木质纤维素类生物质的应用和预处理研究进展
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2Ξ(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)0420011206Progresses on treatment of lignocellulosic materialZHU 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。
《不同木质纤维素类生物质的预处理条件及酶解糖化研究》范文
《不同木质纤维素类生物质的预处理条件及酶解糖化研究》篇一一、引言随着全球能源需求的增长和环境污染问题的日益突出，寻找可持续替代能源成为了科学家们研究的重点。
其中，木质纤维素类生物质作为重要的可再生资源，被认为是一种极具潜力的替代能源。
通过对不同木质纤维素类生物质进行预处理和酶解糖化研究，可以有效地将其转化为生物能源，如生物乙醇等。
本文将详细介绍不同木质纤维素类生物质的预处理条件以及酶解糖化的研究进展。
二、不同木质纤维素类生物质的预处理条件预处理是木质纤维素生物质转化为生物能源的关键步骤之一。
预处理的目的是破坏生物质的复杂结构，提高其酶解效率。
不同木质纤维素类生物质的预处理条件因生物质种类、组成及结构等因素而异。
1. 农业残余物农业残余物如秸秆、稻草等，通常采用物理、化学或物理化学相结合的方法进行预处理。
物理方法主要包括粉碎、热解等，可以降低纤维素的结晶度，提高酶解效率。
化学方法则包括酸、碱或氧化剂处理等，可以破坏木质素的交联结构，释放出纤维素和半纤维素。
2. 林业残余物林业残余物如木屑、树皮等，其预处理方法与农业残余物类似。
此外，还可以采用蒸汽爆破法、氨纤维膨胀法等方法进行预处理。
这些方法可以有效地破坏木质纤维素的紧密结构，提高其酶解效率。
3. 能源作物能源作物如柳枝稷、switchgrass 等，其纤维结构较为松散，预处理相对容易。
通常采用稀酸或稀碱处理，结合机械粉碎等方法，进一步提高其酶解效率。
三、酶解糖化研究酶解糖化是将预处理后的木质纤维素生物质转化为单糖（如葡萄糖、木糖等）的过程。
这一过程需要使用纤维素酶、半纤维素酶等酶制剂。
1. 酶的选择与搭配不同的酶制剂对不同生物质的酶解效果有所差异。
因此，需要根据生物质的种类和组成，选择合适的酶制剂并进行搭配。
此外，还需要考虑酶的用量、酶解时间等因素，以获得最佳的酶解效果。
2. 酶解条件优化酶解条件如温度、pH 值、反应时间等对酶解效果具有重要影响。
木质纤维素化学方法预处理
木质纤维素化学方法预处理木质纤维素是一种重要的生物质资源，具有丰富的可再生特性和广泛的应用前景。
然而，由于其独特的结构和复杂的化学成分，木质纤维素在直接利用前需要进行预处理，以提高其可转化性和降低生产成本。
在本文中，我们将介绍常见的木质纤维素化学方法预处理技术，并讨论其优点和应用领域。
木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。
纤维素是最主要的组分，占据了40%至50%的木质纤维素总质量。
半纤维素和木质素的含量较低，但对木质纤维素的结构和特性有着重要的影响。
因此，木质纤维素的化学方法预处理通常包括对纤维素、半纤维素和木质素进行分离和降解。
最常用的木质纤维素化学方法预处理技术之一是酸处理。
酸处理可以将纤维素酸解为可溶性纤维素和不溶性纤维素，从而降低木质纤维素的结晶度和分子量，提高其可转化性。
酸处理通常使用硫酸或盐酸作为催化剂，同时加热反应系统以促进反应进行。
酸处理的优点是操作简单、成本低廉，但其缺点是产生大量废水和酸性气体，对环境造成污染。
另一种常见的木质纤维素化学方法预处理技术是氧化处理。
氧化处理可以通过氧化剂的作用将木质纤维素部分降解为低聚糖和酚类化合物，从而降低木质纤维素的结晶度和分子量。
氧化处理通常使用过氧化氢、臭氧或高锰酸钾作为氧化剂，反应条件一般较温和。
氧化处理的优点是对环境友好，但其缺点是操作复杂、成本较高。
此外，还有其他木质纤维素化学方法预处理技术，如碱处理、酶处理和有机溶剂处理等。
碱处理可以将木质纤维素中的半纤维素部分水解为低聚糖，从而降低木质纤维素的结晶度和分子量。
酶处理可以利用纤维素酶或半纤维素酶将木质纤维素部分水解为可溶性纤维素和低聚糖，从而提高其可转化性。
有机溶剂处理可以利用有机溶剂将木质纤维素溶解或脱除，从而提高其可转化性。
这些木质纤维素化学方法预处理技术具有各自的优点和适用范围，可以根据具体情况选择合适的方法。
总之，木质纤维素化学方法预处理是提高木质纤维素可转化性和降低生产成本的重要步骤。
木质纤维素的酶解及其在生物能源领域中的应用研究
木质纤维素的酶解及其在生物能源领域中的应用研究随着全球能源需求的增长和能源供应的不断减少，生物能源已经成为了越来越重要的替代能源之一。
而木质纤维素则是生物能源领域中存在量最大、化学组成最为复杂的一种生物质原料。
其生产和利用一直是生物能源领域的重大研究难点之一。
本文将介绍木质纤维素的酶解过程，以及其在生物能源领域中的应用研究现状。
一、木质纤维素的酶解过程木质纤维素是由纤维素和半纤维素两种关键成分组成的。
这些成分都是由葡萄糖分子构成的，并且存在多种不同的结构和化学键。
因此，酶解木质纤维素是一项极为复杂的化学过程。
在酶解木质纤维素的过程中，通过添加各类产纤酶和木聚糖酶等酶类，能够有效地降解出其中的纤维素和半纤维素等组分。
其中，木聚糖酶具有高分子酶、尾酶和其他辅助酶等多种作用，这些部分的合作作用能够有效地将纤维素和半纤维素分离开来。
通过酶解过程，木质纤维素以及其他碳水化合物可以被分解为单糖和少量的低分子量聚糖。
这些分解产物可以进一步被利用于生物能源领域中的燃料制备、酒精生产等方面。
但是，酶解的过程中也会产生许多难以处理的副产物，这些副产物包括酸性含量高、废水污染较大等。
二、木质纤维素在生物能源领域的应用研究近年来，随着生物能源领域的不断发展，人们对于利用木质纤维素的研究也越来越重视。
以下是近年来木质纤维素在生物能源领域中的一些应用研究：1. 燃料制备利用木质纤维素制备燃料是目前生物能源领域中的重要应用方向之一。
通过对木质纤维素的酶解，可以将产生的糖分离出来后，进一步转化为丰富的燃料，例如生物柴油、生物酒精等。
2. 发酵乙醇生产木质纤维素的细菌转化过程可以产生大量的废弃物，而其中的大部分废弃物都是产品或原料的剩余物质。
发酵乙醇生产技术利用低质量糖分进行发酵，产生大量的乙醇。
可以将这些剩余物质和产生的乙醇再进行热氧化处理，从而转化为更高价值的材料。
3. 纤维素乙醇中间产物的生产利用纤维素乙醇中间产物的生产可以从已制备的生物质中分离出高纯度的生达、氧化接汇。
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
朱旭冉;李潇;李平;王帅;李峰;孙力;王田雄
【期刊名称】《广东化工》
【年(卷),期】2024(51)7
【摘要】世界范围能源短缺和环境恶化的双重压力促使寻找化石燃料替代品以缓解全球能源危机和解决地球环境问题,实现人类社会可持续发展具有重要意义。
木质纤维素作为地球上唯一可再生的有机碳源,储量大、分布广、成本低,具有替代化石能源的潜力。
然而木质纤维素的“顽抗”特性制约着其高效能源化利用。
本文综述了近年来木质纤维素的预处理技术,包括物理、化学和生物法以及联合处理法等,同时简要介绍了各预处理方法的作用机制,并就其优缺点进行了分析总结,旨在为木质纤维素更高效开发利用提供参考。
【总页数】4页(P72-75)
【作者】朱旭冉;李潇;李平;王帅;李峰;孙力;王田雄
【作者单位】承德市农林科学院;北京大学第三医院延庆医院;承德市农业农村局;承德县六沟镇人民政府
【正文语种】中文
【中图分类】S38
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《不同木质纤维素类生物质的预处理条件及酶解糖化研究》范文
《不同木质纤维素类生物质的预处理条件及酶解糖化研究》篇一一、引言随着化石资源的日益减少，全球的注意力已经转向可再生生物质资源。
木质纤维素类生物质作为一类重要的可再生资源，其利用和开发具有巨大的潜力。
预处理和酶解糖化是木质纤维素生物质转化为生物能源和生物基化学品的关键步骤。
本文旨在研究不同木质纤维素类生物质的预处理条件及酶解糖化的过程，为实际应用提供理论依据。
二、不同木质纤维素类生物质的预处理条件1. 预处理方法的分类预处理方法主要分为物理法、化学法、物理化学法以及生物法等。
不同预处理方法的效果受到原料类型、处理条件等多种因素的影响。
2. 具体预处理条件（1）物理法：如机械破碎、蒸汽爆破等，通过改变纤维素的结晶度、孔隙结构等，提高酶解效率。
（2）化学法：如稀酸、稀碱等预处理方法，通过改变木质素的性质，提高纤维素的可及性。
其中，稀酸预处理是最常用的方法之一，其条件包括酸浓度、温度、时间等。
（3）物理化学法：如氨纤维爆破等，结合了物理和化学的作用，有效提高纤维素的利用率。
（4）生物法：如通过白腐菌等微生物进行预处理，分解部分木质素和半纤维素，从而提高纤维素的可利用性。
三、酶解糖化研究酶解糖化过程中主要涉及的是纤维素酶对纤维素的作用。
在这一过程中，纤维素被分解成葡萄糖等单糖。
这一过程的效率和效果受到多种因素的影响，包括温度、pH值、酶浓度等。
同时，生物质的组成和预处理方法也会影响酶解糖化的效果。
四、实验设计及结果分析本文选择了几种典型的木质纤维素类生物质进行预处理和酶解糖化的研究。
包括小麦秸秆、玉米秸秆、木质废料等。
实验过程中，首先进行预处理，然后通过测定预处理后生物质的组成、结构和性质的变化，来优化预处理的条件。
随后进行酶解糖化的实验，记录酶解的时间、单糖的产量等数据。
实验结果表明，不同的预处理方法对生物质的酶解糖化效果有显著影响。
其中，稀酸预处理在适当的条件下可以显著提高酶解糖化的效率。
同时，不同的生物质类型对酶解糖化的效果也有影响，如木质废料的酶解糖化效果通常优于小麦秸秆和玉米秸秆。
木质纤维素预处理方法的研究进展
木质纤维素预处理方法的研究进展摘要:概述了几种比较实用的木质纤维素预处理技术,总结了各种预处理技术的方法､原理以及优缺点,进而对木质纤维素预处理方法的发展前景进行了展望｡关键词:木质纤维素;预处理方法;研究进展Research Advances of Pretreatment Technology of LignocelluloseAbstract: Some practical pretreatment technologies of lignocellulose were briefly introduced, including the main methods, principles, advantages and disadventages. And the development prospect of pretreatment technology of lignocellulose was put forward.Key words: lignocellulose; pretreatment method; research progress随着世界经济的不断发展和石油资源的日益消耗,开发更加长久有效的能源是各国面临的一个巨大难题｡作为一种可再生能源,生物质能源是中国能源可持续发展的必然战略选择之一｡利用木质纤维素生产生物乙醇､丁醇等生物质燃料是生物质能源开发的重要内容｡我国天然纤维素原料非常丰富(包括农作物秸秆､林业副产品､城市垃圾和工业废弃物等),利用生物技术分解和转化木质纤维素既是资源利用的有效途径,对于解决环境污染､食品短缺和能源危机又具有重大的现实意义｡1 木质纤维素的结构木质纤维素是指以纤维素､半纤维素和木质素为主要成分的原料,3种成分在植物原料中的含量分别为35%~50%､15%~25%和15%~30%｡纤维素是聚合度在 1 000~10 000的葡萄糖的线性直链聚合物,由结晶相和非结晶相交错形成,结晶相结构致密,阻碍纤维素的分解｡半纤维素结构较纤维素简单,主要是由木糖､阿拉伯糖等戊糖及少量的葡萄糖､甘露糖和半乳糖等己糖形成的直链或支链聚合物,在适宜的温度下易于溶解在稀酸溶液中并降解成单糖｡木质素是一种由苯丙烷结构单体组成的具有复杂三维结构的芳香族高聚物,在植物结构中发挥胶粘作用,将纤维素和半纤维素紧密结合在一起,增大茎秆的机械强度,起到木质化作用,阻碍微生物对植物细胞的攻击,同时减小了细胞壁的透水性｡纤维素和半纤维素作为可酵解糖类,占原料总重的65%~75%[1]｡2 预处理的目的木质纤维素的转化利用可分为原料预处理､酶水解和糖发酵3个阶段,主要的技术瓶颈在于预处理技术不够成熟以及纤维素酶活性较低,造成生产成本过高｡通过原料的预处理,可以破坏纤维素的结晶结构,降低木质素的聚合度,提高木质纤维素材料的多孔性,增加酶与底物的接触面积,从而提高酶解的效率,达到节约时间和降低成本的目的｡好的预处理应满足以下4个条件:①有利于提p 3.1.1 机械粉碎法通过机械削切和研磨分别将木质纤维处理成粒径为10~30 mm和0.2~2.0 mm的颗粒,可有效降低木质纤维素的结晶度和消化效率[2]｡震动球磨技术能比普通球磨技术更有效地降低木质纤维素的结晶度和消化特性｡相对来说,机械粉碎耗时长､耗能高,造成预处理成本太高,无法在工业化生产中广泛使用[3]｡3.1.2 蒸汽爆破蒸汽爆破是当今应用最为广泛的木质纤维素预处理技术｡通过将经高压饱和蒸汽溶解的木质纤维素瞬间降压,达到破坏木质纤维素结构的目的｡通常认为,半纤维素被爆破过程中产生的醋酸和其他的有机酸所溶解,从而导致纤维素暴露出来,增大了微纤维与酶的可及性｡木质素的含量变化不大,只有小部分被溶解,但是在溶解过程中木质素发生解聚/再聚合反应,从而使木质纤维素的表面结构发生变化｡瞬时爆破使样品得以破碎降解,从而增大了反应的可接触面积,这些因素都能够提高纤维素的水解效率｡影响蒸汽爆破处理效果的因素主要有以下几方面:压力保持时间､温度､颗粒的粒径大小和含水量｡高温短时处理(270 ℃､1 min)或者低温长时间处理都能够使半纤维素达到最大程度的溶解｡相对于机械粉碎,蒸汽爆破法可以节省大约70%的能量,同时对环境不产生污染｡近几年来,通过加入各种催化剂(酸或碱)或者改换不同的蒸汽介质(如氨水),发展出许多新型的爆破技术,有效推动了预处理技术的发展,使蒸汽爆破成为最接近商业化应用的预处理方法｡大量不同种类的木质纤维素预处理试验证明了蒸汽爆破技术的可行性,其使用规模也在不断扩大｡加拿大的Iogen工厂已经建立了一套利用该技术处理木质纤维素的中试装置｡尤其在阔叶树木及农作物秸秆的处理方面,蒸汽爆破法被看作是最具有经济价值的预处理技术[1]｡蒸汽爆破法的局限主要包括半纤维素的分解､木质素的不完全降解以及在处理过程中产生的对于后续酶水解和发酵有害的物质｡因此,需要用大量的水冲洗预处理产物以去除这些有害物质｡但冲洗的同时带走了可溶性的糖,其中包括一大部分的可溶性半纤维素,降低了总的糖产量｡3.1.3 超临界水处理超临界水处理是指利用处于超临界状态(T>374.2 ℃､P>22.1 MPa)的水处理木质纤维素的方法,通常与亚临界水解技术联合使用｡在临界点(T=374.2 ℃､P=22.1 MPa)时,水的溶剂化能力突然增强,电离程度增大,可有效打破木质素的包裹作用同时降低纤维素的结晶度,使纤维素可以很容易地溶解在超临界的水溶液中,并且迅速分解成低聚糖,低聚糖进而快速分解成葡萄糖｡阳金龙等[4]研究了该技术在玉米秸秆预处理中的应用,将40 mg玉米秸秆和2.5 mL水置于380~400 ℃的密闭容器中反应15~35 s,然后对产物进行分析｡结果表明,玉米秸秆在388 ℃的超临界水相中,经21 s的反应时间后,低聚糖转化率和可检测转化率最高,分别为24.1%和43.6%｡相对于传统预处理技术,超临界水处理具有反应时间短､水解效率高､资源和环境成本低等优点,但是作为一项新兴技术,其理论研究相对不足,尚无法解决葡萄糖分解产物较多､副产物成分复杂､发酵糖产量较低等问题｡3.2 化学法化学法是用碱､酸､有机溶剂等预处理木质素､纤维素的方法,主要目的是破坏细胞壁中半纤维素与木质素之间的共价键,破坏纤维素的结晶结构及纤维素与木质素的连接键,从而提高秸秆的消化率｡3.2.1 酸处理酸处理是利用稀酸､浓酸和无水有机酸等酸性物质水解秸秆中纤维素的方法｡酸处理可大致分为无机酸处理和有机酸处理｡无机酸处理主要作用是使半纤维素变成单糖进入溶液中,增大试剂与纤维素的接触面积,提高可及度｡预处理后的原料中木质素含量基本不变,半纤维素含量变少,纤维素的含量和聚合度有一定程度的下降｡Silverstein等[5]研究了硫酸､氢氧化钠､过氧化氢和臭氧在不同条件下预处理的效果｡结果表明,这几种物质都能够明显降解木质素或者提高单糖得率,而硫酸预处理时半纤维素降解率最高,在121 ℃､0.1 MPa､2% H2SO4､90 min的条件下,木质素降解率为95.23%,但是对后续的纤维素水解影响最大,葡萄糖的转化率最低,为23.85%｡唐锘[6]在研究中发现,稀硫酸预处理方法对秸秆各组分降解率最高,在最适水解条件(0.7%稀硫酸､121 ℃､1 h)下,半纤维素､纤维素､木质素的降解率分别为46.15%､43.75%和50.00%｡有机酸处理原理与无机酸相似,主要是使原料中半纤维素和木质素溶解,降低二者在原料中的含量,一般在使用时增添无机酸作为催化剂｡但是,相对于无机酸,有机酸对容器的腐蚀性小,对后续水解过程的毒性低,具有更大的发展潜力｡3.2.2 碱处理常见的碱处理试剂有氢氧化钙､氢氧化钠､碳酸氢钠或者过氧化氢等｡秸秆碱化的原理在于氢氧根阴离子能削弱半纤维素､纤维素之间的氢键,打开木质素和半纤维素之间的醚键,皂化木质素和半纤维素之间的酯键｡碱处理能够使木质素发生降解以及降低纤维素的结晶度｡Silverstein等[5]用2%的NaOH 处理棉花秸秆,能够明显去除秸秆中的木质素､提高纤维素的转化率｡Wang等[7]研究了百慕大海草在不同浓度的氢氧化钠预处理后结构和物质的变化,结果发现,在NaOH浓度大于或等于1%的情况下,30 min的处理时间可以起到明显的去木质化的作用｡在整个处理过程中,纤维素的去除率变化很小(在10%之内),而半纤维素的去除率随着NaOH浓度的增大而增大,而且效果明显｡碱处理是现在人们普遍采用的方法,但是在用碱处理秸秆时除溶解掉一部分木质素外,也使部分半纤维素被分解,损失较大,同时与用酸处理相同,用碱进行预处理也存在着试剂的回收､中和以及洗涤等问题,这些问题都不可避免地会造成环境污染｡随着技术的发展,酸或碱处理通过与其他的物理或者化学方法(包括球磨法､蒸汽爆破､微波或者氧化技术)进行组合,将形成一些更有效的预处理方法｡3.3 生物方法微生物方法预处理被认为是目前最有前途的一种处理手段,它具有对环境无污染､降解率高､用途广､周期短､可再生､成本低等优点,能提高秸秆的综合利用效率,利于可持续发展｡微生物法主要利用菌类产生的一些酶来降解木质素和半纤维素,而对纤维素的降解作用较小｡目前常用的真菌有白腐菌､褐腐菌等,如黄孢原毛平革菌､彩绒革盖菌等,利用这些真菌产生的木质素分解酶系来对物料进行分解｡Kurakake等[8]对城市垃圾中办公室用纸采用两种菌株(Sphingomonas paucimobilis 和Bacillus circulans)进行混合预处理,然后再用酶水解｡研究表明,混合菌株生物预处理技术能够有效提高废弃办公用纸的酶水解率,糖回收率可达94%,预处理效果显著｡参考文献[1] 波吉特K,帕特里克R G,迈克K. 生物炼制——工业过程与产品(上卷)[M]. 马延和,译. 北京:化学工业出版社,2007. 160-166.[2] SUN Y, CHENG J. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: A review[J]. Bioresour Technol,2002,83(1):1-11.[3] GALBE M, ZACCHI G. Pretreatment of lignocellulosic materials for efficient bioethanol production[J]. Adv Biochem Eng Biotechnol,2007,108:41-65.[4] 阳金龙,赵岩,陆文静,等. 玉米秸秆超临界预处理与水解[J]. 清华大学学报(自然科学版),2010(9):1408-1411.[5] SILVERSTEIN R A, CHEN Y, SHARMA-SHIVAPPA R R, et al. A comparison of chemical pretreatment methods for improving saccharification of cotton stalks[J]. Bioresource Technology,2007,98(16):3000-3011.[6] 唐锘. 秸秆预处理方法的筛选[J].化工时刊,2008(7):22-26.[7] WANG Z, KESHW ANI D R, REDDING A P, et al. Sodium hydroxide pretreatment and enzymatic hydrolysis of coastal Bermuda grass[J]. Bioresour Technol, 2010, 101(10): 3583-3585.[8] KURAKAKE M, IDE N, KOMAKI T. Biological pretreatment with two bacterial strains for enzymatic hydrolysis of office paper[J]. Curr Microbiol, 2007, 54: 424-428.。
木质纤维素生物质预处理技术的研究进展
2.1 物理法
2.1.1 机械粉碎 利用削片、粉碎或研磨把木质纤维素
生物质变成 10~30 mm 的切片或 0.2~2 mm 甚至更为细
小的颗粒，以提高比表面积可及性，降低纤维素结晶度
和聚合度，从而提高酶解转化率 。 [4] 机械粉碎的优点
是经处理的纤维素粉颗粒没有膨润性，体积小，原料的
水溶性组分增加，可提高基质浓度，纤维素的水解率也
蒸汽爆破技术分为添加化学试剂和不添加化学试 剂 2 种。Ballesteros 等[14]对不同颗粒大小的禾本农业 废弃物基质通过汽爆处理后的酶解效果研究表明：基 质颗粒较大时（8~12 mm），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。 Mielenz 等 研 [15] 究了用蒸汽爆破杨木时加入 NaOH，随 碱浓度的增加，木质素脱除率升高，最高可达 90%。 Linde 等[16]在蒸汽爆破处理前用 0.2% H2SO4 预浸处理 麦秆，分别在 190℃、200℃和 210℃条件下处理 2 min、 5 min 和 10 min。 结 果 表 明 ，在 190℃ 温 度 下 处 理 10 min，葡萄糖和木糖的得率最高。蒸汽爆破预处理 技术因其节能、无污染、酶解效率高和应用范围广，适 用于处理植物纤维原料的简单高效的处理方式，可用 于硬木、软木和农业废弃物等各种植物生物质。 2.2.2 SO2 蒸汽爆破 SO2 蒸汽爆破是在蒸汽爆破预处 理过程中添加 SO2 气体，旨在提高纤维素和半纤维素 的转化率和酶水解效率。Öhgren 等[17]研究了用 SO2爆 破法处理玉米秸秆，处理条件为 190°C，5 min，3% SO2 （按原料干重计算），处理后的玉米秸秆在酶解过程中 除了采用纤维素酶外，还添加了半纤维素酶，葡萄糖得 率 达 到 了 接 近 理 论 转 化 率 的 酶 解 效 率 ，木 糖 得 率 达 70%~74%。 2.2.3 氨纤维爆裂 氨纤维爆裂是指将木质纤维素生物 质置于高温高压状态的液态氨中，保持一定时间，然后
木质纤维素类生物质制取燃料及化学品的研究进展
表 1 典型生物质主要成分质量分数（%，干基）
原料
纤维素
半纤维素
木质素
灰分
农业类生物质
玉米秸秆
37.1
24.2
18.2
5.2
稻秆
36.0
19.6
24.0
6.3
小麦秆
44.5
24.3
21.3
3.1
硬木类生物质
白杨
49.0
25.6
23.1
0.2
桦木
42.6
13.3
30.9
0.8
桉木
48.0
14.0
29.0
1 木质纤维素类生物质结构特征
1.1 纤维素 木质纤维素类生物质具有复杂的纤维素-半纤
维素-木质素结构，其中纤维素是 整 个 生 物 质 的 骨 架部分，约占 40%（见表 1），由脱水葡萄糖基通 过 β-1,4 糖苷键连接成直链状结构，其聚合度从几 百到 10000 以上。纤维素大分子的每个基环均具有 3 个醇羟基，其中 C2 和 C3 上为仲醇羟基，而 C6 上 为伯醇羟基，它们的反应能力不同，可以发生氧化、 酯化和醚化等反应，分子间可以形成氢键彼此结合 折叠成紧密的高度结晶化合物。一般来说，木材类 生物质相对农业秸秆类生物质纤维素聚合度和微晶 体较大。纤维素大分子的两个末端基性质不同，左 端的 C4 上有一个仲醇羟基，右端 C1 上有一个苷羟 基，苷羟基上的氢原子易发生转位与基环上氧桥
YU Qiang，ZHUANG Xinshu，YUAN Zhenhong，QI Wei，WANG Qiong，TAN Xuesong， XU Jingliang，ZHANG Yu，XU Huijuan，MA Longlong
（Key Laboratory of Renewable Energy and Gas Hydrate，Guangzhou Institute of Energy Conversion， Chinese Academy of Sciences Guangzhou 510640，Guangdong，China）
木质纤维素预处理研究进展
摘
要 ：木质纤维原料的预处理是木质纤维素生物化学转化 的关键 ，近年 来国 内外 围绕预处理技术进行 了大
量的研 究，但是 由于木质纤 维原料结构复杂和难水解性 ，到 目 前 为止 ，还没有一种较为理想 的预处理技术 ，该 文
对木质 纤维原料传统顸 处理方 法的优缺， 最作 了总结与分析 ，就近年来开发 出来的预 处理技术作 了介 绍，提 出了未 来预 处理技 术的发展方 向。 关键词 ：木质 纤维素；预处理 ；进展
第３ ５卷 第 ３期 ２ ０ １ ３年 ３月
宜春学院学报
Ｊ ｏ ｕ ｍａ ｌ ｏ ｆ Ｙ ｉ ｅ ｈ ｕ ｎ Ｃ ｏ Ｕ ｅ ｇ ｅ
Ｖ０ １ ． ３ ５．Ｎｏ ． ３ Ｍ盯． ２ ０ １ ３
木 质 纤维 素 预 处 理 研 究 进 展
孙 万里
（ 宜春学院 江西省天然药物活性成分重点实验 室，江西 宜眷 ３ ３ ６ ０ ０ ０ ）
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木质纤维素生物质预处理技术研究现状
木质纤维素生物质预处理技术研究现状摘要：为了研究经济高效的预处理技术，综述了近10年国内外在木质纤维素预处理技术方面的研究，对物理法、物理-化学法、化学法、生物法等预处理技术进行了重点分析，发现稀酸处理法、蒸汽爆破法和生物法等技术极具潜力，但目前的研究仍存在不足，今后还需研究成本低、产率高、污染小的预处理技术。
最后对预处理技术的发展提出了建议。
引言木质纤维素原料来源广泛，是储量丰富的可再生资源。
近年来，利用木质纤维素制备燃料乙醇新能源备受国内外专家学者的关注。
发展木质纤维素生产燃料乙醇的能源技术，对于降低成本和保护环境是一个“双赢”的模式，与当今世界的低碳环保主题一致，有利于人类社会的可持续发展。
目前，用植物纤维原料生产乙醇的成本仍然较高，还无法与粮食乙醇形成竞争。
因此，致力于寻找经济高效的预处理方法是当今燃料乙醇制备过程中的研究热点之一。
常规的预处理技术主要包括：酸法、碱法、有机溶剂法、蒸汽爆破法或几种方法的结合，虽然处理效果相对较好，但是对设备的要求高，造成严重的环境污染；生物法能耗低、无污染，但是成本高、作用周期长、木质素分解酶类的酶活力低。
为此，开发低廉高效的木质纤维素预处理技术成为当前生物乙醇研究的关键。
基于此，笔者对木质纤维素生物质预处理技术进行综述及分析，并对预处理技术的发展前景提出建议，以期为纤维素乙醇的研究提供有益的参考。
1木质纤维素生物质预处理的意义木质纤维素构成了植物的细胞壁，对细胞起着保护作用。
木质纤维素是指纤维素、半纤维素及木质素三者的总称，也有少量的果胶、树胶、藻胶和琼脂等成分，结构非常复杂。
纤维素和半纤维素被木质素层层包裹，纤维素是由1000~10000个β-D-吡喃型葡萄糖单体形式以β-1,4-糖苷键连接形成的直链多糖，多个分子层平行排列构成丝状不溶性微纤维结构，基本组成单位为纤维二糖，是地球上含量最丰富的聚合物。
半纤维素主要是由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖或甘露糖组成。
生物法预处理木质纤维素的应用案例
生物法预处理木质纤维素的应用案例
那我给你讲讲生物法预处理木质纤维素的超酷应用案例吧。
就拿造纸业来说吧。
你知道的，造纸的原料很多都是木质纤维素。
以前处理这些原料可麻烦了，化学法虽然也能行，但有点“简单粗暴”，还可能污染环境。
现在生物法就闪亮登场啦。
有一种白腐菌，这小家伙就像是木质纤维素的“小工匠”。
造纸厂把木材原料和白腐菌放在一起，就像是安排了一场小聚会。
白腐菌开始发挥它的魔力，它分泌出各种酶，就像小剪刀一样，把木质纤维素结构里那些紧密连接的木质素给剪开，让纤维素更容易被提取出来。
这样一来，造纸的时候，从木材里获取纤维素就变得更容易，而且纸张的质量还更好了呢。
再说说生物燃料的生产。
有个公司想要用农作物秸秆这种木质纤维素丰富的东西来生产生物乙醇。
他们采用了一种特殊的微生物群落预处理秸秆。
这些微生物在秸秆堆里就像一群勤劳的小矿工，它们分解木质素，打开纤维素的“宝藏之门”。
然后，后续的发酵过程就能更高效地把纤维素转化成乙醇。
原本那些可能被烧掉或者扔掉的秸秆，就这么华丽转身变成了清洁能源，多厉害呀。
还有在饲料生产领域。
木质纤维素在一些植物原料里含量不少，但是动物不好消化啊。
有个农场主想把一些干草类的东西变成更优质的饲料。
他就用了瘤胃微生物来预处理。
瘤胃微生物就像是动物消化系统派来的先遣部队，它们提前在饲料堆里对木质纤维素进行初步分解，降低木质素含量，提高纤维素的可消化性。
这样动物吃了这种预处理过的饲料，能更好地吸收营养，长得更壮实呢。
这些就是生物法预处理木质纤维素在不同领域超棒的应用案例啦。
木质纤维素预处理技术及其机理研究进展
第 ２期
新 能 源 进 展
ＡＤＶＡＮＣＥ Ｓ Ｉ Ｎ ＮＥ Ｗ ＡＮＤ ＲＥＮＥＷＡＢＬ Ｅ Ｅ ＮＥＲＧＹ
Ｖｏ１ ．１ ＮＯ ．２
２ ０ １ ３年 １ ０月
文 章编 号 ：２ ０ ９ ５ — ５ ６ ０ Ｘ（ ２ Ｏ １ ３ ）０ ２ — ０ １ ５ ０ ０ ９
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木质纤维素原料预处理技术的研究进展
木质纤维素是地球上最丰富、最廉价且符合可持续发展要求的可再生资源。
我国是一个农业大国，每年形成的农业废弃物约有７亿ｔ，其中大部分被丢弃或焚烧，这样不仅造成了大量资源的浪费，还造成了环境污染。
自从２０世纪７０年代石油危机之后，人们开始致力于开发各种新能源，转化利用巨大的木质纤维素资源，以提供人们所需的能源和其它化工产品，已成为许多国家正在积极探索的课题。
天然植物纤维原料主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，结构非常复杂。
由于木质素、半纤维素对纤维素的保护作用以及纤维素自身的晶体结构，使得木质纤维素形成致密不透水的高级结构，使酶制剂很难与纤维素接触，直接影响接下来的水解和发酵过程。
因此，要充分利用纤维素类资源必须先对其进行有效的预处理。
预处理的目的是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，脱去木质素，增加原料的疏松性以增加纤维素酶系与纤维素的有效接触，从而提高酶效率。
预处理必须满足以下要求：（１）促进糖的形成，或提高后续酶水解形成糖的能力；（２）避免糖的降解或损失；（３）避免形成副产物阻碍后续水解和发酵过程；（４）节约成本。
目前，木质纤维素原料预处理的方法主要有：物理法、化学法、生物法、综合法等。
１ 物理方法 常用的物理方法有：机械微粒粉碎、高温分解、微波处理、蒸汽爆破、高能辐射等。
１．１ 机械微粒粉碎 该方法是纤维素质原料预处理常用方法之一，它能使木质纤维素原料在破裂、碾磨等外力作用下使颗粒变小，结晶度降低。
经粉碎的纤维素粉没有膨润性，体积小，有利于提高基质浓度，可得到较高糖化液浓度。
麦秸粉碎预处理对酶解的影响是：随着木质纤维素张 鑫︐刘 岩（郑州轻工业学院食品与生物工程系，河南 郑州 ４５０００２）秸秆粉碎程度加深，表面积也增大，裸露在表面的结合点增加，酶解速度加大。
在机械粉碎处理方法中震荡球磨的效率较高，碾磨之后的原料粒径一般在０．２～２ｍｍ高温下研磨比常温下处理效果更好，但耗能大，而且处理的材料也有一定局限性。
木质纤维素生物预处理的现状：潜力、进展与挑战-外文翻译
译文：木质纤维素生物预处理的现状：潜力、进展与挑战摘要通过生化平台从木质纤维素中生产生物燃料和生化制剂的可行性在很大程度上取决于从植物细胞壁上的纤维素和半纤维素获得糖类的推进技术。
本文概述了发展中的植物细胞壁结构生物预处理技术在从纤维素聚合物中进行糖的后续酶提取方面的成果和挑战。
该技术已经成为了一个打破瓶颈的新选择。
尽管由于许多固有的局限性没有引起多少注意，生物预处理还是由于其自身的许多优势而存在很大潜力，包括更环保、耗能更少、反应产生抑制剂更少、副产物更少等。
在白蚁和白腐菌方面不断取得的科技成果为实现这些利益，发展新一代生物预处理技术提供了理论依据。
本文综述了以木质素降解酶为主的酶系统，描述了当前对微生物降解植物细胞壁的理解，对比了生物与化学的预处理过程。
还对生物制浆的成果进行了总结，提供了一个未来生物预处理过程的发展方向。
简介获得可再生燃料和化学制剂的唯一方式是通过利用绿色植物吸收太阳能，再以有机碳源的形式存储起来。
大自然还开发了各种途径以额外的最小输入能量来利用和回收这些植物材料。
这样做，大自然能够一直保持一个可持续发展的平衡的生态系统数百万年。
如何利用木质纤维素的生物分解来进行生物燃料和生化生产是这些天然生物过程需要解决的主要障碍，他们往往最节能并且对环境产生的影响不大。
随着化石燃料资源的衰退和对气候变化的担忧，发展生物质燃料和化学制剂显得愈发紧迫。
例如，到2022年，每年生产的360亿加仑可再生燃料中，生物燃料必须占到210亿加仑。
未来生化和生物燃料发展的基础是生物质原料的供应。
所有的类型中，木质纤维素、木质生物、作物残留物、草和藻类的生物质能含量是最丰富的。
木质生物质是地球上最丰富的可再生生物资源，在地球上,每年可生产109~ 200吨，其中只有3%用于诸如造纸工业的非食品领域。
目前纤维素的消费量与谷物消费持平，是钢铁消费的3倍。
为了既能将这些材料用于生产生物燃料又不与人类的粮食供应构成冲突，未来的生物炼制将以木质生物质原料为主。
木质纤维素预处理方法研究进展综述
综上所述，利用二氧化钛和光催化处理技术，可减少木质素在氧化过程中的碳损耗，较好地保留了木质素中的苯环结构，是一种有效降解木质素的新方法。
5.3电晕放电法
芬兰的E.Koivula等人[11]为了有效地回收天然木质素，用不同的预处理方法，比较了木材水解产物中的杂质对后续过滤材料的影响。实验发现，利用脉冲电晕放电的氧化方法处理后，可提升过滤膜的过滤效率，对于过滤膜来讲，其流速提高了6倍。其他的前处理方法，也会影响过滤体系对木质素的过滤效果，比如添加活性炭吸附剂以及调节体系pH值也可提高过滤效率。该研究表明，针对木材水解产物中的各种化学结构，综合利用如电晕放电等前处理手段，可获得较高的木质素回收率。
木质纤维素材料经过预处理后，纤维素水解效率的差异取决于预处理方式的选择、所处理物料的特性、纤维素酶用量及酶系的组成。
预处理强度对纤维素的水解效率有着显著的影响，为了获得较好的纤维素水解效率，需要适当提高处理强度，但是强度的提高会增加能量的消耗，同时也会降低糖的回收率，因此需要在纤维素的水解效率与能量消耗及糖回收率之间找到平衡点［6］。
5.2光催化法
处理木质素的手段并不局限于传统的诸如热水处理、酸处理和碱处理等方法。将光化学技术应用于木质素，是绿色化学在化学工艺进步方面的体现。因为光化学所使用的绝大部分能量可用绿色能源来替代，因此该技术结合木质素这种传统工业废料的回收利用，可进一步对环境保护产生深V手段预处理水稻秸秆，并用酶把秸秆中的纤维素转化成乙醇，再用测定酶降解后所获得的葡萄糖数量表征木质素降解的程度。该方法可以避免传统降解过程中不可回避的高温高压以及其他强烈腐蚀条件，是一种高效、绿色环保的秸秆预处理方式，为绿色化学下的木质素处理，探索了一条值得研究的路线。
碱性低共熔溶剂预处理木质纤维素类生物质
碱性低共熔溶剂预处理木质纤维素类生物质近年来，生物质作为可再生资源的重要代表之一，受到了广泛关注。
然而，木质纤维素类生物质的利用受到了一些限制，其中主要的问题是纤维素的结晶性和抗生物降解性。
为了克服这些问题，研究人员开始探索使用低共熔溶剂进行预处理的方法。
低共熔溶剂是指能够与纤维素类生物质中的纤维素和木质素发生作用的溶剂，其熔点相对较低，且在一定温度下形成液态。
与传统的溶剂相比，低共熔溶剂具有较高的溶解能力和选择性，能够在较温和的条件下有效地预处理纤维素类生物质。
碱性低共熔溶剂是一种常见的低共熔溶剂，其主要成分通常是一种无机碱和有机溶剂的混合物。
碱性低共熔溶剂的优势在于其碱性能够中和纤维素中的酸性官能团，从而降低纤维素的结晶度，提高纤维素的溶解性。
此外，碱性低共熔溶剂还可以通过裂解木质素和其他非纤维素组分，提高生物质的可利用性。
在碱性低共熔溶剂预处理过程中，温度、溶剂比例、溶剂用量等参数是影响预处理效果的关键因素。
适当的温度可以加速纤维素的溶解和裂解，而过高的温度则可能导致纤维素的降解和产生副产物。
合理的溶剂比例和溶剂用量可以提高溶剂的溶解能力和选择性，从而增加纤维素的溶解度和木质素的裂解程度。
碱性低共熔溶剂预处理木质纤维素类生物质的优点主要体现在两个方面。
首先，预处理可以有效地降低纤维素的结晶度和抗生物降解性，提高纤维素的可溶解性和可降解性，从而有利于后续的酶解、发酵和化学转化等工艺。
其次，预处理还可以裂解木质素和其他非纤维素组分，提高生物质的可利用性和产物的价值。
总之，碱性低共熔溶剂预处理木质纤维素类生物质是一种有效的方法，可以克服纤维素的结晶性和抗生物降解性等问题，提高生物质的可利用性和产物的价值。
未来的研究还可以进一步优化预处理条件，探索新的低共熔溶剂体系，以实现对木质纤维素类生物质的高效转化。
木质纤维素预处理技术研究现状与展望
前沿评述化工矿物与加工INDUSTRIAL MINERALS &PROCESSING2024年第4期文章编号:1008-7524(2024)04-0050-13D O I :10.16283/j .c n k i .h g k w y j g.2024.04.007 木质纤维素预处理技术研究现状与展望*张瀚文,陈正军,张晨雨,郭凤霞(甘肃农业大学生命科学技术学院,甘肃兰州730000) 摘要:木质纤维素是自然界中最丰富的可再生资源,可用于生产燃料乙醇㊁生物柴油等能源产品,也是制备化学品和造纸的主要原料㊂木质纤维素主要由纤维素㊁半纤维素和木质素组成,复杂的化学结构限制了其高效利用,故必须对其进行预处理,去除木质素㊁半纤维素等不可溶物质,从而使其更易被酶水解成可发酵的糖,进而提高木质纤维素的降解转化率㊂预处理技术可以改变木质纤维原料的内部结构和表面性质,为后续的酶解糖化创造良好条件㊂从物理㊁化学㊁生物㊁联合处理等4个方面全面综述了不同木质纤维素预处理技术的研究现状,总结了其预处理效果和优缺点,并展望了其未来的研究方向,旨在为木质纤维素生物质降解利用研究提供参考㊂关键词:木质纤维素;预处理;物理法;化学法;生物法;半纤维素;降解中图分类号:T Q 352 文献标志码:AR e s e a r c h s t a t u s a n d p r o s p e c t o f l i gn o c e l l u l o s e p r e t r e a t m e n t t e c h n o l o g yZ h a n g H a n w e n ,C h e n Z h e n g j u n ,Z h a n g C h e n y u ,G u o F e n gx i a (C o l l e g e o f L i f e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,G a n s u A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y,L a n z h o u G a n s u 730000,C h i n a)A b s t r a c t :L i g n o c e l l u l o s e i s t h e m o s t a b u n d a n t r e n e w a b l e r e s o u r c e i n n a t u r e ,w h i c h c a n b e u s e d t o p r o d u c e e n e r g yp r o d u c t s s u c h a s f u e l e t h a n o l a n d b i o d i e s e l ,a n d i s a l s o t h e m a i n r a w m a t e r i a l f o r t h e p r e pa r a t i o n o f c h e m i c a l s a n d p a p e r m a k i n g .L i g n o c e l l u l o s e i s m a i n l y c o m p o s e d o f c e l l u l o s e ,h e m i c e l l u l o s e a n d l i g n i n ,a n d i t s c o m pl e x c h e m i c a l s t r u c t u r e l i m i t s i t s e f f i c i e n t u t i l i z a t i o n .T h e r e f o r e ,i t m u s t b e p r e t r e a t e d t o r e m o v e i n s o l u b l e s u b s t a n c e s s u c h a s l i gn i n a n d h e m i c e l l u l o s e ,s o a s t o m a k e i t e a s i e r t o b e h y d r o l y z e d b y e n z y m e s i n t o f e r m e n t a b l e s u g a r s ,t h u s i m p r o v i n g th e d e g r a d a t i o n a n d c o n v e r s i o n r a t e o f l i g n o c e l l u l o s e .P r e t r e a t m e n t t e c h n o l o g y c a n c h a n ge t h e i n t e r n a l s t r u c t u r e a n d s u r -f a c e p r o p e r t i e s o f l ig n o c e l l u l o s i c m a t e r i a l s ,c r e a t i n g g o o d c o n d i t i o n s f o r s u b s e q u e n t e n z y m a t i ch y d r o l y si s a n d s a c c h a r i f i -c a t i o n .T h e r e s e a r c h s t a t u s o f d i f f e r e n t l i g n o c e l l u l o s e p r e t r e a t m e n t t e c h n o l o g i e s i s r e v i e w e d f r o m f o u r a s p e c t s o f p h ys -i c s ,c h e m i s t r y ,b i o l o g y a n d c o m b i n e d t r e a t m e n t .T h e p r e t r e a t m e n t e f f e c t s ,a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a ge s a r e s u mm a -r i z e d ,a n d t h ef u t u r e r e s e a r c h d i r e c t i o n s a r e p r o s p e c t e d ,a i m i ng t o p r o v i d e r e f e r e n c e s f o r th e d e g r a d a ti o n a n d u t i l i z a t i o n o f l i gn o c e l l u l o s e b i o m a s s .K e yw o r d s :l i g n o c e l l u l o s e ;p r e t r e a t m e n t ;p h y s i c a l m e t h o d ;c h e m i c a l m e t h o d ;b i o l o g i c a l m e t h o d ;h e m i c e l l u l o s e ;d e g r a -d a t i o n㊃05㊃*收稿日期:2023-05-16基金项目:国家自然科学基金项目(31560175);甘肃省高等学校创新能力提升项目(2019B -074);甘肃农业大学公招博士科研启动基金项目(2017R C Z X -25);甘肃省自然科学基金项目(20J R 10R A 517)㊂作者简介:张瀚文(1996-),男,硕士研究生,研究方向为生物技术与工程;E -m a i l :452717908@q q .c o m ㊂通信作者:陈正军(1985-),男,博士,讲师,研究方向为环境微生物,E -m a i l :c h e n z j@g s a u .e d u .c n ㊂郭凤霞(1963-),女,博士,研究员,研究方向为药用植物栽培与育种,E -m a i l :gu o f x @g s a u .e d u .c n .c o m ㊂引用格式:张瀚文,陈正军,张晨雨,等.木质纤维素预处理技术研究现状与展望[J ].化工矿物与加工,2024,53(4):50-62.Z H A N G H W ,C H E N Z J ,Z HA N G C Y ,e t a l .R e s e a r c h s t a t u s a n d p r o s p e c t o f l i g n o c e l l u l o s e p r e t r e a t m e n t t e c h n o l o g y[J ].I n d u s t r i a l M i n e r a l s &P r o c e s s i n g,2024,53(4):50-62.张瀚文等:木质纤维素预处理技术研究现状与展望2024年4月0引言能源危机和环境污染是制约人类发展的核心问题㊂木质纤维素是自然界中最丰富和最廉价的可再生资源,年产量约为2000亿t[1],其广泛存在于农作物资源和林业资源中,具有分布广㊁数量大㊁种类多㊁成本低等优点[2]㊂木质纤维素通过生物转化技术可生产沼气㊁生物乙醇等高价值化学品,以其为原料生产的生物乙醇是一种具有高能量可再生能源,利用生物乙醇替代石油㊁天然气等化石燃料,对于缓解能源危机[3]㊁治理生态环境[4]㊁培育生物产业[5]等具有重要意义㊂木质纤维素主要由纤维素(30%~50%)㊁半纤维素(15% ~30%)和木质素(15%~30%)[6]构成,三者间通过共价键和氢键连接,常见的木质纤维素生物质有水稻秸秆㊁小麦秸秆㊁高粱秸秆㊁玉米芯㊁玉米秸秆㊁甘蔗渣㊁柳枝稷㊁松木㊁桉木等[7-8]㊂纤维素和半纤维素被高度聚合的木质素包裹形成紧密结构,导致其降解利用困难㊂预处理技术是克服木质纤维素的复杂性和顽固性的关键技术,预处理能破坏木质纤维素结构,去除木质素和半纤维素,增强酶对纤维素的可及性,进而提高木质纤维素的降解转化效率[9]㊂本文总结了降解木质纤维素的各种预处理技术,详细介绍了物理法㊁化学法㊁生物法和联合处理技术,分析了各种方法的预处理效果和优缺点,并展望了木质纤维素高效转化利用的方向㊂1木质纤维素预处理技术概述木质纤维素对化学试剂和生物分解具有的抗性称为生物顽固性㊂纤维素的晶体结构㊁木质化程度以及细胞壁结构成分的复杂性等因素导致其具有顽固性,为了高值化利用木质纤维素原料,必须克服该性质㊂预处理是木质纤维素降解利用中的核心步骤,通过破坏其稳定的结构㊁去除木质素㊁减小半纤维素的致密度及打开纤维素中的氢键,将结晶性的纤维素转化为无定形的纤维素,从而增强纤维素酶的可及性㊂有效的预处理应满足以下要求:有利于后续水解,避免产生酶解糖化的抑制物,减少污染和资源浪费,经济上可行㊂目前对木质纤维素的预处理技术主要包括物理法㊁化学法㊁生物法及联合处理法[10-12](见表1)㊂表1木质纤维素预处理方法及其特点T a b l e1L i g n o c e l l u l o s e p r e t r e a t m e n t m e t h o d s a n d t h e i r c h a r a c t e r i s t i c s预处理技术方法适用原料预处理效果副产物优点缺点物理预处理机械粉碎减小原料的粒径,增强纤维素酶的可及性㊂无操作简单,无化学品使用㊂能耗高,不能去除木质素和半纤维素㊂微波辐射均可降低纤维素聚合度,增大酶触面积㊂极少操作简单,糖化效果明显㊂木质素去除不完全㊂超声辐射降低木质纤维素分子内部聚合度㊂无无需其他试剂㊂价格昂贵㊂化学预处理酸处理均可溶出半纤维素,打破纤维素间氢键㊂脂肪族羧酸㊁苯类㊁呋喃类作用时间短,半纤维素转化效率高㊂去除木质素效果不佳,糖降解副产物多㊂碱处理硬木和农业废弃物脱去木质素及少部分半纤维素㊂乙酸㊁羟基酸处理效率高㊂处理时间较酸法长㊂离子液体木质素和半纤维素去除率高㊂无离子液体可重复使用㊂成本高㊂有机溶剂均可有效去除半纤维素㊂无实现木质素㊁纤维素和半纤维素组分分离㊂成本高,易燃易爆㊂氧化剂处理脱去木质素和部分半纤维素㊂乙酸㊁糠酸㊁醛糖酸环保㊁高效去除木质素㊂成本高㊂㊃15㊃2024年第4期I M&P化工矿物与加工第53卷(续表)预处理技术方法适用原料预处理效果副产物优点缺点生物预处理细菌㊁真菌㊁放线菌均可去除木质素,溶出水解半纤维和降低纤维素聚合度㊂无反应条件温和,能耗低,无需添加化学试剂㊂周期长,不太适合商业应用㊂复合菌系均可木质纤维素结构被破坏,纤维素结晶度降低㊂无提高糖产率,水解糖化效率高㊂构建筛选高效降解复合菌系过程复杂㊂联合预处理物化预处理硬木㊁秸秆和农业废弃物可以有效去除木质素,降低纤维素结晶度㊂极少商业应用前景大㊂使用化学试剂㊂生物联合处理均可去除木质素,降低半纤维素结晶度,减少抑制化合物的产生㊂呋喃类成本低,无污染,工业化产物易回收,应用前景大㊂无2物理法预处理木质纤维素2.1机械粉碎预处理机械粉碎是利用机械将原料粉碎至0.22mm 的工艺,减小原料的粒径,降低纤维素的结晶度,增强纤维素酶的可及性,以提高木质纤维素的水解效率[13]㊂不同的木质纤维素原料所需粒径的耗能不同[14]㊂粉碎方式包括球磨粉碎㊁盘式粉碎和气流粉碎等㊂球磨粉碎能更高效地减小木质纤维素的粒径㊂G U等[15]使用高速球磨机对玉米秸秆进行预处理后发现,葡萄糖的产率提升了44%㊂K AW E E等[16]通过高压均质化(H P H)从细菌纤维素中分解细菌纳米原纤化纤维素,H P H被认为是一种简单㊁无毒且高效的纳米原纤化纤维素提取方法㊂H I D E N O等[17]分别采用湿法粉碎和球磨粉碎处理水稻秸秆,酶解产率分别达到了78.5%和89.4%㊂Z H E N G等[18]改进了螺杆挤压法,通过将机械元件换成反向元件,使得木质素的去除效果好于绝大多数化学方法㊂机械粉碎预处理(见表2)不产生任何有毒或抑制性化合物,适用于各种木质纤维素原料的预处理㊂该方法操作简单,不涉及化学品,污染小㊂粉碎程度越高,酶解糖化效果越好,但粉碎时间过长会导致颗粒间发生聚合而增加能量损耗[19]㊂该方法的缺点是不能去除木质素和半纤维素,能耗高㊂未来应根据实际需求同其他预处理工艺相结合,以提高木质纤维素的降解转化率㊂表2机械粉碎预处理的降解效果及其优缺点T a b l e2 M e c h a n i c a l g r i n d i n g p r e t r e a t m e n t d e g r a d a t i o n e f f e c t a n d a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s 方法预处理效果副产物优点缺点机械粉碎预处理减小粒径及纤维素的结晶度,增大酶接触面积,增强纤维素酶的可及性㊂无适用于处理各种木质纤维素原料,操作简单,不涉及化学品㊂不能去除木质素和半纤维素,能耗高㊂2.2微波辐射预处理微波辐射预处理是指通过微波破坏木质纤维素结构,将纤维素分子间的氢键打破以增大酶触面积,从而达到提高木质纤维素水解效率的目的[20]㊂MA等[21]采用680W微波预处理稻秆,与未处理的稻秆相比,糖化率提高了30.3%㊂陈亮等[22]采用800k G yγ射线辐照预处理水稻秸秆,其纤维素的酶解转化率由12.8%提高至64.1%㊂L I U等[23]使用微波辐射在碱性条件下处理木质纤维素,发现在微波处理下复杂的纤维结构发生了有效断裂,碱性溶液渗透到木质纤维素内部结构,可明显去除半纤维素,纤维素产率高达93.05%㊂MO O D L E Y等[24]研究了微波辅助无机盐预处理甘蔗叶废弃物增强酶促糖化的影响,当用2m o l/L 的F e C l3在700W和3.5m i n照射时间下进行预处理后,每克原料产生了0.406g还原糖㊂微波辐射预处理(见表3)具有操作简单㊁糖化效果明显㊁绿色环保等优点,缺点是装置的成本高,使其大规模工业化应用受到了一定限制㊂未来的发展方向应是同其他预处理方法相结合,以㊃25㊃张瀚文等:木质纤维素预处理技术研究现状与展望2024年4月提高木质纤维素的降解转化效率㊂表3微波辐射预处理的降解效果及其优缺点T a b l e3 D e g r a d a t i o n e f f e c t s o f m i c r o w a v e r a d i a t i o n p r e t r e a t m e n t a n d i t s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s 方法预处理效果副产物优点缺点微波辐射预处理减少纤维素的结晶区域,降低木质纤维素的聚合程度,增大酶接触面积㊂极少操作简单,绿色环保,木质纤维素酶解糖化效果明显㊂装置成本高,大规模应用困难㊂2.3超声波预处理超声波预处理是利用高于2000H z的声波通过空化作用切割木质纤维素的复杂结构,促进所需化合物的提取,如纤维素㊁半纤维㊁木质素[25]㊂超声波持续时间㊁功率以及温度是影响超声波预处理效果的关键㊂L I Y A K A T H A L I等[26]研究发现甘蔗渣的酶解效率随着超声时间和温度的增加而升高,而超声频率对酶消化率没有影响㊂C H E R P O Z A T等[27]研究了超声波预处理木屑用于生物油生产,发现在170k H z㊁0.5h和40k H z㊁1.5h的组合以及1000W的功率条件下,与未处理的木屑相比,生物油的产量提高了12.0%㊂超声波是一种环保高效的预处理技术(见表4),缺点是成本高,不适合工业化应用㊂未来的研究方向应是同化学法预处理相结合,以提高木质纤维素降解效率㊂表4超声波预处理的降解效果及其优缺点T a b l e4 D e g r a d a t i o n e f f e c t o f u l t r a s o n i c p r e t r e a t m e n t a n d i t s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s 方法预处理效果副产物优点缺点超声波预处理木质纤维素分子内部聚合度降低无环保,高效,无需化学试剂㊂成本高,不适合工业化应用㊂3化学法预处理木质纤维素3.1酸预处理酸预处理木质纤维素是通过破坏木质素㊁溶出半纤维素,降低纤维素的结晶度,从而降解木质纤维素[28]㊂因为强酸具有腐蚀性和强氧化性,采用强酸预处理木质纤维素对设备要求高,所以工业生产中通常使用弱酸㊂使用稀硫酸处理木质纤维素,可以增强纤维素的水解性,将纤维素降解为葡萄糖,木质素降解为多种单环芳香族化合物,半纤维素降解为多种单糖,如甘露糖㊁阿拉伯糖㊁木糖等[29]㊂G A O等[30]使用酸性溴化锂通过一锅法用玉米秸秆制备了糠醛,通过这种方法可将100%的半纤维素转化为糠醛,40.71%的纤维素转化为5-羟甲基糠醛㊂酸预处理(见表5)的优点是对半纤维素的转化效率高,降解耗时短;缺点是木质素去除较少,废液难以回收㊂酸预处理虽然对半纤维素有很好的增溶作用,但也会产生糠醛㊁羟甲基糠醛等挥发性产物,对后续糖化发酵过程有抑制作用㊂未来应关注副产物的去除,简化工艺流程,降低成本㊂表5酸预处理的降解效果及其优缺点T a b l e5 D e g r a d a t i o n e f f e c t o f a c i d p r e t r e a t m e n t a n d i t s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s方法主要试剂预处理效果副产物优点缺点酸预处理硫酸㊁盐酸㊁二氧化硫㊁磷酸㊂降低纤维素的结晶度,溶出半纤维素㊂脂肪族羧酸㊁苯类㊁呋喃类㊂半纤维素的降解转化效率高,降解耗时短㊂木质素去除较少,副产物降解较多,废液难以回收㊂3.2碱预处理碱预处理木质纤维素主要使用碱性氨水㊁氢氧化钠和过氧化氢作为反应试剂,因氢氧根离子能断裂纤维素和半纤维素的氢键,破坏木质素和半纤维素间的化学键导致木质素结构被破坏,增强纤维素酶的可及性,从而提高水解效率[31]㊂高浓度的N a O H可以降低纤维素的结晶度,使其有效溶解[32]㊂B A L I等[33]研究发现低浓度N a O H 预处理对增强纤维素酶的可及性效果最明显,其次是氨水浸泡和石灰处理,均能有效去除木质素㊂㊃35㊃2024年第4期I M&P化工矿物与加工第53卷N O S R A T P O U R等[34]采用不同浓度碳酸钠㊁亚硫酸钠和乙酸钠对甘蔗渣进行预处理,结果表明,碳酸钠更有助于降低结晶度㊁去除木质素以及提高产糖率㊂杜琨等[35]研究发现,以甘蔗渣为原料,在温度为90ħ㊁质量分数为5%的N a O H条件下处理4h,纤维素回收率可达96%㊂苗林平等[36]研究碱性过氧化氢预处理小麦秸秆后发现,在N a OH质量分数为2.0%的碱性环境中,H2O2质量分数为2.0%㊁30ħ下处理24h的样品中纤维素质量分数为50.43%,纤维素保留率为89.52%,木质素脱除率为48.66%,半纤维素脱除率为41.81%,样品酶解率达94.18%㊂碱预处理(见表6)可以去除大部分木质素,不会造成多糖的大量损失,副产物较少;但处理时间相对较长,通常需要消耗大量的水来洗涤和解毒预处理的基质,存在成本高㊁试剂回收难等问题㊂表6碱预处理的降解效果及其优缺点T a b l e6 D e g r a d a t i o n e f f e c t o f a l k a l i p r e t r e a t m e n t a n d i t s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s方法主要试剂预处理效果副产物优点缺点碱预处理氢氧化钠㊁氢氧化钙㊁氨气㊂去除木质素和少部分半纤维素,增强纤维素酶的可及性㊂乙酸㊁羟基酸㊁二羧酸㊁酚类化合物㊂能去除大部分木质素,与酸处理相比,反应器的成本较低㊂处理时间比酸法长,试剂废液回收困难㊂3.3离子液体预处理离子液体能有效去除木质素和半纤维素,是处理木质纤维素的理想溶剂[37]㊂常用的离子液体有咪唑基㊁吡啶基㊁吡咯基㊁磷基和磺基等[38]㊂HO S S A I N等[39]利用离子液体1-乙基-3-甲基咪唑氯盐预处理松木,提高了预处理后的酶解效率,离子液体经3次循环使用后仍具有良好的降解性能㊂H A S HM I等[40]利用1-丁基-3-基唑醋酸预处理甘蔗渣,发现在110ħ㊁30m i n处理条件下甘蔗渣木质素含量显著降低,葡萄糖和木聚糖的转化率分别达到97.4%㊁98.6%㊂B R A N D T-T A L-B O T等[41]首次使用低成本离子液体三乙基硫酸氢铵预处理芒草,发现高达75%的木质素和100%的半纤维素被溶解,并且通过酶促糖化产生了77%的葡萄糖;离子液体重复使用了4次,每次的回收率均为99%㊂离子液体预处理(见表7)木质纤维素后可回收重复使用,其具有无挥发性㊁无毒性㊁高热稳定性和化学稳定性等显著优势;离子液体价格昂贵且对微生物和酶有毒性是其主要缺点㊂未来需要进一步研究低成本回收技术并降低其对酶的毒性㊂表7离子液体预处理的降解效果及其优缺点T a b l e7D e g r a d a t i o n e f f e c t o f i o n i c l i q u i d p r e t r e a t m e n t a n d i t s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s方法常用离子液体预处理效果副产物优点缺点离子液体预处理咪唑基㊁吡啶基㊁吡咯基㊁磷基㊁磺基等木质素和半纤维素去除率高无离子液体可重复使用成本高3.4有机溶剂预处理有机溶剂预处理是利用有机溶剂在100~250ħ的温度范围对木质纤维素进行处理,利用生物质的溶解性不同而实现组分分离[42]㊂常使用各种醇类㊁苯酚㊁酯等有机溶剂作为处理试剂,处理效果好,半纤维素能有效降解并进一步生成生物乙醇等高值化学品[43]㊂S A L A P A等[44]使用乙醇在180ħ㊁40m i n条件下对小麦秸秆进行预处理,小麦秸秆纤维素酶解糖化效率达到89%,生物乙醇产率达到67%㊂邓学群[45]使用硫酸-乙醇在硫酸质量分数2%㊁乙醇体积分数50%㊁预处理温度120ħ㊁预处理时间60m i n㊁固液比1ʒ10的条件下预处理玉米芯,酶解得率为68.48%;在氢氧化钠质量分数2%㊁乙醇体积分数50%㊁预处理温度60ħ㊁预处理时间60m i n㊁固液比1ʒ10的条件下预处理玉米芯,纤维素质量分数为73.11%,木质素含量明显降低,木质素的脱除率达到74.48%,玉米芯的酶解得率为77.29%㊂有机溶剂预处理(见表8)可以实现木质素㊁纤维素㊁半纤维素三大组分的分馏㊂该方法的缺点是大多数有机溶剂价格昂贵,且有机溶剂的高易燃性和挥发性使得预处理需要在特别受控的条件㊃45㊃张瀚文等:木质纤维素预处理技术研究现状与展望2024年4月下进行,操作不慎容易发生爆炸,安全性低㊂表8有机溶剂预处理的降解效果及其优缺点T a b l e8 D e g r a d a t i o n e f f e c t o f o r g a n i c s o l v e n t p r e t r e a t m e n t a n d i t s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s 方法主要试剂预处理效果副产物优点缺点有机溶剂预处理醇类㊁苯酚㊁酯等有效去除半纤维素无能得到纯木质素㊁纤维素㊁半纤维素有机溶剂价格昂贵,易燃易爆3.5氧化剂预处理氧化剂预处理是通过溶出大部分半纤维素,降解木质素增强纤维素酶的可及性,进而提高木质纤维素的酶解糖化效率㊂如G A R C I A-C U B E-R O等[46]用臭氧处理小麦和黑麦秸秆,处理前的酶解率分别为29%和16%,处理后的酶解率分别为88.6%和57.0%㊂湿氧化爆破预处理木质纤维素是利用碱㊁氧气和水在加压㊁加温的条件下溶出半纤维素和木质素,从而分离出纤维素,达到组分分离的目的㊂李诚等[47]使用臭氧预处理玉米秸秆后进行水解制备了可发酵的单糖,研究发现,臭氧处理秸秆在较小的粒径(<48μm)及含水率60%的条件下效果最好,原料中木质素质量分数由15.04%下降至2.96%,酶解糖化率从9.17%提高至39.80%㊂MA R T I N等[48]在195ħ㊁15 m i n条件下处理甘蔗渣,发现纤维素溶出率达到70.0%,酶解转化率为74.9%㊂氧化剂预处理(见表9)的优点是处理条件温和㊁操作简单㊁能高效脱除木质素㊁不产生发酵抑制物;但缺点也十分明显,需要大量氧气,成本较高㊂表9氧化剂预处理的降解效果及其优缺点T a b l e9 D e g r a d a t i o n e f f e c t o f o x i d i z e r p r e t r e a t m e n t a n d i t s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s 方法预处理效果副产物优点缺点氧化剂预处理脱去木质素和部分半纤维素乙酸㊁糠酸㊁醛糖酸操作简单㊁能高效脱除木质素成本高㊁需要大量氧气4生物法预处理木质纤维素生物法预处理降解木质纤维素是利用微生物产酶使木质纤维素间化学键断裂㊂因为木质纤维素的三大组分(木质素㊁纤维素㊁半纤维素)的差异较大[49],所以降解酶也各不相同㊂纤维素外切葡萄糖聚合酶作用在纤维素的结晶区,纤维素内切酶作用在其无定形区,β-葡萄糖苷酶将纤维素寡糖水解为葡萄糖;半纤维素的降解酶是内切β-木聚糖酶和外切木聚糖酶和辅酶[50],木质素降解酶主要有漆酶㊁锰过氧化物酶㊁木质素过氧化物酶及辅酶,能够破坏木质素化学键生成各种小分子片段,最终进入三羧酸循环㊂生物法预处理木质纤维素因处理过程中不会形成抑制剂,具有无污染㊁能耗低等优点,缺点是降解时间长[51]㊂以下将从单菌株和复合菌系降解两个方面介绍微生物法预处理降解木质纤维素㊂4.1单菌株降解处理自然界中降解木质纤维素的单菌株微生物主要是从土壤㊁堆肥㊁动物胃中筛选出具有降解能力的细菌㊁真菌㊁放线菌[52](见表10)㊂细菌分为好氧细菌和厌氧细菌两种,好氧细菌有假单胞菌[53]㊁热酸菌[54]和芽孢杆菌[55]等,厌氧细菌有梭菌[56]㊁热解纤维素菌[57]等;好氧细菌降解效率低,厌氧细菌降解效率高但生长繁殖速度慢,降解的中间产物对其生长繁殖具有抑制作用㊂白腐真菌是自然界中最主要的木质素降解菌,其分泌的胞外氧化酶能够将木质素彻底降解为二氧化碳和水[58],白腐真菌还具有纤维素酶㊁半纤维素酶活性,可以高效降解木质纤维素[59];放线菌如小单胞菌[60]和诺卡氏菌[61]等,降解能力弱,生长繁殖缓慢,产酶效率低㊂㊃55㊃2024年第4期I M&P化工矿物与加工第53卷表10单菌株降解效果及其优缺点T a b l e10 D e g r a d a t i o n e f f e c t o f s i n g l e s t r a i n a n d i t s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s来源主要菌属副产物优点缺点细菌芽孢杆菌㊁纤维粘菌无分泌内切纤维素酶,应用在中性和碱性环境中,商用价值大㊂对结晶纤维素的活性不高,酶产量少,难以提纯㊂真菌白腐真菌㊁木酶㊁曲霉㊁青霉属无一般为胞外酶,活性高㊁产酶量大㊁酶系广,易于纯化分离㊂对环境要求高,一般仅适用于酸性条件下的工业应用㊂放线菌诺卡氏菌㊁小单胞菌无酸或碱的环境下均有较好的活性,原核生物结构简单,便于对编码酶的基因进行克隆和重组㊂放线菌繁殖速度慢,纤维素酶含量低,研究相对较少㊂4.2复合菌系降解处理复合菌系降解木质纤维素(见表11)是指从自然界中筛选出具有降解木质纤维素能力的菌株,在实验室条件下模拟自然环境,构建具有高效降解木质纤维素能力的复合菌系[62],通过研究复合菌系降解菌株间的协调作用机制,配合基因组学设计实验,筛选出降解能力强的复合菌系,以此提高木质纤维素的降解转化效率[63]㊂P U E N T E S-T E L L E Z等[64]结合生态学理论和富集原理开发出了一种能有效降解木质纤维素的最小活性微生物群落,获得了代表4个代谢官能团的18种木质纤维素降解菌株,当18个物种都存在时,降解率达96.5%㊂G U A N等[65]从环境样品中分离出27种细菌菌株,其中具有低β-葡萄糖苷酶活性和最佳木质纤维素降解能力的Z J W-6被鉴定为纤维素单胞菌,由不动杆菌Z J W-6和D A-25组成的复合菌系625在优化条件下表现出了最高的降解率(57.62%)㊂Z H E N G等[66]通过在兼性厌氧静态条件下连续富集培养,从寒冷的多年生森林土壤中获得了一种新型耐冷木质纤维素降解微生物群落L T F-27,在15ħ㊁20d条件下,纤维素㊁半纤维素和木质素的失重率分别为71.7%㊁65.6%和12.5%;L T F-27产生的乙酸和丁酸可在随后的产甲烷阶段直接或间接被微生物转化利用,其在中国东北地区农业秸秆沼气发酵方面具有应用潜力㊂表11复合菌系降解效果及其优缺点T a b l e11 D e g r a d a t i o n e f f e c t o f c o m p l e x b a c t e r i a a n d i t s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s 方法预处理效果副产物优点缺点复合菌系降解处理木质纤维素结构被破坏,纤维素结晶度降低㊂无提高糖产率,酶解糖化效率高㊂构建筛选高效降解木质纤维素的复合菌系的过程繁琐㊂5联合预处理木质纤维素因为木质纤维素结构紧致㊁抗逆性强,利用单一处理方法达不到理想的降解利用效果㊂随着对木质纤维素降解研究的深入,人们可结合多种预处理工艺降解木质纤维素,如碱和稀酸的组合处理㊁稀酸和蒸汽爆破的组合处理㊁超声波和碱组合处理等,以提高木质纤维素的降解效率[67-69]㊂采用联合预处理工艺将是未来木质纤维素降解利用的发展趋势,其中以生物法为核心的组合处理可实现降低成本㊁无污染㊁工业化和产物易回收等目标,具有巨大的应用前景㊂5.1物理化学预处理法5.1.1水热预处理水热预处理是指在160~240ħ的条件下利用水蒸气处理木质纤维素的工艺[70]㊂该工艺主要溶解木质素和半纤维素,使内部纤维素暴露而增强酶对纤维素的水解㊂半纤维素衍生糖主要以低聚物形式存在于液体部分中[71-72]㊂X U等[73]使用水热预处理玉米秸秆,发现葡聚糖的回收率高于98%,反应产生的抑制剂甲酸㊁乙酸等浓度低且对后期的酵母发酵无影响㊂Z H A N G等[74]在探究水热预处理玉米秸秆的最适条件时发现,经水热预㊃65㊃。
木质纤维素预处理技术的研究进展
Ｇｕｉｚｈｏｕ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ
［文章编号］１００１—３６０１（２０１３）１０—０６１２—０１５８—０４
木质纤维素预处理技术的研究进展
李永莲１，刘文锋２，林凯诚３，周亮１，黎或１，龚盛昭１，阳元娥ｈ
（１．广东轻工职业技术学院，广东广州５１０３００；２．广东工业大学，广东广州５１０００６；
李永莲（１９８５一），女，研究实习员，硕士，从事非粮纤维素生物质能源化研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｙｌｉ８５＠１２６．ＣＯｒｎ 阳元娥（１９７４一），女，讲师，博士，从事非粮纤维素生物质能源化研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｏｕｙａｎｇｙｕａｎｅ＠１６３．ｃｏｍ
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李永莲等木质纤维素预处理技术的研究进展
ＬＩ Ｙｏｎｇｌｉａｎ
ｅｔ
ａｌ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ
ｏｎ
Ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ Ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅ
・１５９・
１
木质纤维素的化学组成及其预处理的必
影响。
２．１．４
要性
在植物组织中，木质纤维素是多种复杂高分子 有机化合物组成的复合体，主要由纤维素、半纤维素 和木质素３种主要的聚集体以及一些可溶于极性或 弱极性溶剂的提取物组成，木质素和半纤维素以共 价键形式结合将纤维素包围起来，形成坚固的天然 屏障，所以在直接水解过程中木质纤维素很难降解。 另外，对发酵和后续水解有害的抑制物将会在木质 素的水解过程中产生，而纤维素本身存在复杂的结 晶结构，所以木质纤维素直接水解的效果较差，糖量 一般在２０％以下［３］。因此，在水解之前对木质纤维 素进行预处理很有必要。预处理必须达到以下要 求：１）分离纤维素、半纤维素和木质素，脱去木质 素，破坏纤维素的晶体结构，松散木质纤维素的结 构［３３；２）提高酶水解的结合率；３）避免产生对后续 水解和发酵有害的抑制物；４）避免碳水化合物的降 解或损失；５）降低能量需求和成本投入。
木质纤维生物质烘焙预处理研究进展
木质纤维生物质烘焙预处理研究进展
崔华敏;李明飞
【期刊名称】《应用化工》
【年(卷),期】2024(53)5
【摘要】综述了烘焙过程的反应机制和烘焙动力学,分析了烘焙温度、停留时间、升温速率、烘焙气氛等因素对生物质理化特性的影响,探讨了烘焙对生物质后续热解、燃烧、气化的影响。
烘焙温度是烘焙过程最主要的影响因素,不同烘焙气氛可以改变烘焙产物分布。
烘焙气氛除惰性氮气外,其他气氛如O_(2)、CO_(2)、烟气和NH_(3)等也被应用。
烘焙动力学研究有利于揭示烘焙生物质的热降解行为。
将烘焙与热解、气化、燃烧等工艺相结合可以获得高品质的生物油和富含氢气的合成气,提高生物质能源的利用效率。
对木质纤维生物质烘焙预处理技术从烘焙气氛、集成优化和规模化等方面进行了展望。
【总页数】5页(P1195-1198)
【作者】崔华敏;李明飞
【作者单位】北京林业大学林木生物质化学北京市重点实验室;北京林业大学林业生物质材料与能源教育部工程研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】TQ35;TK6
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1.深度共熔溶剂预处理木质纤维素生物质研究进展
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