预处理应用于能源草制备生物能源的研究进展

张琛蔚，杨富裕

（1.中国农业大学农学院，北京100193；2.中国农业大学动物科技学院，北京100193）

生物质能源与太阳能、风能等可再生能源是目前世界新能源的重要组成部分［1］。我国在《可再生能源中长期发展规划》中指出：到2020年，力争实现可再生能源消费量占总能源消耗量的15%，其中生物质能源占据重要比重，因此其越来越受到相关领域重视［2］。生物质能源原料主要包括非粮能源植物、农业废弃物和城市废弃物等，非粮能源植物是当前的研究热点，其主要包括多种能源草本、木本植物和经济作物。其中，能源草本植物因具备生物质产量高、抗逆性强、多年生特性和其易种植、收获、运输和储存性质而备受关注［2］。美国早于1984年启动了能源草研究项目，计划到2030年，能源草产能将占所有生物能源的35.2%［3］，预计可提供2290亿升生物乙醇；欧洲自1989年以来先后启动了多个专项，进行能源草选育研究；德国兴建发电能力为12万千瓦发电厂，其燃料为芒属植物与其他作物的混合物。目前，部分发达国家已实现能源草产生物能源产业化，而我国在此方面起步较晚，对其育种、栽培、管理等方面研究偏少，因此需加快推进对能源草的研究进程。

能源草是指可用于制备生物能源的富含木质纤维素的草本植物，主要包括柳枝稷（Panicumvirgatum）、芒草（Miscanthus）、杂交狼尾草（Pennisetum glaucum）和虉草（Phalarisarundinacea）等，种类繁多。其细胞壁由大量纤维素、半纤维素和木质素构成，结构复杂，半纤维素、木质素通过共价键联结成网络结构，纤维素镶嵌其中［4］。由于木质素在外围的阻碍，直接对纤维素进行转化利用较为困难。因此，对原料进行预处理降低纤维素结晶度、破坏木质素以增加纤维素接触面积是十分必要的。本文综述了物理、化学和生物预处理技术，从预处理方法的成本、效率和污染程度等角度，对能源草预处理方法进行分析和评价，旨在选出成本低、污染小的高效预处理方法或组合方式，以期为生物燃料生产提供参考。

1 能源草制备生物燃料的预处理方法

预处理也称前处理，是指在厌氧发酵前利用物理、化学、生物及混合预处理法［5］对材料进行作用。预处理可增大材料与沼液中微生物接触面积，提高木质素破坏程度与纤维素降解度，同时，根据不同材料选取合适的方法可获得较高产能效率。据统计，一般预处理法的处理效率为10%～90%不等。

1.1 物理预处理方法

物理方法是通过外界手段如机械工具、温度、压强改变等对材料进行作用，破坏木质纤维素致密结构，增大材料与接种物的接触面积。其主要包括：粉碎、切短、挤压、加热处理、蒸汽爆破法、射线辐射处理、液体高温水、脉冲电场预处理［5］等方法。物理预处理法是非常基础且重要的预处理方法。

1.1.1 切短和粉碎预处理 切短与粉碎处理，顾名思义，是通过机械工具，如闸刀、粉碎机和磨碎机等，将材料的粒径或长度减小，破坏材料结构，增加能源草与发酵接种物的接触面积，提高产能效率。绝大多数化学及生物预处理前均会进行切短、粉碎处理，根据切短长度、粉碎粒径不同，产能效率也有所不同。目前以农业废弃物为材料的预处理方法研究较多，能源草相关研究偏少，在此只举一例：

徐然［6］将柳枝稷切短为1，3，5，7和9cm 后于37℃下进行产气试验，结果显示，材料长度为1cm时产甲烷量和纤维素降解率最高，分别为202.29 mL·（g·VS）-1和19.63%。不同能源草发酵的最佳长度和粒径不同，目前经粉碎处理后粒径集中于0.003～30mm之间，材料过长则会减小与接种物的接触面积［7］，过短则可能破坏其中某些结构，因此需根据不同材料特性进行实验分析确定最佳长度。

1.1.2 加热预处理 加热预处理是通过高温或高温蒸汽作用加速物质内分子的碰撞、提高木质纤维素内疏离程度进而提升木质素去除率、纤维素降解率，最终可较大幅度提高产气能力，不同材料提高程度不同。目前能源草预处理一般以柳枝稷作为研究材料，具体情况如下：

Jackowiak等［8］发现在微波处理基础上对柳枝稷进行50℃加热处理，其总产气量可提高4.5%。Wang等［9］将木质纤维在60℃条件下进行加热处理和离子液处理，其木质素破坏程度达70%。试验证明，加热预处理与其他方法共同使用效果更好。

对于其他能源草作为预处理原料的研究目前较分散，如学者们针对狗牙根在3个温度（150，160和170℃）和不同处理时间（30和60min）预处理效果进行了研究，其中在150℃，60min条件下所得产还原糖率最高，为70%；当在170℃，60min条件下半纤维素溶解量最高，达83.3%。李连华等［10］将杂交狼尾草置于121℃高压灭菌锅内进行蒸汽加热，最终其厌氧发酵累计产甲烷量提高11.13%；另外，将禾本科王草（PennisetumpurpureumK.Scbumacb）进行加热处理后，其结晶度从4.73降低至3.29并提高62%的产气量，同时缩短了发酵的滞延期。

在加热预处理中并非所需加热温度越高、时间越长越好，而是存在最佳条件，如柳枝稷在100℃下产气量提高多，而狗牙根在150℃下产气量提高较多。不同能源草所需最适处理温度可能不同，因此需集中材料进行实验，总结处理条件并节省能源。

1.1.3 蒸汽爆破预处理 蒸汽爆破法是指在高压蒸汽初始温度为160～260℃，压强为0.69～4.83 MPa下处理材料［5］，在特定时间压力骤然下降，使材料氢键断裂，降低材料紧密程度。在蒸汽爆破过程中加入酸或碱性催化剂，可提高反应速率，使处理效果更佳，目前蒸汽爆破的种类包括普通蒸汽爆破，氨法蒸汽爆破（AFFX）和CO2蒸汽爆破法。

普通蒸汽爆破在早期预处理研究中较常见，如罗鹏等［11］用普通蒸汽爆破法处理麦草（Psathyrostachysjuncea（Fisch.）Nevski），经试验证明，在温度为190℃（停留时间为2min）条件下，汽爆麦草得率和纤维素回收率最高，分别为81.2%和58.4%；在温度为210℃（停留时间为8min）条件下，麦草纤维分离程度最佳，纤维素酶水解得率最高，达73.2%。除此之外，芒草预处理也应用到了蒸汽爆破法，王丽婷等［12］通过实验发现，当在爆破温度为220℃、维压时间为5min的条件下，将芒草处理后还原糖产量最高达117.4mg·g-1。目前蒸汽爆破法被广泛应用于秸秆处理中，但由于和本文材料不同不再赘述。

当加入0.5%～4%的酸或碱催化剂（H2SO4，H3PO4，NaOH或氨水）时可提升气爆效果，同时降低处理温度节省能源。目前，氨法蒸汽爆破应用广，研究也较深入，其首先用于秸秆预处理，后用于能源草处理中。如Holtzapple等［13］将秸秆进行AFFX处理（每千克材料中加入1～2kg氨水后进行蒸汽爆破处理），并在155℃下用2.1%的H2SO4稀溶液催化并持续15min，最终可将甲烷产气率提高67%。Alizadeh等［14］优化了AFFX处理条件并将其运用于柳枝稷处理，在温度为100℃、氨添加量为1g氨·g-1生物质以及停留时间为5min的条件下，预处理组较对照组纤维素转化效率提高93%，乙醇产量为0.2g乙醇·g-1干物质，是未处理组的2.5倍。因此用于秸秆处理中的很多方法值得借鉴。

此外，Dale等［15］利用特殊CO2蒸汽爆破法处理材料，在压力为5.62MPa温度为160℃的条件下每千克材料用4kg CO2处理24h，可提高75%的总产气量。这种CO2蒸汽爆破法是利用CO2产生压力破坏材料结构，提升其降解率，但此法并未运用到能源草处理中。

综上，AFFX是目前最佳的气爆处理方法，其运用广泛，可提高约90%的材料转化率、60%的产气率，且氨水成本低廉，易于投入生产。另外，蒸汽爆破法多和其他处理方法结合使用，可进一步提高材料降解率。

1.1.4 射线辐射预处理 射线辐射预处理是指运用微波、超声波、γ-射线和电子束等射线对材料进行作用，使其内部发生震荡，从而破坏木质纤维素结构，提高纤维素降解程度。其中微波与超声波因使用便捷且对人体伤害较小而被广泛运用。Jackowiak等运用微波在150℃下分别处理小麦秸秆和柳枝稷50min，秸秆甲烷产气率提高28%，但柳枝稷甲烷产气率提升并不显著，这可能与材料内部结构有关。随后其提高处理温度并延长了作用时间，在180℃下对柳枝稷进行微波处理90min，材料溶解性化学需氧量与总化学需氧量的比值（sCOD·tCOD-1）较对照组上升13.8%，说明其产还原糖量上升13.8%［16］。目前微波处理广泛应用于秸秆、柳枝稷等材料预处理当中，其材料降解效率为30%左右，在物理预处理中占据重要地位。另外，微波通常与加热处理结合使用，加热温度为150～180℃（目前较优方法为150℃下微波处理20min），此组合方法对木质纤维素降解有较大作用。

1.1.5 脉冲电场预处理 脉冲电场是一种新型的预处理方法，其利用电场脉冲对细胞壁的作用，破坏木质素结构。相关研究者在室温下以8kV·cm-1的电场强度及单位时间内2000次脉冲处理木质纤维素材料，结果显示，木质纤维素降解率较对照组提高3.6%［17］。此种预处理方法所需装置较复杂，使用较少，目前仅被运用于秸秆处理中，对于能源草作用效果需将其运用于能源草处理后方可知晓。

1.2 化学预处理方法

国内外学者针对于化学预处理法的研究十分详尽。化学预处理中包括酸、碱处理法，氧化法［18］（包括过氧化氢法、湿法氧化法和臭氧分解法），离子液体法和酸性电解水法。其中酸、碱预处理效果良好，如NaOH处理可将破坏程度提高50%以上，较大程度提高材料产能效果。

1.2.1 酸预处理法 在酸预处理中常用稀酸主要包括 H2SO4，HNO3，H3PO4和 HAc等，其利用强酸腐蚀性和氧化性破坏木质纤维素结构，且主要针对半纤维素进行作用。目前在酸处理法中运用较多的是H2SO4处理，其可将材料降解程度提高50%～80%，产气能力也有相应提高。

Wyman等［19］用体积分数为0.5%的H2SO4溶液于140℃条件下对柳枝稷进行处理并持续1h，最终其纤维素降解率达70%。Alireza于170～180℃下利用0.9%的稀H2SO4处理柳枝稷，产甲烷量比对照组提高80%。之后研究者们取消了加热过程，在室温下用1.2%H2SO4浸泡柳枝稷4h后，材料降解率增加50.4%。Zhang等［20］为确定酸处理中H2SO4最佳体积分数，于常温常压下用0.8%～4.2%的H2SO4溶液作用于柳枝稷，试验证明，当H2SO4体积分数为4%时其材料降解效率最高，达83%。

利用稀H2SO4溶液处理其他能源草，如芒草、荻（Triarrhenasacchariflora（Maxim.）Nakai）等也有相关研究。袁振宏等［21］证明在121℃下芒草内部结构降解程度随H2SO4体积分数变化而变化，其中半纤维素在H2SO4体积分数为1.5%时会全部降解，酸体积分数过高会产生糖类以外的杂质。廖沃日汗等［22］在120℃下用1.5%H2SO4稀溶液对荻进行30min预处理，木质纤维素降解程度较对照组提高15%。另外，研究发现，虉草经稀H2SO4处理后纤维素转化率提升35%。

目前，对于柳枝稷H2SO4处理研究的十分详尽，其中H2SO4溶液处理浓度一般为1%～4%。另外，各类能源草组分含量基本一致，仅少数有较大差异，因此各类能源草H2SO4处理浓度不会有较大浮动。其他酸溶液对能源草处理的研究不多，且成本有时会高于H2SO4，因此H2SO4是酸处理中的较优选择。

1.2.2 碱预处理法 碱处理方法包括NaOH、Ca（OH）2、KOH和稀氨水法，其利用稀碱溶液对材料进行处理，破坏木质素。以柳枝稷为材料的碱处理目前研究较多，具体如下。

碱处理中运用较多的是NaOH和稀氨水法。如Guang等［23］在100℃、湿度为91.7%条件下用NaOH溶液对柳枝稷进行处理，产能效率达63%。Kurakake等［24］于120℃下利用25%～28%氨水将柳枝稷酶解20min，处理组还原糖产量是未处理组的5倍。Isci等［25］常温常压下用30%氨水浸泡柳枝稷材料，结果显示，木质素含量减少40%～50%，半纤维素含量减少50%。

关于其他能源草碱处理的研究如下：李连华等［10］在室温下用1%NaOH溶液作用于杂交狼尾草，其木质素含量从12.78%降低至6.51%，并对材料结晶度产生一定影响。Haque等［26］运用0.75%～2.5%NaOH稀溶液在105℃下对芒草进行处理，发现2.5%NaOH溶液处理效果最好，木质素和半纤维素损失率分别达74%和55%。Chaudhary等［27］以甜根子草（SaccharumspontaneumLinn）为研究材料，于30℃下使用不同碱（NaOH，NaOH+10%尿素，氨水）对其进行预处理，其中NaOH+10%尿素处理效果较佳，木质素降解率为63%。张树河等［28］优化了斑茅的碱处理条件，其在2%NaOH作用下、60℃抽提1h后木质素的含量降低为3.34%，纤维素提高到72.54%，半纤维素为28.57%。另外，如将虉草用Ca（OH）2处理后，纤维素转化率可提高3%。

从上述研究结果看，氨水、Ca（OH）2等碱处理弱于NaOH处理效果，因此目前NaOH运用最为广泛，其处理浓度一般集中于0.5%～2.5%，使用成本低且木质素去除率高，但对环境有较大负面影响。因此对其污染防治手段应进一步优化。

1.2.3 臭氧分解法和湿法氧化法 臭氧分解与湿法氧化原理相似，均利用强氧化性对材料进行作用。前者是臭氧首先分解为氢氧自由基，利用强氧化性降解材料；后者是在高温（125～300℃）高压（0.5～20MPa）下，于材料中加入水和氧化剂（如H2O2），设定温度、时间和压强从而对材料进行处理。臭氧分解和湿法氧化法均不具选择性，在处理过程中材料可能会损失部分碳水化合物，其相关研究进展如下：

Panneerselvam用3种不同浓度（40，50和58 mg·L-1）的臭氧在常温常压下对木质纤维素进行处理，结果表明58mg·L-1的臭氧处理效果最好，可破坏59.9%的木质素。之后，Panneerselvam等［29］还发现，将芒草用臭氧处理后，其还原糖产率较对照组增大146.2～431.9mg·g-1。此外，Uellendahl等［30］发现，将木质纤维素在150℃，0.5 MPa下进行湿法氧化处理之后，甲烷产量从200 L·kg-1增长到360L·kg-1，将此方法运用于柳枝稷处理也可一定程度提高产能量。

在氧化法中H2O2常和其他方式混合使用，如酸、碱或微波处理，其处理效果良好，可破坏50%以上木质素。另外，因成本问题上述两类氧化法并未大规模应用于生产中，仍有待于进一步研究。

1.2.4 离子液体预处理法 离子液体处理法是指在不同处理温度下利用70%～85%的咪唑氯化物、N-甲基吗啉-N-氧化物、1-丁基-3-甲基咪唑氯化物等溶液对能源草进行作用，破坏木质素，提高发酵效率。

目前咪唑氯化物应用较多。Socha等［31］运用咪唑氯化物处理木质纤维素72h，其产葡萄糖量和产木糖量分别较对照组提升90%～95%和70%～75%。Li等［32］将此溶液运用于柳枝稷处理，利用1-丁基-3-甲基咪唑氯化物在常温常压下处理材料后，其降解率提升16.7倍，产甲烷率提高96%。Montalbo等［33］将1-丁基-3-甲基咪唑氯化物与超声波共同作用于柳枝稷，较单用超声波处理木质纤维素降解率高50.8%；同时用离子液体处理柳枝稷并在130℃下持续加热12h，其木质素降解率比单独加热处理高53%。另外，其他离子液体如N-甲基吗啉-N-氧化物也被用于预处理，如 Akhand等［34］在90℃条件下用N-甲基吗啉-N-氧化物作为处理试剂对秸秆进行处理并持续7h，材料甲烷产量增加47%。其产能提升效果良好，有待于运用于能源草处理中。

此外，还有一种与离子液体相似的处理方式，即酸性电解水［35］。这种预处理方式利用特定浓度（不同处理材料所用浓度不同）的FeCl3稀溶液对木质纤维素进行降解，如Jing等［36］在木质纤维素样品中加入35%的FeCl3并持续处理30min，结果产还原糖量提高126.5%，但此方法同样未用于能源草预处理，有待进一步研究。

总体来说，离子液体处理法中运用较多的是咪唑氯化物、吗啉氧化物等化学物质，其可对材料木质素进行破坏，将材料降解率提高40%～90%不等，效果良好，但因离子液体成本比酸、碱处理高，其在生产中运用不广泛。

1.3 生物预处理法

生物预处理可分为自然和人为加入微生物预处理，其中人为加入微生物处理针对性更强，可将材料降解效率提高约30%～60%，效果良好且污染程度低［37］。生物预处理主要使用的添加剂为细菌、真菌和酶制剂，其中真菌在作用时首先吸附在木质纤维素端部，菌丝由内而外延伸；而细菌则吸附在木质纤维素表面，由外向内延伸，进而破坏材料结构，在降解过程中微生物产生纤维素、半纤维素以及木质素降解酶等，共同对材料进行作用。

1.3.1 酶法处理 酶法处理是在温和条件下直接利用纤维素酶或其他酶类对木质纤维素作用，从而提高发酵过程中的反应速率。其中所用的纤维素酶可由梭菌（Colstridium）、纤维单胞菌属（Cellulomonas）和芽孢杆菌（Bacillales）等微生物［38-39］或蛋白表达系统中产生，其他种类酶如漆酶则由毁丝霉（Myceliophthora）等微生物产生，也可用于预处理中，如研究者们利用250AU·（g·VS）-1浓度的漆酶（此酶对木质素有降解作用）对柳枝稷在常温下处理4h后，其甲烷产量提高34.2%。

目前以能源草为材料的纤维素酶预处理研究较少。师静等［40］探究纤维素酶用量、酶解时间、底物浓度、缓冲液pH值、反应温度5种因素对巨菌草纤维素降解的影响，结果显示，各因素的影响程度依次为纤维素酶用量＞酶解时间＞底物浓度＞缓冲液pH值＞反应温度，其中最佳酶解条件为：反应时间60h，酶用量44.8U·g-1，底物浓度10g·L-1，pH值5.0，酶解温度45℃。另外，相关学者于pH 4.0～6.0条件下探究纤维素酶预处理中添加剂的效应，其中正丁醇在酶法水解中起到了抑制作用，而辛醇、正癸醇等都在酶解预处理过程起了促进作用，将正丁醇加入到酶处理装置中可将材料产甲烷率提高37%～57%。

总之，酶处理对环境产生污染小，处理效果好，但和其他生物处理方法相似，成本较高，且目前纤维素酶的表达和生产工艺并不成熟，需进一步降低成本、提高生产技术水平。目前多用微生物菌剂添加代替纯纤维素酶制剂添加。

1.3.2 真菌预处理法 真菌预处理法是指利用白腐菌（Phanerochaetechrysosprium）、青霉（Penicillium）和曲霉（Aspergillus）等大型真菌产酶特性，在28～37℃温和条件下对材料进行处理，选择性降解木质素和纤维素，从而提高产能效率。目前白腐菌是真菌中运用最频繁的菌种，对其研究也相对较多。Liggenstoffer等于180～200℃条件下对木质纤维素处理5～15min，之后利用白腐菌C1A（Pycnoporussp.SYBC-L3）菌株作用于材料，最终28.34%～38.22% 的木质素被降解。Liu等［41］利用白腐菌对柳枝稷进行36d持续处理，最终木质素降解度达30%，发酵效率较未处理组高50%。Yao等［42］在湿度为80%～85%、温度为35℃条件下利用白腐菌作用于芒草和柳枝稷，结果表明，这2种材料的产还原糖量分别较未处理之前提升了25.48和8.33 mg·g-1，其差异原因可能是由于内部结构不同。

其他菌种如黑曲霉（Aspergillusniger）、绿色木霉（Trichodermaviride）等也可用于预处理，但目前其未被运用到能源草处理中。如赵晓农等［43］以黄孢原毛平革菌（Phanerochaetechrysosporium）等单菌及其与黑曲霉复合的双菌对苹果渣进行预处理。固态条件下，黄孢原毛平革菌促进糖化效果最强，总还原糖含量提高70.8%；液态条件下，黑曲霉与白腐菌混合作用最强，处理后总还原糖含量提高66.2%。陈莉等［44］对绿色木霉降解纤维素的最佳条件进行探究，结果表明其最佳条件为：接种量5%，初始pH值4.5。因此对于能源草真菌处理仍有待于进行实验探究。

总之，真菌处理是目前预处理方法主流研究方向之一，污染程度小，处理效率较高且节省能源，在温和条件下木质素降解率为30%，降解后还原糖量提高程度为70%左右。其不足之处在于所需处理时间长，成本也较化学预处理高。

1.3.3 微生物群落预处理法对能源草产能影响 细菌在预处理和发酵过程中均有重要作用，其种类繁多，一般在温度为20～55℃范围内对底物进行作用。细菌的主要作用是破坏木质纤维素紧密结构，选择性降解纤维素和半纤维素［47］。其对材料降解率达60%左右，产气能力提升20%～30%，可作为良好的预处理添加剂。

杨洪岩等［45］筛选出可高效产酶的细菌复合系并用其对柳枝稷处理14d，结果表明，在50℃、pH为4.5条件下柳枝稷纤维素及半纤维素降解率分别达50%及60%，对应的酶活分别为0.21和3.57 IU。Bai等［46］建立了MEG细菌菌群体系，在35±2℃的条件下对木质纤维素处理7d，其甲烷产气率提升25%，此菌群有待运用于能源草处理中。Eichorst等［47］在38℃下运用微生物菌群处理柳枝稷，所得纤维素降解率较对照组高2倍。Ahn等［48］将柳枝稷和禽类粪便共同发酵，结果表明，利用禽粪中天然微生物群可将柳枝稷甲烷产气提高至299mL·（g·VS）-1。目前可稳定繁殖的纤维素降解菌群已被应用于实验室内预处理过程，但未投入生产中。

另外，虽青贮不属于预处理范畴，但其有时也可达到提升能源草产甲烷量的效果。因青贮本身是利用厌氧条件下乳酸菌等有益微生物的活动将植物中碳水化合物转化为乳酸、乙酸等有机酸（同时pH值降到4.2以下），而乙酸是甲烷的前体物质，可能对后续厌氧发酵产生影响，因此也将其相关内容进行总结。目前青贮多用于牧草饲料保存，较少用于能源草产能青贮，相关的研究也较少。其中张宝艺［49］在杂交狼尾草青贮过程中添加不同浓度（1.0×105，1.5×105和2.0×105cfu·g-1）乳酸菌及不同浓度（0.01，0.02和0.03g·t-1鲜重）纤维素酶，持续45 d，结果显示纤维素酶添加量为0.03g·t-1鲜重时甲烷产量最大，为2916.17mL，产气率为294.17 mL·（g·VS）-1。对于青贮是否能提升产气量，提升程度如何，不同能源草可能存在很大差异，因此此方向仍需探索。

总之，细菌处理法专一性强，污染程度低，处理效率良好，但其和真菌处理局限性相似，处理时间长、成本较高。目前，发掘极端环境内存在的菌群（如深湖泊底层污泥内、牛粪中存在的纤维素降解菌群等）进而研究其纤维素降解性能也是十分必要的，因为此种环境下生长的菌群对纤维素降解能力、专一性和抗逆性均较强，更具开发价值。

1.4 混合预处理法

混合预处理是指物理、化学和生物等不同预处理方法组合使用，对能源草进行处理。不同方法之间结合导致处理效率不同，其大多较单一预处理法效率高，且效率因不同能源草而异。目前在工业生产中预处理方法几乎均为混合预处理。

Keshwani在综述中提到［50］将1%NaOH 溶液与微波辐射（10min，250W）结合用于柳枝稷处理，其还原糖产量较对照组高3～5倍。Hu和wen［51］利用1%NaOH与微波辐射对柳枝稷进行处理，在190℃、固体含量为50g·L-1条件下处理30min后，纤维素降解率提高99%。余醉等［52］以芦竹为材料将稀酸、稀碱、加热处理和稀酸催化加热处理法进行比较，结果表明，稀酸催化下的高温热水法效率最高，总水解率达47.91%，木质素减少12.99%。Li等［53］利用加热预处理，将能源草混合样品进行处理后，其产气速率和产能量分别提升7%和8%。另外，化学预处理也可作为物理处理辅助手段，如Yandapalli等［54］发 现，分 别 将（0.05，0.1 和 0.2 g·g-1生物量）的石灰运用于柳枝稷处理中，并于121℃下持续30min之后于室温下保存72h，结果表明0.2g石灰·g-1柳枝稷的石灰处理对后续粉碎和制备固体燃料的影响最大。此外还有前文提到的微波加热预处理、微波与酸处理、加热与微生物处理结合等均为混合处理方法。

针对于能源草混合预处理的研究目前多集中于物理、化学组合，其他方法组合还被未大规模使用，尤其是生物处理与其他方法的结合（如微波处理与白腐菌、碱处理与白腐菌结合等），仍需进行相关试验并总结。另外，以秸秆为材料的混合预处理研究成果较多，在对能源草预处理技术进行研究时可加以借鉴。

2 预处理方法间的对比分析

上述预处理方法均各具优缺点，如物理预处理方法对环境的污染程度低、成本低、处理时间短但处理效率有限且消耗能量较大；化学方法中酸、碱预处理法处理效率相对较高，如 H2SO4或NaOH预处理法是目前最经济高效的方法，但其对环境污染程度较大且选择性较低；生物预处理成本普遍偏高、处理时间长，其优点是对环境污染程度小，选择性强且处理效率良好；混合预处理因其处理过程复杂、拥有很多不定性因素，因此各个指标均不易确定，但就上述提到的混合预处理（包括微波处理与加热处理混合、微波与真菌处理混合等）来说，其处理效率高，并且不同方法间具有互补作用，值得深入研究。具体情况如表1所示。

表1 能源草不同预处理方法比较Table 1 The comparison of different pretreatment methods of bioenergy grass

3 总结与展望

目前预处理方法种类繁多，需要学者研究的方面也是多样性的，因此对此类研究需有明确的目的和方向，本文从以下几点对预处理方法今后研究进行了总结和展望。

3.1 物理处理方法是所有预处理方法的前处理

在进行化学、生物处理前都应首先进行切短、粉碎或其他物理方法处理，这样可以较大程度破坏木质纤维素的紧密结构，为后续实验提供方便。不同实验所需材料切短长度有所不同，需粉碎的材料经处理后粒径一般集中于0.003～30mm间即可，而其他物理处理方法可根据实验需要进行选择。

3.2 酸、碱预处理是目前主要应用的预处理方法

稀 H2SO4（4%）及稀 NaOH（0.5%～2.5%）溶液成本低廉且对材料处理效果好，因此，在实验或生产中主要应用其对材料进行处理，根据能源草种类不同稀酸和稀碱处理浓度可能略有不同，但大体相近。目前由于环境问题，化学预处理受到较大限制。

3.3 生物预处理应成为预处理方法中主流研究方向

微生物因其天然的木质纤维素降解专一性及其对环境低污染性受到较多关注。目前运用较多的是白腐菌。微生物繁殖迅速，其所产生的纤维素酶、漆酶等可不同程度降解纤维素或木质素，提高产能效果。从表1中可以看出，生物处理专一性、无污染性在其领域都占有优势，因此对不足之处进行优化是首要任务。生物预处理的限制是成本高、处理时间长，降低成本、缩短处理时间是其目前的研究方向。如欲缩短时间需提高酶的活性，欲降低成本则需提高预处理技术水平，因此对于预处理装置改进、条件优化、微生物培养技术以及蛋白表达技术提高等均迫在眉睫。另外，应针对产酶微生物群落应深入研究，筛选新型纤维素降解菌群，并对目前已被广泛运用的蛋白表达系统进行优化，使表达效果提升。此外，还需细化生物预处理中涉及到的各项指标，如温度、pH和时间等，选择最适条件，提升生物预处理效率。

3.4 能源草预处理方法研究趋势应向高效率、低污染方向发展

低成本、高效率和低污染是目前预处理技术发展的目标，酸、碱预处理虽处理效果好、成本低，但其对环境有较大负面影响并可能破坏材料本身的结构，因此应对其处理后的排污手段进行进一步探究，降低环境污染程度，同时与生物处理结合以提升处理专一性。另外，物理预处理一般为初步处理，切短、粉碎等几乎是每种预处理方法所必经的途径，蒸汽爆破、射线辐射、液体高温水等处理效果良好，但能源损耗程度大，有些耗损能源甚至会超过能源草制备的能源，因此寻找前期能源消耗少、处理效果较优的新预处理方法也同样是目前研究的重要任务。

3.5 多种预处理方法综合应用是能源草预处理的发展趋势

多种预处理法组合会弥补单一预处理法的不足，并可能达到“一加一大于二”的效果，如微波处理和白腐菌处理结合、微波处理与NaOH处理结合等，这些组合在秸秆预处理中都有所运用，值得借鉴。另外，预处理过程中应有较强针对性，如化学预处理中某些有用成分也被化学试剂破坏，而生物处理则具有较强选择性，因此将不同处理结合使用可达到优势互补的目的。目前，物理、化学预处理组合已被多方面研究，而生物处理与其他预处理的结合研究较少，需要研究者进一步探索、分析更多可能的组合，以提高木质纤维素的降解程度。

3.6 建立能源草预处理综合评价体系

系统测定不同预处理法对能源草的影响后，应建立完善的预处理评价体系，如李峰等［55］对部分能源草建立了初步评价体系，其产能效率、分布、热值、抗逆性等特性均在体系中有清晰的体现和评分。因此，对于不同材料、不同预处理法也应进行类似的总结归纳，对材料降解效率、成本、环境污染程度和能源消耗进行详细阐述、评价和综合分析。另外，后续应及时更新处理方法，以便研究者根据不同实验室设备选取最佳的预处理方法，提高实验效率。