利用木质纤维素生产燃料乙醇..
棉花秸秆生产燃料乙醇的预处理技术研究概述
棉花秸秆生产燃料乙醇的预处理技术研究概述摘要乙醇是一种很有希望替代有限石油的燃料。
我国目前燃料乙醇生产的主要原料是陈化粮，但我国陈化粮可用于燃料乙醇生产的量十分有限。
棉花秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素和其它灰分等组成，经过预处理、发酵和脱水可生成燃料乙醇，在能源急剧短缺的今天，丰富而又可再生的棉花秸秆已经备受关注。
纤维质材料的预处理是转化乙醇过程中的关键步骤，该步骤的优化可明显提高纤维素的水解率，进而降低乙醇的生产成本。
本文总结了纤维质材料预处理的各种方法，对各种方法的优缺点进行了综述和分析，并对生物质预处理技术发展的前景进行了展望。
关键词：棉花秸秆；预处理；生物乙醇RESEARCH ON PRETREATMENT OF COTTON STALK FORBIOETHANOL PRODUCTIONABSTRACTEthanol is promising alternative energy source for the limited crude oil. Ethanol mainly comes from aged grain in our country.However, the aged grain which is used to produce ethanol is lim-ited. Cotton stalk is composed of cellulose, hemicellulose, lignin and solvent extractives. Ethanol can be obtained by pretreatment, fermentation and dehydration of cotton stra-w. In the current circumstances of energy shortage, abundant and renewable cotton str-aw has caused widespread concern.Petreatment, the critical technology for transformation of lignocellulosic materials to ethanol, can significantly enhance the hydrolysis of cellulose, and then reduce the cost of ethanol production. Progress in research and development of pretreatment is re-viewed in this paper, and the advantages and disadvantages of different methods of pretreatment a-re summarized and analyzed in detail. The prospect of pretreatment is also discussed.KEY WORDS: Cotton stalk; Pretreatment; Bioethanol第一章文献综述1.1 前言能源是当今社会赖以生存和发展的基础。
我国纤维素燃料乙醇工艺概况和经济性分析
>>专家观点<<2018年6月·第3卷·第3期石油石化绿色低碳Green Petroleum & Petrochemicals摘 要：纤维素燃料乙醇是充分利用纤维素原料中的纤维素和半纤维素，使之水解糖化后，通过糖发酵生产的燃料乙醇。
目前我国纤维素燃料乙醇产业发展较慢，纤维素燃料乙醇在秸秆收储运、秸秆原料预处理、纤维素酶发酵制乙醇等环节还存在亟待突破的技术瓶颈。
由于缺乏完善的秸秆原料收储运体系，原料供应难以保障，已建成的纤维素燃料乙醇示范装置大多因技术和成本问题未能正常开工运行。
当前技术条件下，纤维素燃料乙醇投资较大，秸秆收储成本高，原料预处理过程产生的污水量大，污水处理成本高，乙醇生产过程中的酶制剂成本较高，致使纤维素燃料乙醇成本远高于粮食燃料乙醇成本。
我国发展纤维素燃料乙醇需加强对秸秆收储运体系的研究、开发高效的纤维素酶菌，有效降低纤维素燃料乙醇成本以提高竞争力。
关键词：纤维素 燃料乙醇 工艺技术 成本 经济性分析我国纤维素燃料乙醇工艺概况和经济性分析朱青，王庆申，赵书阳，杨晓帆（中国石油化工集团公司经济技术研究院，北京 100029）收稿日期：2018-4-27作者简介：朱青，学士，高级经济师。
1989年毕业于北京建筑工程学院工业与民用建筑专业，长期从事项目经济评价工作，曾多次参与生物燃料定价及生物燃料的专题研究工作。
2017年9月十五部委联合发布的《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》提出，到2025年，力争纤维素燃料乙醇实现规模化生产，先进生物液体燃料技术、装备和产业整体达到国际领先水平，形成更加完善的市场化运行机制。
纤维素广泛分布于农作物秸秆、皮壳当中，秸秆的能源化利用对加强我国环境保护以及促进能源结构调整等具有比较现实的意义。
从目前的工艺技术看，纤维素燃料乙醇达到规模化生产仍将有一段距离。
由于纤维素燃料乙醇成本较高，与粮食燃料乙醇相比没有竞争力，为推动纤维素燃料乙醇产业的发展，需要国家出台相关的财税扶持政策。
年产30万吨高新技术秸秆纤维素燃料乙醇及10万吨木质素生物质柴油项目可行性研究报告
第二章 项目背景及必要性可行性分析........................................................... 8
2.1 项目提出背景.................................................................................................................... 8 2.1.1 项目符合新能源、低碳经济及循环经济发展方向.............................................. 8 2.1.2 战略性新兴产业提振利用高新技术生产新能源醇基清洁燃料.......................... 9 2.1.3 本次建设项目的提出............................................................................................ 10 2.2 项目建设必要性分析 ...................................................................................................... 11 2.2.1 有利于发展车用可再生醇基清洁燃料替代化石车用燃料.................................11 2.2.2 适应保障国家石油安全的重要战略部署............................................................ 11 2.2.3 新能源产业全面进入商用领域带来巨大投资机会............................................ 12 2.2.4 顺应车用燃料节能减排环保的发展趋势............................................................ 13 2.2.5 消化省内玉米秸秆资源变废为宝的有效途径.................................................... 13 2.2.6 增加就业带动相关产业链发展的需要................................................................ 14 2.2.7 促进项目建设地经济发展进程的的需要............................................................ 14 2.3 项目可行性分析.............................................................................................................. 14 2.3.1 政策可行性............................................................................................................ 14 2.3.2 市场可行性............................................................................................................ 16
现代燃料乙醇生产技术研究I
1.2 计算机控制技术 使用计算机控制技术监控和管理工业生产过 程是现代工业技术的标志。我国近年来开发的应 用计算机流体力学模型优化一体式膜生物反应器，
可以得到既满足微生物生长需要又可以防止膜污 染的最佳供气条件，不仅可 以提高 乙醇生产技术
水平，而且将改善发酵工业技术现状。 我国设备，全面考虑纤维素水解所
燃料乙 醇生产技术区别于酿酒技术的重要特
点就是规模化与低成本的要求。几年来，我国在
家的能源安全，后来更多是出于环境保护的考虑。 然料乙醇产业的发展在完善能源安全体系、减少 原油进口，提高汽车燃油品质，改善大气环境质 量，增加农业收入，增加劳动就业等方面发挥了
重要作用。
我国本世纪初就已经开始了对燃料乙醇的研 发、 生产和使用。2005 年 2 月，全国人大通过
(可再生能源法》 。燃料 乙醇作为再生能源以立法 的形式强制推广使用新型能源。我国对国家批准
其产值在世界市场的份额将达到 1500 亿美元，世 界植物生物质的应用规模在 206 年将超过石油。 0
近年来，为了发展替代能源，应对石油市场 的挑战，世界各国不失时机地制定雄心勃勃的嫉
界储童的2%，按目 前石油年开采量 1.7 亿吨/ 年
计算，到 2030 年我国石油资源就 已趋于枯竭。不 用说子孙后代，可能在我们的有生之年就将面临
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现代燃料乙醇生产技术研究 ( 1 )
现代燃料乙醇生产技术研究 ( 工)
林秋平
( 福建省环晚保护局总工办，福州 3 00 3 5 0 )
摘 要: 簇抖‘醉以其可再生特点、可替代石油和具备环保功能的特点被选为优 良的替代能 源，得到大家的高度重视。大规模成套生产工艺; 木质纤维素的预处理 ; 现代岌眯技末和发
木质纤维素原料生产燃料酒精开发技术研究进展
资源的矛盾 ， 这就迫使我们寻求新 的替代能源 ， 开发新的转化技术 。此外 ， 长期以来我 国发酵制酒精的
主要原 料是 利用粮 食 。而 国 内随着粮食 价格 的逐 渐放 开 ， 以粮 食为 原料 的 乙醇发酵 工业 成本 剧增 ， 寻找
我国国民经济快速发展对能源需求增长迅速 ， 出现 了能源供需紧张的局面。我国从 １９ 年成为原 ９３ 油净进 口国后 ， 对进 口石油的依存度不断提高。２０ ０３年石油进 口在能源消耗结构中比例高达 ３ ． ％， ６１
而且 这一 比例 还在不 断增 加 ，０５年我 国进 口石 油 达 ９０ ２０ ００万 吨 。 当前 石 油 每桶 价 已达 ６ ０—７ ０美元 ， 这较 ５年前 每桶 ２ 元油 价 已增 加 ２０％ ； ２美 ５ 与此 同时 ， 内石 油 、 、 和气 等 能 源 的价 格 也 出现 快 速 国 电 煤 上涨 的局 面 。由于石 油是不 可再 生资 源 ， 求 的刚性 增加 引起 各 国抢购 石油 ， 需 也造 成各 国之 间争 夺石油
维普资讯
木 质 纤 维 素原 料 生产 燃 料 酒 精 开 发 技 术 研 究进 展
徐有 明 ， 黄月琴
（ 中农业大 学 园艺林 学学院 ，湖北 武汉 ４０ ７ ） 华 ３ ００ 摘 要 ： 在 分析 美国、 日本 、 加拿 大等 国关于纤维素制取 乙醇技 术发展 的基础上 ， 对木质 纤维素原料 生产 乙醇的预 处理
Ｆ ｅ ｈ ｎ ｌｆｏ Ｌ ｇ ｏ ｅ ｌ ｌ ｓｃ Ｍａ ｅ ｉ ｌ ｕ ｌＥｔ ａ ｏ ｒ ｍ ｉｎ ｃ ｌ ｏ ｉ ｔｒａ ｓ ｕ
ＸＵ ｕ－ ｉ ｇ，ＨＵＡＮＧ Ｙｏ ｒ ｎ ｕ Ｙｕｅ ｑ ｎ －ｉｇ
（ ｏｌ ｅｏ ｏｅｔ ｎ ｏｔｕｔｒ， ｕ ｚｏ ｇＡ ｒ ｕｔ ａ Ｕ ｉ ｒｉ ， ｈｎ４ ０ ７ ，Ｃ ｉａ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｒｓ ｙａｄＨ ｒｃｌ ｅ Ｈ ａｈ ｎ ｇ ｃｌ ｒｌ ｎｖ ｓｙ Ｗｕａ ３０ ０ ｈｎ ） ｅ Ｆ ｒ ｉ ｕ ｉ ｕ ｅ ｔ
生物燃油燃点
生物燃油燃点生物燃油是指利用生物质资源生产的燃料乙醇和生物柴油，它们都具有可再生性。
生物燃油的燃点是一个重要的物理性质，它决定了燃油在燃烧时所需的温度，对于发动机的设计和使用具有重要影响。
一、生物燃油的燃点生物燃油的燃点是指燃料在空气中被点燃所需的最低温度。
燃点的具体数值受到多种因素的影响，如燃油的成分、温度、压力、氧化速度等。
生物燃油的燃点通常在200℃左右，相对于石化燃油来说略低一些。
二、影响生物燃油燃点的因素生物质资源的种类：生物质资源的种类对生物燃油的燃点有很大影响。
不同的生物质资源在生产生物燃油时，其燃点的数值可能会有所不同。
例如，使用木质纤维素生产的燃料乙醇的燃点通常比使用玉米等谷物生产的燃料乙醇的燃点略高。
生物燃油的纯度：生物燃油的纯度对其燃点也有影响。
一般来说，生物燃油的纯度越高，其燃点数值也就越高。
因此，生物燃油中如果含有杂质或者水分，其燃点可能会降低。
发动机的工作条件：发动机的工作条件也会对生物燃油的燃点产生影响。
例如，在发动机的高温和高压环境下，生物燃油的燃点可能会略有提高。
三、生物燃油燃点的意义生物燃油的燃点对于发动机的设计和使用具有重要意义。
首先，燃点是评价生物燃油燃烧性能的重要指标之一。
燃点越低，说明燃油在较低的温度下就能被点燃，这对于发动机的冷启动和运行有利。
然而，燃点过低也可能导致发动机的早燃和爆震现象，从而影响发动机的效率和寿命。
因此，合适的燃点数值对于发动机的性能和可靠性至关重要。
生物燃油的燃点可以作为评估其与石化燃油相容性的指标。
由于生物燃油和石化燃油的成分和性质存在差异，两者混合使用时可能会相互影响，从而影响发动机的性能和排放。
一般来说，生物燃油与石化燃油的燃点越接近，两者就越相容，混合使用时对发动机性能和排放的影响就越小。
生物燃油的燃点还可以作为评估其质量的重要指标之一。
由于生物质资源的多样性和生产工艺的不同，不同来源和生产工艺的生物燃油的质量可能会有差异。
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
木质纤维素糖化发酵工艺研究进展前言目前，世界乙醇生产主要以淀粉类(粮食作物为主，如玉米、木薯等)和糖类（如甘蔗、甜菜等）[1-2]作为发酵原料．采用微生物法发酵生产乙醇技术成熟，但是高昂的原料成本使粮食发酵生产乙醇的工业应用受到限制，同时存在与人争粮或与粮争地等弊端，并且导致粮食价格持续走高，因此寻找新的原料势在必行．所以现在科学家把目光投向成本更为低廉、来源更广泛的木质纤维素原料[3]．它不仅包括秸秆等农业废弃物，城市固体废弃物、办公废纸、杂草、锯末等以及市政废水中的固体部分[4].地球上每年植物光合作用的生物量可达2 000亿 t，其中大部分为木质纤维素类．它的主要成分是纤维素、木质素、半纤维素．在植物组织中木质素与半纤维素以共价键形式结合，并将纤维素分子包埋其中，形成一种坚固的天然屏障，使一般微生物很难进入使其降解。
木质纤维素原料生产燃料乙醇的过程主要包括预处理、糖化、发酵等，其预处理是生物转化的关键步骤，影响整个纤维素酒精生产过程．因此高效、便捷的预处理技术是木质纤维素原料生产燃料乙醇的关键所在．一、分步糖化和发酵（SHF）前处理后的木质纤维素经水解糖化生成葡萄糖，然后在另一反应器中进行发酵转化为乙醇，这种糖化发酵工艺被称为分步糖化和发酵。
其主要优点是糖化和发酵都能在各自最优条件下进行——纤维素酶水解糖化所需的最适温度在 45～5℃，而大多数发酵产乙醇的微生物最适温度在 28～37 ℃[5]。
缺点是糖化产物葡萄糖和纤维二糖的积累会抑制纤维素酶的活力，最终导致产率的降低。
研究发现，纤维二糖的浓度达到 6 g/L 时，纤维素酶的活力就将降低 60%，葡萄糖对纤维素酶的抑制作用则没有那么明显，但是，它会对β-葡糖苷酶（一种关键的纤维素水解酶）产生强烈的抑制，葡萄糖浓度达到3 g/L时，β-葡糖苷酶的活力就将降低75%。
此外，水解用的纤维素酶（主要来自于真菌）不仅组分相对单一而且价格昂贵，当其活力受到抑制时，就得增加用量，最终导致使用成本的提高。
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木质纤维素发酵生产乙醇的原理
水解 发酵
葡萄糖
纤维素 纤维素酶 直接发酵 异构化 纤维素类 物质 木酮糖 木糖 木糖异构酶 直接发酵 发酵 乙醇
木质素 （不能转化为酒精）
木质纤维素发酵生产乙醇的路线
木质纤维素发酵生产乙醇的原理
纤维素是一种有100--1000个β -D-吡喃型葡萄糖单体以β 1,4-糖苷键连接的直链多糖，多个分子平行紧密排列成丝状不 溶性微小纤维。在工业上，纤维素经酸解或酶解预处理后，释 放出的葡萄糖可进入乙醇发酵途径。半纤维素是由多种多糖分 子组成的支链聚合物，不同来源的半纤维素其单糖的组成各异。 经测算，木质纤维素原料中半纤维素组分的有效利用有可能使 乙醇燃料的生产成本降低25%，这主要是木糖的作用。
生物乙醇发展现状
国家 美国 巴西 欧盟 中国 加拿大 泰国 菲律宾 生物乙醇发展目标 2012年 132亿加仑；2022年 350亿加仑 2012年 95亿加仑；2016年 115亿加仑 主要原料 玉米 甘蔗
2010年5.75%；2020年10%（生物柴油约占80%） 小麦，甜菜 2010年 13亿加仑；2020年 33亿加仑 2010年5% 2007年10% 2008年5%；2010年10% 玉米，小麦， 木薯 玉米，小麦 糖蜜，木薯， 甘蔗 甘蔗，木薯
木质纤维素发酵生产乙醇的工艺
预处理 预处理可以去除木质素和半纤维素，降低纤维素 的结晶性，从而增大原料的可接触表面积，使得 酶容易接近纤维素表面并进行水解。
木质纤维素制 备生物乙醇的 基本工艺
水解
水解过程是利用酸 或酶水解聚合物，使之成 为可溶性的单糖。
发酵
发酵过程是对水解产物(五碳糖 和六碳糖)进行发酵，获得乙醇。
木质纤维素发酵生产乙醇的工艺
2. 纤维素发酵生产乙醇
纤维素是一种有100--1000个β -D-吡喃型葡萄糖单体以 β 1,4-糖苷键连接的直链多糖，多个分子平行紧密排列成丝状不 溶性微小纤维。在工业上，纤维素经酸解或酶解预处理后，释 放出的葡萄糖可进入乙醇发酵途径。
木质纤维素发酵生产乙醇的工艺
3. 木糖发酵生产乙醇
木糖异构酶 木糖
NADPH NADH
木酮糖激酶 木酮糖 木酮糖-5-磷酸
细菌 NADH 戊糖磷酸途径
木糖还原酶 酵母
NADP NAD
木糖醇脱氢酶 NAD 糖酵解途径
木糖醇乙醇木质纤维Fra bibliotek发酵生产乙醇的工艺
4.发酵方式
1）直接发酵法：基于纤维分解细菌直接发酵纤维素生产乙醇，不需要经过酸 解或酶解前处理过程。特点是设备简单，成本低廉；但乙醇产率不高，产生有 机酸等副产物。 2）间接发酵法：先用纤维素酶水解纤维素，酶解后的糖液作为发酵碳源。乙 醇产物的形成受末端产物抑制和低细胞浓度以及基质抑制。为了克服乙醇产物 的抑制，必须不断的从发酵罐中移出。
利用产纤维素酶的微生物或纤维素酶先将纤维素水解成可 发酵性糖，再利用酵母将其发酵成乙醇。
木质纤维素发酵生产乙醇的原理
产纤维素酶的 微生物
真菌
典型的真菌产纤维素酶是 由葡聚糖内切酶、葡聚糖 外切酶、β-葡萄糖苷酶3 个主要成分组成的诱导 型复合酶系。
酵母菌
细菌
嗜热厌氧细菌在生长速度和纤维 素代谢速度上比其他菌株快，同 时它所产生的纤维素酶的稳定性 也有很大的提高。
注:生物乙醇比重按照0. 79公斤/升折算, 1加仑=3. 785升
木质纤维素发酵生产乙醇的原理
木质纤维素转化为乙醇的步骤主要分为两步：纤维素水解 成糖，糖发酵成醇。由于木质纤维素结构复杂，纤维素、半纤 维素（半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体， 这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖和半乳糖等。） 不但被木质素包裹，而且半纤维素部分共价和木质素结合， 纤维素具有高度有序晶体结构。 因此必须经过预处理，使得纤维素、半纤维素、木质素分 离开，切断它们的氢键，破坏晶体结构，降低聚合度，以提高 水解效率。表2列出了几种木质纤维素中纤维素、半纤维素和木 质素的含量。
木质纤维素发酵生产乙醇的工艺
木质纤维素材料的预处理方法 方法 例 证
热机械法
自动水解法 酸处理法 碱处理法 有机溶剂处 理法 生物法
碾磨，粉碎，抽提
蒸汽爆破、超临界CO2爆破 稀酸（H2SO4，HCl），浓酸（H2SO4，HCl），乙酸等 NaOH，碱性过氧化氢，氨水 甲醇，乙醇，丁醇，苯 木素过氧化物酶，Mg依赖过氧化物酶
利用木质纤维素生产燃料酒精
姓名：张晓峰 专业：化学工程 学号：201331678
主要内容
• 生物乙醇发展现状
• 木质纤维素发酵生产乙醇的原理 • 木质纤维素发酵生产乙醇的工艺
• 存在问题以及自己的看法
生物乙醇发展现状
经济社会的发展以能源为重要动力，经济越发展，能源消 耗越多。到2059年，也就是世界上第一口油井开钻200周年之 际，世界石油资源大概所剩无几。而生物质能是由植物的光合 作用固定于地球上的太阳能，最有可能成为21世纪主要的新能 源之一。 然而燃料乙醇的生产如均以糖类或粮食为原料，其产量受到 粮食资源的限制，难以长期满足能源需求。从长远考虑必须进 行科技创新，扩大原料来源。含木质纤维素的生物质废弃物是 生产燃料乙醇的另一原料来源，它包括农作物秸秆、林业加工 废料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的废弃生物质等。
木质纤维素发酵生产乙醇的原理
植物细胞壁构成示意图
木质纤维素发酵生产乙醇的原理
表2 原料 玉米秸秆 麦秸 高粱秆 稻草 蔗渣 玉米芯 豆秆 不同生物质原料的组成 半纤维素（%） 27 50 24 25 26 35 25 木质素（%） 8 15 25 12 24 15 20 纤维素（%） 43 30 35 35 39 45 35
纯化
通过蒸馏、过滤等手段，获得纯净的乙醇
木质纤维素发酵生产乙醇的工艺
1.木质纤维素的预处理
由于木质纤维素的组成成分复杂、稳定，使得其生物降解 难于迅速进行。木质素虽然对纤维素分解物质（如酶等）反应 没有阻碍作用，但它阻止纤维素分解物对纤维素的作用，因此 人们不得不借助化学的、物理的方法进行预处理，使纤维素与 木质素、半纤维素等分离开；使纤维素内部氢键打开，使结晶 纤维素成为无定型纤维素，以及进一步打断部分β -1,4-糖苷键， 降低聚合度；半纤维素被水解成木糖、阿拉伯糖等单糖。经预 处理后，有的纤维素的酶法降解速率甚至可以与淀粉水解相比。