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張元晶，魏剛，張小冬，魏云鵬，喬寧
（北京化工大學化工資源有效利用國家重點實驗室，北京100029）
摘要：為了研究經濟高效的預處理技術，綜述了近10年國內外在木質纖維素預處理技術方面的研究，對物理法、物理-化學法、化學法、生物法等預處理技術進行了重點分析，發現稀酸處理法、蒸汽爆破法和生物法等技術極具潛力，但目前的研究仍存在不足，今后還需研究成本低、產率高、污染小的預處理技術。最后對預處理技術的發展提出了建議。
0引言
木質纖維素原料來源廣泛，是儲量豐富的可再生資源。近年來，利用木質纖維素制備燃料乙醇新能源備受國內外專家學者的關注。發展木質纖維素生產燃料乙醇的能源技術，對于降低成本和保護環境是一個“雙贏”的模式，與當今世界的低碳環保主題一致，有利于人類社會的可持續發展。
目前，用植物纖維原料生產乙醇的成本仍然較高，還無法與糧食乙醇形成競爭。因此，致力于尋找經濟高效的預處理方法是當今燃料乙醇制備過程中的研究熱點之一。常規的預處理技術主要包括：酸法、堿法、有機溶劑法、蒸汽爆破法或幾種方法的結合，雖然處理效果相對較好，但是對設備的要求高，造成嚴重的環境污染；生物法能耗低、無污染，但是成本高、作用周期長、木質素分解酶類的酶活力低。為此，開發低廉高效的木質纖維素預處理技術成為當前生物乙醇研究的關鍵。基于此，筆者對木質纖維素生物質預處理技術進行綜述及分析，并對預處理技術的發展前景提出建議，以期為纖維素乙醇的研究提供有益的參考。
1木質纖維素生物質預處理的意義
木質纖維素構成了植物的細胞壁，對細胞起著保護作用。木質纖維素是指纖維素、半纖維素及木質素三者的總稱，也有少量的果膠、樹膠、藻膠和瓊脂等成分，結構非常復雜。纖維素和半纖維素被木質素層層包裹，纖維素是由1000~10000個β-D-吡喃型葡萄糖單體形式以β-1,4-糖苷鍵連接形成的直鏈多糖，多個分子層平行排列構成絲狀不溶性微纖維結構，基本組成單位為纖維二糖，是地球上含量最豐富的聚合物。半纖維素主要是由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖或甘露糖組成。而木質素是由苯丙烷及其衍生物為基本組成單位而形成的高分子芳香族化合物，在水解纖維素過程中扮演著屏障作用（見圖1）。因此，木質素的存在使得酶對纖維素和半纖維素的接觸受到阻礙，并且木質素對水解酶的結合不可逆，導致水解速度降低。
預處理過程就是促進木質纖維素的天然高分子結構分解成為易被微生物利用的結構。利用預處理方法可以破壞木質素、半纖維素對纖維素的包裹，去除木質素，降解半纖維素，改變纖維素的結晶結構，提高纖維素的可及度及疏松性，促進酶與底物的接觸，提高后續酶解的效率和得糖率。預處理方法好壞的具體評判標準為以下6個方面：（1）避免還原糖的損失和降解；（2）開發有利于后續纖維素或者木質纖維素發酵的水解產糖工藝；（3）避免產生不利于后續發酵或者糖化工藝過程的有害副產物生成；（4）避免使用污染環境或者對設備腐蝕較高的化學試劑；（5）減少固體殘余物的生成，或者實現物質的完全利用，避免浪費或者污染；（6）控制成本，需要有經濟上的可行性。
2木質纖維素生物質預處理技術
木質纖維素的預處理方法可分為物理法、物理-化學法、化學法、生物法4大類。
2.1物理法
物理法是采用研磨或其他破壞方法（比如機械粉碎，電磁處理，高壓處理等）打斷或破壞物料原有的結構，增大比表面積、孔徑，降低纖維素的結晶度和聚合度。
2.1.1機械粉碎 木質纖維素原料經過研碎以降低粒子尺寸，使得原料與后續的酸或者酶的接觸面更廣，以有利于后續的酶解或酸解效率，但不能去除木質素及半纖維素。機械粉碎作用通常是在其他方法之前使用，進行機械破壞后，其他的工藝方法也會較未進行機械粉碎更容易進行，操作效果更好。Yoo等采用熱機械擠出法對大豆殼進行預處理，并與稀酸（1%硫酸）和堿（1%氫氧化鈉）這2種傳統方法對比，結果表明，與未處理的大豆殼相比，經過稀酸、堿和熱擠出預處理的大豆殼，其酶水解的木糖產率分別增加了69.6%、128.7%和132.2%。孫君社等利用秸稈固態發酵生產酒精的方法中提到先將秸稈揉切，且粉碎，然后進行5~7min的蒸汽爆破處理，將得到的秸稈粉末加入到纖維素酶曲中進行糖化工藝。夏黎明等應用植物纖維原料生產酒精的方法中也是先將原料粉碎，再經化學處理進行水解。
2.1.2高能輻射 高能輻射處理是通過發射射線對原料進行照射，使纖維素聚合度下降，結構松散，反應可及度提高，使得原料易被后續工藝處理。哈益明研究發現，纖維素粘度、聚合度隨著輻射劑量的增加而迅速降低，當劑量大于10kGy時，粘度的下降趨于平緩，并且纖維素大分子鏈斷裂增加；Ota等采用紫外脈沖激光和電子束對竹子粉和蘋果粉進行預處理，輻射之后將預處理的樣品在37℃，pH5的條件下酶解3h，之后用X射線衍射光譜對預處理后的纖維素進行分析，結果表明紫外脈沖激光處理使后續酶解發酵率提高38%，電子束預處理使得產糖率提高40%。
2.1.3微波處理 微波技術是一種快速加熱、操作簡單的節能技術，現在已經成功應用到化學反應領域，人們對于微波用于植物纖維原料的預處理已進行過一些研究。經過微波處理后，木質纖維素原料對于酶的適應性增強，后續作用的酶的活性增加。許憲松等以稻殼為原料，經過微波預處理后用于固態發酵生產纖維素酶，試驗得到了最佳纖維素酶酶活力條件以及最高的酶活性增加量條件。Azuma等發現微波對植物纖維原料進行預處理可以部分降解木質素和半纖維素，增加纖維素對酶的可及度，提高酶水解糖化效率。
Kitchaiya等采用微波對植物纖維原料進行預處理，認為該預處理的實質是高溫下酸催化的自水解反應，自水解產物對下游酒精發酵有抑制作用。微波對植物纖維原料進行預處理必須在高溫(>160℃)下進行，低于100℃以下（含100℃）幾乎沒有作用。總體上，單純微波對植物纖維原料進行預處理有一定的效果，但必須的高溫會導致有價值組分的損失，有待更進一步改進。
2.2物理-化學法
2.2.1蒸汽爆破法 蒸汽爆破技術近年來發展較快，作用效果好，成本低、無污染，特別是在木質纖維素預處理過程中的利用，可以有效地提高后續化學試劑和生物酶的作用效率。布萊恩等介紹的一種改良的將纖維素轉化成燃料乙醇的預處理方法就是采用蒸汽爆破產生了優異的酶促水解底物。阿靈BK等在處理木質纖維素材料的方法中也是采用蒸汽爆破的預處理方法，同時實現了部分乙醇發酵的工藝廢水回用。
Gervais等在處理木質纖維素類材料生產生物乙醇的過程中，先將木質纖維素類材料放置在pH值大于8的環境下，在一定初壓下蒸發，得到一定的產物，然后對上一步驟的產物進行爆破處理。蒸汽爆破技術的原理是：木質纖維素先被水浸潤而且膨脹，然后加熱到高溫使得水汽蒸發，在密閉的空間內形成巨大的蒸汽壓力，此時在較快速度下使壓力降低至大氣壓，由此木質纖維素結構被迅速破壞，分子內氫鍵斷裂。
2.2.2氨纖維爆破法(AFEX) 氨纖維爆破是蒸汽爆破法與堿處理法的結合，在高溫高壓(20~80℃，1~5.2MPa)下的液態氨中處理纖維原料，保壓一段時間后突然釋壓，氨因壓力的突然降低而蒸發，導致溫度急劇變化使纖維素結構破壞，增加纖維素表面積和酶解的可及度。Lau等采用AFEX法和酶解法對中空棕櫚果束纖維進行預處理，這2種方法的混合利用使得72h的酶解率最大值達到90%。氨纖維爆破法主要能有效去除木質素，降低纖維素的結晶性，提高纖維素酶的可及度，但與蒸汽爆破法相比對半纖維素的溶解程度不大。該法不會產生抑制微生物發酵的物質，殘留的銨鹽還可以作為微生物的營養成分，水解液可以不用處理直接發酵微生物。但氨的成本較高，且有揮發性，氨的回收循環利用和環境污染是目前該法面臨的問題。
2.2.3電催化法電 催化技術由于具有清潔、無二次污染、氧化徹底等優點而受到科學工作者的關注，成為解決環境污染、能源緊缺的新途徑。張建剛首次將電催化技術引入纖維素水解過程，將制備的鈦基SnO2，CeO2電極作為電極材料，利用電催化的氧化性能對纖維素進行水解。為了提高木質纖維素的降解效果，采用2步酸法，即先將木質纖維素進行濃酸水解，之后再稀釋進行電催化稀酸水解。實驗分別獲得了在濃酸和稀酸條件下電催化降解纖維素的最佳水解反應條件，在最佳條件下獲得的還原糖得率已超過直接水解2h的得率。
2.3化學法
2.3.1酸處理 酸法處理木質纖維素原料有2個作用：木質素的分離并脫除；植物纖維的水解。植物纖維的水解主要是指纖維素和半纖維素的水解。纖維素實質上是一種己聚糖，半纖維素則主要是戊聚糖。用化學反應方程式表示為式(1)。
(C6H10O5)n+nH2O→nC6H12O6，(C5H8O4)m+mH2O→mC5H10O5……………………………………………(1)
纖維素的大分子結晶結構嚴重地影響了它的水解性能，在常溫下不發生水解，只有在催化劑存在的情況下水解才能進行。目前文獻中主要報道了利用濃酸或者稀酸來進行木質纖維素預處理。
（1）濃酸。濃酸處理指濃度在10%以上的酸將生物質水解成單糖的方法。濃酸處理一般反應溫度低于100℃。濃酸能較為快速的溶解木質纖維素，但是濃酸的處理會帶來一定的污染和對設備的腐蝕，且濃酸最好經過回收，以避免浪費。若是直接中和，需要消耗大量的堿液。
（2）稀酸。稀酸處理一般指用5%以內的酸為催化劑將纖維素、半纖維素水解成單糖的方法。稀酸處理反應溫度為100~240℃。水解過程無需回收酸，但糖的產率較低，一般為50%左右，且水解過程中有大量降解副產物如甲酸、乙酸、糠醛、羥甲基糠醛、糖醛酸、己糖酸等形成。宋安東等用0.5%的稀鹽酸在121℃對玉米秸稈粉進行預處理，纖維素和半纖維素的轉化率達80.8%，且0.5%的鹽酸預處理，有利于纖維素酶和木聚糖酶的酶解作用。CHEN等提出“半纖維素/纖維素分離－分步發酵”(XCFSF)工藝路線，玉米芯經稀硫酸預處理后木糖得率為78.4%，纖維素回收率為96.81%，水解木糖和纖維素殘渣酶解后的糖液發酵乙醇，酶解殘渣同步糖化發酵(SSF)，最終將70.4%的半纖維素和89.77%的纖維素轉化為乙醇。GEDDES等將蔗渣在高于160℃條件下經稀磷酸預處理，可有效水解半纖維素為單糖，且副反應少。
2.3.2堿處理 是利用木質素能溶解于堿性溶液的特點，用稀NaOH或NH3溶液處理木質纖維素原料，使其中的木質素結構破壞，從而便于后續水解的進行。NaOH具有脫木質素、潤漲纖維素的作用，但由于反應對其消耗量大，在處理過程中還會損失部分半纖維素，因此不太適用于大規模生產。NH3溶液也可用于木質纖維素的預處理，而且NH3可以通過加熱回收，重復使用，較NaOH預處理有更大的優勢。
堿處理方法中應用到的原料還有氧化鈣，氧化鈣的堿性較氫氧化鈉弱，使用更加安全更為便宜，而且通張元晶等：木質纖維素生物質預處理技術研究現狀過碳酸鈣分解成氧化鈣和二氧化碳也可以對氧化鈣進行回收，并且重復使用。Karr等采用氧化鈣對玉米秸稈進行預處理，結果發現，經過預處理的玉米秸稈的糖產率更高，這也表明氧化鈣預處理對于后續糖化水解工藝有極大的促進作用。喬長晟等將玉米芯粉碎后以一定的比例與氨水進行混合反應，結果發現經過粉碎處理后水解液中的還原糖量明顯地高于繼續使用堿法處理的，這主要是因為原料中的大量可溶性物質在酸堿處理時溶出并流失，而且半纖維素和纖維素對酸堿都很敏感，損失較大。從提高原料利用率、節省設備、降低生產成本等方面考慮，有時候應該直接利用破碎后的原料進行酶法水解，而不再進行多余的化學處理步驟。羅朋等認為，堿法預處理效果主要取決于木質纖維原料中的木質素含量，對于木質素含量低于18%的草類原料，堿法預處理效果顯著；而對于木質素含量超過26%的針葉木效果不佳。
2.3.3氧化劑及其他催化劑 處理氧化劑處理法指的是利用氧化劑處理木質纖維素材料，使得纖維素更好的降解，目前這方面的報道較少。趙艷鋒提到用氯化鋅處理纖維素，可提高纖維素酶水解的速率和產率及纖維素的接枝率。Nguyen等在專利US6660506B2中公開了一種利用含有木質纖維素的生物質材料生產乙醇的方法：其過程包括將干燥的木質纖維素材料置于一個具有催化劑的裝置中，催化劑是強酸的稀釋液和一種金屬鹽（金屬鹽的加入是為了降低反應活化能），最終得到更高的糖產率。張雯探索性研究了循環催化法處理木質纖維素原料，具體的工藝過程為將原料與70%的濃硫酸混合，反應溫度80℃，形成膠狀混合物后將酸濃度稀釋為35%，沸騰反應1h后過濾，使用強酸性樹脂分離。分離的最終結果顯示樹脂分離糖酸有一定的可行性。
濕氧化法是指在有水存在的情況下，同時進行氧氣氧化的化學反應，這種方法需要高溫高壓，雖然反應條件較為嚴格，但是處理效果也較為理想，和其他處理方法相比較，濕氧化法在對玉米秸稈處理上證明是非常有效的。Martin等研究發現，在溫度195℃、堿性條件下，處理甘蔗渣15min后，纖維素得率達70%，纖維素酶解轉化率為74.9%，說明濕氧化預處理有利于提高纖維素轉化率。
另一種氧化法預處理技術是光催化法。Yasuda等將紫狼尾草在360nm的輻射下用TiO2進行光催化預處理，預處理10g原料其糖化反應后得到2.08g己糖，最終發酵得到的乙醇為0.75g。光催化預處理并不能影響最終產物的分布，但是卻能極大的縮短生物反應的時間。
2.3.4有機溶劑處理 有機溶劑來降解木質纖維素原料主要是利用其滲透作用使纖維素或者半纖維素的內部化學鍵進行斷裂分解。常用的有機溶劑有甲醇、乙醇、丙酮、乙烯乙二醇，四氫化糠基乙醇。在有機溶劑處理完畢后，由于這些有機物對于后續的菌種生長或發酵有著一定的抑制作用，因此需對其進行去除，一般情況下使用蒸發后回收的方法。
2.3.5離子液體抽取 離子液體是一類新型纖維素溶劑，被稱為“綠色溶劑”，一般由有機陽離子和無機陰離子所組成，是低溫(＜100℃)下呈液態的離子型有機化合物。離子液體具有以下突出的優點：（1）幾乎無蒸氣壓，不揮發；（2）具有較大的穩定溫度范圍（室溫到300℃）、較好的化學穩定性；（3）通過陰陽離子的設計可調節其對無機物、水、有機物及聚合物的溶解性，能和許多溶劑形成兩相體系，并且其酸度可調至超酸。
Zhu等使用1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽在微波輻射和加壓的條件下溶解木質纖維素原料，纖維素乙醇或丁醇的發酵轉化效率明顯高于蒸汽爆破、化學預處理等常規工藝，且再生的纖維素性質如酶解性得到顯著改善。Fu等用1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽([EMim]Ac)與水混合而成的離子液體處理木質纖維素生物質材料，發酵糖產率(81%)高于在相同條件下用純離子液體處理得到的發酵糖產率(67%)。盡管離子液體價格較高，但因其表現出的環境友好等特點，有一定的發展空間。然而，在大規模應用之前，離子液體的低成本回收技術及其對酶和微生物的毒性還需進一步研究。
2.4生物法
生物法預處理是利用降解木質素的微生物和其他細菌在培養過程中產生分解木質素的酶類，從而專一性的降解木質素。常用于降解木質素的真菌是木腐菌，通常是白腐菌、褐腐菌和軟腐菌，只有白腐菌分解木質素的能力較強。用白腐菌預處理纖維素較節能，還可以得到有價值的副產物——SCP（單細胞蛋白）。
這種方法的優點是作用條件溫和，能耗低，無污染，其不足之處是周期過長以及白腐菌在生長過程中會利用部分纖維素和半纖維素。
3結論與討論
預處理技術是影響纖維素乙醇產業化的關鍵因素之一，盡管目前木質纖維素預處理技術很多，但單一的一種技術都存在成本高、效率低、條件苛刻、污染嚴重等問題，尚不具備工業化的條件。筆者結合自己的研究實踐認為，針對原料的性質，應聯合采用多種預處理方法，發揮各個技術的優勢，選用效率高、成本低、污染小、副產物少、對后續工藝無毒的木質纖維素預處理技術。同時，應在現有預處理技術的基礎上，借助學科交叉的發展拓寬思路，深入探索預處理反應機理，研究木質纖維素原料的化學組成對纖維素酶和半纖維素酶消化的影響，探尋出新的預處理技術，優化并完善現有預處理技術，縮短木質纖維素生產乙醇的產業化進程。 |
