（环境工程专业论文）超声波技术应用于植物木质纤维素预处理及酶水解的研究.pdf

超声波技术戍用于植物木质纤维素预处理及酶水解的研究 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一条重要途径。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却未见报道。 本文首先优化选择了酸( h 2 s 0 4 ) 预处理法、碱( n a o h ) 预处理法、酸一超 声波联合预处理法、碱超声波联合预处理法四种预处理方法的最佳条件，发现酸 碱处理浓度均为2 o ，时间均为6 0 m i n ，而应用超声波采取的功率均为1 2 0 w ， 时间均为3 0 m i n 。 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。 接下来对经过四种方法预处理以后的稻草进行了糖化水解的条件正交优化， 得出了四种方法最终的最佳工艺条件均为：p h 值4 8 ，温度4 5 ，酶浓度 2 0 m g g 。然后对最佳工艺条件下的糖化水解过程进行了观察并分析，发现酸超 声波预处理以及碱超声波预处理后的稻草均能在最佳工艺条件下经过1 0 8 h 以后 达到稳定的还原糖浓度，并达到最大值，分别为2 6 4g l 1 及3 3 og - l 一，而单纯 酸预处理以及碱预处理后的稻草要经过1 2 0 h 才能使还原糖浓度稳定并达最大值， 分别为2 6 2g l 以及3 2 7g l 一。 最后对四种预处理方法处理后的稻草糖化水解液的主要化学成分进行了分 析，总的来看，引用超声波预处理稻草的糖化水解效果要优于传统单纯的酸、碱 预处理法，能使糖化水解液中有更多的葡萄糖浓度以及更少的木糖浓度，有利于 提高发酵的效率，产生更多的酒精。 关键词：植物木质纤维素；稻草；超声波：预处理；酶水解 l i 硕i j 学位论文 ；目；= j ；= ；= ；= ；= ；目j ；= ；= ；= ；j ；- 1 ； a b s t r a c t w i t ht h ee n e r g ya n de 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 lp r o d u c t i o n f r o ml i g n o c e l l u l o s i em a t e r i a l si sa 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 ta n de n z y m a t i ch y d r o l y s i so f l 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 lm 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 o l 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 o l o g 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 f i r s t l y ，t h eo p t i m a l c o n d i t i o n so fa c i d ( h 2 s 0 4 ) p r e t r e a t m e n t ，a l k a l i ( n a o h ) p r e t r e a t m e n t ，u l t r a s o u n d a s s i s t e d a c i dp r e t r e a t m e n ta n du l t r a s o u n d - a s s i s t e da l k a l i p r e t r e a t m e n tw e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h eo p t i m a lc o n d i t i o n sf o rt r a d i t i o n a la c i da n d a l k a l ip r e t r e a t m e n tw e r er i c es t r a wi n2 h 2 s 0 4o rn a o hs o l u t i o nf o r6 0m i n u t e s ，t h e o p t i m a lc o n d i t i o n sf o r u l t r a s o u n d a c i do ru l t r a s o u n d a l k a l i p r e t r e a t m e n tc o n d i t i o n w e r et h a tt h er i c es t r a wi n2 h 2 s 0 4o rn a o hs o l u t i o n w h i c hw a s u l t r a s o u n d i r r a d i a t e df o r3 0m i n u t e sa t12 0 w s e c o n d l yt h em a i nc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fr i c es t r a ww h i c hw a sp r e t r e a t e db y t h ef o u rd i f f e r e n tp r e t r e a t m e n tw a sa n a l y z e d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t i nc o n t r a s tt o t h ea c i do ra l k a l ia l o n ep r e t r e a t e dr i c es t r a w , t h ea p p l i c a t i o no fu l t r a s o u n dt e c h n o l o g y i na c i do ra l k a l ip r e t r e a t m e n tc o u l dm a k ep r e t r e a t e dr i c es t r a wh a sh i g h e rc e l l u l o s e c o n t e n ta n dl o w e rh e m i c e l l u l o s e sa n dl i g n i nc o n t e n t t h e nt h ee n z y m a t i ch y d r o l y s i sc o n d i t i o n so ft h e s ef o u rk i n d so fp r e t r e a t e dr i c e s t r a ww e r eo p t i m i z e db ya no r t h o g o n a lt e s t ，a n dt h eo p t i m a le n z y m a t i ch y d r o l y s i s c o n d i t i o n so fa l lt h ef o u rm e t h o d sw e r et h es a m e ：p h4 8 ，t e m p e r a t u r e4 5 a n d e n z y m el o a d i n g2 0m g g s u b s t r a t e i nt h i sc o n d i t i o n ，t h ep r o c e s so fe n z y m a t i c h y d r o l y s i so ff o u rd i f f e r e n tp r e t r e a t e dr i c es t r a ww a sw a t c h e da n da n a l y z e d ，i tw a s i n d i c a t e db yt h er e s u l t st h a tr i c es t r a wp r e t r e a t e db yu l t r a s o u n d - a s s i s t e dw i t ha c i do r a l k a l ih a dt h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o no fr e d u c i n gs u g a rb y2 6 4g l o r3 3 0g l 1a f t e r a n10 8he n z y m a t i ch y d r o l y s i s ，a n dt h er i c es t r a wp r e t r e a t e db ya c i do ra l k a l io n l yh a d 2 6 2g l o r3 2 7g l a f t e ra n1 2 0he n z y m a t i ch y d r o l y s i s f i n a l l y ，t h em a i nc h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h eh y d r o l y s a t eb yt h ef o u rd i f f e r e n t p r e t r e a t m e n t sw a sa n a l y z e d a n dt h er i c es t r a wp r e t r e a t e db yu l t r a s o u n d a s s i s t e dh a d ah i g h e rh y d r o l y s i sr a t ea n dp r o d u c e dah y d r o l y s a t ew i t hh i g h e rg l u c o s ec o n t e n ta n d 1 i i 超声波技术应用于植物木质纤维素预处理及酶水解的研究 l o w e rx y l o s ec o n t e n tw h i c hi sm o r es u i t a b l ef o r s u b s e q u e n t f e r m e n t a t i o ni n c o m p a r i s o nw i t ht h eo n eb ya c i do ra l k a l ia l o n e i na l l ，t h ep r e t r e a t m e n tw i t ht h eu l t r a s o u n dt e c h n o l o g yh a sab e t t e rr e s u l tc o m p a r e t ot h et r a d i t i o n a la c i do ra l k a l ia l o n ep r e t r e a t m e n t k e yw o r d s ：l i g n o c e l u l o s e ；r i c es t r a w ；u l t r a s o u n d ；p r e t r e a t m e n t ；e n z y m a t i ch y d r o l y s i s 超声波技术应用于植物术质纤维素预处理及酶水解的研究 插图索引 图1 1 纤维素分子链结构式6 图1 2 木质素分子链结构式7 图1 3 植物木质纤维素生产酒精简化流程9 图1 4 纤维素酶水解纤维素的c 1 c x 作用机制模式 2 0 图4 1 酸及酸超声波预处理法处理稻草的糖化水解的过程比较5 1 图5 1 碱及碱超声波预处理法处理稻草的糖化水解的过程比较5 7 硕上学位论文 表1 1 表2 1 表2 2 表3 1 表3 2 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 附表索引 植物木制纤维素中纤维素、半纤维素和木质素的结构和化学组成8 酸处理浓度与处理时间对稻草主要化学组成的影响3 5 酸超声功率与处理时间对稻草主要化学组成的影响3 7 碱处理浓度与处理时间对稻草主要化学组成的影响4 1 碱超声功率与处理时间对稻草主要化学组成的影响4 3 酸及酸超声波处理稻草酶水解正交试验因素水平表4 8 优化酸预处理稻草糖化条件正交试验结果4 9 优化酸超声波预处理稻草糖化条件正交试验结果5 0 酸及酸超声波预处理法处理稻草的糖化液化学成分5 2 碱及碱超声波处理稻草酶水解正交试验因素水平表5 5 优化碱预处理稻草糖化条件正交试验结果55 优化碱超声波预处理稻草糖化条件正交试验结果5 6 酸及酸超声波预处理法处理稻草的糖化液化学成分5 8 i x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。 除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：蕊讯 日期：弘富年j 月中日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 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。本人授权 湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打”) 作者签名： 导师签名： 日期：弘- 孑年i1 月中日 日期：多即富年7 王月争日 硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 背景与意义 1 1 1 能源危机与生物质能 自从上个世纪二战之后，整个世界经济和社会的得到了迅猛发展，再加上人 口爆炸性的增长以及社会工业化进程指数性增长，人们正面临着资源匮乏、能源 短缺以及环境污染等诸多难题。而能源问题更将成为桎梏人类进一步发展的最重 要因素，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 3 10 15 b t u t 。而现阶段，由于历史沉淀、经济可行以及技术发展等因素， 世界能源与化学工业过分依赖以石油、煤炭和天然气为主的化石燃料，它们在能 量消耗中占有相当大的比例，尽管化石燃料在人类历史中起着很重要的作用，并 且在现今以及将来一段时期内仍将成为世界能源的主要原料，但同时我们应该看 到，一方面化石燃料是不可再生的，它的不可再生性决定了其资源的有限性，最 后必然导致其供应不足，据推测，在我国除煤炭资源可开采2 0 0 年外，石油仅可 开采4 0 年，天然气可开采6 0 年，而对于全世界，煤炭的已知储量的开采寿命为 3 0 1 0 0 年，潜在储量的开采寿命为1 5 0 2 0 0 年；石油的已知储量的开采寿命为 1 6 1 8 年，潜在储量的开采寿命为3 0 4 0 年；天然气的已知储量的开采寿命为1 5 1 9 年，潜在储量的开采寿命为3 5 4 0 年【2 j 。可以肯定得看出，未来化石燃料将会面 临严重短缺，无疑这将会给人类未来经济、政治以及文化发展带来深远的影响。 另一方面化石燃料在开采和利用过程中会造成环境污染和生态破坏。化石燃料在 开采与利用过程中将排放出大量的有毒废弃物，其中尤以对大气污染的影响最为 严重；化石燃料在开采与利用过程中对生态破坏则主要来自于排放大量温室气体 以及酸性气体形成酸雨这两个方面。 因此，从人类可持续发展的角度来看，这样的过度依赖化石燃料，终将使全 人类面临着足以致命的危机，开发非化石燃料能源就具有了特别重要的意义。而 现今处于研究中的核能、水力能、太阳能、风能、地热能以及海洋能等尽管都各 自具有各自的特点，但要么受制于投资太大，并存在安全隐患，要么受制于季节 变迁以及地理位置，从而无法得到全世界大规模的推广。 生物质，也被称为生物量，在美国能源安全条例中，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。日 本工业标准中将生物质定义为加入地球生物圈内物质循环系统的生物体派生的有 机物的总称。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 超声波技术应用于植物木质纤维素预处理及酶水解的研究 获得的植物体，其最重要的特点是可再生性1 3 】。生物质能是蕴藏在生物质内的能 量，由于其具有来源广泛，可再生的特点，而有着极大的开发与利用潜力。据估 计，地球每年经光合作用所产生的干物质有1 7 3 0 亿吨，它所拥有的能量，相当于 目前全世界年能源总消耗量的1 0 2 0 倍，但被作为能源利用的还不到1 t 2 1 。因此， 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【3 】。 我国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家，2 l 世纪将面临着经济 增长和环境保护的双重压力。因此，改变能源生产和消费方式，开发利用生物质 能等可再生的清洁能源资源对建立可持续发展的能源系统，促进国民经济发展和 环境保护具有重大意义。 生物质转化为能量的最简单的方法是直接燃烧，但能量转化效率低，且会造 成严重的环境污染【l 】。而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 最受人们关注。 1 1 2 燃料酒精及其应用 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，也是一种重要的能源，其燃烧值为 2 6 9 0 0 k j k g 。纯酒精或汽油和酒精的混合物都可作为汽车燃料。作为一种生物能 源，燃料酒精具有廉价、清洁、环保、安全、可再生等特点，有望取代日益减少 的化石燃料( 如石油和煤炭) 。 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1 4 j 。而将燃料酒精直接用于车用燃料的历史则最 早可以追溯到19 0 8 年福特发明的既能用汽油、又能用酒精的通用型汽车。但由于 长久以来制取燃料酒精的成本较高，与当时廉价的石油类燃料相比缺乏竞争力。 直到上个世纪7 0 年代的能源危机才使得人们认识到开发新能源的重要性，作为石 油能源替代品的燃料酒精才得到重视。人们进而在这个方向上花费了不少功夫。 现在，所有的汽车都可以直接采用9 0 的汽油和1 0 的酒精作为燃料，很多最新 开发的汽车甚至可以使用纯酒精作为燃料。酒精已经成为了一种越来越重要的燃 料。并且，酒精燃料与汽油的混合使用还能大大改善燃油的性能。由于酒精具有 较高的辛烷值( 9 6 113 ) ，从而使混合液的辛烷值得以大大提高，而无需使用高毒 性、高辛烷值的添加剂，同时，酒精还为汽油提供氧气使其得到充分燃烧，从而 大大降低尾气中c 0 2 和其他有害气体的排放浓度【5 1 。b a i l e y t 6 】研究了酒精在火花点 火引擎和压缩点火引擎中的性能。结果表明，在压缩点火引擎中，酒精燃烧的功 硕士学位论文 率与柴油相当，而在火花点火引擎中，酒精功率比汽油要高出1 5 左右。 面对拥有如此多优点的燃料酒精，再加上日益短缺的石油能源及其随之带来 的环境污染，作为绿色能源的燃料酒精更加受到世界各国的青睐。各国也期望通 过生产应用燃料酒精稳定本国的能源供应，改善能源结构，拉动农业及其他相关 传统经济的发展。巴西是推广燃料酒精用作车用燃料最早的国家，也是最为成功 的国家。2 0 0 1 年巴西燃料酒精的年生产能力达到2x10 7 吨，燃料酒精的消耗量占 整个车用燃料的消耗量的5 0 以上【2 j 。其次是美国，据报道美国在1 9 9 9 年燃料酒 精用作车用燃料的消耗量为4 5 4 1 0 9 升，占汽油消耗量的1 i7 1 。2 0 0 1 年美国燃 料酒精的年生产能力为6 1 0 6 吨，目前美国已有7 0 汽车采用乙醇汽油作为燃料， 预计还将以超过1 0 的速度增长捧】。欧盟为了减少温室气体排放，降低环境污染， 也于1 9 9 3 年要求使用乙醇汽油用作车用燃料。我国自2 0 0 0 年8 月已开始在吉林、 黑龙江及河南等省市开展了乙醇汽油用作车用燃料的推广工作，并建立了相应的 工厂，以粮食为原料生产燃料酒精，初期也取得了一定的成效。我国是一个石油 资源相对短缺的国家( 已知储量仅占世界已知储量的2 3 ) ，至2 0 0 4 年我国石油 进口已超过1 2 亿顿，占石油总消耗的4 0 ，据推测，至2 0 2 0 年我国石油进口将 超过2 5 亿吨，占石油总消耗的6 0 。因此，亟需在我国大力推广乙醇汽油，一 则可以缓解石油短缺的压力，有利于环境保护，二则可大力推广形成新的产业， 并带动相关产业的发展，缓解就业压力，使得国民经济能够更好更快的发展，对 维护国家安全与稳定、构建新世纪和谐社会都具有特别重要而深远的意义。 总的看来，燃料酒精作为车用燃料比石油类燃料更环保，对传统汽车也不需 做大的改造，可再生，特别是作为一种二氧化碳中性燃料，使得燃料酒精作为石 油类燃料的替代品而成为一种较为理想的车用燃料。 1 1 3 酒精的生产方法 酒精除了上述所述的作为石油类燃料的替代品作为车用燃料外，还是一种重 要的基本化工原料和常用的有机溶剂，广泛用于化工、医药、食品和专用化学品 领域。长久以来，酒精的工业生产方法包括化学合成法以及生物发酵法。 1 1 3 1 化学合成法生产酒精 化学合成法是以石油工业中石油裂解产生的乙烯为原料加水合成酒精，习惯 称为乙烯水合法。它包括直接水合法和间接水合法。间接水合法是乙烯首先经硫 酸酯化，然后水解来制备酒精的方法。但该法硫酸消耗量大，产品分离提纯困难， 设备腐蚀严重，目前已被直接水合法所取代。直接水合法是乙烯与水经过催化水 合来制备酒精的方法。采用化学合成法生产酒精技术成熟，生产成本低，是目前 工业生产酒精的主要方法。但采用该法生产酒精原料乙烯来源于化石燃料石油， 由于石油资源的短缺及不可再生性，使得化学合成法生产酒精违背了人类现今可 超声波技术应用于植物木质纤维素预处理及酶水解的研究 持续发展的初衷，最终将会被淘汰，必将逐渐被生物发酵法所代替【9 1 。 1 1 3 2 生物发酵法生产酒精 生物发酵法是以生物质( 主要是其中的碳水化合物) 作为培养基的碳源，经 由微生物发酵来生产酒精的一种方法。生物发酵法生产酒精的一般过程是先将原 料经过适当处理，转化为糖，然后发酵得到酒精发酵液，最后采用合适的分离方 法得到目的产物酒精。 目前，在以生物发酵法生产酒精的方法中，大多都是采用以粮食为原料的方 式进行生产。在这其中，巴西以甘蔗糖为原料生产酒精和美国以淀粉质原料( 主 要以玉米为代表的谷物) 生产酒精可以代表目前生物发酵生产酒精的最高工艺水 平【l0 1 。我国以生物发酵法生产酒精主要是以淀粉质原料( 主要是薯类与谷物) 为 主，约占生物发酵法生产酒精的8 0 ，另一部分则是以废糖蜜为原料生产【9 1 。 然而，无论是以淀粉质为原料生产酒精还是以糖蜜为原料生产酒精，虽然技 术都已相当成熟，但是这种以粮食为原料生产酒精的方法将会受到原料的来源与 成本的限制，在生产过程中，原来成本占了全部生产成本的4 0 7 0 。近年来， 由于各种原料的价格大幅度上涨，使得以粮食为原料的乙醇发酵工业成本剧增， 生产难以为继。尽管基因农业可以大幅提高粮食的产量，但由于世界人口的不断 增长，粮食短缺的局面只会越来越严重，因此，急需开发新的取代粮食的廉价原 料生产酒精。 1 2 植物木质纤维素及其生产酒精概述 1 2 1 植物木制纤维素及其应用现状 植物木制纤维素是地球上最丰富的可再生的有机物质。在全世界通过光合作 用产生的植物物质每年约高达1 0 0 0 0 亿吨，其中8 9 目前未被人类利用，只有1 1 用作农作物产品、饲草、造纸和建筑材料。绝大部分的天然木质纤维素原料在自 然环境中被各种微生物分解转化，最终形成二氧化碳和水。虽然这是生态系统中 碳循环的一个重要环节，但从人类利用自然资源角度讲，无疑是巨大的浪费。 在我国植物木制纤维素也很丰富，每年产量是1 1 4 5 亿吨，仅农作物秸秆、 皮壳一项，每年就可达7 亿多吨，其中玉米秸秆占3 5 ，小麦秸秆占2 1 ，稻草 占l9 ，大麦秸秆占1 0 ，高粱秸秆占5 ，谷草占5 ，燕麦秸秆占3 ，黑麦 秸秆占2 。此外，来自林业副产品、城市垃圾和工业废物中的天然木质纤维素 原料数量也相当可观。 整体来说，植物木制纤维素具有如下特点： ( 1 ) 来源丰富，数量巨大，具有可再生性； ( 2 ) 分散于符合某种条件的地区，生产有季节性。原料的供应、集约生产规 硕t 学位论文 模可灵活掌握； ( 3 ) 原料形态多种多样，不同原料其纤维素、半纤维素和木质素组成和结构 有一定的差别； ( 4 ) 原料的比容大； ( 5 ) 原料的价格低廉，现大多作为废弃物。 在我国，大部分秸秆和林副产品被用作燃料或在田间被直接烧掉，不但破坏 了生态平衡，使土壤肥力衰竭，造成农业上的恶性循环，而且污染环境，还存在 火灾隐患。同时，以其作燃料由于秸秆燃烧热能利用率极低( 在1 0 以下) ，对 资源也是极大的浪费。因此发展和利用生物技术分解和转化植物木制纤维素制取 燃料酒精这一方法就恰好解决了上述的诸多问题，不仅可以增加农民收入，提高 其附加值，而且可以消除处置不当而造成的环境污染，同时还能解决日益严峻的 能源短缺问题，尤其是石油类燃料短缺的问题。 1 2 2 植物木制纤维素的化学组成与结构 植物木制纤维素的化学组成与结构对于以植物木制纤维素为原料生产燃料酒 精的工艺与经济性有重要影响。不同的植物纤维素原料的化学组成与结构相差较 大，即使同一种植物，不同的产地、不同的气候条件、土壤条件和不同的年龄使 得其化学组成与结构也不相同，当然，同一种植物的不同部位化学组成与结构也 不相同【j 。 所有植物来源的木制纤维素均含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素【1 2 , 1 3 】， 它们共同构成了植物细胞壁的主要成分。这其中纤维素和半纤维素可作为生产燃 料酒精的原料【1 4 】。 纤维素的分子排列规则，聚集成束，由此决定了细胞壁的构架。在纤丝构架 之间充满了半纤维素和木质素。植物细胞壁的结构非常紧密，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。纤维素和半纤维素或木质素分子之间 的结合主要依赖于氢键；半纤维素和木质素之间除氢键外，还存在着化学键的结 合，致使从木制纤维素原料中分离的木质素中含有少量的碳水化合物。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，主要是通过分离的木质素碳水化合物复合体进行研究的。 纤维素、半纤维素和木质素相互交织而形成的植物细胞壁，任何一类成分的 降解必然受到其他成分的制约。植物木制纤维素原料的主要结构成分是化学性质 很稳定的高峰值化合物，不溶于水，也不溶于一般的有机溶剂，在常温下，也不 为稀酸和稀碱所水解。三类主要组分纤维素、半纤维素和木质素一般组成比例为 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。其元素组成一般碳约为 超声波技术应用于植物木质纤维素预处理及酶水解的研究 5 0 ，氢约为6 ，氧约为4 4 ，氮约为o 0 5 0 4 。 1 2 2 1 纤维素 纤维素是d 葡萄糖以p 1 ，4 糖苷键结合起来的链状高分子缩聚物。纤维素大 分子通过大量氢键联接在一起形成晶体结构的纤维素束。这种结构使得纤维素的 性质很稳定，常温下不溶于水，也不溶于稀酸和稀碱，无还原性，在常温下不发 生水解，在高温下水解也很慢，只有在催化剂存在下，纤维素水解才显著地进行。 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和酶水解工艺。 纤维素分子含有碳、氢、氧三种元素。其中碳含量为4 4 4 4 ，氢含量为6 1 7 ， 氧含量为4 9 3 9 ，其化学式为c 6 h 1 0 0 5 ，化学结构的实验分子式为( c 6 h 1 0 0 5 ) n ( n 为聚合度) 。其结构式如图1 1 所示： hhhh 图1 1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。 1 2 2 2 半纤维素 半纤维素是由多种糖基( 木糖基、葡萄糖基、甘露糖基、半乳糖基、阿拉伯 糖基和鼠李糖基等) ，糖醛酸基( 半乳糖醛酸基和葡萄糖醛酸基等) 和乙酰基所组 成的，并且分子中往往带有支链的复合聚糖的总称1 1 引。 各种植物的半纤维素不但含量不同，而且结构各异，其主链可由一种糖基构 成，也可由两种或多种糖基构成，糖基间的连接方式也不相同；对同一种原料而 言，产地不同，部位不同，它们复合多糖的组成也不同。 半纤维素的水解产物包括两种五碳糖( 木糖和阿拉伯糖) 和三种六碳糖( 葡 萄糖、半乳糖和甘露糖) 。各种糖所占比例随原料而变化，一般木糖占一半以上， 以农作物秸秆和草为水解原料时还有相当量的阿拉伯糖生成( 可占五碳糖的 l0 2 0 ) 。半纤维素的聚合度较低，也无晶体结构，故较易水解。半纤维素在 1 0 0 左右就能在稀酸里水解，也可在酶催化作用下完成水解。但因生物质里的半 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。 硕 学位论文 1 2 2 3 木质素 木质素是由苯丙烷单位以非线性的、随机方式通过醚键和碳碳键连接组成的 三维空间结构芳香族高分子复杂复合体，其三黏主要单体为香豆醇( c o u m a r y l a l c o h 0 1 ) 、松柏醇( c o n i f e r y la l c o h 0 1 ) 和芥子醇( s i n a p y la l c o h 0 1 ) 。 木质素不能被水解为单糖，并且在纤维素周围形成保护层，影响纤维素水解。 但木质素中氧含量低，能量密度比纤维素高，水解后留下的木质素残渣常用做燃 料。并难以水解的复杂的不定型高聚物，是植物体内最难分解的组分，含量仅次 于纤维素和半纤维素。其结构式如图1 2 所示： 成。 h o l i g n i n h o o h 0 m e o m e 图1 2 木质素分子链结构式 表1 1 总结了植物木制纤维素中纤维素、半纤维素和木质素的结构和化学组 超声波技术应用于植物术质纤维素预处理及酶水解的研究 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 项目纤维素 半纤维素木质素 结构单元吡喃型d 葡萄糖基d 木糖、甘露糖、l 愈创木基丙烷( g ) 、紫丁 阿拉伯糖、半乳糖、 香基丙烷( s ) 、对羟基苯 葡萄糖醛酸 丙烷( h ) 结构单元间连接键 p - l ，4 糖苷键主链大多为p - 1 ，4 糖 多种醚键和碳碳键主 苷键、支链为p - 1 ，2要是1 3 - o - 4 型醚键 糖苷键、p - 1 ，3 糖苷 键、p l ，6 糖苷键 聚合度几百到几万2 0 0 以下 4 0 0 0 聚合物 p - l ，4 葡聚糖 木聚糖类、半乳糖葡g 木质素、g s 木质素、 萄糖甘露聚糖、葡萄g s h 木质素 糖甘露聚糖 结构由结晶区何无定形有少量结晶区的空不定形的、非均一的、 区两相组分立体线性间结构不均一的分非线性的三维立体聚合 分子子、大多为无定形物 三类成分之间的连接无化学键结合与木质素有化学键结与半纤维素有化学键结 合合 植物木质纤维素中的纤维素、半纤维素和木质素所构成的这种复杂结构与纤 维素与纤维素之间形成的结晶性纤维素使得纤维素的酶水解( 糖化) 过程要比淀 粉质原料相应过程要困难得多( 淀粉是由q 、d 葡萄糖通过1 ，4 苷键联结而成的 高分子化合物，它是一种非定形物质，比较容易在淀粉酶和糖化酶作用下水解为 葡萄糖) ，这也是以植物木质纤维素生产酒精的预处理过程要比以淀粉质原料生产 酒精的预处理过程复杂得多的原因。 1 2 3 植物木质纤维素产酒精概述 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 个大的子过程。图1 3 给出了以植物木质纤维 素为原料生产酒精的简化流程。 硕士学位论文 植物木质纤维素u 自然风干u 磨碎过筛l 一预处理u 过滤l j 木糖发酵 剩余固体 糖化水解h发酵h 产物回收 纤维素酶) (微生物) i 酒精 木质素 锅炉燃料 i 图1 3 植物木质纤维素生产酒精简化流程 1 2 3 1 植物木质纤维素产酒精的研究历史及现状 早在1 8 9 8 年，人们就开始利用植物木质纤维素原料酸水解得到可发酵糖，然 后发酵生产酒精，并已实现工业化，但酒精得率并不高( 每消耗1 吨植物原料仅 能得到7 6 升酒精) b 5 】。在2 0 世纪3 0 年代到4 0 年代人们对植物木质纤维素原料 酸水解然后发酵生产酒精进行了大量的研究工作，在植物纤维素原料酸水解工艺 方面进行了不少改进，开发成功高温稀酸植物木质纤维素原料酸水解的s c h o l l e r & m a d i s o nt 艺，以植物木质纤维素为原料生产酒精得到了较大的发展【l5 1 。但由 于该工艺对设备腐蚀严重，酒精得率仍然不高，导致酒精生产成本较高，与后来 发展起来的以石油为原料的化学合成法生产酒精缺乏竞争力，以植物木质纤维素 为原料生产酒精在此以后一直没有太大的发展。直到2 0 世纪7 0 年代能源危机以 后，为了寻求石油替代品，以植物木质纤维素为原料生产酒精又重新受到重视， 特别是到了2 0 世纪8 0 年代，人们对环境的关注使其更加受到重视。在最近3 0 多年里，以美国国家可再生能源实验室( n a t i o n a lr e n e w a b l ee n e r g yl a b o r a t o r y ， 简称n r e l ) 为代表的研究机构进行了大量的工作，使该技术取得了长足的进步， 使其生产成本已降低一半以上。目前，这一新技术已经引起了世界各国的高度重 视，成为了全世界研究的热点课题之一，并已经在一些国家开始实现了工业化。 目前，燃料酒精在我国并没有得到大规模的推广应用，其主要原因是价格。 作为发酵酒精生产原料的农产品价格偏高，致使发酵酒精的生产成本居高不下， 并且对于我国这样的人口众多的发展中国家而言，以粮食为原料来生产燃料酒精 明显是不合适的。然而，采用木质纤维素制取燃料酒精的技术尚不完善，并且处 理成本也很高。因此，如何降低木质纤维素原料的生物转化成本，提高转化效率 就成了问题的关键所在。 超声波技术应用于植物木质纤维素预处理及酶水解的研究 1 2 3 2 植物木质纤维素产酒精的劣势以及面临问题 虽然和上个世纪早期相比，植物木质纤维素产酒精技术通过几代人的努力已 经取得了长足的进步，但与以粮食为原料生产酒精相比，仍然有不少劣势，主要 是由于以下4 个方面的原因： ( 1 ) 尽管植物木质纤维素廉价、来源广泛，但其收获、运输、粉碎和预处理 过程比以粮食为原料的前处理过程相比要复杂费时得多，这样相应的增加了植物 木质纤维素原料成本，特别是目前仍缺乏经济环保的可供大规模工艺生产采用的 植物纤维素原料预处理方法。 ( 2 ) 植物木质纤维素原料水解所用的纤维素酶比淀粉原料水解所用的淀粉酶 和糖化酶要贵得多，另外植物纤维素原料水解需要更长的时间，因此要消耗更多 的能量。 ( 3 ) 植物纤维素原料水解液不仅含有己糖而且含有一定量的戊糖，而一般以 粮食为原料发酵生产酒精的菌种只能利用戊糖，一般以植物木质纤维素为原料发 酵生产酒精对菌种有特殊要求，而且发酵过程也更加复杂。 ( 4 ) 一般以粮食为原料发酵生产酒精的副产物有较高的附加值，而以植物纤 维素为原料生产酒精所剩下的残余物( 主要是木质素) 未能得到好的利用。 同时，在木质纤维素转化为酒精的3 个阶段，即：将生物制转化为可发酵的 原料；生物质降解产物发酵为乙醇；分离提取乙醇及其副产物过程中，自身仍面 临3 大难题影响上述转化过程的实用化。 一是木质纤维素材料通常难以被直接降解转化。该过程可通过酸解或酶水解 等方法得以实现，但酸解存在着腐蚀、酸难以回收以及抑制发酵等等弊端，因此， 酶水解是目前采用的比较多的一种方法。但酶水解过程中，由于纤维素的微小构 成单元周围被半纤维素和木质素层的鞘所包围，木质素虽然对纤维素酶反应没有 阻碍作用，但它阻止纤维素酶对纤维素的作用，而且纤维素本身存在的晶体结构 也会阻止酶接近纤维素表面，因此人们不得不借助各种化学的、物理的方法进行 预处理，破坏木质纤维素的结构，降低它的结晶度，并除去木质素或半纤维素， 从而增大酶与纤维素的可接近面积，提高水解产率。 妨碍木质纤维素资源生物转化技术实用化的另一个主要障碍是纤维素酶 的生产效率低、成本高，影响了酶的广泛应用。筛选和培育高产的菌种是生产纤 维素酶的关键。随着生物技术的发展，有些酶组分的研究已进入基因工程和蛋白 质工程等分子生物学水平，大大提高了人们改造菌株和酶分子本身的能力，有望 通过高效基因工程菌株的培育来解决这一问题。 半纤维素的水解产物往往含有大量戊糖( 主要是木糖和少量阿拉伯糖) 。戊糖 一般不能被通常的酿酒酵母发酵成酒精，因此，戊糖的高效率发酵转化也是实现 硕上学位论文 生物质转化工艺实用化的一个技术关键。 1 3 植物木质纤维素的预处理 1 3 1 植物木质纤维素预处理的必要性及目的 植物木质纤维素原料未经预处理直接进行纤维素酶水解，糖得率很低，在2 0 以下，其中大多是易酶解的半纤维素通过酶解而产生的戊糖和己糖。 天然植物木质纤维素原料中，尚含有半纤维素和木质素。它们形成牢固结合 层，包围着纤维素。半纤维素主要包围纤维素的无定形区，而木质素包围纤维素 的结晶区，再加上半纤维素比木质素较易去除，因此，人们一般认为木质素的存 在影响着纤维素酶解率。由此可见，要提高纤维素的酶解率，必须除去木质素。 同时，研究表明，植物木质纤维素的酶水解( 糖化) 的效率受植物纤维素的可及 度、结晶度、木质素及半纤维素的含量及与纤维素结合方式的影响【16 1 。植物木质 纤维素原料的预处理的目的是除去其中木质素和半纤维素，改变其结构，降低其 结晶度，增加酶与纤维素的接触面积，增加可及度，从而提高酶解的效率。 植物木质纤维素原料的预处理的方法很多，基本可分为物理法、物理化学法、 化学法、生物法以及各种方法组合法，下面分别予以介绍及讨论。 1 3 2 物理预处理法 1 3 2 1 机械粉碎 机械粉碎是一种最常用的植物木质纤维素原料预处理方法，大多数植物纤维 素原料在进行其它的预处理以前，都要进行机械粉碎。常用双滚压碎机、球磨机、 流态能量研磨和湿胶体磨将天然纤维素原料粉碎。物料经微粉碎后，纤维的物理 性能发生了明显的变化，物料的粒径明显变小，表面积得到了增加，有效地增加 了植物木质纤维素的可及性，降低了结晶度，变小了平均聚合度，物料的水溶性 成分也得到了增加，从而提高了水解效率。 近年来，许多学者发现，如将纤维素酶水解和缓和的湿磨结合起来同时进行， 则纤维素酶解率将成倍增加，另外，一些学者也发现，在用溶剂预处理纤维素原 料时，如给予一些轻微的研磨，将能大大提高糖的产率。这种组合的方法，充分 发挥每种方法的优势，达到取长补短的目的，值得今后进行进一步的推广和研究。 1 3 2 2 辐射处理 在黏胶纤维、乙酸纤维等生产过程中，广泛采用高能射线如电子射线、丫射 线来对纤维素原料进行预处理，以获得所期望的纤维素聚合度和增加纤维素的活 性，减少溶解用或反应用化学药品造成的水、环境等污染。电离辐射的作用，一 方面是使纤维素解聚，聚合度下降，分子量的分布特征改变，使其分子量分布比 超声波技术应用于植物木质纤维素预处理及酶水解的研究 普通纤维素更集中。另一方面是使纤维素的结构松散，并影响纤维素的晶体结构， 从而使纤维素的活性增加，可及性提高。但现阶段辐射处理每吨原料的成本