谷研試劑-生物質(zhì)的預(yù)處理工藝研究綜述

廣義上的生物質(zhì)所涵蓋的范圍比較大，包括大氣、水、土地等通過光合作用產(chǎn)生的所有有機(jī)體。植物、動(dòng)物、微生物以及它們所產(chǎn)生的廢棄物都屬于生物質(zhì)的范疇。狹義上的生物質(zhì)是指農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過程中除糧食和果實(shí)之外的秸稈、樹木、農(nóng)林廢棄物以及動(dòng)物糞便等。本文所指的生物質(zhì)主要是指狹義上的植物生物質(zhì)，即植物通過光合作用將空氣中的二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成的碳水化合物以及秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物。

目前真正應(yīng)用到工業(yè)上的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程主要是通過微生物發(fā)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(zhēng)奪糧食的問題。因此，未來生物質(zhì)發(fā)酵制備生物乙醇的發(fā)展方向是使用天然木質(zhì)纖維原料來代替糖類物質(zhì)。目前，利用木質(zhì)纖維為原料存在以下幾方面的問題：（1）木質(zhì)纖維素的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)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(jié)構(gòu)致密，結(jié)晶度高，纖維素與生物酶的接觸面積較小，導(dǎo)致生物酶的催化效果降低；（3）木質(zhì)纖維原料的組成復(fù)雜，轉(zhuǎn)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(diǎn)。因此，要利用生物質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇必須首先對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行有效的前處理，去除生物質(zhì)中的半纖維素和木質(zhì)素，降低纖維素的結(jié)晶度。

預(yù)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(chǎn)物的產(chǎn)生，以免后續(xù)酶水解時(shí)對(duì)生物酶或發(fā)酵過程產(chǎn)生毒害作用；（3）盡可能的提高后續(xù)水解糖的收率。目前采用的生物質(zhì)前處理過程主要包括三種：即物理法、物理化學(xué)法、化學(xué)法。

1 物理法

1.1 機(jī)械粉碎法

機(jī)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(jié)晶度，增大纖維素與催化劑以及反應(yīng)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(jìn)一步經(jīng)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(zhì)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(nèi)部的氫鍵，達(dá)到降低其結(jié)晶度的目的。這類方法的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)環(huán)境友好，不會(huì)產(chǎn)生廢酸或廢堿等。但是其耗能高，且在輻射過程中易產(chǎn)生游離基對(duì)生物質(zhì)的進(jìn)一步酶水解產(chǎn)生抑制作用。

2 物理化學(xué)法

2.1 蒸汽爆破法

蒸汽爆破法是目前工業(yè)上廣泛應(yīng)用的半纖維素預(yù)處理方法。該方法的過程是首先將生物質(zhì)置入高壓飽和蒸汽環(huán)境中，使高壓蒸汽滲透到生物質(zhì)分子內(nèi)的空隙，從而引起半纖維素水解，木質(zhì)素的分布狀態(tài)發(fā)生變化；然后，迅速減壓，使反應(yīng)器內(nèi)的高溫液態(tài)水及氣相物質(zhì)在瞬間膨脹，固體物料發(fā)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(shí)間根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，可以是幾秒或幾分鐘。在此過程中，一方面生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)在高溫高壓以及迅速降壓產(chǎn)生的強(qiáng)大氣流作用下發(fā)生破裂，產(chǎn)生碎片，增大表面接觸面積，促進(jìn)水解。另一方面，生物質(zhì)中的半纖維素因?yàn)榫酆隙容^小，容易轉(zhuǎn)化，在爆破的過程中可以降解為木糖及其它單體。木質(zhì)素雖然很難水解，但是因?yàn)樯镔|(zhì)中水溶性物質(zhì)的溶解及半纖維素的水解，使其在生物質(zhì)表面進(jìn)行重新排列，提高了纖維素成分的表面積，也會(huì)促進(jìn)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(shí)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(yōu)勢(shì)包括：（1）耗能低：其耗能量?jī)H為普通機(jī)械處理方法的30%；（2）對(duì)環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)小。這兩點(diǎn)*符合目前工業(yè)生產(chǎn)所提倡的低碳、綠色的工藝要求。因此，蒸汽爆破法被認(rèn)為是zui有工業(yè)應(yīng)用前景的生物質(zhì)前處理方法，在加拿大已經(jīng)進(jìn)行中試。Grous等[1]報(bào)道楊樹片經(jīng)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(tuán)隊(duì)在進(jìn)行橄欖樹原料發(fā)酵制乙醇工藝前先采用蒸汽爆破法進(jìn)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(jié)果顯示，橄欖枝原料在240 oC蒸汽下前處理，然后經(jīng)水浸漬后的酶水解效果，此時(shí)葡萄糖被*轉(zhuǎn)化為乙醇。

但是，蒸汽爆破法還存在一定的缺點(diǎn)需要改進(jìn)，例如：部分木聚糖在蒸汽爆破的過程中可能被破壞，并產(chǎn)生一些對(duì)后續(xù)酶水解有抑制作用的副產(chǎn)物。所以，在前處理結(jié)束后得到的反應(yīng)物在酶水解前要經(jīng)過反復(fù)的水洗，不僅導(dǎo)致工藝復(fù)雜，水資源浪費(fèi)，而且會(huì)使反應(yīng)產(chǎn)生的溶于水的糖類物質(zhì)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(jià)格低廉，越來越引起研究者的注意。將超臨界二氧化碳技術(shù)運(yùn)用到生物質(zhì)原料的前處理過程具有節(jié)能、對(duì)環(huán)境友好且成本較低的優(yōu)勢(shì)。一方面，CO2作為酸催化劑，能大大的提高生物質(zhì)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(jìn)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(chǎn)生的單糖不會(huì)發(fā)生水解，避免酶水解抑制劑的產(chǎn)生。

2.3 氨光纖爆破法

氨光纖爆破法是指將生物質(zhì)原料置于高溫高壓的液體氨中保持一段時(shí)間，然后迅速降壓。根據(jù)氨與水蒸氣的區(qū)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(tài)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(shí)間為5 min～30 min。原料經(jīng)氨光纖爆破法處理后，無(wú)法去除原生物質(zhì)中的半纖維素和木質(zhì)素，而是將其轉(zhuǎn)化為不溶于水的低聚糖或脫除乙?；奈镔|(zhì)。但是，經(jīng)前處理后的生物質(zhì)原料的結(jié)構(gòu)發(fā)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(yōu)勢(shì)在于固體物料的添加量比較大，而且預(yù)處理后得到的溶液無(wú)需中和可直接進(jìn)行酶水解。已有實(shí)驗(yàn)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(zhì)纖維原料的發(fā)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(duì)某種原料的處理效果與原料中木質(zhì)素的含量密切相關(guān)，木質(zhì)素的含量越低，處理效果越好。如：百慕達(dá)草（木質(zhì)素含量約5%）及甘蔗渣（木質(zhì)素含量約15%）經(jīng)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(duì)玉米秸稈的預(yù)處理效果。結(jié)果顯示，預(yù)處理后，糖液的酶水解葡萄糖產(chǎn)率幾乎為*。與未經(jīng)處理的玉米秸稈相比，生物乙醇的產(chǎn)量提高2.3倍。

2.4 氨循環(huán)浸泡法

氨循環(huán)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(jīng)生物質(zhì)原料，其中的停留時(shí)間約為14 min，然后將氨水溶液回收，分離并重復(fù)利用。在此過程中，氨水首先與木質(zhì)素發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致木質(zhì)素的降解及其與碳水化合物鍵的斷裂，而不會(huì)導(dǎo)致半纖維素與纖維素的降解，也就不會(huì)產(chǎn)生對(duì)后續(xù)生物降解過程產(chǎn)生抑制作用的物質(zhì)，所以經(jīng)此法前處理后的發(fā)酵底物無(wú)需進(jìn)行多次水洗。

通常情況下，氨光纖爆破法和氨循環(huán)浸漬法在文獻(xiàn)中不會(huì)作詳細(xì)區(qū)分，二者zui大的區(qū)別在于氨光纖爆破法是在液氨中進(jìn)行，而氨循環(huán)浸漬法是在氨的水溶液（10%～15%）中進(jìn)行。Teymouri等[4]考查了不同條件下，該方法對(duì)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(zhì)量比，1:1；秸稈的含水量，60%；保留時(shí)間，5 min。玉米秸稈在此條件下預(yù)處理后進(jìn)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(píng)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(zhì)量比，1:1；秸稈的含水量，80%；保留時(shí)間，5 min。經(jīng)前處理后，原料水解得到的葡聚糖收率由16%增長(zhǎng)到93%。

3 化學(xué)法

3.1 酸水解法

濃硫酸或濃鹽酸前處理木質(zhì)纖維原料的溫度較低，且可以顯著提高生物質(zhì)酶水解的糖收率。但是濃酸的腐蝕性強(qiáng)、對(duì)環(huán)境不友好，所以該工藝過程對(duì)反應(yīng)設(shè)備的耐腐蝕性要求較高，而且反應(yīng)完后需要繁瑣的后處理過程來降低酸對(duì)環(huán)境的影響，導(dǎo)致濃酸水解的成本較高。

稀酸水解法是應(yīng)用比較廣泛的生物質(zhì)前處理方法，通常硫酸的濃度低于 4 wt%。采用稀硫酸法對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理可以的將生物質(zhì)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(jīng)過稀硫酸法預(yù)處理得到的糖液進(jìn)一步酶水解時(shí)，糖的收率幾乎可以達(dá)到 *。而且，溫度越高，稀硫酸水解的速率越快，所需的時(shí)間越短。

目前，稀硫酸水解前處理生物質(zhì)的工藝過程已被廣泛應(yīng)用。原料包括硬木材，草及農(nóng)作物等。因?yàn)榘肜w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(zhuǎn)化為單糖，并能通過一定的方法回收對(duì)提高整個(gè)過程的經(jīng)濟(jì)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(duì)黑麥秸稈及百慕達(dá)草進(jìn)行預(yù)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(shí)間為 30，60 和 90 min。結(jié)果顯示，在實(shí)驗(yàn)考查范圍內(nèi)，木糖的zui高收率為 66%?？傊?，文獻(xiàn)報(bào)道顯示溫度和稀酸濃度是影響半纖維素水解為木糖并進(jìn)一步脫水產(chǎn)生糠醛的關(guān)鍵因素。

稀酸前處理的不足之處在于其耗能相對(duì)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(jìn)行酶水解前要先用堿中和到中性，工藝比較復(fù)雜。Selig[7]及他的團(tuán)隊(duì)報(bào)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(rèn)為該沉積物是秸稈在高于 130 oC 下的中性或酸性環(huán)境中處理時(shí)產(chǎn)生的，其組成為木質(zhì)素或木質(zhì)素與碳水化合物的混合物。實(shí)驗(yàn)證明該沉積物對(duì)底物的酶糖化水解具有負(fù)面效應(yīng)。

超稀酸水解法[8]是結(jié)合高溫水蒸煮法與稀酸水解法的優(yōu)點(diǎn)，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(duì)反應(yīng)設(shè)備的腐蝕性較小，而且反應(yīng)結(jié)束后用于中和反應(yīng)溶液的試劑用量少，所以在保護(hù)環(huán)境，降低生產(chǎn)成本這方面具有較大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，與高溫水法比較所需的溫度較低。但是對(duì)于每一種特定的反應(yīng)，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(zhì)素及其它半纖維素之間的脂交聯(lián)鍵進(jìn)行皂化作用，從而使半纖維材料的空隙變大，有利于進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。稀氫氧化鈉處理木質(zhì)纖維素時(shí)，首先引起半纖維素的膨脹，增大內(nèi)表面積，降低聚合物的結(jié)晶度，從而使連接木質(zhì)素與碳水化合物的連接鍵斷裂，木質(zhì)素結(jié)構(gòu)破裂。堿水解法的效果主要取決于原料中木質(zhì)素的含量，當(dāng)木材中木質(zhì)素的含量大于26%時(shí)，堿處理法的作用微乎其微。要達(dá)到比較好的酶水解效率，前處理過程中要使木質(zhì)素的含量低于10%。因?yàn)槟举|(zhì)素的減少可以避免木質(zhì)素對(duì)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(xì)菌或微生物所分泌的酶來分解有機(jī)物，從而提高纖維素及木質(zhì)素的溶解性能。該法的優(yōu)勢(shì)在于條件溫和，并可以減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)。用于分解木質(zhì)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(zhì)前處理生物降解微生物[9]。Kumar[10]及他的團(tuán)隊(duì)采用一種白腐菌對(duì)樹葉進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，木質(zhì)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(zhì)素的去除率達(dá)到76%。值得注意的是：白腐菌和軟腐菌在分解木質(zhì)素的同時(shí)也會(huì)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(shí)間較長(zhǎng)（通常按天或周計(jì)算），目前很多研究將生物降解法與其它的前處理方法相結(jié)合。