谷研試劑-生物質的預處理工藝研究綜述

廣義上的生物質所涵蓋的范圍比較大，包括大氣、水、土地等通過光合作用產生的所有有機體。植物、動物、微生物以及它們所產生的廢棄物都屬于生物質的范疇。狹義上的生物質是指農林業生產過程中除糧食和果實之外的秸稈、樹木、農林廢棄物以及動物糞便等。本文所指的生物質主要是指狹義上的植物生物質，即植物通過光合作用將空氣中的二氧化碳和水轉化成的碳水化合物以及秸稈等農業廢棄物。

目前真正應用到工業上的生物質轉化過程主要是通過微生物發酵來制取生物乙醇。但是，使用的原料主要是糧食，存在與人類爭奪糧食的問題。因此，未來生物質發酵制備生物乙醇的發展方向是使用天然木質纖維原料來代替糖類物質。目前，利用木質纖維為原料存在以下幾方面的問題：（1）木質纖維素的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，其間存在大量的氫鍵，且相互包裹。但是，這三種成分中，只有纖維素水解得到的葡萄糖單體能用于生物乙醇的制備。因此要首先將這三種成分分離；（2）纖維素的結構致密，結晶度高，纖維素與生物酶的接觸面積較小，導致生物酶的催化效果降低；（3）木質纖維原料的組成復雜，轉化的難易程度相差較大，而生物酶的催化性能具有專一性的特點。因此，要利用生物質原料生產乙醇必須首先對生物質進行有效的前處理，去除生物質中的半纖維素和木質素，降低纖維素的結晶度。

預處理的原則包括：（1）要保證成本較低、效率較高；（2）減少處理過程中副產物的產生，以免后續酶水解時對生物酶或發酵過程產生毒害作用；（3）盡可能的提高后續水解糖的收率。目前采用的生物質前處理過程主要包括三種：即物理法、物理化學法、化學法。

1 物理法

1.1 機械粉碎法

機械粉碎法主要是通過切片或研磨等物理方法來減小原料的顆粒大小。目的是降低纖維素的結晶度，增大纖維素與催化劑以及反應溶劑的接觸面積。一般情況下，切片能使物料的大小降到 10 mm～30 mm，進一步經粉碎和研磨后顆粒大小可以降到 0.2 mm～2.0 mm。但是通過物理粉碎研磨法處理生物質耗能大，成本高。

1.2 高能處理法

高能處理法主要是采用射線、微波以及超聲波等通過能量的作用破壞纖維素分子內部的氫鍵，達到降低其結晶度的目的。這類方法的優勢在于對環境友好，不會產生廢酸或廢堿等。但是其耗能高，且在輻射過程中易產生游離基對生物質的進一步酶水解產生抑制作用。

2 物理化學法

2.1 蒸汽爆破法

蒸汽爆破法是目前工業上廣泛應用的半纖維素預處理方法。該方法的過程是首先將生物質置入高壓飽和蒸汽環境中，使高壓蒸汽滲透到生物質分子內的空隙，從而引起半纖維素水解，木質素的分布狀態發生變化；然后，迅速減壓，使反應器內的高溫液態水及氣相物質在瞬間膨脹，固體物料發生離解。其中，采用的壓力為0.69 MPa～4.83 MPa，蒸汽溫度為160 oC～260 oC，處理時間根據實際情況進行調整，可以是幾秒或幾分鐘。在此過程中，一方面生物質的結構在高溫高壓以及迅速降壓產生的強大氣流作用下發生破裂，產生碎片，增大表面接觸面積，促進水解。另一方面，生物質中的半纖維素因為聚合度較小，容易轉化，在爆破的過程中可以降解為木糖及其它單體。木質素雖然很難水解，但是因為生物質中水溶性物質的溶解及半纖維素的水解，使其在生物質表面進行重新排列，提高了纖維素成分的表面積，也會促進纖維素的水解效率及選擇性。在蒸汽爆破的過程中添加硫酸、二氧化硫或二氧化碳可以有效的縮短爆破時間、降低溫度并提高半纖維素的去除率，酸的濃度一般為0.3%～3%（wt%）。

蒸汽爆破法的優勢包括：（1）耗能低：其耗能量僅為普通機械處理方法的30%；（2）對環境造成的負擔小。這兩點*符合目前工業生產所提倡的低碳、綠色的工藝要求。因此，蒸汽爆破法被認為是zui有工業應用前景的生物質前處理方法，在加拿大已經進行中試。Grous等[1]報道楊樹片經蒸汽爆破法處理后的酶水解效率由15%提高到90%。Cara[2]及他的團隊在進行橄欖樹原料發酵制乙醇工藝前先采用蒸汽爆破法進行前處理，前處理的溫度為190 oC～240 oC。主要考查了前處理溫度、溶劑條件等酶水解過程中糖和乙醇的收率的影響。結果顯示，橄欖枝原料在240 oC蒸汽下前處理，然后經水浸漬后的酶水解效果，此時葡萄糖被*轉化為乙醇。

但是，蒸汽爆破法還存在一定的缺點需要改進，例如：部分木聚糖在蒸汽爆破的過程中可能被破壞，并產生一些對后續酶水解有抑制作用的副產物。所以，在前處理結束后得到的反應物在酶水解前要經過反復的水洗，不僅導致工藝復雜，水資源浪費，而且會使反應產生的溶于水的糖類物質被水洗掉，降低酶水解的收率。

2.2 超臨界二氧化碳爆破法

超臨界二氧化碳的臨界溫度低、且來源豐富、價格低廉，越來越引起研究者的注意。將超臨界二氧化碳技術運用到生物質原料的前處理過程具有節能、對環境友好且成本較低的優勢。一方面，CO2作為酸催化劑，能大大的提高生物質的水解速率。另一方面，CO2的分子大小與H2O和NH3的分子大小差不多，所以能浸到纖維的空隙中，使纖維素及半纖維進行水解。重要的是超臨界CO2處理的溫度較低，所以纖維素及半纖維素降解產生的單糖不會發生水解，避免酶水解抑制劑的產生。

2.3 氨光纖爆破法

氨光纖爆破法是指將生物質原料置于高溫高壓的液體氨中保持一段時間，然后迅速降壓。根據氨與水蒸氣的區別，氨光纖爆破法需要的溫度較低，而壓力較高。通常情況下，液態氨的濃度為1～2 Kg氨/Kg干物料，處理溫度為60 oC～100 oC，壓力為1.7 MPa～2.0 MPa，處理時間為5 min～30 min。原料經氨光纖爆破法處理后，無法去除原生物質中的半纖維素和木質素，而是將其轉化為不溶于水的低聚糖或脫除乙酰基的物質。但是，經前處理后的生物質原料的結構發生改變，其水溶性及酶消解能力都被大大提升。

氨光纖爆破法的優勢在于固體物料的添加量比較大，而且預處理后得到的溶液無需中和可直接進行酶水解。已有實驗證明氨光纖爆破前處理法能有效的提高苜蓿、小麥秸稈以及小麥糠等多種木質纖維原料的發酵速率。氨的存在使得該方法的原理與堿處理法的原理相似。即：該方法對某種原料的處理效果與原料中木質素的含量密切相關，木質素的含量越低，處理效果越好。如：百慕達草（木質素含量約5%）及甘蔗渣（木質素含量約15%）經氨光纖爆破法處理后的酶水解效率均大于90%。Teymouri等[3]考查了該法對玉米秸稈的預處理效果。結果顯示，預處理后，糖液的酶水解葡萄糖產率幾乎為*。與未經處理的玉米秸稈相比，生物乙醇的產量提高2.3倍。

2.4 氨循環浸泡法

氨循環浸泡法指氨的水溶液（10 wt%～15 wt%）在150 oC～170 oC下以1 cm/min的速率流經生物質原料，其中的停留時間約為14 min，然后將氨水溶液回收，分離并重復利用。在此過程中，氨水首先與木質素發生反應，導致木質素的降解及其與碳水化合物鍵的斷裂，而不會導致半纖維素與纖維素的降解，也就不會產生對后續生物降解過程產生抑制作用的物質，所以經此法前處理后的發酵底物無需進行多次水洗。

通常情況下，氨光纖爆破法和氨循環浸漬法在文獻中不會作詳細區分，二者zui大的區別在于氨光纖爆破法是在液氨中進行，而氨循環浸漬法是在氨的水溶液（10%～15%）中進行。Teymouri等[4]考查了不同條件下，該方法對玉米秸稈的處理效果。得到*條件為：溫度，90 oC；氨與干物料的質量比，1:1；秸稈的含水量，60%；保留時間，5 min。玉米秸稈在此條件下預處理后進一步酶水解，得葡萄糖的收率為理論值的98%。生物乙醇的收率與未處理的物料相比提高2.2倍。Alizadeh等[5]評估了氨光纖爆破法處理柳枝稷的*工藝條件為：溫度，90 oC；干物料與氨的質量比，1:1；秸稈的含水量，80%；保留時間，5 min。經前處理后，原料水解得到的葡聚糖收率由16%增長到93%。

3 化學法

3.1 酸水解法

濃硫酸或濃鹽酸前處理木質纖維原料的溫度較低，且可以顯著提高生物質酶水解的糖收率。但是濃酸的腐蝕性強、對環境不友好，所以該工藝過程對反應設備的耐腐蝕性要求較高，而且反應完后需要繁瑣的后處理過程來降低酸對環境的影響，導致濃酸水解的成本較高。

稀酸水解法是應用比較廣泛的生物質前處理方法，通常硫酸的濃度低于 4 wt%。采用稀硫酸法對生物質進行預處理可以的將生物質中的半纖維素成分水解，得到木糖、葡萄糖等半纖維素的單體。經過稀硫酸法預處理得到的糖液進一步酶水解時，糖的收率幾乎可以達到 *。而且，溫度越高，稀硫酸水解的速率越快，所需的時間越短。

目前，稀硫酸水解前處理生物質的工藝過程已被廣泛應用。原料包括硬木材，草及農作物等。因為半纖維素的含量幾乎占碳水化合物總量的三分之一，所以，若半纖維素的轉化為單糖，并能通過一定的方法回收對提高整個過程的經濟效益來講具有重要的意義。Sun[6]等在酶水解之前采用硫酸對黑麥秸稈及百慕達草進行預處理。固體添加量為 10%，前處理溫度為 121 oC，硫酸濃度為(0.6，0.9，1.2 和 1.5%，w/w)，處理時間為 30，60 和 90 min。結果顯示，在實驗考查范圍內，木糖的zui高收率為 66%。總之，文獻報道顯示溫度和稀酸濃度是影響半纖維素水解為木糖并進一步脫水產生糠醛的關鍵因素。

稀酸前處理的不足之處在于其耗能相對較大，尤其是與蒸汽爆破法相比。另外，酸法處理得到的原漿在進行酶水解前要先用堿中和到中性，工藝比較復雜。Selig[7]及他的團隊報道在較高溫度下酸處理后得到的玉米秸稈表面形成球狀沉積物。他們認為該沉積物是秸稈在高于 130 oC 下的中性或酸性環境中處理時產生的，其組成為木質素或木質素與碳水化合物的混合物。實驗證明該沉積物對底物的酶糖化水解具有負面效應。

超稀酸水解法[8]是結合高溫水蒸煮法與稀酸水解法的優點，綜合得到的處理方法。酸濃度一般低于 0.1%。超稀酸水解是該方法的酸濃度較低，對反應設備的腐蝕性較小，而且反應結束后用于中和反應溶液的試劑用量少，所以在保護環境，降低生產成本這方面具有較大優勢。同時，與高溫水法比較所需的溫度較低。但是對于每一種特定的反應，要把握好溫度與酸濃度之間的度比較困難。

3.2 堿水解法

堿水解法是用堿將半纖維素與木質素及其它半纖維素之間的脂交聯鍵進行皂化作用，從而使半纖維材料的空隙變大，有利于進一步轉化。稀氫氧化鈉處理木質纖維素時，首先引起半纖維素的膨脹，增大內表面積，降低聚合物的結晶度，從而使連接木質素與碳水化合物的連接鍵斷裂，木質素結構破裂。堿水解法的效果主要取決于原料中木質素的含量，當木材中木質素的含量大于26%時，堿處理法的作用微乎其微。要達到比較好的酶水解效率，前處理過程中要使木質素的含量低于10%。因為木質素的減少可以避免木質素對酶的吸附，增大了纖維素及半纖維素與酶的接觸面積。

3.3 生物降解法

生物降解法是通過細菌或微生物所分泌的酶來分解有機物，從而提高纖維素及木質素的溶解性能。該法的優勢在于條件溫和，并可以減輕環境負擔。用于分解木質纖維素的真菌包括白腐菌、褐腐菌以及軟腐菌。目前，白軟腐菌是zui有效的生物質前處理生物降解微生物[9]。Kumar[10]及他的團隊采用一種白腐菌對樹葉進行固態發酵實驗。結果顯示，木質素的去除率及水溶性可降解物在第七天開始增加，zui終木質素的去除率達到76%。值得注意的是：白腐菌和軟腐菌在分解木質素的同時也會降解纖維素，所以在降解體系中要加入抗纖維素酶以阻止纖維素的降解。另外，生物降解法的效率較低，降解時間較長（通常按天或周計算），目前很多研究將生物降解法與其它的前處理方法相結合。