（物理化学专业论文）无机盐在秸秆中的分布及酶解纤维素机理研究.pdf

摘要 摘要 秸秆作为种可再生能源，具有储量丰富，来源简便等优点，近年来获得越 来越多的关注。秸秆主要由纤维素、半纤维素、木质素和少量的无机物质组成， 其能量转化方式主要是热解制油和生物发酵制乙醇。目前的研究主要集中在生物 质热解过程而对秸秆本身研究较少，本文利用s e m e d x ，在观测秸秆结构的同 时，检测秸秆中无机盐的组成和分布，特别是具有热解催化功能的钾盐。 秸秆中的纤维素是制备工业酒精的原料，利用纤维素酶预处理再发酵制乙醇 逐渐成为研究的热点。本文中利用a f m ，观测纤维素酶对微晶纤维素的水解过 程，对纤维素酶的水解机理做一个解释。通过实验，主要结论如下： ( 1 ) 钾元素主要是以无机盐的形态存在，具体组成为氧化物、硫化物、硫 酸钾、碳酸钾等。在秸秆内部，可以看到钾盐的细小颗粒分散在秸秆纤维中。硅 盐则主要分布在秸秆外表面，以氧化物形式存在，且秸秆叶子表面的硅氧化物保 护层比茎表面要厚，硅盐含量较高。经过钾盐处理后，钾离子均匀分布在秸秆中， 有些与半纤维素结合，在热解过程中，起到很好的催化作用。碳酸钾溶液可以去 除硅保护层，减少灰分，预计其对热解的催化效果比氯化钾好。 ( 2 ) 随着时间的推移，纤维素酶的水解机理不同。当水解时间比较短，由 于微晶表面很多散落分布的纤丝，内切酶和外切酶都比较容易吸附在上面，按照 微晶纤维素细纤丝的组成方式，同时从横向和纵向水解微晶，表面的纤丝变成椭 圆形，分布方向趋同。当微晶形成比较平整的膜时，内切酶更容易吸附在上面使 纤维素链断裂，且阻止了外切酶的吸附，微晶表面出现长方形的纤丝，该作用可 以用来修整纤维素膜表面。 ( 3 ) 纤维素膜的水解机理与微晶纤维素类似，即纤维素晶型对纤维素酶的 水解影响不大。当纤维素酶溶液浓度变化时，纤维素膜表面呈现出不同的形态， 如岩石和拼图结构，可以利用这一点对纤维素膜进行修饰以得到性能更好的膜。 关键词：小麦秸秆钾盐s e m ，e d x 微晶纤维素纤维素酶a f m 纤维素膜 a b s t r a c t a b s t r a c t a sa 1 1a l t e r n a t i v er e s o u r c e ，w h e a ts t r a wh a sb e e na t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o n r e c e n t l yf o ri t sp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nr e g e n e r a t e de n e r g yw h i c hi s a b u n d a n ta n d c o n v e n i e n t w h e a ts t r a wi sam i x t u r eo ft h r e ec o m p o u n d s ( c e l l u l o s e ，h e m i c e l l u l o s e ， a n dl i g n i n ) a n dt r a c ea m o u n t so fm i n e r a lm a t t e r s t h e r m a lc o n v e r s i o na n d b i o f e r m e n t a t i o na r et h em o s tc o m m o na n dc o n v e n i e n tr o u t sf o rc o n v e r s i o ni n t o e n e r g y m o s to ft h e r e s e a r c h e sf o c u so nh o wt h em i n e r a lm a t t e r se f f e c to nt h eb i o m a s s p y r o l y s i s ；f e ww e r ef o u n dt os t u d yt h ed i s t r i b u t i o na n dc o m p o s i t i o no fi n o r g a n i c m a t t e r si ns t r a w s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e wi sau s e f u lt o o lt os t u d yt h e s u r f a c em o r p h o l o g yo fb i o m a s s c o m b i n e dw i me n e r g yd i s p e r s i v e s p e c t r o s c o p y ( e d x ) c a r lb eu s e dt oi n v e s t i g a t et h em a j o re l e m e n t sa n dt h e i rd i s t r i b u t i o ni nt h e s a m p l e i nt h i sw o r kw ew i l ls t u d yh o wt h ei n o r g a n i cm a t t e r sd i s t r i b u t ei ns h e a t ha n d s t e m e s p e c i a l l yp o t a s s i u mw h i c hc a nc a t a l y z e t h eb i o m a s s p y r o l y s i sb a s e do n s e m e d x c e l l u l o s ei nw h e a ts t r a wi st h er a wm a t e r i a l so fi n d u s t r ya l c o h 0 1 m u c hr e s e a r c h f o c u so i lt h ep r e t r e a t m e n to fs t r a wb yc e l l u l a s ea n dt h e nf e r m e n t e di n t oa l c o h 0 1 i n t h i sw o r kw ew i l ls t u d yh o wc e l l u l a s eh y d r o l y z e sm i c r o c r y s t a lc e l l u l o s ea n dt 巧t o e x p l a i nt h eh y d r o l y s i sb a s e do na f m t h em a i nc o n c l u s i o n sa r es h o w e db e l o w ： ( 1 ) p o t a s s i u mi sm a i n l yi nt h ef o r mo fi n o r g a n i cs a l ts u c ha sp o t a s s i u md i o x i d e ， p o t a s s i u ms u l f u r , p o t a s s i u ms u l f a t e ，p o t a s s i u mc a r b o n a t e i nt h ei n n e rs i d eo fs t r a w p o t a s s i u me x i s ti ns m a l lp a r t i c l e sw h i c hs i l i c o ni sc o m b i n e dw i t ho x y g e na ss i l i c o n d i o x i d eo ns t r a we x t e r i o rs u r f a c e t h es i l i c al a y e ro nt h es h e a t he x t e r i o rs u r f a c ei s t h i c k e rt h a ni ti nt h es t e m s p o t a s s i u md i s t r i b u t e si nt h es t r a wu n i f o r mt r e a t e db y p o t a s s i u ms a l t s ，s o m eo fw h i c hc o m b i n e d 、i t i lh e m i c e l l u l o s ea n di tc a nc a t a l y z et h e s t r a wp y r o l y s i sm o r ee f f e c t i v e p o t a s s i u mc a r b o n a t ec a nr e m o v a lt h ep r o t e c t i v el a y e r s i l i c o na n dr e d u c et h ea s hc o n t e n tw h i c hm a k ei tc a t a l y z et h es t r a wp y r o l y s i sm o r e e f f e c t i v et h a np o t a s s i u mc h l o r i d ed o e s ( 2 ) t h em e c h a n i s mo fc e l l u l a s ei sd i f f e r e n tw i t ht h ep a s s a g eo ft i m e t h e r ea r e m a n yf i b r i l so nt h es u r f a c eo fm i c r o c r y s t a lc e l l u l o s ew h i c he ga n dc b h c a na d s o r b e a s i l y t h es h a p eo ff i b r i li so v a la n da r r a n g ei no r d e rs i n c ec e l l u l a s ec a nh y d r o l y z e c e l l u l o s ef r o mh o r i z o n t a la n dv e r t i c a l w h e nm i c r o e r y s t a lc e l l u l o s ei sh y d r o l y z e d i n t ol i t t l ep a r t i c l e ，e gc a na d s o r bi nt h es u r f a c eo fp a r t i c l e sm o r ee a s i l yt h a nc b ht o d e c o m p o s e dt h ec e l l u l o s ec h a i na n dh o l db a c kt h ea d s o r p t i o no fc b h t h e r ei s a b s t r a c t r e c t a n g u l a rf i b r i lo nt h es u r f a c eo fm i c r o c r y s t a lc e l l u l o s ew h i c hc a nb eu s e dt om o d i f y t h ec e l l u l o s em e m b r a n e ( 3 ) t h em e c h a n i s mo fc e l l u l o s em e m b r a n ei st h es a m ew i t hm i c r o c r y s t a l c e l l u l o s ew h i c hm e a n st h ec r y s t a lo fc e l l u l o s ed o e sn o ti n f l u e n c ec e l l u l a s eh y d r o l y s i s t h ec e l l u l o s em e m b r a n es u r f a c em o r p h o l o g yc h a n g es i n c et h e c o n c e n t r a t i o no f c e l l u l a s es o l u t i o nc h a n g e t h e r em a yb er o c ko rp u z z l ef o r m a t i o n0 1 1t h es u r f a c eo f c e l l u l o s em e m b r a n e k e yw o r d s ：w h e a ts t r a w , p o t a s s i u ms a l t s ，s e m - e d x ，m i c r o c r y s t a lc e l l u l o s e ， c e l l u l a s e ，a f m ，c e l l u l o s em e m b r a n e i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：罢啦垂 矗。哆年6r 弓b 第一章绪论 第一章绪论 随着迈进新的2 1 世纪，人类在总结和探索发展与环境相互关系的正负效应 的经验和教训的基础上，愈来愈关注生态、环境、资源、经济等多方面的问题。 因为，当今的化工产品及其生产过程多是以2 0 世纪前5 0 年，甚至1 9 世纪的技术为 基础发展起来的。它们在对人类的衣食住行和医疗保健等方面做出贡献的同时， 也对环境产生了许多负效应，这表明保护环境，开发环境协调性材料，促进耗竭性 资源的再生循环利用至关重要【l 2 。绿色化学应运而生。 1 1 绿色化学 绿色化学【3 】又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学，即是用化学的技 术和方法去消灭或减少那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化 剂、溶剂和试剂在生产过程中的使用，同时也要在生产过程中不产生有毒有害的 副产物、废物和产品。绿色化学的理想在于不再使用有毒、有害的物质，不再产 生废物，不用再处理废物。从科学观点看，绿色化学是化学科学基础内容的更新： 从环境观点看，它是从源头上消除污染：从经济观点看，它合理利用资源和能源， 降低生产成本，符合经济可持续发展的要求。 绿色化学主要特点是“原子经济性”，即在获得物质的转化过程中程中充分 利用每个原料原子，实现“零排放”，因此既可以充分利用资源，又不产生污染。 传统化学向绿色化学的转变可以看作是化学从“粗放型”向“集约型”的转变。 绿色化学可以变废为宝，使经济效益大幅度提高。 1 9 9 8 年，a n a s t a s 和w a r n e r 明确了绿色化学的十二条原贝1 j 3 , 4 1 ，这些原则带 动了化学各个层次的发展。它标志着绿色化学与技术研究已经成为国际化学研究 的前沿和重要的发展方向。目前绿色化学研究的内容【5 是：( 1 ) 替代原材料( 起 始材料) ；( 2 ) 替代试剂或转化；( 3 ) 替代反应条件；( 4 ) 绿色催化：( 5 ) 绿色 分析化学：( 6 ) 优化产品与目标分子。这6 个领域是紧密关联的，在多数情况下 甚至是不可分割的。然而，通过对反应要素的详细分析可帮助设计环境更友好的 合成路线。 许多反应类型或合成路线的特性是由起始原料决定的，一旦选择了原料，许 多随后的操作便成为了必须的步骤而被决定，故而起始材料的选择不仅影响合成 路线，而且影响合成过程中的环境与健康问题。采用环境友好的可再生的原料是 减少化学反应对人健康和环境危害的第一步，也是绿色化学研究的重点。 第一章绪论 1 2 生物质能源 从绿色化学的角度来考虑，作为人类能够长久依赖的未来资源和能源，它必 须是储量丰富，最好是可再生的。而且它的利用不会引起环境污染。由于潮汐能、 风能、太阳能等受到环境的影响很大，目前研究的热门之一是生物质洁净能源1 4 j 。 生物质能具有许多优点。1 ) 分布十分广泛，可以不断再生。地球每年由光 合作用产生的生物质约有1 2 0 0 亿吨，其所含能量为目前世界能源消费总量的5 倍。 而生物质能仅仅作为能源来利用还不到其总量的1 ，但给人们提供的能量却占 世界总能耗的1 4 。2 ) 从生物质能资源中提取或转化得到的能源载体更具有市 场竞争力。生物质资源经深层转化后生成甲醇、汽油、液氢、柴油等燃料不含有 害成分，适合内燃机使用，而若从石油和煤中提炼出零排放的液体燃料，其生产 成本就会大大增加。3 ) 开发生物质能资源，可以促进经济发展，提高就业机会， 具有经济和社会的双重效益。比如巴西就利用生物质的酒精工业提供了2 0 万个工 作岗位。4 ) 在贫瘠的或被侵蚀的土地上种植能源作物或植被可以改善土壤，改 善生态环境，提高土地的利用程度。5 ) 城市内燃机车辆使用从生物质资源提取或 生产出的甲醇、液态氢时，有利于保护环境。生物质含硫和含氮量均较低，灰分 份额也很小，燃烧后s 0 2 、n o x 茅1 3 灰尘排放量比化石燃料要小得多。同时，生物 质在其利用过程中，对大气环境的二氧化碳净排放量为零，不会像化石燃料一样 引起和加剧温室效应【6 j 。 其次，我国迫切需要发展生物质能。能源对国民经济的发展起着重要作用， 农村能源的状况直接影响和制约着农业的发展。当前，我国农村能源分布的不平 衡也带来了生态和环境的一系列问题。一方面，大部分地区农村能源短缺，目前 我国约有4 4 5 万个农村企业和( 6 8 7 5 ) 亿人口需要使用柴草作为燃料，使用方 法仍然是传统炉灶的直接燃烧，热效率不n l o ，生物质能的利用水平很低。另 一方面，由于其他能源进入农村，部分农村( 特别是较发达地区的农村) 生物质 能使用量下降，生物质相对过剩，面临生物质如何处理的问题。特别是近几年来 由于农业废弃物的烧荒引起大面积烟雾污染，导致大气质量陡然恶化，严重影响 空中和陆地交通的事件也时有报道。因此，无论从解决我国能源短缺问题，还是 从生态和环境保护出发，对生物质能转化和利用的研究都是一项迫在眉睫的大课 题 7 o 目前国际上很多国家重视生物质能的研发和应用。美国各种形式的生物质能 源占可再生能源的4 5 ，占全国消耗能源的4 ，装机容量达7 0 0 0 m w ，据预测， n 2 0 1 0 年生物质发电将达到1 3 0 0 0 m w 装机容量。欧盟生物质能源约占总能源消耗 的4 ，1 5 年后预计可达1 5 。丹麦主要利用秸秆发电，使可再生能源占全国能 源消费总量的2 4 8 】。瑞典也非常重视生物质能的开发利用技术，生物质能的利 2 第一章绪论 用已占全国总能耗的1 6 1 ，达n 5 5 亿k w h 9 1 。生物质能的研究开发已成为世界 热门课题之一，得到各国政府和科学家的普遍关注。可以预计，未来二三十年内 生物质能源最有可能成为2 l 世纪主要的新能源之一。 1 3 生物质能源转化技术 生物质能形式繁多，通常包括以下几类农业生产废弃物主要为作物秸秆； 薪柴、枝丫材和柴草；农林加工废弃物，木屑、谷壳和果壳；人畜粪便和 生活有机垃圾等；工业有机废弃物，有机废水和废渣等；能源作物，包括所 有可作为能源用途的农作物、林木和水生植物资源等【lo 】。 生物质能的转换利用技术主要有两种：热化学技术和生物化学技术【l 。热 化学技术包括直接燃烧技术、热解气化技术和液化技术等，通过热化学技术转化 成优质的气、液和固体燃料；生物化学转换技术，通过微生物发酵和制氢转换为 液体或气体燃料。生物质的综合利用方案详见图1 1 【l 2 1 。 图1 1 生物质的综合利用方案 1 3 1生物质热化学技术 生物质热化学技术是将能量密度低的低品位能源转变成高品位能源的最直 接方式。其中气化和液化技术是生物质热化学利用的主要形式。 第一章绪论 1 3 1 1 生物质直接燃烧技术 生物质在空气中燃烧是人类利用生物质能历史最悠久的、应用范围最广的一 种基本能量转化利用方式，包括炉灶燃烧和锅炉燃烧技术。传统的炉灶转化效率 不到1 0 ，即使是优化的省柴灶也不过2 0 2 5 。炉灶燃烧能量利用水平低， 卫生条件差，但是在我国经济欠发达的农村特别是中西部地区仍是主要的生活用 能方式。 锅炉燃烧技术是更高效率的直接利用技术，以生物质为燃料锅炉主要也是用 来大规模集中发电、供热和采暖，在经济发达的欧美国家和巴西应用较多，例如 奥地$ l j a r b e s t h a l 集中供热系统，美国宾夕法尼亚9 、l v i k i n g 木材发电厂，都是世 界上成功运行的先例【i 引。生物质能燃烧的净生物能转化效率为2 0 4 - - 4 0 ，负 荷达1 0 0m w 以上或采用与煤共混燃烧技术时可以得到更高的转化效率。大型燃煤 电厂将生物质与矿物燃料联合燃烧已成为新的概念，如将木材及其废弃物、农业 废弃物和城市生活垃圾燃烧发电或直接供热。目前燃烧功率可达到5 0 m w 。 目前我国在生物质燃烧发电方面技术发展相对落后，大量薪材和作物秸秆长 期仅仅作为农村生活用能资源使用，利用率极低，燃烧还产生烟尘、n o x ，和s o x ： 等污染物。截至2 0 0 7 年底，我国共有1 0 家生物发电厂陆续建成投产并网发电。 1 3 1 2 生物质气化技术 生物质气化是开展较早且较为成熟的生物质规模化利用技术之一，不仅可以 实现居民生活集中供气、供热，还能实现内燃机、燃气透平等设备的发电，是高 转化效率的先进工艺。 生物质气化技术是指固体原料在高温条件下，与气化剂( 空气、氧气和水蒸 气) 反应得到小分子可燃气体的过程【l4 。所用气化剂不同，得到的气体燃料种类 也不同，如空气煤气，水煤气，混和煤气以及蒸汽，氧气煤气等。目前使用最广 泛的是空气作为气化剂的气化工艺，产生的气体主要作为燃料用于锅炉、民用炉 灶、发电等场合，也可作为合成甲醇的化工原料。生物质气化技术从2 0 世纪七八 十年代以来，不断引起世界各国的重视。尤其是研究、开发利用不同工艺的热化 学处理方法和以厌氧消化技术为代表的生化转化处理农林业废弃物、城市工业污 泥、垃圾等。不仅防止了污染，也获得了新的能源。 1 3 1 3 生物质液化技术 生物质液化技术可以将生物质废弃物转化为燃料油。生物燃油是替代燃料的 主要来源，据预测，tm j 2 0 5 0 年生物质至少能提供3 8 的燃料15 1 。美国能源部计 划到2 0 5 0 年达到交通运输燃料的3 0 由生物燃油替删1 6 1 。 4 第一章绪论 生物质液化技术主要可分为热解液化和直接液化两类。液化是一种高效的生 物质综合利用方法，它是在适当的温度、压力以及溶剂和催化剂作用下，将生物 质转化为液体的一种热化学过程。液化主要为了制取液体产品，便于储存和运输。 其产物可以替代部分石化产品进行使用，还可以进一步作为化工原料生产其它产 品。直接液化和热解液化均能够将物料转化成液体产品，其过程有的时候区别不 明显。对于直接液化，在液化阶段，通过适当催化剂的作用，物料大分子能够断 裂成小分子，这些小分子是不稳定的，能够重新聚合生成其它的分子。热解液化， 通常不使用催化剂，而是通过气相阶段的均一反应，使断裂后的小分子转化为油。 二者的区别见表1 1 m 。 表1 1 直接液化与热解液化的区别 1 3 2 生物质生物化学技术 生物化学转化包括生物发酵( 产生乙醇) 和厌氧性消化( 产生沼气) 以及生物 制氢技术。 通过发酵方法制取生物乙醇，有两种途径：一是粮食类，以玉米等淀粉类和 甘蔗汁、砂糖等糖蜜类物质为主要原料；另一类则是以农业废弃物( 秸秆、玉米 芯、大豆渣、甘蔗渣等) 、工业废弃物( 纸浆纤维渣、锯末等) 、城市废弃物( 废纸、 包装纸等) 及林业废弃物等纤维素含量较高的物质为发酵原料。采用淀粉和纤维 素类原料生产乙醇，可分为三个阶段：大分子生物质分解成葡萄糖、木 糖等单糖分子，单糖分子经糖酵解形成二分子丙酮，然后无氧条件下丙酮酸 被还原成二分子乙醇，并释放c 0 ：；糖类作物不经过第一阶段，进入糖酵解与乙 醇还原过程。纤维素作物中的纤维素成分分解成六碳糖，半纤维素则分解成五碳 糖 1 8 。 工业上利用粮食如含糖或淀粉的甘蔗、玉米和甘薯等原料发酵生产乙醇的技 术已趋成熟并规模化应用。但利用杂草、秸秆等含大量纤维素的植物发酵生产乙 醇技术正在开发中。使用纤维素原料制取乙醇，工艺复杂，成本较高，利用六碳 糖发酵生产乙醇技术非常成熟，但是五碳糖发酵生产乙醇技术相对落后。找到适 用于木质素的高效酶技术和应用嗜热厌氧微生物和重组菌种直接生物转化为乙 醇是该领域的两个重要方向。 为节约粮食，许多国家开展了非粮作物如甜高粱及木薯制乙醇工艺的研究与 第一章绪论 开发，如我国8 6 3 计划中“甜高粱制取乙醇”的实施。从原料供给及社会经济环 境效益来看，用含纤维素较高的农林废弃物生产乙醇是比较理想的工艺路线。 纤维素类生物质制乙醇是把木质纤维素水解制取葡萄糖，然后将葡萄糖发酵 生成燃料乙醇的技术。但是纤维素水解只有在催化剂存在的情况下才能有效进 行。常用的催化剂是无机酸和纤维素酶，由此分别形成了酸水解工艺和酶水解工 艺。纤维素类水解发酵是目前制取乙醇的难点，这一技术的突破将使生物质的生 化转换效率大幅度提高，从而大大提高该技术的工业化步伐。 1 4 秸秆 农作物秸秆是粮食作物和经济作物生产中的副产物，其中含有丰富的氮、磷 钾、微量元素等成分，是一种可供开发与综合利用的资源。随着人们对环境保护 和再生资源有效利用的重视，作物秸秆资源的利用越来越受到世界各国的关注。 秸秆综合利用不仅会带动传统农业向现代化农业转变，促进农业生产的可持续发 展，而且还可以为畜牧、食用菌、能源及加工业等提供大量的廉价原料，促使其 向规模化、商品化、产业化方向发展，从而带动农业结构乃至整个农村结构的变 革形成农村经济的一个新的增长点。 1 4 1 秸秆利用现状 目前全世界每年产农作物秸秆1 0 0 0 2 0 0 0 亿t ，我国每年达5 t l t 以上，其中 稻草产量为1 8 8 亿t a 、麦秸产量1 1 亿t a ，与籽实相等；玉米秸秆产量为1 5 5 i l t a 、豆秸产量为1 5 0 0 万t a ，主要分布在黑龙江、吉林和内蒙古等省( 区) ； 秧蔓类秸秆资源有甘薯秧和花生秧，全国总产量为3 0 0 0 多万t a ，主要分布在山 东、河南、河北等省；此外，还有高粱秸秆、稻秸、杂粮、杂豆秸、油菜秸、芝 麻秸、甘蔗梢、向日葵花盘、甜菜叶等，总产量为7 7 5 0 万t a 【1 9 1 。 一直以来，秸秆大多是直接在柴灶上燃烧，转换效率非常低( 1 0 一2 0 左 右) ，利用水平很低，造成了资源的浪费。近几年来，随着农村经济的发展，农 村生活用能中的商品能源的比例大幅度的增加，一直作为炊事用燃料的秸秆逐渐 被油、液化气等产品能源所取代，越来越多的秸秆( 尤其是南方的稻秆、北方的 玉米秆) 被大盆废弃、焚烧，许多地区的废弃秸秆己经达到了总桔秆量的6 0 左右， 不仅浪费了大量宝贵的能源，而且还带来了严重的环境污染【2 0 】。因此加快秸秆 的能源化利用工作刻不容缓。 1 9 9 8 年，国家明令禁止秸秆田间焚烧，由于农村生话能源结构的变化与集 第一章绪论 约化生产的发展，秸秆还田技术得到了一定发展，这既符合农村生产实际，简便 易学，易于操作，又间接收到了秸秆不燃烧，培肥土壤的效果。然而相对子秸秆 这蕴含潜能的资源来说，这只是低值利用，而且由于其不易腐烂，肥田效果不 是很好，还增加了农作物发生病虫害的可能。因此，一些较深层次的秸秆加工处 理技术应运而生如制取沼气、热解气化、发酵制燃料酒精等。 秸秆用作沼气发酵原料，具有产气多的特点，而且发酵后残留物是非常好的 有机肥，利用农作物秸秆作为沼气发酵原料，通常情况下每k g 秸秆可以产生沼气 0 2 5 m 3 ，甲烷含量5 5 左右【2 1 】。秸秆沼气发酵后的残留物具有多种用途，可作肥料、 饲料，还可以提取维生素，秸秆直接进入沼气池，具有进出料难，不便于管理等 缺点，因此大部分的沼气池都先将秸秆切碎后投入沼气池。沼肥施用于农田，有 利于秸秆还田，培肥地力。 秸秆用作燃料方面，目前具有适用性地应用技术主要是热解气化和压块成型 嫌料技术。秸秆生物质气化技术是生物能高品位利用的一种主要转换技术，是将 秸秆等原材料在缺氧状态下进行燃烧和还原反应的能量转换过程。热解气化技术 已经广泛应用于农副产品加工，替代乡镇企业能源供给以及提供农户生活用能， 取得了较好的杜会、生态和经济效益。 利用秸秆发酵生产燃料酒精，可解决目前面临的环境危机，粮食危机及能源 危机 2 2 】。秸秆酸水解发酵制酒精的研究在欧美各国已经进展到万吨级试验规模， 但其生产成本仍难以与石油或合成酒精价格相竞争，主要是由于酸解条件苛刻， 对设备有腐蚀作用，需耐酸耐压设备，且生成有毒的分解产物如糖醛、酚类物质 等，成本极高，碱水解也存在同样问题。而秸秆的酶解发酵酒精选择性强，且较 化学水解条件温和，得到了一定发展。由最初的分批酶解到连续酶解，再到纤维 素制酒精的同步糖化法工艺，但却普遍存在着中间产物与最终产品反应条件相互 制约，难以协调以致不能完成预计过程的问题。国外有报道采用耐热酵母进行同 步糖化发酵法，可解决抑制问题。利用秸秆木质纤维素原料生产燃料乙醇是国际 公认的技术难题，也是最有前途的技术之一。 1 4 2 秸秆结构和组成 1 4 2 1秸秆生物结构 秸秆生物结构具有不均一性，即茎、杆、叶、穗、鞘等，各占一定比例，而 且各部分的化学成分及纤维形态差异很大【2 3 。以玉米秸秆为例【2 4 1 ，皮和叶的结 构致密，芯的结构比较疏松，各部分在秸秆中所占的重量比例也不同，而且随着 第一章绪论 秸秆直径的变化而变化：从细胞组成来看，皮中的杂细胞含量最少，叶和芯中的 杂细胞分别为6 0 和7 0 左右( 面积比) ；从化学组成来看，皮中的纤维素含量 最高，与其它各部分的纤维素含量差异显著，叶中的半纤维素含量最高，而木质 素主要集中在皮和结，灰分则主要集中在叶部( 图l2 ) 。 翻1 2 玉米秸秆不同部分的成分含量 圳 这种结构的不均性导致了秸秆各种组分的转化特性的不同其转化特性和 转化产品也随着秸秆组分结构的不同而变化。比如在生物质酶解反应中，秸秆不 同部位、不同组织、不同细胞之间的酶解性能和物理化学性能都存在一定的差异 1 2 5 jo 玉米秸秆结构及性质上的不均一性，导致了其部位酶解率的不均一性：芯 的酶解率最高，酶解2 4 h 后可达8 83 2 ，而相同条件下叶的酶解率为2 83 3 ： 不同部位的纤维特征也不一致。在皮和叶中存在与木材纤维特征相近的优质纤 维。实验结果同样表明，在水稻秸秆中不同部位的酶解性能也存在较大差异。 因此在秸秆转化过程中，充分认识到秸秆性质的不均一性非常重要，有利于 改进转化设各和技术。 1422 秸秆组成 农作物秸秆的组成比较复杂，为了有效地利用各种化学或生物方法对秸秆进 行转化，必须要了解秸秆的组成、结构和性质。秸秆类生物质材料同木质材料类 似主要由纤维索、半纤维素、木质素以及其它的一些有机物质组成。各种农作 物秸秆中纤维素、木质素等含量如表1 2 所示 2 6 】： 一z-目。口；口eo 第一章绪论 纤维素是生物质的主要组成成分，植物每年通过光合作用，能生产出亿万吨 的纤维素( c e l l u l o s e ) ，这是目前工业纤维素的唯一来源。纤维素是天然高分子 化合物，其化学结构是由很多d 一葡萄糖彼此以d ( i - 4 ) 糖苷键连接而成，几千个 葡萄糖分子以这种方式构成纤维索大分子，不同的纤维素分子又通过氢键形成大 的聚集体。 半纤维素( h e m i c e l l u l o s e ) 是植物纤维原料中的另一个主要组成，是植物中 除纤维素以外的碳水化合物( 淀粉与果胶质等除外) ，主要由木搪、甘露糖、葡萄 糖等构成，是类多糖化合物。半纤维素既可以成为均一聚糖也可以成为非均聚 糖，还可以由不同的单糖基以不同的联接方式连接成结构互不相同的多种结构聚 糖，故半纤维素实际上是一群共聚物的总称。根据聚合物主链的组成，可将半纤 维素大致分为三类：聚木糖类半纤维素、聚葡萄糖甘露糖类半纤维素、其它类 型半纤维素( 聚半乳糖类、聚葡萄糖类等) 2 7 】。由于半纤维素是不同种类糖的共 聚物，与纤维素类似，每个糖单元上还有羟基、烷氧基等活性基团，因此，半纤 维素具有与纤维素类似的化学反应。半纤维素容易发生热解，热解主要集中在 2 5 0 - 3 4 0 范围内，这一温度区间析出的挥发分占总挥发分的7 4 【2 引。 木质素( l i g n i n ) 是植物界中仅次子纤维素的最丰富和最重要的有机高聚 物之，其在木材中的含量为2 0 一4 0 ，禾本类植物中略低，为1 5 - - 2 5 。 木质素是一类由苯丙烷单元通过醚键和c c 键连接的复杂无定形高聚物，和半纤 维素起，除作为细胞间质填充在细胞壁的微细纤维之间、加固木化组织的细胞 壁外，也存在于细胞间层，把相邻的细胞粘贴在一起，发挥木质化的作用。构成 木质素的单体，从化学结构上看，既具有酚的特征又有糖的特征，因而反应类 型十分丰富，形成的聚合物结构也非常复杂。一般认为，木质素单体是通过氧化 偶联( o x i d a t i v ec o u p l i n g ) 作用，加入到正在形成的木质素多聚体上的。但木 质素单体键的偶联反应会产生几种不同的键，从而产生几种不同的二聚体u 城州j 。 因此，在不同植物纤维原料中，木质素的结构不同。 综上植物秸秆主要是由纤维素、半纤维素和木质素构成。其中纤维素和半纤 维素由碳水化合物构成，木质素则是由碳水化合物通过一系列生物化学反应合成 的复杂有机聚合物。由于半纤维素和木质素的成分比较复杂，所以目前纤维素化 学的研究是绿色化学的重要内容之一。 9 第一章绪论 本文主要研究秸秆中各部位碱金属分布以及经过盐溶液处理后秸秆组成的 变化，及其对生物质热解可能存在的影响。 秸秆中的纤维素可以用作生产工业酒精的原料，利用纤维索酶预处理再通过 发酵制酒精将成为未来研究的重点，下面初步介绍纤维素酶的研究情况，以及纤 维素的结构，应用等。 1 ，5 纤维素酶 1 5 1纤维素酶组成及分子结构 纤维素酶是指能够水解纤维素1 3 1 ，4 一葡萄糖苷键使纤维素变成纤维二糖和 葡萄糖的一组酶的总称，它不是一种单一酶而是起协同作用的多组分酶系。纤维 素酶主要有3 种组分：( 1 ) 葡聚糖内切酶( e c3 2 1 4 ，也称c x 酶，c m c 酶 或e g ) ，这类酶作用于纤维素分子内部的非结晶区随机水解d 一14 一糖苷键， 将长链纤维分子截断产生大量具有非还原性末端的小分子纤维素。( 2 ) 葡聚糖 外切酶( e c3 。2 1 9 1 也称c l 酶，纤维二糖水解酶或c b h ) ，这类酶作用于纤维 素线状分子的末端水解b - i ，4 一糖苷键，每次切下一个纤维二糖分子。( 3 ) 1 3 一 葡萄糖苷酶( e c 3 2 1 2 1 简称b g ) ，这类酶可水解纤维二糖和短链的纤维素生 成葡萄糖 3 1 , 3 2 】。 t ii b e u g h 等人【3 3 】对纤维素酶拆分研究发现，降解纤维素的纤维素酶是由约 5 6 k d 球状的催化( 水解) 活力的核心蛋白催化区域( c d 或c p ) 、连接区( 1 i n k e r ) 和 没有催化作用但具有纤维素吸附能力的纤维素结合区域( c b d ) 3 部分组成。不同 来源的纤维素酶尽管具有不同的分子量但是其c d 的大小却基本一致；纤维素酶 的c b d 主要可维持酶分子的构象稳定性，调节酶对可溶性和非可溶性底物的结合 专一性；l i n k e r 可保持c d 和c b d 之间的距离有助于不同酶分子间形成较为稳定 的聚集体。后经许多研究证实，t r e e s e i 酶的外切葡聚糖酶c b h i i 、内切葡聚 糖酶e g i 、e g i i 和粪类碱纤维单孢菌、热纤维梭菌的多个纤维素酶分子也具有 类似的结构，即一个催化活性的头部( c d ) 和楔形的尾部( c b d ) 组成的蝌蚪状分子， 如图1 3 所示【3 4 j 。 1 0 第一章绪论 1 5 2 纤维素酶的来源 圈1 3 酶的蝌蚪状分子模型 纤维素酶的来源非常广泛，昆虫、微生物、细菌、放线菌、真菌等都能产生 纤维素酶。据不完全统计，2 0 世纪6 0 年代以来国内外共记录了产纤维素酶的菌 株大约有5 3 个属的几千个菌株。由于放线菌纤维素酶的产量极低，所以研究很 少。细菌纤维素酶产量不高，主要是葡聚糖内切酶，大多数对结晶纤维素没有降 解活性，且所产生的酶是胞内酶或吸附在细胞壁上，不分泌到培养液中增加了提 取纯化的难度，所以工业上很少采用细菌作为生产菌种。目前用于生产纤维素酶 的微生物较多的是丝状真菌 3 5 ，其中酶活力较强的菌种为木霉、曲霉、根霉和 青霉，以木霉属菌种居多，较为典型的有里氏木霉 3 6 1 、绿色木霉、康氏木霉， 这是目前公认较好的纤维素酶生产菌。现已制成制剂的有绿色木霉、黑曲霉、镰 刀霉以及拟青霉和斜卧青霉等生产的纤维素酶。 1 5 3 纤维素酶的应用 目前纤维素酶的应用还主要集中在微生物纤维素酶的应用上。现在这类纤维 素酶已被广泛地应用于能源、食品、饲料、医药、纺织等领域。 1 5 3 1 能源工业 美国专门成立了生物能量局，指定了联邦燃料规划，并与太阳能研究院共同 制定了纤维素发酵的生产技术规划，建立了酸法水解、酶法水解及二者结合三个 试验工厂，研究内容包括经济有效的原料预处理方法，新菌种的选育和改进发酵 工艺等。其中乔治亚大学和佛罗里达大学的高温热纤梭菌的厌氧酒精发酵己取得 第一章绪论 阶段性成果。另外，利用基因操作技术把纤维素酶基因克隆在s c e r e v i s i a e 及 z t o o li s 中，使它们能够利用纤维素直接转化生产酒精，该工作也取得了 进展。日本制订了两个有关生物量利用的研究计划。即绿色能源计划和生物量转 化计划，并投人大量人力物力付诸实施，现已完成有蔗渣、稻草为原料生产酒精 的中试，日耗原料7 2 0 k g ，产酒精1 5 0 2 0 0l ，酒精含量为9 9 5 。法国等其 它西方国家也制定了发展规划，从而在世界范围内使得该分支领域成为纤维素酶 研究中最为活跃并取得重大突破的分支之一【3 7 。 1 5 ，3 2 食品工业 在进行酒精发酵时添加纤维素酶可显著提高酒精和白酒生产中的原料利用 率，降低溶液的黏度，缩短发酵时间，而且酒的口感醇香，杂醇油含量低 3 8 】。 将纤维素酶应用于啤酒工业的麦芽生产中可增加麦粒溶解性，加快发芽，改进过 滤性能。 纤维素酶用于固态无盐酱油发酵，能将包裹蛋白质的纤维素分解，使蛋白质 星裸露状态，便于蛋白酶分解蛋白质，提高酱油得率，加快发酵速度，改善酱油 风味和质量。一 1 5 3 3 饲料工业 酶制剂作为家畜饲料添加剂在国内外已引起越来越多的关注。由于家禽家畜 般难消化利用纤维素和半纤维素，因此，纤维素酶在饲料酶制剂中应用最为普 遍。使用饲料纤维素酶制剂，可以促进动物的消化吸收，大大提高饲料的利用率。 纤维素酶在纺织、造纸、水产业、地质钻井、草药提取等方面均有很大应用 潜力。用纤维索酶适当处理纸浆，能增加微细纤维生成量和提高保水度，有可能 促进某些纸张抗张力提高。此外，纤维素酶还应用于医药行业制消化剂等( 3 9 j 。 1 5 4 纤维素酶降解机制 纤维素酶使纤维素转化成为葡萄糖的详细过程仍不清楚，普遍认为是纤维素 酶各组分协同作用的结果。但是各个组分是如何作用的，主要有以下三种观点 4 0 ：c 。一c 。假说，顺序作用假说和协同作用模型。 1 9 5 0 年，r e e s e 4 1 j 等人提出c 。一c ，假说：c 。酶首先作用于结晶纤维素使其变成 无定形纤维素，再被c x 酶进一步水解成可溶性纤维素和葡萄糖的b l ，4 寡聚物， 即c l 酶的作用是c x 酶水解的先决条件。接着b 一葡萄糖苷酶将纤维二糖和三糖水 1 2 第一章绪论 解成葡萄糖【4 2 1 。但该学说对c 。酶的作用机理不清楚，提出了种种推测，如c ，酶可 能作用于纤维素链间的氢键或者作用于纤维素中少数的$ 一l ，4 一葡萄糖昔键， 或者其他一些不规则的键、薄弱键等等，可是都没有分离得n c 。酶。 以e n a r i 等人为代表提出的顺序作用假说，认为首先是由外切型葡聚糖酶 ( c b h i 并u c b h i i ) 水解不溶性纤维素，生成可溶性的纤维糊精和纤维二糖，然后由 内切型葡聚糖酶( e g i 君u e g i i ) 作用于纤维糊精，生成纤维二糖：再由b g 将纤维二糖 分解成二个葡萄糖，如图1 4 n 示 4 3 1 。同样这个假说在以后的实验中也未被证实。 目前，普遍接受的纤维素酶的降解机制是协同作用模型【删。在协同降解过 程中，首先由c x 酶在纤维素聚合物的内部起作用，在纤维素的非结晶部位进行切 割，产生新的末端，然后再由c ，酶以纤维二糖为单位。从末端进行水解，最后由 b g 酶将纤维二糖水解为葡萄糖。w o o d 在研究木霉( t r i c h e d e r m ar e e s e i ) 、青霉 ( p e n i c i l