木质纤维素预处理技术_易锦琼

木质纤维素的酶解技术研究

木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源之一，主要来源于农业废弃物（如秸秆）、林业废弃物（如木屑）以及工业废弃物（如造纸浆渣）等。将木质纤维素转化为有用的产品，如生物燃料、生物化学品和生物材料，对于解决能源危机、环境保护和可持续发展具有重要意义。酶解技术作为一种绿色、高效的方法，在木质纤维素的转化中发挥着关键作用。

一、木质纤维素的组成与结构

木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。纤维素是由葡萄糖通过β-1,4-糖苷键连接而成的线性聚合物，具有较高的结晶度和分子取向性。半纤维素是由多种不同的糖单元组成的支链聚合物，其结构较为复杂。木质素则是一种无定形的芳香族聚合物，填充在纤维素和半纤维素之间，形成复杂的网络结构，为植物提供机械强度和抗微生物侵蚀的能力。

由于木质纤维素的复杂结构，其直接利用存在诸多困难。纤维素的结晶区难以被水解，半纤维素的复杂结构需要特定的酶来分解，而木质素则会阻碍酶与纤维素和半纤维素的接触。因此，在进行酶解之前，通常需要对木质纤维素进行预处理，以破坏其结构，提高酶解效率。

二、木质纤维素的预处理方法预处理的目的是降低木质纤维素的结晶度、去除木质素、增加孔隙率和表面积，从而提高酶对底物的可及性。常见的预处理方法包括物理法、化学法和生物法。

物理法主要包括机械粉碎、微波处理和超声波处理等。机械粉碎可以减小木质纤维素的颗粒尺寸，增加表面积，但能耗较高。微波和超声波处理可以通过产生热效应和空化效应，破坏木质纤维素的结构，但设备成本较高。

化学法包括酸处理、碱处理和有机溶剂处理等。酸处理可以有效地水解半纤维素，但可能会导致糖的降解和设备腐蚀。碱处理可以去除木质素，但会产生大量的废水。有机溶剂处理可以选择性地溶解木质素，但有机溶剂的回收和处理较为困难。

生物法主要是利用微生物或其产生的酶来分解木质素。例如，白腐菌可以分泌木质素降解酶，对木质素进行分解，但处理周期较长。

农作物秸秆酶解制糖研究进展

刘海燕;黄枭;高星爱;赵新颖;谢娇;张永锋

【摘要】制糖是农作物秸秆生产燃料乙醇、化工醇等工业产品的关键步骤，其中采用酶解法实现农作物秸秆有效糖化是该领域的研究热点。简单介绍了酶解机理，并对直接酶解与预处理酶解的研究进展进行了综述。

【期刊名称】《江苏农业科学》

【年(卷),期】2014(000)003

【总页数】3页(P10-12)

【关键词】农作物秸秆;酶解制糖;有效糖化

【作者】刘海燕;黄枭;高星爱;赵新颖;谢娇;张永锋

【作者单位】吉林省农业科学院农村能源研究所，吉林长春130033;吉林省农业科学院农村能源研究所，吉林长春130033;吉林省农业科学院农村能源研究所，吉林长春130033;吉林省农业科学院农村能源研究所，吉林长春130033;吉林省农业科学院农村能源研究所，吉林长春130033;吉林省农业科学院农村能源研究所，吉林长春130033

【正文语种】中文

【中图分类】TQ914.1

我国是农业大国，每年可产生农作物秸秆7亿多t，近年来，随着我国农村能源结构的变化与集约化生产的发展，秸秆逐步成为一种无用的负担物，秸秆就地焚烧日趋严重，产生的烟雾已成为一大社会公害[1]。每年有大量的秸秆被就地燃烧，既污染环境，又浪费资源[2]。秸秆的主要成分为纤维、半纤维和木质素，以其为原料，通过酸解或酶解法结合生物转化法制备2，3-二丁醇、乙醇、甘油三酯、化工醇等工业产品原料，既可避免环境污染，又可实现生物质能源的高效利用，带来较大的经济和社会效益[3]。然而，无论利用农作物秸秆生产何种产品，纤维原料制糖(包括葡萄糖和木糖)率都是影响整条工艺生产线的重要因素[4]。只有当木质纤维素通过酶解作用转化为葡萄糖、木糖等单糖后，才能通过发酵过程转化为各种生物能源。因此，在木质纤维素转化能源的过程中，纤维素的酶解糖化是最关键的步骤，也是木质纤维素能源化转化过程中的限制性步骤。目前，纤维素水解糖化的主要途径有化学法水解和酶法水解。酶法水解因其工艺条件温和、设备要求简单、能耗低、副产物较少、对环境友好等优点得到广泛的应用[5]，如何采用酶解方式实现玉米秸秆有效糖化仍然是该领域的研究热点[6]。

木质纤维素化学方法预处理

木质纤维素是一种重要的生物质资源，具有丰富的可再生特性和广泛的应用前景。然而，由于其独特的结构和复杂的化学成分，木质纤维素在直接利用前需要进行预处理，以提高其可转化性和降低生产成本。在本文中，我们将介绍常见的木质纤维素化学方法预处理技术，并讨论其优点和应用领域。

木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。纤维素是最主要的组分，占据了40%至50%的木质纤维素总质量。半纤维素和木质素的含量较低，但对木质纤维素的结构和特性有着重要的影响。因此，木质纤维素的化学方法预处理通常包括对纤维素、半纤维素和木质素进行分离和降解。

最常用的木质纤维素化学方法预处理技术之一是酸处理。酸处理可以将纤维素酸解为可溶性纤维素和不溶性纤维素，从而降低木质纤维素的结晶度和分子量，提高其可转化性。酸处理通常使用硫酸或盐酸作为催化剂，同时加热反应系统以促进反应进行。酸处理的优点是操作简单、成本低廉，但其缺点是产生大量废水和酸性气体，对环境造成污染。

另一种常见的木质纤维素化学方法预处理技术是氧化处理。氧化处理可以通过氧化剂的作用将木质纤维素部分降解为低聚糖和酚类化合物，从而降低木质纤维素的结晶度和分子量。氧化处理通常使用过氧化氢、臭氧或高锰酸钾作为氧化剂，反应条件一般较温和。氧化处理的优点是对环境友好，但其缺点是操作复杂、成本较高。

此外，还有其他木质纤维素化学方法预处理技术，如碱处理、酶处理和有机溶剂处理等。碱处理可以将木质纤维素中的半纤维素部分水解为低聚糖，从而降低木质纤维素的结晶度和分子量。酶处理可以利用纤维素酶或半纤维素酶将木质纤维素部分水解为可溶性纤维素和低聚糖，从而提高其可转化性。有机溶剂处理可以利用有机溶剂将木质纤维素溶解或脱除，从而提高其可转化性。这些木质纤维素化学方法预处理技术具有各自的优点和适用范围，可以根据具体情况选择合适的方法。

总之，木质纤维素化学方法预处理是提高木质纤维素可转化性和降低生产成本的重要步骤。常见的木质纤维素化学方法预处理技术包括酸处理、氧化处理、碱处理、酶处理和有机溶剂处理等。不同的预处理技术有各自的优点和应用领域，可以根据具体情况选择合适的方法。随着对木质纤维素化学方法预处理技术的深入研究，木质纤维素的可转化性和应用前景将会得到进一步提升。

木质纤维素的生物预处理工艺流程

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summary,word parsing,copy excerpts,other materials and so on,want to

know different data formats andwriting methods,please pay attention!木质纤维素的生物预处理工艺流程主要包括以下几个步骤：

木质纤维素预处理技术

第６期（总第２ｌＪ期）　２０１０年６月　农产品加　ｒ・学刊　Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌ　ｏｆ　Ｆａｒｍ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｎｏ．６　Ｊｕｎ．　

文章编号：１６７１—９６４６　ｆ　２０１０）０６—０００４—０４　

木质纤维素预处理技术　

易锦琼　２，熊兴耀　，　

（１．湖南省作物种质创新与资源利用重点实验室，湖南长沙４１０１２８；２．湖南农业大学同艺园林学院，湖南长沙４１０１２８）　

摘要：纤维质物料的预处理是木质纤维素原料生产燃料乙醇的关键步骤。介绍了小质纤维素的组成结构及其对纤维　素水解的影响，概述ｒ酸碱处理、湿氧处理、爆破处理、氨爆破处理等方法，对预处理技术的发展前景进行了展望。　

关键词：纤维素；半纤维素；木质素；预处理　中图分类号：ＴＱ２２３．１２＋２　文献标志码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ．１６７ｌ一９６４６（Ｘ）．２０１０．（１６．００１　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅ　

Ｙｉ　Ｊｉｎｑｉｏｎｇ　’。．Ｘｉｏｎｇ　Ｘｉｎｇｙａｏ　’　（１．Ｈｕ’ｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｍ７　ｆｏｒ’（；ｅｒｐｌａｓｍ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｕｆｉｌｉｚａｌｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｒｏｐ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕ　ｎａｎ　４１０１２８，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｈｏｒｔｉｅｕｈｕｒｅ　ａｎｄ　Ｌａｎｄｓｃａｐｅ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｈｕ’ｎａｎ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｌｌｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕ’ｎａｎ　４１０１２８，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｌ　ｏｆ　ｆｉｂｒｅ　ｍａ｜ｅｌ　ｉａｌ　ｗａｓ　ａ　ｃｒｉｌｉｃａｌ　ｓｔｅｐ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕ（　ｔｉ（）ｎ　ｏｆ　ｆｉｍｌ　ｅｔｈａｎｏｌ　ｂｙ　ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｉｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．　Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅ，ａｎｄ　ｉｔｓ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ　ｈｙｄｒｏ］ｙｓｉｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｖａｒｉｏｕｓ　ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ　

木质纤维素预处理方法

- 1 - 木质纤维素预处理方法

木质纤维素预处理方法

一、简介：

木质纤维素（Lignocellulose）是指以木质素和纤维素为主要组成的天然复合物，在工业上具有重要的经济价值，其中利用木质素和纤维素，可以生产食品、纸张、纤维，以及生物能源等。但是，由于木质素和纤维素之间存在不可分解的结合，使得在发挥给物质的最大价值之前，需要对木质纤维素进行预处理。

二、预处理方法：

1、酸处理：即使用酸性条件，使木质素和纤维素失去结合，由于木质素比较稳定，所以以木质素的溶解速度最快。酸的溶解作用不仅可以降低木质素和纤维素的结合，还可以使纤维素更容易被微生物降解。

2、碱处理：即使用碱性条件，使木质素和纤维素失去结合，碱处理的速度较慢，但是木质素的溶解速度较快。碱处理的效果也可以使纤维素更容易被微生物降解。

3、酶处理：即使用多种酶，如淀粉酶、半乳糖酶等，对木质素进行处理，使木质素和纤维素失去结合，使纤维素更容易被微生物降解。

4、物理处理：通过物理方法打破木质素和纤维素的结合，如磨碎、挤压等，使木质素和纤维素更容易被微生物降解。

三、优缺点： - 2 - 优点：

1、有助于木质素和纤维素之间的结合，使得木质纤维素更容易被微生物和化学反应降解；

2、可以分解木质素和可溶性糖分，增加木质素的可利用性；

3、有助于制备木质素类高分子物质，如纤维、纸张等；

4、提高纤维的分离可能性，提高产品利用价值。

缺点：

1、工艺复杂，需要耗费大量的能源和资源；

2、酸处理、碱处理或酶处理会导致毒素产生，污染环境；

3、物理处理可能会改变纤维的物理结构，影响其利用性。

木质纤维素原料预处理技术的研究进展

木质纤维素是地球上最丰富、最廉价且符合可持续

发展要求的可再生资源。我国是一个农业大国，每年形

成的农业废弃物约有７亿ｔ，其中大部分被丢弃或焚烧，

这样不仅造成了大量资源的浪费，还造成了环境污染。

自从２０世纪７０年代石油危机之后，人们开始致力于开

发各种新能源，转化利用巨大的木质纤维素资源，以提

供人们所需的能源和其它化工产品，已成为许多国家正

在积极探索的课题。

天然植物纤维原料主要由纤维素、半纤维素和木质

素组成，结构非常复杂。由于木质素、半纤维素对纤维

素的保护作用以及纤维素自身的晶体结构，使得木质纤

维素形成致密不透水的高级结构，使酶制剂很难与纤维

素接触，直接影响接下来的水解和发酵过程。因此，要

充分利用纤维素类资源必须先对其进行有效的预处理。预处理的目的是改变天然纤维素

的结构，破坏纤维素－木质素－半纤

维素之间的连接，降低纤维素的结晶

度，脱去木质素，增加原料的疏松性

以增加纤维素酶系与纤维素的有效接

触，从而提高酶效率。

预处理必须满足以下要求：（１）促

进糖的形成，或提高后续酶水解形成

糖的能力；（２）避免糖的降解或损失；

（３）避免形成副产物阻碍后续水解和

发酵过程；（４）节约成本。

目前，木质纤维素原料预处理的

方法主要有：物理法、化学法、生物

法、综合法等。

１　物理方法

常用的物理方法有：机械微粒粉

碎、高温分解、微波处理、蒸汽爆破、

高能辐射等。

１．１　机械微粒粉碎

该方法是纤维素质原料预处理常

用方法之一，它能使木质纤维素原料

在破裂、碾磨等外力作用下使颗粒变

小，结晶度降低。经粉碎的纤维素粉

没有膨润性，体积小，有利于提高基

质浓度，可得到较高糖化液浓度。麦

秸粉碎预处理对酶解的影响是：随着木质纤维素

张

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４５０００２）

秸秆粉碎程度加深，表面积也增大，裸露在表面的结合

点增加，酶解速度加大。在机械粉碎处理方法中震荡球

磨的效率较高，碾磨之后的原料粒径一般在０．２～２ｍｍ

高温下研磨比常温下处理效果更好，但耗能大，而且处

碱性低共熔溶剂预处理木质纤维素类生物质

近年来，生物质作为可再生资源的重要代表之一，受到了广泛关注。然而，木质纤维素类生物质的利用受到了一些限制，其中主要的问题是纤维素的结晶性和抗生物降解性。为了克服这些问题，研究人员开始探索使用低共熔溶剂进行预处理的方法。

低共熔溶剂是指能够与纤维素类生物质中的纤维素和木质素发生作用的溶剂，其熔点相对较低，且在一定温度下形成液态。与传统的溶剂相比，低共熔溶剂具有较高的溶解能力和选择性，能够在较温和的条件下有效地预处理纤维素类生物质。

碱性低共熔溶剂是一种常见的低共熔溶剂，其主要成分通常是一种无机碱和有机溶剂的混合物。碱性低共熔溶剂的优势在于其碱性能够中和纤维素中的酸性官能团，从而降低纤维素的结晶度，提高纤维素的溶解性。此外，碱性低共熔溶剂还可以通过裂解木质素和其他非纤维素组分，提高生物质的可利用性。

在碱性低共熔溶剂预处理过程中，温度、溶剂比例、溶剂用量等参数是影响预处理效果的关键因素。适当的温度可以加速纤维素的溶解和裂解，而过高的温度则可能导致纤维素的降解和产生副产物。合理的溶剂比例和溶剂用量可以提高溶剂的溶解能力和选择性，从而增加纤维素的溶解度和木质素的裂解程度。碱性低共熔溶剂预处理木质纤维素类生物质的优点主要体现在两个方面。首先，预处理可以有效地降低纤维素的结晶度和抗生物降解性，提高纤维素的可溶解性和可降解性，从而有利于后续的酶解、发酵和化学转化等工艺。其次，预处理还可以裂解木质素和其他非纤维素组分，提高生物质的可利用性和产物的价值。

总之，碱性低共熔溶剂预处理木质纤维素类生物质是一种有效的方法，可以克服纤维素的结晶性和抗生物降解性等问题，提高生物质的可利用性和产物的价值。未来的研究还可以进一步优化预处理条件，探索新的低共熔溶剂体系，以实现对木质纤维素类生物质的高效转化。

木质纤维素预处理技术研究现状与展望

前沿评述化工矿物与加工INDUSTRIALMINERALS&PROCESSING2024年第4期

文章编号:1008-7524(2024)04-0050-13DOI:10.16283/ki.hgkwyjg.2024.04.007

木质纤维素预处理技术研究现状与展望*

张瀚文,陈正军,张晨雨,郭凤霞

(甘肃农业大学生命科学技术学院,甘肃兰州730000)

摘要:木质纤维素是自然界中最丰富的可再生资源,可用于生产燃料乙醇、生物柴油等能源产品,也是制备化学品

和造纸的主要原料。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,复杂的化学结构限制了其高效利用,故必须

对其进行预处理,去除木质素、半纤维素等不可溶物质,从而使其更易被酶水解成可发酵的糖,进而提高木质纤维素的

降解转化率。预处理技术可以改变木质纤维原料的内部结构和表面性质,为后续的酶解糖化创造良好条件。从物理、

化学、生物、联合处理等4个方面全面综述了不同木质纤维素预处理技术的研究现状,总结了其预处理效果和优缺点,

并展望了其未来的研究方向,旨在为木质纤维素生物质降解利用研究提供参考。

关键词:木质纤维素;预处理;物理法;化学法;生物法;半纤维素;降解

中图分类号:TQ352 文献标志码:A

Researchstatusandprospectoflignocellulose

pretreatmenttechnology

ZhangHanwen,ChenZhengjun,ZhangChenyu,GuoFengxia

(CollegeofLifeScienceandTechnology,GansuAgriculturalUniversity,

LanzhouGansu730000,China)

Abstract:Lignocelluloseisthemostabundantrenewableresourceinnature,whichcanbeusedtoproduceenergy

木质纤维素预处理技术 2

木质纤维素预处理技术单独某一种预处理方法并非对任何原料都有较好的效果。目前的木质纤维素预处理方法有很多种，可分为物理法、化学法、物理化学法、分步组合法和生物法几大类。

1 物理方法

物理方法预处理主要是增大比表面积、孔径，降低纤维素的结晶度和聚合度。常用的物理方法包括机械粉碎、机械挤出、高能辐射等 [1] 。

1.1 机械粉碎

机械粉碎即将物料切碎、碾磨处理成 10〜30mm或0.2〜2mm的颗粒，比表面积增高，结晶度、聚合度降低，可及度增加，有利于提高基质浓度和酶解效率，但不能去除木质素及半纤维素。

粉碎分为干粉碎、湿粉碎，包括球磨、盘磨、辊磨、锤磨、胶体磨、机械挤出等，胶体磨适用湿物料，而球磨对干、湿物料都适合。

由于粒径与能耗相关，经济性不高，效果单一，故粉碎常与其他方法相互补充 [2] 。研究

表明，甘蔗渣、麦秆经球磨与盘磨粉碎后酶解率及乙醇得率均显著提高；经宽角 X 射线衍射分析，球磨主要通过降低结晶度改善酶解，而盘磨则主要依靠去纤维化。机械挤出是一种应用前景良好的预处理新技术，处理效果受到设备尺寸及参数的影响。物料通过挤出器时在热、混合和剪切作用下引起物理、化学性质的改变，依靠螺旋挤出转速及温度打破木质纤维结构，引发去纤维化、纤维化效应，缩短纤维长度，改善了酶对底物的可及性 [1]。

1.2 高能辐射

高能辐射是用高能射线如电子射线、丫射线对原料进行预处理，可使纤维素聚合度下降，降解为小纤维片段、寡葡聚糖甚至纤维二糖，使结构松散，打破纤维素晶体结构，增加反应活性。

采用丫射线辐照处理秸秆，可使纤维素酶解转化率提高至 88.7%。KIM等[3]证明电子束照射确实能增加纤维素的酶解率：稻秆用 80kGy、 0.12mA、 1MeV 的电子束照射后酶解葡萄糖得率达

52.1%，比直接酶解的 22.6%增加近 30%。

2 化学方法

2.1 酸预处理

酸法是研究得最早、最深入的化学预处理方法，分为低温浓酸法和高温稀酸法。低温浓酸（如72%H2SO4、41%HCI、100%TFA）处理效果通常优于高温稀酸，能溶解大部分纤维素和半纤维素，但是其毒性、腐蚀性及危害大，需要特殊的防腐反应器，酸回收难度较大，后期中和需消耗大量的碱，因此应用受到限制 [2]。稀酸法是目前较常用而成熟的方法之一，生物质在较高温度（如140〜190C）和低浓度酸（如 0.1%〜1%硫酸）作用下，可实现较高的反应速率，半纤维素组分几乎 100%除去，纤维素的平均聚合度下降，反应能力增大，酶水解率显著提高，但去除木质素不很有效。稀酸法因其效果好、污染少成为研究的热点并获得了较大进展，如美国国家可再生能源实验室（NREL）开发了比较成熟的稀硫酸预处理一酶解发酵工艺并建成了中试装置。稀酸法最大的缺点是产生副产物如甲酸、乙酸、糠醛、羟甲基糠醛、糖醛酸、己糖酸等，即影响酶解又抑制微生物生长和发酵。稀酸法可在较高温度（180C）处理较短时间