)和嗜热菌(40～65℃)是可以直接利用纤维素生产乙醇的菌种, 不需要经过预处理过程，因此降低了转化的周期，降低了生产设备的要求，从而降低了生产成本，提高了生产的经济利益，使大规模的工业化生产提供了条件。

目前研究最多的是用热纤梭菌(Clostridiumthermocellum), 它是嗜热产芽孢的严格厌氧菌, 它能分解纤维素, 并能使纤维素和半纤维素解离得到的低聚糖和单糖发酵,减少了提取目的产物的步骤。

嗜热菌多为从垃圾场和新鲜牛粪中分离得到【12】。

就目前研究情况来看，此方法在降低污染，提高效率方面具有一定的优势，但上述的提取菌种方法显然不能用于大型工业化生产，如何得到足量的嗜热菌是研究的关键。

4.2 纤维素酶的转化法
由纤维素酶降解预处理木质纤维素生物质而产生可发酵糖，再将糖转化为乙醇的方法已得到广泛的研究，与传统的物理化学处理方法相比,酶处理法的条件温和,耗能降低,还大大减少了污水排放。

酶具有专一性，所以找到特定的酶是关键点。

酶解得步骤一般是先用木质素酶水解木质素，降低纤维素，半纤维素和木质素之间的粘合性，再用纤维素酶和半纤维素酶对糖的高聚物水解以得到低聚物和单糖，再讲糖发酵转化为生物燃料乙醇。

但研究表明，在反应过程中酶的水解效率常常会比较低，原因可能是水解产生的物质对酶的活性有一定的抑制作用，严重的情况是使酶中毒失活，所以针对酶本身的脆弱性，在反应过程中要通过化学或物理的处理方法来提高酶的活性，常用的方法是加入表面活性剂，中和抑制物质，通过离子交换法除去有毒离子，提取产物或副产物等方法使反应持续平稳地进行下去。

发展前景
我国是一个农业大国，具有较充足的纤维素类可再生资源，特别是农作物秸秆，如果加以集中利用，将解决能源紧缺的问题，大型工业化生产可以推动新兴绿色产业的发展，提高社会就业率。

当今世界面临严重的粮食危机和环境恶化问题，利用纤维素生物质代替粮食进行处理获得燃料乙醇将缓解粮食危机，新兴绿色产业将降低化石燃料的消耗，化解酸雨，温室效应等严重的环境问题。

世界上为了争夺燃料而爆发的战争仍然在继续，生物乙醇燃料的应用将平息此类战争，为人类的和谐发展创造有利条件。

随着科学家的不断努力，在这一领域已经取得了很多的进展，随着
研究的深入，在不久的将来，生物乙醇燃料将为人类发展做出巨大贡献。

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