（环境工程专业论文）稻草经超声波辅助预处理后酶解过程的动力学研究.pdf

稻草经超声波辅助预处理后酶解过稃的动力学研究 摘要 面对日益严重的能源危机以及环境问题，以植物木质纤维素为原料生产燃料 酒精成了解决这些问题并保持社会可持续发展的条重要途径。目前，虽然关于 植物木质纤维素原料的预处理和酶水解过程已经有了很多研究，但这些研究大多 采用常规预处理以及酶水解方法，而以稻草作为植物木质纤维素原料，将超声波 技术用于植物木质纤维素的预处理以及酶水解过程动力学模型报道较少。 本文选择功率为1 2 0w 、处理时间为3 0m i n ，分别对稻草进行超声波辅助酸 碱预处理，与传统化学预处理后稻草的主要化学组成相比较，发现超声波技术辅 助酸碱预处理可以更为有效的去除半纤维素和木质素，提高了纤维素含量，缩短 糖化时间。为进一步研究超声波辅助预处理对稻草糖化的影响，在一系列试验研 究的基础上，建立了稻草酶水解动力学模型。结果表明，稻草( 分别经碱、超 碱、酸、超酸处理) 糖化过程模型参数米氏常数k m ，速率常数k 和抑制常数k i 均不同，k m 分别为1 7 5 5g l ，1 4 1 4g l ，1 5 2 9g l ，1 5 8 0g l 一；k 分别为 15 3 0h 一，2 1 3 2h 一，l3 4 0h ，l5 4 2h ；抑制常数k i 变化不明显分别为2 31g l 一， 2 0 8g l 一，1 8 1g l 一，1 8 5g l 一。本模型及实验方法简便可靠，有较好的拟合性， 对稻草酶水解过程工程放大及过程控制都具有一定的参考价值。然后分别对这四 种预处理方法处理后的稻草的主要化学组分进行了分析，发现经过超声波预处理 的稻草其处理后的化学组分与单纯酸碱预处理的稻草处理后的化学组分相比，均 能有更多纤维素含量以及更少的半纤维素及木质素含量。 关键词：稻草；超声波辅助预处理；动力学；纤维素 硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee n e r g ya n d e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m si nt h ew o r l dg e t t i n gw o r s ea n d w o r s e ， f u e le t h a n o l p r o d u c t i o n f r o m l i g n o c e l l u l o s i c m a t e r i a l si s a ni m p o r t a n t a l t e r n a t i v et os o l v et h e s ep r o b l e m sa n dm a i n t a i ns o c i a ls u a s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h e r ea r eal o to fr e s e a r c h e so nt h ep r e t r e a t m e n t a n de n z y m a t i ch y d r o l y s i so f 1 i g n o c e l l u l o s i cm a t e r i a l s ，b u tm o s tr e s e a r c h e sa r ef o c u so nt h et r a d i t i o n a im e t h o d so f p r e t r e a t m e n ta n de n z y m a t i ch y d r o l y s i so fl i g n o c e l l u l o s i cm a t e r i a l s t h er e s e a r c ho n t h ep r e t r e a t m e n ta n de n z y m a t i ch y d r 0 1 y s i so fr i c e s t r a wa st h el i g n o c e l l u l o s i c m a t e r i a l sv i au l t r a s o u n dt e c h n 0 1 0 9 yh a sn o tb e e nr e p o r t e dt oo u rk n o w l e d g e p r e t r e a m e n to fa n yl i g n o c e l l u l o s i c b i o m a s si sc r u c i a lb e f o r ee n z y m a t i c s a c c h a “f i c a t i o n i nt h i sw o r k ， t h ee f i f e c to f p r e t r e a t m e n t w i t h o rw i t h o u t u l t r a s o u n d - a s s i s t e d ( 12 0w 30m i n ) t ot h ec o m p o s i t i o no fr i c ew e r ei n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a ti nc o m p a r i s o nw i t ht h eu n p r e t r e a t e dr i c es t r a w ，t h ec o n t e n to f 。 h e m i c e l l u l o s e sa n dl i g n i na r er e s p e c t i v e l y1 4 8 6 ，5 8 8 b yt h ea l k a l ip r e t r e a t m e n t ； 1 1 0 8 ，5 1 4 b yt h eu l t r a s o u n d - a s s i s t e da l k a l ip r e t r e a t m e n t ；11 8 5 ，6 3 b yt h e a c i dp r e t r e a t m e n t ；9 7 3 ，5 9 4 b yt h eu l t r a s o u n d - a s s i s t e da c i dp r e t r e a t m e n t f o rt h e r e m o v eo fh e m i c e l l u l o s e sa n dl i g n i n ， u l t r a s o u n d - a s s i s t e dp r e t r e a t m e n tw a sm o r e e m c i e n tt h a np r e t r e a t m e n tw i t h o u tu l t r a s o u n d w ea s l oe s t a b l i s h e das i m p l i n e d k i n e t i cm o d e lf o rt h ec o m p l i c a t e ds a c c h a r i n c a t i o np r o c e s s t h ev a l i d i t yo f t h em o d e l d e v e l o p e dw a sc o n n r m e db yi t ss u c c e s s f u ls i m u l a t i o no f t h et i m ec o u r s e so fg l u c o s e d u r i n 2t h es a c c h a r i f i c a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tu l t r a s o u n d a s s i s t e dp r e t r e a t m e n t e x e r t e da ni n a p p a r e n te f 诧c to nt h eu l t i m a t ec o n v e r s i o no fs u b s t r a t et a n dt h e c o m p e t i t i v ep r o d u c ti n h i b i t i o nc o n s t a n t sk i ，w h i l ea no b v i o u s l ye f f e c t o nt h ea p p a r e n t r a t ec o n s t a n tka n da p p a r e n tm i c h a e l i sk m t h er e s u l ti sa sf o l l o w s ：t h ev a l u e so f ki s r e s p e c t i v e l y1 5 3 0h ，2 1 3 2h 一，1 3 4 0h ，1 5 4 2h 。1 ；t h ev a l u e so fk m i sr e s p e c t i v e l y 1 7 5 5g l 一，1 4 1 4g l 一，1 5 2 9g l ，1 5 8 0g l 。1 ；t h ev a l u e so f k ii sr e s p e c t i v e l y2 3 1 g l ， 2 0 8 g l 一， 1 8 1 g l ， 1 8 5 g l u l t r a s o u n d 。a s s i s t e dp r e t r e a t m e n t c a n d e c r e a s e st h ec r y s t a l l i n i t yo f “g n o c e l l u l o s ed e s t r o y i n gt h ei n t e r m o l e c u l a rh y d r o g e n b o n d i n ge f i f e c t i v e l y a n d i m p r o v e s t h e d e g r a d a t i o n r a t eo f “g n i n a n dt h e s a c c h a r i n c a t i o nr a t eo fz y m o h y d r o l y s i sa v a i l a b l y k e yw o r d s ：r i c es t r a w ；u l t r a s o u n d a s s i s t e dp r e t r e a t m e n t ；k i n e t i c s ；c e l l u l o s e n i 稻草绎超声波辅助预处理后酶钾过程的动力学研究 插图索引 图1 1 纤维素类资源可能转化的部分化工产品2 图1 2 木质纤维素结构示意图5 图1 3 纤维素分子链结构式7 图1 4 苯丙烷单元基本结构一8 图1 5 木质素结构主体之间的的联结方式8 图1 6 植物木质纤维素生产酒精简化流程一9 图1 7 纤维素酶水解纤维素的c i c x 作用机制模式1 6 图2 1 稻草经酸、碱预处理后主要成分分析2 8 图3 1 不同处理方式对稻草糖化的影响3 6 图3 2 预处理后稻草酶水解1 t 。和l ( d t d t ) t o 的关系3 7 图3 3 不同t o 时稻草酶水解l t 。和l ( d t d t ) 卜。的关系3 9 图3 4 预处理后稻草酶水解t o 与k l t o 的关系4 0 图3 5 经不同预处理后稻草酶水解实验值与动力学模型拟合值的比较一4 2 v i 附表索引 表1 1 植物细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素的结构和化学组成6 表1 2 木质纤维素的主要转化产物6 表2 1 一些典型的木质纤维素原料的组成2 4 表2 2 主要仪器与设备2 5 表2 3 超声功率与处理时间对处理后稻草主要成分的影响分析2 9 表3 1 主要仪器与设备3 3 表3 2 稻草经不同预处理后糖化过程动力学模型参数4 0 v i l 硕1 j 学位论文 1 1 能源和环境问题 第1 章绪论 随着人类社会的发展进步，全球范围内能源紧张和环境污染问题日益受到重 视。从长远看，被广泛应用的化石燃料( 包括石油、煤和天然气) 正逐步走向枯竭， 这直接威胁到人类本身的生存和人类社会发展。液体燃料短缺将是困扰人类发展 一个大问题。 随着人口的不断增长和社会工业化进程的不断加快，对于能源的需求将保持 稳定增长。根据美国能源部的推测，2 0 2 5 年全世界的能量消耗将比2 0 0 1 年增 加5 4 ，达到6 2 3x1 0 ”b t u 【2 】。由于早期化石燃料的过度开发、资源浪费以及 开发技术不成熟、等方面的原因，主要包括石油、煤和天然气在能量消耗中占有 相当大的比例【3j 。尽管化石燃料在人类的发展过程中起过很重要的作用，而且在 较长的一段时期内仍将作为重要的燃料资源被利用于各个领域。但从环境保护和 可持续发展的观点来看，这种对化石燃料的过度依赖，将会导致严重的能源危机， 主要表现在下面两个方面： ( 1 ) 由于化石燃料的不可再生性，决定了化石燃料资源的有限性，随着人类 工业化大发展，对能源的需求越来越大，最终会出现化石燃料供应不足的局面， 特别是石油。根据相关统计推测，石油的己知储量可供开采l6 18 年，潜在储量 可供开采3 0 4 0 年；天然气的己知储量可供开采1 5 1 9 年，潜在储量可供开采3 5 4 0 年；煤的己知储量可供开采3 0 1 0 0 年，潜在储量可供开采1 5 0 2 5 0 年【3 1 。由于石 油是不可再生资源，需求的刚性增加引起各国抢购石油，也造成各国之间争夺石 油资源的矛盾。这就迫使我们寻求新的替代能源，开发新的转化技术，缓解化石 燃料供应不足的危机，这将对全球经济发展和政治稳定产生深远的影响。 ( 2 ) 煤在开采、运输和使用过程中会有大量尘埃污染大气；煤在燃烧过程中 会排放大量的硫化物( 主要是s 0 2 ) 、n o 。和c 0 ；石油在作为车用燃料使用时， 也会排放大量的n o x 和c o 。另外，化石燃料在燃烧过程中会排放大量的温室气 体( 主要是c 0 2 ) 和酸性气体( 主要是s 0 2 和n o ) ，直接影响到使地球变暖和酸雨的 形成等重要的环境生态问题1 3 】。 1 1 1 生物质能和可持续发展 在美国能源安全条例中，生物质( 也被称为生物量) 指能再生的有机物质， 包括农产品及农业废料、木材及木材废料、动物废料、城镇垃圾及水生植物。生 物质基本上是植物利用太阳能、水和二氧化碳经光和作用合成所获得的植物体， 稻草绎超声波辅助预处理后酶解过程的动力学研究 其最重要的特点是可再生性【4 】。生物质能是蕴藏在生物质内的能量，生物质本身 具有来源广泛，可再生的特点，因此有着极大的开发与利用潜力。生物质能极有 可能成为未来可持续能源的组成部分，有关专家估计，到2 1 世纪中叶，采用新技 术生产的各种生物质替代燃料将占全世界总能耗的4 0 以上1 4 j 。 从总量上看，纤维素、半纤维素和木质素才是世界上存在最广泛的可再生性 生物质能源。木质纤维材料的主要组分为糖类和芳香族化合物，完全可望将它们 降解转化为各种燃料、化学品和材料。图1 1 详细列出了纤维素类资源可能转化 的部分化工产品。 l ll： i j ： |； 图1 1 纤维素类资源可能转化的部分化- t 产品 随着经济和社会发展，人类正面临着人口急剧增长、资源缺乏、能源短缺和 环境污染四大难题。能源和化学工业过分依赖以石油、煤炭和天然气为主的化石 燃料【引。我国除煤炭资源可开采2 0 0 年外，石油仅可开采购4 0 年，天然气可开采 6 0 年，因此，丌发可再生能源和新的化工原料已刻不容缓i 引。但是，我囝纤维素 的利用主要集中在纺织、造纸、建筑、畜牧业和农村能源，利用率很低，大部分 2 硕士学位论文 木质纤维素都在自然界中降解了，导致了资源的极大浪费。 生物质转化为能量的最简单的方法是直接燃烧，这种方法不仅会造成严重的 环境污染而且能量转化效率低。目前研究最多的生物质转化为能量的方式是通过 现代生物技术将生物质转化为乙醇，特别是通过生物发酵将植物纤维素转化为燃 料酒精正越来越受人们的关注。 1 1 2 燃料乙醇国内外研究现状和发展意义 乙醇( 俗称酒精) 是一种重要的工业原料，广泛应用于化工、食品、饮料工 业、军工、日用化工和医药卫生等领域。乙醇( 俗称酒精) 也是一种重要的能源， 其燃烧值为2 6 9 0 0k j k g 一。 燃料酒精是指对经发酵、蒸馏得到的乙醇脱水后再加变性剂变性的乙醇，加 入变性剂的目的是为了防止燃料酒精在作为车用燃料使用时，在发动机燃烧过程 中腐蚀金属部件而堵塞管路系统【6 】。燃料酒精具有廉价、清洁、环保、安全、可 再生等特点。如果在汽油中掺兑1 0 的酒精，我国每年就可以减少大约6 0 0 万吨 的石油进口。加入一定比例的酒精做燃料，也具有降低石油需求量、减小污染、 固体废弃物再利用等多种功能。不言而喻，燃料酒精可以替代化石燃料( 如石油 和煤炭) ，缓解全球范围内的能源短缺问题。 从长远的利益和能源的可再生性来看，燃料酒精具有巨大的生物能源潜力， 它可以减少燃烧的挥发损失，提高燃烧效率，减少污染物c o 、n o 等及其他污染 物的排放，缓解日益严重的大气污染。 ( 1 ) 国内外研究现状 多年来，植物纤维素经水解、发酵转化为燃料酒精备受关注。迄今为止，全 世界己有几十套植物纤维乙醇的生产线，包括美国陆军n a t i c k 研究发展中心，美 国加州大学劳伦斯伯克莱实验室，美国阿肯色大学生物量研究中心，美国宾夕伐 尼亚大学，加拿大t e c h 公司，加拿大f o r i n t e k 公司，法国石油研究院，日木石油 替代品发展研究协会，瑞典林产研究实验室，瑞典隆德大学，奥地利格拉兹大学， 芬兰技术研究中心，印度理工学院等f 7 00 1 。 美国利用纤维素制取乙醇的技术开发较早。美国能源部积极研发转基因技术， 使产纤维素酶酵母的活性比现有水平提高l o 倍以上；完善同步糖化发酵法( s s f ) 和并行糖化共发酵法( s s c f ，即糖化和五碳糖、六碳糖共发酵) 的技术；选育纤维 索直接发酵茵菌种，用以开发直接发酵法( d m c ) 【l l 】。 加拿大政府自2 0 世纪8 0 年代中期丌始资助乙醇燃料的研究和丌发，并于 19 9 2 年免除了乙醇燃料的联邦政府税。世界二首个以纤维素为燃料生产乙醇燃料 的车问就诞，卜在加拿大。i o g e n 公司及其技术伙伴经过2 5 年的深入研究和歼发， 于2 0 0 4 年4 月开始纤维素乙醇商业化生产。加拿大拥有大约9 0 0 辆能使用乙醇比 稻草绎超声波辅助预处理后酶解过程的动力学研究 例高达8 5 的混合汽油的乙醇汽车，由政府出资建立了13 个e 8 5 ( 8 5 乙醇和1 5 汽油) 加油站。 日本政府通过新能源产业技术综合开发机构( n e d c ) 委托，采取以企业为主， 大学等科研单位接受企业的再委托，针对专业性强的基础技术进行深入的研究开 发【1 1 】。多年来，日本政府建立了较完善的与纤维素制取燃料乙醇相关的研发体系。 在民间，日本有不少企业开展了利用废木屑制燃料乙醇的技术开发。日本粮食公 司先将废木材破碎为数毫米的碎片，再用臭氧处理，然后放入自行开发的酶将木 材中的纤维素和半纤维素加水分解为葡萄糖，最后经酵母菌发酵成乙醇。 巴西的“酒精汽油计划”开始于上世纪8 0 年代中期，这一计划对于全球燃料 酒精的发展起到了巨大的推动作用。目前，巴西酒精的年产量达1 0 0 0 万t ，全部 。用来代替汽油，作为汽车燃料使用。 由于历史、经济及技术原因，我国对木质纤维素制取酒精的研究起步较晚。 目前，通过发酵法生产乙醇的技术较为成熟，发酵制酒精的原料主要以粮食为主， 其中，5 0 左右的乙醇以淀粉质为原料，1 0 的乙醇以废糖蜜为原料，而以纤维 素原料生产的乙醇仅占2 左右。车用乙醇汽油首先在河南省、吉林省和黑龙江 省等地推广试行，这对于缓解一次能源石油的需求压力，促进我国国民经济和社 会发展具有重要战略意义1 5j 。 浙江大学、山东大学等单位致力于以植物纤维为原料生产乙醇的研究i l2 。由 浙江大学主持的“利用农林纤维废弃物代替粮食生产酒精的项目己在河北完成 中试，并正式投入工业化生产，该项目采用玉米棒芯为原料出酒率为 2 2 2 ( w w ) 。张德强等研究了速生毛白杨经蒸汽爆破预处理、酶解、发酵的过程， 实验结果显示，速生毛白杨经1 5 2 7m p a ，4m i n 的蒸汽爆破预处理，加纤维素 酶水解后，发酵5 天，乙醇浓度可达1 3 3g l 。1 【1 0 】。采用液态同步糖化发酵和分批 补料技术，造纸厂细杂纤维经处理后，乙醇浓度达4 ( v v ) ；采用固态同步发酵 和补料方法，造纸厂纤维渣经处理后，发酵醒酒度达5 1 ( v v ) ，乙醇得率为 o 17 ( w w ) 【13 1 。邓子新【1 4 】等对用毕赤氏酵母( 尸f c 办砌s ，勿f f 括f 7 ，2 4 ) 和酿酒酵母 ( 勋c c 厅口r d 朋y c p sc p ，p v 括励p ) 串联发酵蔗渣水解液生产乙醇进行了研究。 ( 2 ) 研究意义 从可持续发展角度来看，积极研发燃料酒精工业具有重大的战略意义： 1 ) 燃料酒精具有廉价、清洁、环保、安全、可再生等特点。从坏境保护和可 持续发展的角度来讲，燃料洒精工业的研发有利于改善大中城市的大气质量。特 别是从整个二氧化碳循环周期看，由生物质生产燃料酒精形成了基本上封闭的碳 循环，没有二氧化碳净排放，有利于减少温室效应。 2 ) 燃料酒精的生产与应用，可以转化剩余的农产品，保护农民的利益。有利 于农村地区经济发展，缓解农村就业压力，增加就业机会。 4 硕士学位论文 3 ) 1 9 9 3 年我国成为原油净进口国，2 0 0 3 年石油进口在能源消耗结构中比例 高达3 6 1 ，2 0 0 5 年我国进口石油达9 0 0 0 万吨。积极研发燃料酒精有利于减少 成品油进口量，降低国民经济发展对进口燃油的依赖程度，保证国家能源安全。 1 2 木质纤维素简介 天然木质纤维素原料是地球上最丰富的可再生有机物质。全世界植物每年通 过光合作用能产生高达1 6 4 1 0 1 1 木质纤维素类物质，其中可用于生产乙醇的丰 富资源纤维素、半纤维素的总量为8 5 0 亿吨。我国是农业大国，每年可开发的木 质纤维素资源约有6 亿t ，其中5 0 来自农作物( 稻草、麦秸秆、玉米秸秆等) 【”】。 木质纤维素均含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素【1 6 ，1 7 】，它们相互交织形成植 物细胞壁。 木质纤维素的结构相当复杂，见图1 2 。 雪 j j i j 一 r 1 - l 一| 1 。- i。 【剑 r 一 一每 婚 叫 l 一奄 】 f 缉 ，l r 一一 1 。 ：j j 维素 图1 2 本质纤维素结构示意图 由图1 2 可以看出，纤维素分子规则排列、聚集成柬，形成木质纤维素的主 要构架。半纤维素和木质素杂乱的分布在纤丝构架之间。在纤维素、半纤维素和 木质素分子之间存在着不同的结合力，使得木质纤维素既不溶于水，也不溶于一 般的有机溶剂。纤维素和半纤维素之间主要的作用力是氢键；半纤维素和木质素 之间除氢键外，还存在着化学键的结合，致使从木质纤维素原料中分离的木质素 中含有少量的碳水化合物；木质素分子是通过氢键而结合在一起；半纤维素和木 质素间的化学键结合主要在半纤维素分子支链上的半乳糖基和阿拉伯糖基与木质 素之间。 从木质纤维素的结构示意图发现，纤维素易与半纤维素、木质素等难分解的 物质相复合，任何一类成分的降解必然受到其他成分的制约。因此，纤维素不能 溶于水，不易水解。尽管许多微生物能分解单独存在的纤维素，但由于在细胞壁 稻草经超声波辅助预处理后酶解过程的动力学研究 中纤维素受到木质素的保护，而木质素有完整坚硬的外壳，生物不易被微生物降 解，因此，纤维素的分解受到限制。 一般认为，木质纤维素主要含碳、氢、氧3 种元素，质量分数分别约为5 0 、 6 和4 4 ，此外还有o 0 5 。0 4 左右的氮元素。组成木质纤维素的三类主要成 分纤维素、半纤维素和木质素组成比例一般为4 ：3 ：3 ，但不同来源的原料其比例存 在差异。植物木质纤维素原料除上述三大类组分外，尚含有少量的果胶、含氮化 合物和无机物成分等。 表1 1 【”】总结了植物细胞壁中的纤维素、半纤维素和木质素的结构和化学组 成。表1 2 【1 9 】列出了木质纤维素的一些转化产物。 表1 1 植物细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素的结构和化学组成 表1 2 木质纤维素的主要转化产物 1 2 1 纤维素 纤维素是世界上年产量和储量最大的一种碳水化合物。纤维素是植物残体中 最丰富的部分，普遍存在于种子植物、藻类等物种中，约占木材干重的4 5 。植 物纤维素的结构复杂，基本上是由原纤维构成的微纤维柬集合而成。纤维素的结 6 硕士学化论文 构单位是d 葡萄糖，和糖淀粉相似也是无分支的链状分子，但结构单位之间以 d 1 ，4 苷键结合起来的链状高分子缩聚物。纤维素分子整齐规则地折叠排列构成 纤维素的结晶部分的，在结晶部分里，葡萄糖分子的羟基或在分子内部或与分子 外部的氢离子相结合，没有游离的羟基存在，形成了纤维素分子的牢固结晶构造， 导致酶分子及水分子不易侵入到纤维素分子内【l 引。 纤维素分子化学式为c 6 h 1 0 0 5 ，有碳、氢、氧三种元素的含量分别为4 4 4 4 、 6 1 7 、4 9 3 9 。化学结构的实验分子式为( c 6 h l 0 0 5 ) 。( n 为聚合度) 。其结构式如 图1 3 所示： 图1 3 纤维素分子链结构式 一般认为纤维素分子约由8 0 0 0 1 2 0 0 0 个左右的葡萄糖残基所构成纤维素束， 部分分子密度较大的区域，平行排列，形成结晶区；部分分子密度较小的区域， 分子间隙大，难以定向，形成无定形区；与此同时，纤维素分子又被木质素和半 纤维包围着。这种特殊结构使得纤维素常温下无还原性，不溶于水，也不溶于稀 酸和稀碱，在高温下水解也较慢，只有在催化剂存在下，纤维素水解才可以显著 地进行。 1 2 2 半纤维素 广泛存在于植物中的半纤维素是一类杂多糖物质，大致分为三类：木聚糖( 占 5 0 以上) 、甘露聚糖、阿拉伯半乳聚糖。半纤维素是由五碳糖和六碳糖组成的短 链异源多聚体20 1 ，聚合度较低，易于水解，其水解产物为：木糖、阿拉伯糖、葡 萄糖、半乳糖和甘露糖，水解产物种木糖含量较高，占5 0 以上，秸秆和稻草的 水解产物还有相当量的阿拉伯糖生成( 可占五碳糖的1 0 2 0 ) 。 不同种植物的半纤维素含量、结构不尽相同，半纤维素的主链可由一种或两 种或多种糖基构成，糖基问的连接方式也有差异；对于同一种植物而言，不同产 地，不同部位的复合多糖组成也不同。 半纤维素和纤维素、木质素相互交织在一起，故只有当纤维素被水解时，半 纤维素才能水解完全。 1 2 3 木质素 木质素是一种抗分解的生物大分子物质，木质素有3 种结构形式，即愈创基 7 o h 稻擎经超声波辅助预处理岳酶解过程的动力学研究 结构、紫丁香基结构和对羟基结构，见图1 4 。一般认为，木质素的基本结构单 元是苯丙烷( 苯环上有甲氧基) ，苯丙烷通过醚键( 主要有p o 4 型、a - o - 4 型、 4 - o 一5 型和0 【一o - 丫型) 和c c 键( 主要有p 5 型、5 5 型、p b 型和p - 1 型) 结合 而成的三维体型结构的芳香族高聚合物，见图1 5 。 c c c c 愈创基结构 紫丁香基结构对羟苯基结构 图1 4 苯丙烷单元基本结构 a o _ 4 塑 oo 5 巧塑 l 审 0 口够型 c 卜 c 0 l o 伊l 型 图1 5 木质素结构主体之间的的联结方式 木质素属于难降解的芳香族化合物，正是由于木质素的存在使得植物具有一 定的硬度，能够抵抗机械压力和微生物侵染【20 1 。 1 3 纤维素发酵生产燃料酒精工艺 随着全球经济发展和世界人口的激增，能源问题备受瞩目。同时大量的秸杆 8 彳彳c人yc 彳u_c人丫 登o k fclclc浊。人丫flc o m c i d l c 4 ciclcl飞l电 ，j j = ， 一、，j 乍彳c川婶争。 ，e 孚u_c人y卸 ， dl占人yo c ；c l cc i c l ccccio 型 嬖 4 clccia v 1 0 嗵 frc人yo艟 口 户 坝十学位论文 等农业废弃物的燃烧污染了大气环境，环境问题也越来越严重。由此可见，利用 木质纤维素制取燃料酒精以替代化石燃料可有效地解决这这两个重大问题。并对 可持续发展战略计划、公众和社会对环境质量有着深远的影响。 图1 6 给出了以植物木质纤维素为原料生产酒精的简化流程。 鹏 水解 酶或酸碱萼 图1 6 植物木质纤维素生产酒精简化流程 以植物木质纤维素为原料生产酒精一般包括植物木质纤维素原料的预处理、 酶( 或者是酸) 水解和酒精发酵3 个步骤。 1 3 1 预处理 植物纤维素主要包括占3 5 4 5 的纤维素、2 5 4 0 的半纤维素、1 5 2 0 的木质素。木质纤维素经过预处理后水解糖化，得到水解产物单糖，然后通过发 酵将水解产物单糖发酵成所需产品酒精。纤维素的特殊结晶结构以及植物木质素 对纤维素的包覆作用是影响纤维素降解的2 个主要因素，因此，促进植物纤维素 降解的有效途径是改变纤维素的晶体结构和破坏木质素保护层。 预处理的目的是通过物理、化学或者其他方法去除部分或全部木质素，或者 改变纤维素的物理结构，从而使原料的物化性质发生改变，如增加孔隙度、增大 表面积、降低结晶度及聚合度等，以加大水解酶与底物的接触几率，提高酶解速 率和糖化发酵得糖率，降低生产成本。为最大程度地提高纤维素的转化率，达到 理想的预处理效果，建议从以下几点努力：避免使用高腐蚀性的预处理方法， 降低设备材料成本，尽量重复利用化学品；减少处理过程中抑制产物的副产品 种类及产量，如乙酸和糠醛；降低糖化过程酶的用量及用水量，以提高发酵液 糖的浓度，从而降低后续处理的能耗。 常用的预处理方法有物理法、化学法和生物法，实际运用过程中，这几种方 法往往联合使用。 1 3 1 1 物理预处理法 物理预处理法一般分为机械球磨、爆破冷冻粉碎、超卢波及微波、电子射线 等。 机械粉碎是木质纤维素质原料预处理的一种常用方法，普遍应用于其他预处 理方法之前，即底物大都要经过粉碎后才进行其他的物理化、处理以及后续糖化 发酵。该方法【2 1 1 是通过机械外力作用，例如破裂、碾磨、切碎、粉碎等外力，改 变木质纤维素的物理性质如颗粒粒径变小，结晶度降低。随着对外力作用的加大， 原料底物的被粉碎程度不断增大，其表面积增大，结晶度降低。通常木质纤维素 经切碎、粉碎处理后的原料大小通常为1 0 3 0m m ，而经粉碎、研磨之后的原料颗 粒大小一般为o 2 2m m 。粉碎处理的方法中以研磨中的球磨尤其是振荡球磨的 处理效率最高2 2 1 。但机械粉碎法并不适合各种材料的处理【2 3 1 。此外，徐忠等【2 4 】 研究表明，木质纤维素颗粒细小到一定程度后，继续粉碎时酶解率提高缓慢，却 增加了能耗和生产成本。 蒸汽爆破法，也称蒸汽预处理法，是研究较多的预处理方法之一，该方法可 加或不加酸催化剂，通常使用h 2 s 0 4 【2 7 1 ，也有很多研究使用s 0 2 作为催化【2 8 。3 引， 与使用h 2 s 0 4 为催化剂的工艺相比，使用s 0 2 作为催化剂具有设备低腐蚀性，可 以更快渗透原料，该方法的不足之处是高毒性。尽管如此，s 0 2 已被应用于研制 的各种工艺中。 氨冷冻爆破法，也称氨纤维爆破法。此方法的一大优点是气化的氨易于回收， 少量抑制作用的副产品生成，且具有合理的能耗和较为经济的成本支出，因此应 用较为广泛，具有良好的应用前景。有研究表述，经氨气爆破法预处理过的报纸 和白杨木屑的水解产量分别达到4 0 和5 0 【34 1 。与蒸汽爆破、氨气爆破的作用原 理一样，c 0 2 爆破也常被用来处理木质纤维素。z h e n g 等【3 5 】用这三种处理方法处 理可再生的废纸混合物、甘蔗渣和废纸浆泥，发现c 0 2 爆破效果较好，它比氨气 爆破更具经济可行性，且无抑制物生成。 微波或超声波等现代手段也被用于木质纤维素的预处理。 微波，是指波长范围为1 0 0c m 1m m 、频率范围为3 0 0m h z - 3 0 0g h z 的电磁 波36 1 。微波处理方法是使底物内部分子相互撞击、产生热量，使底物升温。微波 具有处理时间短、易于操作、高效率、无污染等特点。一般处理温度在2 1 0 一2 2 0 为宜。熊犍【3 7 1 等研究发现，木质纤维素经微波处理后，分子间氢键被破坏，纤维 素结晶度降低，其超分子结构发生了显著变化。a z u m a 等3 8 1 和o o s h i m a 等【3 9 1 发 现微波对植物纤维素原料进行预处理可以部分降解木质素和半纤维素，从而增加 其可及度，提高植物纤维素的糖化效率。k i t c h a i y a 【4 0 】等在常压条件下，甘油水溶 液中对植物纤维素原料进行微波预处理，得到了与a z u m a 等和o o s h i m a 等类似的 结果。大量的研究表明：单纯微波对木质纤维素进行预处理有一定的效果，然后 过程中需要的高温条件，直接导致部分重要组分的损失，这一点需要继续改进。 超声波是指频率2 10 4h z 2 1 0 9h z 的声波。超声处理是通过超声技术改变 或加速改变底物的物化性质、以及某些生物特性或状态。超声波不仅能优化反应 条件，促进反应进瓤：、提高产率，更重要的是能使一些难以进行的化学反应得以 顺利进行。超声波具有方便、高效、清洁等特点。目前超声波几乎能够应用于化 1 0 硕一 ：学位论文 学的各个领域中，逐渐形成了一门将超声学及超声波技术与化学紧密结合的崭新 的科学一一超声化学【4 1 1 。唐爱民等【4 2 1 发现木浆纤维经超声波预处理后，其形态发 生变化，纤维细胞壁出现裂纹，细胞壁发生位移和变形，大量的次生壁中层暴露 出来，纤维素的可及性和反应活性得到了明显的改善。任世学等【4 3 】发现超声波通 过能量作用能够使木质素的活性增加，有利于去除木质素提高酶解( 糖化) 效率。 然而现阶段对于超声波处理植物木质纤维素的研究仅仅停留在实验室阶段，有待 进一步改进研究达到工业化的目的。 1 3 1 2 化学预处理法 ( 1 ) 碱预处理 碱预处理主要用的化学品有氨水、氢氧化钠、氢氧化钙和碱性过氧化氢。植 物纤维素的重要组成组分木质素，经氨溶液、稀c a ( o h ) 2 或n a o h 溶液浸泡处理 后，其紧密的结构被破坏；同时，碱水解对分子间交联木聚糖、半纤维素和其他 组分的酯键有皂化作用，随着酯键的减少，纤维素原料的孔隙率增加，从而便于 酶水解的进行【4 4 1 。 n a o h 能够通过润涨作用引起纤维素分子的消晶和晶格转化，去除木质纤维 素原料中的木质素，从而降低物料的结晶度，提高可及度。因此，以n a o h 为碱 液进行预处理是研究最早，应用最广的预处理方法。该方法的不足之处是，会导 致部分半纤维素的损失，同时还存在试剂的回收、中和、洗涤等问题。有研究报 道，纸浆模塑餐具经n a o h ( 1 8 ) 预处理后，原料中纤维素润胀，结晶度下降，酶 解后还原糖含量比未经处理的物料提高6 2 ；用电子束照射和2 n a o h 相结合 处理玉米秸秆等原料，酶解后葡萄糖得率提高1 3 【19 1 。何艳峰等4 5 】人对n a o h 固 态预处理进行研究，发现经6 n a o h 固态预处理后，稻草中纤维素中的部分b ( 1 。4 ) 一糖苷键与氢键发生断裂；纤维素的结晶度与0 0 2 面微晶尺寸增大。 氨液用于碱预处理，其原理与n a o h 溶液相似。高温下，木质纤维素经氨溶 液处理后，明显发生润涨，木质素与半纤维素间的化学键合被破坏，聚合度降低。 与n a o h 碱处理法相比，氨处理法对纤维素及半纤维素破坏较小，并且可以有效 去除对发酵不利的乙酞基，无副产物生成。该方法推广到工艺生产中具有设备简 单，成本低廉，试剂易于回收循环利用的特点【1 9 】。 ( 2 ) 酸处理 有关植物纤维素酸预处理的研究较为成熟，常用的酸有硫酸、盐酸、醋酸等。 酸处理一般分为浓酸处理和稀酸处理。浓酸处理虽然可以水解几乎全部的纤维素， 但具有毒性和设备腐蚀性，对反应设备要求严格并需设计回收工艺。比较而言， 稀酸处理是目前比较常用的植物木质纤维素原料化学预处理方法，已被成功地应 用于酶水解1 4 6 ，47 1 。 稻草经超声波辅助预处理后酶解过程的动力学研究 稀酸处理主要是水解半纤维素为单糖，破坏半纤维素的结构，使其变得松散 不紧密。稀酸预处理分为一段法和两段法：第一阶段反应条件较温和，用稀h 2 s 0 4 处理底物；第二阶段较高温度的条件下，采用s 0 2 处理底物，两阶段的预处理法 更为有利4 8 1 。2 0 0 2 年，s 6 d e r s t r 6 m 等4 9 1 分别用稀h 2 s 0 4 和s 0 2 进行两阶段预处 理法处理云杉，第一阶段在1 9 0 0 c 保持两分钟，第二阶段在2 2 0o c 保持五分钟。 结果显示，总的糖产量达到理论值的8 0 ，比仅采用一段处理法的产量( 6 6 ) 垆叫 大大提高了，同时有毒副产物的产量也大幅度降低。 ( 3 ) 氧化处理 氧化处理就是利用过氧化氢、臭氧或氧气等氧化木质纤维素，使木质素分解、 半纤维素溶解，由此分离木质素、半纤维素、纤维素。a z z a m 等【5 l j 采用过氧化氢 处理甘蔗渣，在3 0 、2 的双氧水催化下处理8h ，大约5 0 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，9 5 的纤维素能够被转化为葡萄糖。 此外，还可采用湿氧化法。即在加温加压条件下，水、氧气和碱三者共同作 用使木质素和半纤维素溶解于碱液中，从而纤维素分离。匈牙利e n i k o t 【52 j 等人采 用湿氧化法，以玉米秸秆为底物，1 9 5 高温条件下，1 2m p a0 2 、2g l 。1n a 2 c 0 3 对6 0g l o 玉米秸秆处理1 5m i n ，结果表明6 0 半纤维素、3 0 木质素被溶解，9 0 纤维素以固态形式分离出来，纤维素酶解转化率( e c c ) 高达8 5 。相类似的研究 还有k l i n k e 等【53 1 ，采用湿氧化法对麦秸进行预处理，1 9 5 高温条件下，1 2m p a 0 2 、6 5g l 。n a 2 c 0 3 ，对麦秸处理1 0m i n 后，纤维素得率为9 6 ，酶解后葡萄糖 的产量也到达6 7 。我国吉林轻工业设计研究院等单位与丹麦瑞速国家实验室合 作，对玉米秆湿氧化预处理生产乙醇进行研究，玉米秆经湿氧化预处理后纤维素 得率为7 8 2 8 3 6 ，酶水解后酶解率为8 6 4 ，糖转化为乙醇产率4 8 2 【5 引。 ( 4 ) 有机溶剂处理 有机溶剂处理是指从植物木质纤维素原料中将木质素分离出来的工艺技术。 有机溶剂处理方法较为常用的溶剂主要有醇类( 甲醇、乙醇、丁醇等) 、酚类、酮 类、二甲基亚砜、胺类( 正丁胺) 等，可采用单一溶剂，也可采用一种溶剂与其 他溶剂和几类物质相结合。利用上述有机溶剂处理木质纤维素，去除率均较高， 一般在1 6 0 2 0 0 处理1 2h ，半纤维素几乎完全被溶解，仅有2 0 左右的木质 素剩余下来，纤维素酶解率在8 0 以上1 5 5 。 ( 5 ) 超临界萃取处理 气体在超临界条件下，处于特殊状态即同时具有某些气体性质和某些液体性 质。超临界处理能够有效的去除植物木质纤维素中的木质素，提高可及度，使纤 维素从中分离出来。该方法可以一并完成木质素的去除和叫收，避免了对环境的 污染，但是超临界处理技术要求高温、高压，设备精度高，成本高，现仪限于是 实验室研究阶段，尚未推广到工艺流程中。 硕f ：学位论文 1 3 1 3 生物预处理法 自然界中有不少微生物都能产生分解木质纤维素的酶，现分类介绍如下： ( 1 ) 细菌 大量研究表明，一些细菌如：假单胞菌属、杆菌属中的芽孢杆菌、枯草杆菌、 地衣球菌。另外，深黄纤维弧菌、普通纤维弧菌、纤维杆菌、荧光假单胞杆菌、 瘤胃球菌等均具有纤维素分解能力。 ( 2 ) 放线菌 正常状态下，放线菌分解利用纤维素和木质素的能力不是很高，但在高温非 正常状态下，放线菌降解木质素和纤维素的能力明显高于真菌。高温放线菌主要 包括：诺卡氏菌属( d c 口砌口) 、节杆菌( 彳，办加6 掰c 阳，) 、链霉菌属( & w p 幻肌y c p s ) 、 高温放线菌属( 砌p ，聊d 口c ，伽d ，砂c p j ) 、小单胞菌属。 ( 3 ) 真菌 真菌对木质纤维的分解起着重要作用。高温真菌对纤维素、半纤