纤维燃料乙醇预处理技术研究进展

曹秀华，阮奇城，林海红，胡开辉，孙淑静，祁建民

（福建农林大学教育部作物遗传育种与综合利用重点实验室，福州 350002）

以目前全球能源开采和消耗速度估算，全世界石油大约仅能维持生产40年，天然气和煤炭大约可以供应60年及160年。由于资源枯竭和环境恶化的压力，迫使人类愈加关注自然和社会的可持续性发展，发展新型的可再生材料、原料和能源已成为全球的共识。尤其是可再生能源的研发已成为各国重点发展领域[1]。因此燃料乙醇作为一种最重要的生物质能源得到世界各国的广泛重视，乙醇汽油在全球范围内呈现出迅猛的发展势头。2007年全世界乙醇的总产量达到500亿L左右，较上年增长近27%，其中巴西和美国占全球乙醇产量的70%以上，是燃料乙醇的主要生产及消费国[2]。目前用于生产燃料乙醇的原料基本上属于粮食作物和糖料作物，如巴西的主要原料为甘蔗，美国95%的原料来自玉米，欧洲以小麦、甜菜为原料，我国早期生产燃料乙醇的原料主要是陈化粮、玉米、小麦、干薯及糖蜜等。由于这些原料的利用受到耕地和原料成本的限制，以玉米为例，全美国12%以上的玉米产量被用于生产燃料乙醇，对玉米的巨大消耗使美国玉米价格在两年内上涨近一倍[3]。中国有13亿人，粮食安全至关重要。发展燃料乙醇必须寻求非粮原料之路，必须坚持“不与民争粮，不与粮争地”的基本原则。2007年6月7日，国务院可再生能源会议明确指出，中国将停止在建的煤化工项目和粮食乙醇燃料项目，在不得占用耕地，不得消耗粮食，不得破坏生态环境的原则下，坚持发展非粮燃料乙醇。

纤维质是自然界中最为丰富的生物质资源，其能量来自太阳，由植物通过光合作用固定，主要有机成分包括纤维素、半纤维素和木质素等三部分，其中纤维素束镶嵌在半纤维素和木质素通过共价键联结成的网络结构中。早在20世纪50年代，美国在寻找可替代林木造纸植物纤维时发现，红麻是首选的纤维植物，其生产量是木材的4倍，二氧化碳固化能力是森林的4-5倍，是环境净化和符合低碳理念的潜在优势植物，倍受发达国家的青睐。而采用其他农作物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾等含木质纤维素丰富的生物质废弃物生产燃料乙醇，也是扩大原料来源和降低燃料乙醇生产成本的极好策略。因此，近年来全球发达国家都将利用农作物秸秆纤维质转化成燃料乙醇的研究作为研发重点。

1 纤维质预处理技术研究现状与问题

将农作物纤维质转化成燃料乙醇主要有两个环节，首先是将其纤维质中的纤维素成分水解成可发酵的还原糖，进而再将还原糖发酵成乙醇。应用纤维素酶催化可以高效水解纤维质生成单糖。但由于纤维质致密的复杂结构及纤维素结晶的特点，阻碍了纤维素酶对纤维素的水解，因此需要采用合适的方法处理纤维质。去除木质素及半纤维素、降低纤维素的结晶度，以及提高纤维素的酶解接触面积，从而有效地改善纤维素酶的水解效率[4]。研究人员已对许多预处理方法进行了大量研究，大致可分为物理法、物理-化学法、化学法和生物法四类。

1.1 物理预处理法

1.1.1 机械粉碎法

机械粉碎法是指将秸秆等纤维质切碎碾磨成粉末的预处理方法。本法可减小物料的颗粒大小，增加纤维素与纤维素酶的接触面积，降低纤维素的结晶度。因生物质种类、碾磨方式及碾磨时间的差异，粉碎法一般可提高水解效率5%-25%[5]。但是Chang等人发现，物料颗粒小于40目以下时，水解效率并无显著变化[6]。本法不能去除木质素及半纤维素，且能耗大、成本高，但能提高原料的比表面积、减少结晶区，操作简单易行，能起到即时效果，常与其他预处理技术联用。

1.1.2 热裂解法

热裂解是指在300℃以上的高温条件下，木质纤维物料分解产生气体产物和固体残渣，然后将固体残渣酸化水解，可将纤维素的转化率提高到85%[7]。但现在基本不用热裂解法预处理。

1.1.3 高压热水处理法

Mosier和Wyman等把200-300℃的高压水和生物质混合15min后，40%-60%的生物质可被溶解，其中包括4%-22%的纤维素、35%-60%的木质素以及所有的半纤维素，再对得到的液体用稀酸处理后，90%的半纤维素都能以单糖的形式回收。热水处理中，半纤维素生成的乙酸和其他有机酸有助于寡糖的生成和寡糖的进一步水解为单糖，但生成的单糖也会在酸催化下转化为醛，从而对微生物发酵产生抑制作用[8]。本法预处理中不需要减小原料的粒径，也不需外加酸或碱，减少了后续处理的成本，也无污染问题；而且半纤维素转化为糖的效率很高，可达到88%-98%，故近年来很受重视，但是它对秸秆的效果较好，对软木的效果较差，目前该工艺的发展仍处于实验室研究阶段。

1.2 化学预处理法

化学法处理包括稀酸处理，碱处理及臭氧处理等。

1.2.1 酸处理法

酸预处理是最早被研究也是研究得最深入的化学法之一。既可用硫酸、硝酸、盐酸或磷酸等无机酸，还可使用乙酸、丙酸等有机酸[9]。

酸预处理过程中主要是半纤维素的水解，有稀酸水解和浓酸水解两种，效果最好、研究应用最广泛的是稀硫酸法。稀硫酸（0.5%-1.0%）预处理通常是在较温和的条件下进行的。将纤维质粉碎成粒径1mm左右的颗粒，向物料颗粒中加入浓度为0.7%的稀硫酸，使酸与物料颗粒混合均匀，然后把混合物加热到190℃，时间从几秒钟到几分钟[10]。通常稀酸预处理后形成的木糖在高温和高压下会进一步降解成糠醛，己糖降解形成5-羟甲基糠醛，当糠醛和5-羟甲基糠醛降解时可形成甲酸。木糖的继续降解不仅降低了糖的得率，并且糠醛、甲酸和其他副产物还会对后续的发酵过程产生抑制作用。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。尽管目前的稀硫酸预处理技术和设备需要使用非常昂贵的耐腐蚀材料，以及中和脱毒需耗用大量化学品，并在处理反应中会产生的大量石膏或其他盐类，增加了成本，但目前仍被认为是最接近实用化的预处理技术[11]。浓酸预处理比稀酸预处理效果明显，但在浓酸预处理过程中会产生抑制剂，发生副反应，应用价值不大。

1.2.2 碱处理法

使用较多的碱有NaOH、KOH、Ca（OH）2和氨水等。氢氧化钠稀溶液预处理可以引起纤维素明显润胀，增加内表面积，降低纤维素结晶性，使木质素与碳水化合物间的结构链分离，破坏木质素结构，是目前应用最广、备受关注的有效方法[12]。Millet等发现，硬木经氢氧化钠稀溶液处理后，木质素含量从24%-55%降低到20%左右，酶解效率从14%提高到55%，但是碱处理对木质素含量高于26%的软木没有显著效果[13]。de Vrije等用氢氧化钠溶液在70℃条件下处理芒属纤维再进行酶水解，木质素去除率达77%、纤维素水解率超过95%、半纤维素水解率44%[14]。

氨水也常用于去除木质素，Iyer等人采用氨循环渗滤工艺对玉米芯和柳枝稷进行处理（温度：170℃，氨水浓度：2.5%-20%，处理时间：1h），对玉米芯的木质素去除率达到60%-80%，对柳枝稷的木质素去除率达到65%-85%[15]。Kim等将玉米秸秆用氨预处理后，可以除去70%-85%的木质素。在酶用量足够多的条件下，几乎所有的纤维素都可被水解，而未处理时仅7.8%可水解[16]。该工艺对农作物秸秆特别有效。

Holtzapple等发现将石灰浆喷洒到生物质上，将原料放置几个小时到几个星期，高温可以缩短预处理时间，把氧气（空气）通入到石灰和生物质的混合物中，可显著加快对木质素的脱除[17]。该法对高度木质化的生物质十分有效。

1.2.3 氧化处理

氧化处理就是利用过氧化氢、臭氧或氧气在碱性条件下，使木质素分解、半纤维素溶解，以使物料更容易发生酶解和发酵的方法。Azzam等[18]采用过氧化氢处理甘蔗渣，在30℃、2%的双氧水催化下处理8h，大约50%的木质素和大部分的半纤维素被溶解，且在后续水解工艺中，95%的纤维素能够被转化为葡萄糖。此外，还可采用湿氧化法，在加温加压条件下，水、氧气和碱共同作用使木质素和半纤维素溶解于碱液中，而与纤维素分离。匈牙利Eniko[19]等人采用湿氧化法在195℃，15min，1.2MPa O2、2 g/LNa2CO3对60g/L玉米秸秆进行预处理，其中60%半纤维素、30%木质素被溶解，90%纤维素呈固态分离出来，纤维素酶解转化率达85%左右。Klinke等[20]采用湿氧化法对麦秸进行预处理，反应条件为195℃、10min、1.2MPa O2、6.5g/LNa2CO3，处理后纤维素得率为96%，酶解后葡萄糖的产量也到达67%，取得了较好的效果。

1.2.4 有机溶剂处理[21]

有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙酮、乙烯基乙二醇、三甘醇及四氢化糠基乙醇。有机酸如草酸、乙酰水杨酸和水杨酸均可作为有机溶剂法的催化剂。高温条件下无需添加催化剂，有机溶剂也可以完全地溶解木质素，对纤维素生物量预处理效果好。有机溶剂处理可降低成本，避免阻碍微生物生长、酶法水解和发酵的化合物生成。但同时存在腐蚀和毒性等问题的限制，容易造成坏境污染。

1.3 物理-化学处理法

物理化学法主要包括蒸汽爆破、氨纤维爆裂、CO2爆裂等。

1.3.1 蒸汽爆破法

蒸汽爆破法是使高温蒸汽与生物质混合，经一定时间后迅速开阀降压。水蒸气提供了一个有效的热载体，使原料迅速升温而不使生成的糖过分稀释，该处理过程中，高温蒸汽渗入纤维内部，以气流的方式从封闭的空隙中释放出来，使纤维发生一定的机械断裂；同时高温高压加剧了纤维素内部氢键的破坏和有序结构的变化，游离出新的羟基，增加了纤维素的吸附能力，也促进了半纤维素的水解和木质素的转化[22]。

一般情况下，蒸汽爆破的条件是：原料用蒸汽加热至温度180～200℃，维持5～30 min，或者加热到温度245℃，维持0.5～2min。处理时间随加热温度和压力的增大而减少，如对白杨木，可在温度214℃下处理6min[23]。李步海等[24]用蒸汽爆破法预处理甘蔗渣，酶解率提高4倍之多。徐勇等[25]将玉米秸秆蒸汽爆破后，纤维素几乎不损失，木质素损失14.6%，酶解得率可达70.0%。廖双泉等[26]用蒸汽爆破法处理椰衣纤维，结果使纤维素含量比未处理样品提高17.05%，同时木质素含量降低6.63%，其他成分含量降低了10.42%，实现了原料杂质组分的有效降低。韩晓芳[27]用蒸汽爆破法处理棉秆，结果表明可增加棉秆的生物可利用性。

蒸汽爆破技术经常用添加不同的化学药品来预浸原料，然后再用蒸汽爆破处理，可提高预处理过程中原料的利用率。Robert Eklund等[28]采用质量分数为1%的SO2，在100kPa下将柳树枝预浸15min，然后在温度206℃下蒸汽处理10min，处理后的干基物料中含纤维素55%。酶解后基于原料中葡聚糖的量，葡萄糖的得率可达95%。

蒸气爆裂法的优点是能耗低，可间歇也可连续操作，主要适合于硬木原料和农作物秸秆。缺点是木糖损失多，对软木的效果较差，且产生对发酵有害的物质。预处理强度越大，纤维素酶水解越容易，但由半纤维素得到的糖也越少，而产生的发酵有害物质越多。

蒸汽爆破过程中添加H2SO4（或SO2）和CO2或者用乙酸、甲酸等有机酸溶液预先浸渍原料木片，可使半纤维素的水解程度显著提高。以蒸汽爆破法在通入无水SO2对美国花旗松木片进行预处理，水解得己糖且发酵后乙醇浓度为17g/L，纤维素转化率90%[29]。用稀硫酸在室温下浸渍木片10h，然后进行蒸汽爆破预处理，半纤维素的回收率最高[30]。

1.3.2 氨纤维爆裂法

氨纤维爆破（AFEX）的原理类似于蒸气爆裂，是在高温和高压下使固体原料和液态的氨反应，同样经一定时间后突然开阀减压，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20～30 min，每公斤干固体原料用氨1～2 kg。该法可去除部分半纤维素与木质素，降低纤维素的结晶性，提高纤维素酶的可及度，不产生对微生物有抑制作用的物质。氨纤维爆破法需要对氨水回收利用，投资成本较高。该法适合于草本作物及其农业废弃物，而不适合于有高木质素含量的原料[31]。

1.4 生物预处理法

自然界参与降解木质素的微生物种类有真菌、放线菌和细菌，而真菌是最重要的一类。研究表明，若干种担子菌类的白腐菌能够有效地和有选择性地降解植物纤维原料中的木质素，也是已知唯一的在纯培养条件下能够将木质素最终矿化的微生物。目前国际上研究最多并表现出有效降解能力的白腐真菌是黄孢原毛平革菌。Jian Shi和Ratna R等人用黄孢原毛平革菌处理棉花秸秆14d，液态培养和固态培养的木质素去除率分别达到19.38%及35.53%[32]。潘亚杰[33]等利用白腐菌对玉米秸秆进行生物降解预处理，在固液比例为1∶9，降解周期为14d，在添加营养物质的情况下，玉米秸秆的木质素降解率为55%-65%。

生物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、对白腐菌进行遗传改良等技术问题，这些都需要进一步研究，才能有助于拓展生物法预处理的实际应用空间。

2 展望

2.1 高效预处理方法应满足的条件

在整个纤维素乙醇的生产工艺中，预处理是关键的第一步。理想的预处理技术应满足以下几个必要条件：①有利于酶水解过程的糖化，减少糖化过程酶的用量；②避免碳水化合物的降解或损失；③避免生成对后续水解或发酵过程起抑制作用的副产品，如乙酸和糠醛；④经济可行，尽可能地降低预处理本身的成本。

2.2 目前预处理方法的弊端

纤维质预处理方法虽然很多，但都存在一定的弊端。物理法对环境污染较小，但能耗过大；化学方法中，酸预处理虽然可以提高反应速度，但稀酸对酶解有抑制作用，需要进行脱毒处理，氢氧化钠的成本较高且易产生环境污染，石灰的成本较低，但是需要的石灰量较大，且容易产生沉积；蒸汽爆破法和生物处理法是今后纤维质预处理的发展方向，但目前蒸汽爆破法的成本还比较高，难于在当前实现工业化要求，生物处理的周期较长，仍需加强对菌种的选育和改进，提高降解效率，缩短作用时间。

2.3 预处理方法的改进

单一处理方法对纤维质进行预处理时，难以达到预期效果，往往需要采用不同方法的组合。常见的联合法是先采用机械破碎，然后用化学、物理或生物的方法进行处理。联合法能针对不同的纤维质，综合几种单一预处理方法的优点，可显著提高酶水解效率。因此在研究中需要了解与不同材料相适应的预处理工艺的一般规律，以期获得较高的处理效率，降低处理成本。

另外，传统的预处理思路局限于可转化为乙醇的纤维素的获得，对半纤维素、木质素的处理未予重视。生物量全利用的观念[34]提出，应该将纤维质看作是由纤维素、半纤维素和木质素构成的混合物，预处理是将这3种组分分离、纯化，进而相应充分利用的过程。从全局考虑，来自于原材料的成本就可以进一步有效降低。

2.4 预处理的发展方向

预处理的效果不仅影响最终酒精的产率，还直接影响下游的工艺成本。今后对预处理的研究方向是：在结合糖化、发酵整个完整工艺的基础上，对现有的预处理方法进行优化、改进，同时进一步了解纤维素结构对酶解的影响，深入研究预处理过程的物理化学反应机理，构建出合理的预处理模型，找出最佳的工艺条件，设计出相匹配的反应器，从而找到更为经济有效、低污染的预处理技术，才能推动纤维素乙醇实现工业化发展。

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