玉米秸秆制备燃料乙醇预处理技术研究进展

玉米秸秆制备燃料乙醇预处理技术研究进展摘要人们通过开发利用生物质原料制备燃料乙醇有望缓解能源危机，原料价格低廉和物产丰富的玉米秸秆最具有代表性。玉米秸秆必须经过预处理过程来破坏生物质紧密结构，使后续酶水解纤维素更加充分，从而提高乙醇产量。本文综述了国内外的玉米秸秆各类预处理技术（传统预处理、新型溶剂体系预处理、多因素综合预处理）进展、现有问题、对前人各种预处理手段优缺点进行了详细分析，并对应用前景做出展望，为后人在玉米秸秆生产燃料乙醇预处理方法中提供选择性意见以及获得高产率燃料乙醇提供参考。关键词：玉米秸秆；木质纤维素；预处理；燃料乙醇AbstrctThedevelopmentandutilizationofbiomassfeedstocktoproducefuelethanolisexpectedtoalleviatetheenergycrisis.Thelowpriceoffeedstockandabundantcornstrawarethemostrepresentative.Cornstovermustbepretreatedtodestorythecompactstructureofbiomass,sothatthesubsequentenzymatichydrolysisofcelluloseismoresufficient,soastoincreasetheethanolyield.Thispapersummarizestheprogressofvariouspretreatmenttechnologies(traditionalpretreatment,newsolventsystempretreatment,multi-factorcomprehensivepretreatment)athomeandabroad,theexistingproblemsandmakesdetiledanalysisontheadvantagesanddisadvantagesofpredecessors'variouspreteratmentmethods,andmakeprospectforapplication.Itcanprovideareferencefortheselectionandhighyieldoffuelethanolfromcornstover.Keyword:cornstover；lignocellulose；pretreatment；fuelethanolTOC\o"1-3"\h\u24523摘要 13571Abstrct 220258第1章绪论 9192191.1引言 9290441.2我国玉米秸秆资源概述 10260181.2.1我国玉米秸秆区域分布 10290101.2.2我国玉米秸秆综合利用现状 10264651.3纤维素燃料乙醇的发展现状及优势 1158631.3.1国内外传统能源现状 11142421.3.2燃料乙醇研究现状 12245731.3.3木质纤维素燃料乙醇发展优势 12158581.4木质纤维素的分类 13314741.5木质纤维素的组成 1327531241661.5.1纤维素 14178081.5.2半纤维素 15265821.5.3木质素 15299241.6玉米秸秆制备燃料乙醇存在的问题 16165201.7玉米秸秆制备燃料乙醇路线图 1623010第2章预处理工艺 18232772.1预处理目的 1864682.2预处理需要满足的条件 1888242.3预处理技术 19124052.3.1物理法 1931882.3.2化学法 23157962.3.3物理化学法 27259872.3.4生物法 30141022.4新型溶剂体系分离方法 32191542.4.1离子液体 32180982.4.2γ-内戊酯 3358842.4.3低共熔溶剂法 33160132.5多因素综合预处理 344607结语与展望 3516103参考文献 3829027致谢 42第1章绪论1.1引言社会发展不可避免使用能源，自然界是人类生存的基础，而社会经济的发展必然伴随着能源的消耗和环境的污染。近几十年来，人口的大幅度增长和社会的高强度发展都对地球造成了巨大的压力，产生的大量的有机固体废弃物，如果不进行有效的处理，其中的有害物质必然会对环境造成难以想象的危害。并且，有机固体废弃物不加以能源利用化，也是对能源的浪费。因此，不管是从环境角度还是从能源角度看，都会对社会进步产生深远的影响，不仅能充实人类对高品质生存环境的追求，还能为人类生活和生产提供能源。全世界中不可再生能源化石能源仍然是能源结构主体，其储量在未来不足以支撑使用，开发出新型能源成为了人类发展中的一项重中之重的任务。而木质纤维素生物质占了有机固体废物的很大比例，如果将木质纤维素转化为可供人类使用的能源将为人类社会可持续发展提供强有力的保证。生物质是储量十分丰富的可再生能源，每年通过光合作用储存的生物质能达到300亿千瓦以上，相当于全世界能源消耗的4倍[1]。因此，生物质能的有效利用可以作为源源不断的能源。几千年前，人类就能够利用植物的枝叶作为产热的原料，这是最早的生物质转化为能源的方法，而近些年，科学研究人员有研究出许多将生物质中某些组分转化为生物燃料的方法，并且获得了很有效的成果。生物燃料的制备技术大致可以分为四类：第一类是将农作物做为原料生产生物燃料，从可持续发展战略角度来看，我国人均耕地面积少，采用粮食作为生产生物燃料明显不合理，需要研发其它工艺来进行代替；第二类是将城市垃圾和农业秸秆作为生产原料来生产生物燃料；第三类是利用微藻等来制备能源；第四类是利用藻类进行光合作用制备生物乙醇[2]，该技术非常具有发展前景，但尚处于实验探索阶段。四项技术中，以农业废弃物制备燃料乙醇技术最为成熟。中国作为粮食大国，以生产玉米、水稻、小麦三种粮食作物为主，其中玉米秸秆的储量最为丰富。玉米秸秆的综合利用现状可分为：能源燃烧、秸秆造纸、秸秆饲料、栽培基质和秸秆还田等，其中最为热点的话题是能源燃烧，但是因为玉米秸秆的高含水率、高含氧量和低热值等特点使玉米秸秆转化为燃料乙醇异常困难，需要进行清洗、粉碎、干燥等来处理玉米秸秆原材料。本文将以玉米秸秆为研究对象，展开了经不同预处理方法，玉米秸秆中各个组成成分含量的变化，以及纤维素酶水解后的还原糖得率的研究进展。本课题贴合时代背景和战略意义，涉及能源安全、环境问题、可持续发展等时代话题，本文的研究将为玉米秸秆纤维素燃料乙醇的制备提供前人不同方法的总结，对推动纤维素燃料乙醇的发展具有重要的理论依据和实际意义。1.2我国玉米秸秆资源概述1.2.1我国玉米秸秆区域分布≤中国种植业区划≥中指出中国分为八个玉米产区，其中东北春玉米区、西南玉米区和黄淮海玉米区为三大玉米主产区，2000年，全国玉米秸秆总产量达到t，占全国农作物秸秆的94%。2005年，我国平均秸秆资源密度为88.55t⁄，八大区中黄淮海区是秸秆资源密度最大的区，平均密度达到380.53t⁄，全国近一半的秸秆资源只占八分之一的土地[3]。图1-1我国玉米主产区域图1.2.2我国玉米秸秆综合利用现状玉米秸秆因其含有丰富的碳水化合物和有机质，还有一定含量的蛋白质和脂肪等，而具有广泛的利用价值，如图1-2所示。目前我国玉米秸秆利用还很浅显，处于初步阶段，因其资源丰富，得不到利用占用农田耽误下一年耕种，并且得不到合理的利用，最终大部分被直接焚烧，二氧化碳大量排放，空气质量越来越差。而被利用的小部分中基本上也都是停留在农村生活燃料中，并且都是经过一次焚烧后的玉米秸秆，还有被利用在秸秆饲料、秸秆还田等方面，工业化利用只含有0.7%，王如芳、张吉旺等[4]对我国玉米秸秆主产区实施了玉米秸秆资源综合利用化现状的调查，调查结果发现，我国东北玉米区玉米秸秆用以生活燃料、秸秆还田和秸秆饲料占有30.8%，西南玉米区占有26.2%，华北区占有24.6%。田蜜蜜等[5]调查显示，2012年全国作物秸秆可资源化利用潜力（即可以用于玉米秸秆发电、气化和燃料等能源化利用方式的秸秆资源量）能达到t以上。综上所述，我国80%的的玉米秸秆处于初级利用阶段，高附加值产品转化利用率非常低，但是因为玉米秸秆的众多优势，所以其作为我国发展能源化具有巨大的利用潜能。图1-2玉米秸秆的转化利用1.3纤维素燃料乙醇的发展现状及优势1.3.1国内外传统能源现状在上世纪60年代，欧洲国家就开始研究新能源的开发，到目前为止，欧美国家已经建立了多所大型规模的和诸多小规模的木质纤维素乙醇工厂，其中包括美国以小麦秸秆为原料的Abengoga乙醇公司，乙醇年产值达到t，德国以玉米秸秆为原料的Beta乙醇公司，乙醇年产值可达到t，还有美国以玉米秸秆为原料的DSM公司，年产值达到t。玉米秸秆欧盟相关部门提议，在2012年之前在汽油中加入8%的燃料乙醇，并缺对生物燃料中试工厂赋予免税政策。巴西作为甘蔗大国，制定了很多利用甘蔗作为原料制备乙醇的政策和资助，并计划将30%的汽车改为汽油-乙醇两用车，减少汽车排放二氧化碳量20%，巴西建立的以甘蔗为原料的Granbio公司，年产值可达t。美国能源部门称，美国2020年乙醇生产量将比2010年生产量高出一倍占美国燃料市场2%的份额。到2030年，将使玉米秸秆作为原料生产乙醇含量达到燃料市场的5%,但是这些乙醇只能供美国10%的汽车使用。德国对油菜籽提取高辛烷值汽油的技术相当成熟。越来越多的国家和地区重视起新能源的研发和生产，并付诸实践当中[5]。我国对木质纤维素燃料制备燃料乙醇的研究起步较晚，，但是近几年中国加大了对生物质能的探索研究，中国科学院、清华大学、浙江大学、黑龙江燃料乙醇公司等知名大学和公司领头发展生物质燃料乙醇研究，取得了显而易见的成绩。2010年盛丰集团在华北地区建立了万吨级的秸秆乙醇厂，2013年中国科学院联合山东宝来集团在山东建立了3500t⁄a的纤维素乙醇示范工程，东北三省截至目前为止已经建立了5家生物柴油基地。到2020年，中国乙醇年产量可达到1000万吨。我国还自主研发了同步多菌产酶水解发酵工艺。经专家估测，我国与发达国家生产生物质能技术差距已经相差不大，并且在有些技术上甚至超过许多发达国家，中国已经在玉米秸秆生产乙醇工艺已位于世界领先行列。1.3.2燃料乙醇研究现状燃料乙醇作为清洁的高烷值燃料，可以和汽油按一定比例混合作为汽车燃料使用，其可分为第一代燃料乙醇和第二代燃料乙醇[6]。第一代燃料乙醇是以粮食作物为主的玉米、甘蔗等生产而成的粮食乙醇，这种方法会导致出现“与人争粮，与人争地”的局面的出现，从而出现粮食价格大幅度上涨，同时会占用大面积的土地，将能源危机转化为粮食危机。另外，生产粮食乙醇需要使用不可再生能源，增加二氧化碳气体的排放。第二代燃料乙醇则是以非粮食生物质为原材料制备燃料乙醇，与粮食乙醇相比，木质纤维素燃料乙醇合理有效地利用农业废弃物，生产过程中减少了化石能源的使用，减少了二氧化碳的排放，并且废物利用。国家发改委发表≤关于促进玉米秸秆深加工业健康发展的指导意见≥，明确要求不在建立以玉米为主要原料的粮食乙醇生产，并大力支持非粮作物为原料的燃料乙醇。1.3.3木质纤维素燃料乙醇发展优势第二代燃料乙醇也被称为木质纤维素燃料乙醇，是在木质纤维生物质下游产品中是最容易简单的产业化炼制的，纤维素燃料乙醇对于粮食乙醇所具有的优势，主要表现在以下几个方面：1.产量丰富成本低廉木质纤维素生物质进行光合作用将太阳能转化为生物质能，储存量达到每年300亿千瓦以上，每年中国可利用的玉米秸秆约为t[7]。相比于粮食来说，玉米秸秆的成本可以忽略不计。2.净产能高减少温室效应用粮食制备生物乙醇过程中所耗费的能量非常大，粮食乙醇的净产能仅仅为乙醇所含能量的25%，并不是很高。因制备乙醇过程中消耗大量的化石燃料，大大增加了和氮氧化物等的排放。而纤维素乙醇不计粮食生产的能耗，发酵所残留的废弃物可以用来燃烧发电，产气提供乙醇生产能量消耗。净产能能达到85%以上，的排放也降低了90%。因此，纤维素乙醇相比于粮食乙醇显著地增加了净产能和环保性[8]。3.国家倡导未来趋势可持续发展是世界公认的重要战略目标，我国有关文件明确指出：大力发展木质纤维素燃料乙醇产业化，替代粮食乙醇生产，减少“与人争地，与人争粮”的局势，2017年国家发改委等十五个部门印发的≤关于扩大生物质燃料乙醇生产和推动燃料乙醇汽油的实施方案≥中，为实现在2020年实现纤维素乙醇工业规模化生产提供了政策支撑[7]，可以看出国家对发展纤维素燃料乙醇工业的支持。4.构建绿色循环经济体系资源合理利用秸秆资源要想合理充分的被利用，就要形成构建收集、运输、储备和加工等准备阶段一体化，通过建设以燃料乙醇为主产品之一的绿色循环经济工业园区，实现资源利用最大化，有效控制秸秆焚烧，增加就业人口和提高农民收入。综上所述，纤维素燃料乙醇相比于粮食乙醇是更加高效清洁的可再生能源，既有废物利用，减少秸秆焚烧而带来环境问题的优势，极大程度上缓解了中国在能源发展和环境保护的矛盾，又有价格低廉的经济上的优势，减少中国能源发展和经济之间的不协调，还有储量丰富来源上的优势，降低了对不可再生资源的使用，再加上政府的大力倡导支持，使纤维素燃料乙醇的发展前景越加光明[9]。1.4木质纤维素的分类木质纤维素生物质根据来源可分为四类：玉米、大豆和小麦等农作物秸秆；野草、柳枝稷等含能作物；木材类生物质；固体有机废弃物。生物质可根据密度又可分为软木类和硬木类，软木类植物一般是指不开花，通过种子来繁殖，硬木类植物一般是指开花的阔叶树木，除此之外还有一部分禾本科植物，如芒草，象草等。1.5木质纤维素的组成木质纤维素主要是由芳香类化合物和多糖组成，因此可以应用在化工和生物等多领域范围内。木质纤维素的最主要的三大组成成分有木质素、纤维素和半纤维素，除此之外还含有少部分灰分和浸抽提物（脂肪酸、果胶、蛋白质、色素）等。木质纤维素的种类不同，其各组分含量也不相同。木质纤维素生物质的结构相当复杂，生物质三大组成成分经过各种相关化学键错综复杂的连接形成了天然的三维结构。纤维素结晶度因为氢键的存在而增大，进而纤维素与其它两大组分会形成生物质抗解屏障生成阻碍。木质纤维素在全球碳循环中扮演重要角色，还在工业生产中有重要作用。木质纤维素的组成成分分含量如图1-3所示[10]。图1-3木质纤维素组成含量1.5.1纤维素纤维素是木质纤维生物质的主要结构组成成分，需要特殊溶剂才能被溶解，其单元多糖β-1,4葡聚糖是由β-1,4糖苷键葡萄糖单体聚合而成。在自然界中几乎所有植物都含有纤维素，高分子多糖中纤维素分布最广，含量最多，纤维素的主要成分是C、H、O三种元素，其是自然界中储量最丰富的碳源，含碳量在生物质高达55%以上。纤维素链中的葡萄糖基环上的一半碳原子上都连有活泼羟基[11]，能发生与羟基有关的反应，并且通过分子内氢键和分子间氢键之间的缔合而形成密度不同的的两相（结晶区、非结晶区）高结晶结构，如图1-4所示。纤维素与半纤维素、木质素结合在一起，形成完整的木质纤维素基本支撑，即便在高温情况下也不溶于水，当有催化剂的催化下，纤维素才能够有效的水解。纤维素各个相邻的链之间存在的分子力其本身的线性结构高强度增加，从而纤维素内部形成了晶体结构，结果就是结晶系数的增加导致晶体结构紧密。化学试剂和纤维素酶很难进入到纤维素内部，为了使纤维素更过的酶切位点与纤维素酶接触，必须采取预处理措施来破坏其紧密结构。但也有人研究表明，结晶度大小与酶解效率无直接关系，葡萄糖的转化率可能与半纤维素的木质素的去除有关。无机酸和纤维素酶是催化多糖降解的试剂。纤维素作为高聚多糖大分子，聚合度在几百到几万之间，内聚力大、扩散力差。因此，常温下不溶于一般的有机溶剂，但能溶于无机酸，如水溶剂中的硫酸和盐酸，也能溶于氨氧化物等。图1-4纤维素中氢键缔合1.5.2半纤维素半纤维素是植物组织内能被碱液溶解的非纤维素多聚木糖，是植物细胞壁的主要成分。聚合度在200以下，较容易从植物组织中分离，具有取代和高度分支等特点。半纤维素不是均一聚糖，它的结构单元是戊糖和己糖组成，如图1-5所示。其是由D-甘露糖、D-葡萄糖、D-阿拉伯糖、D-半乳糖和D-木糖等两种或者两种以上单糖组成的无定形高分子聚合物。它分布在纤维素表面，通过交错嵌套，这些纤维构成了相互连接的立体结构攀附纤维素。半纤维素与纤维素之间不存在共价键的链接，而与木质素之间有化学键的结合，构成了木质素-半纤维素复合体，其能减少细胞壁内壁中纤维素所受到的化学、物理和生物侵蚀，使纤维素不易降解或者解聚[12]。半纤维素的结构因植物种类差异化，草本植物成分主要是木聚糖，阔叶树木木聚糖主要是葡萄糖醛苷露聚糖，其中研究最多的是木聚糖。半纤维素良好的亲水性有利于细胞壁的润胀，赋予纤维弹性。D-甘露糖D-木糖D-甘露糖D-木糖D-葡萄糖D-葡萄糖4-O-甲基-D-葡萄糖L4-O-甲基-D-葡萄糖L-阿拉伯糖D-半乳糖图1-5组成半纤维素的戊糖和己糖1.5.3木质素木质素属于无定形聚合物，是由C-C键和多种醚键作用苯丙烷单体，聚合度在4000左右，包括甲氧基、羟基和羰基等多种官能团，因此木质素具有高极性。其普遍存在于植物细胞壁中，木质素的单体有紫丁香基丙烷、愈创木基丙烷和对羟基苯基丙烷三种类型[13]，如图1-6所示：紫丁香基结构愈创木基结构对羟基结构紫丁香基结构愈创木基结构对羟基结构图1-6木质素的基本结构单元它们根据植物来源以不同含量存在，如禾本植物中三种结构单元都含有，阔叶植物中只含有愈创木基和紫丁香基结构单元。木质素的结构在木质纤维素中起着粘粘剂一样的作用，使细胞壁成分之间相互粘结并填满缝隙，对植物细胞起强度支撑作用。木质素在木质纤维素生物质中扮演着保镖角色，是植物细胞壁在酶水解过程的头号障碍，研究表明木质素即可通过空间上阻碍纤维素与纤维素酶的接触，有通过非生产性吸附纤维素酶，含量越高越不容易水解，并且在葡萄糖发酵中的抑制物就是木质素在预处理过程产生的的酚类化合物，木质素会使木质纤维生物质对酶的可及性和疏水性大幅度减少[14]。因其碳-碳交联和独特的结构，木质素是想木质纤维素中最不易开发利用的成分。木质素本身是接近无色透明状态，经过分离后颜色由浅及深变。木质因分离发生降解反应或者缩合反应，导致物理性质改变，从而使其变为可溶性木质素。木质素发生的化学反应很多：有脱木素反应、水解反应、显色反应和氧化反应等。1.6玉米秸秆制备燃料乙醇存在的问题科研人员虽然在一次次研究创新出各种玉米秸秆制备燃料乙醇的生产工艺过程，来实现生产效率、经济成本和燃料乙醇产率的一次次改进，但是还会面临重重困难与问题需要人们去解决，其中存在最主要的几个问题是：玉米秸秆原料大规模的运输、加工和干燥等；秸秆预处理技术缺陷多；酶解糖化工艺中使用的酶成本相对高，不适合大型生产使用；纤维素乙醇制造成本还高于粮食乙醇；秸秆中的木糖还不能被利用生产燃料乙醇，影响总糖收率；被人们发现的绝大多数预处理技术还不能在工业中利用。1.7玉米秸秆制备燃料乙醇路线图燃料乙醇生产工艺主要需进行预处理、酶解糖化和发酵[14]，其中预处理是整个工艺的重中之重，研究人员期望并寻找到一个既绿色环保、又经济高效的预处理手段，获得更高的糖收率，在后续步骤中得到更多的燃料乙醇，具体路线如图1-7所示：图1-7工艺路线图图1-7工艺路线图第2章预处理工艺2.1预处理目的木质纤维素生产燃料乙醇的工艺路线主要分为原料预处理、底物酶水解和微生物发酵，其中预处理是整个工艺的关键，预处理影响后续燃料乙醇的步骤流程。木质纤维素天然的抵抗作用成为其转化为燃料乙醇的障碍，因此科研人员一直致力于研发出有效的方法对木质纤维素进行预处理。预处理的目的来破坏原料的结构，减少木质素和半纤维素对纤维素的束缚，其结晶度和聚合度会在一定程度上降低，提高纤维素对纤维素酶的可及性，使酶水解效率提升。如图2-1预处理目的：预处理木质素酶纤维素半纤维素木质纤维素预处理木质素酶纤维素半纤维素木质纤维素图2-1预处理目的2.2预处理需要满足的条件通过预处理手段能够有效的打破植物细胞壁的致密结构，促使增加木质纤维素孔隙度大小和表面面积，进而大幅度上升纤维素对纤维素酶的可及度，纤维素中的多聚糖能够容易地被降解为单糖多低聚糖分子，提高底物酶解效率。预处理过程中产生最小程度的木聚糖和木质素生成的其它产物，不会对微生物造成毒害，防止因抑制剂的存在影响后续发酵工艺。预处理过程中纤维素回收率高，达到80%以上，预处理液中含有较高浓度的单糖，木质素和半纤维素去除效果显著。环境友好，能耗低，合理地运营投资和预处理方式简单2.3预处理技术传统的预处理技术包括物理预处理法、化学预处理法、物理化学预处理法和生物预处理法。其分类如图2-2所示。图2-2传统预处理技术2.3.1物理法物理法主要通常是通过物理作用（温度、压力、应力等）来从不同角度破坏纤维素原料的结构，改变纤丝的尺度大小，聚集排列方式，使物料的表面面积和组分之间的缝隙增大，纤维素的结晶度和聚合度减少，从而提高纤维素酶和底物的结合率，促进酶水解。物理法预处理过程中机械粉碎的能量输入与木质纤维素的粒径成正相关，能耗较高，设备强度要求较大，经济可行性不高，单一的方法很难满足现代化生产。物理法主要分为高能辐射和机械碾压，包括机械研磨法、冷冻、浸泡、微波法、超声波法、热解法、伽马射线法和螺杆挤压法等。预处理中只进行单一的辐射处理并不能生物质中半纤维素或者木质素，而且目前缺少利用单一辐射预处理的研究，一般都作为其它预处理过程的辅助，比如辐射-化学预处理方法比单一辐射预处理方法效果更加显著。机械研磨法生物质通过粉碎、切碎、研磨和碾磨等机械方法将原料进行处理，进而增加木质纤维素与纤维素酶的接触面积。在一定程度上降低生物质中纤维素的聚合度和结晶度，有利于后续酶结糖化过程。机械研磨法虽然破坏了木质素和半纤维素、纤维素层，但是还会有许多木质素组分被保留下来。这种方法制备的纤维素结构会非常不稳定，很容易从变回结晶状态。机械研磨能有效破坏木质纤维结构，将机械研磨与其它预处理手段相结合会大幅度提高预处理的效率和酶解率。基本上所有的预处理手段都会先进行研磨粉碎。研磨后的纤维素酶水解速率的提高是由于研磨后无定形区的增加，降低了去结晶化所需的能量，进而提高了酶水解的效率。曾有人研究表明，机械研磨法预处理可以提高玉米秸秆5%-25%的水解转化率，缩短23-59%的转化时间[15]。滕海涛等[16]以玉米秸秆为原料，利用不同浓度的硫酸对其进行高温蒸煮并进行机械研磨。结果表明，以0.1%浓度的稀硫酸，在180℃保温20min、1min的条件下，每吨干燥的秸秆得到还原糖产量为344.1kg。微波法微波是位于红外辐射和无线电波之间的波长在100cm-1mm之间的电磁波。微波在对木质纤维素处理的应用中有两种作用（热效应和非热效应），这两种效应都有助于破坏蜡质表面，但是由于技术的欠缺，实验数据是否准确等方面的问题，对微波处理木质纤维素的作用机理尚不成熟。微波一般用在水或极性较大的有机溶剂中，微波辐射处理玉米秸秆的过程中，是通过破坏纤维素分子间和分子内的氢键结构，使纤维素失去胀润性，打开木质素和半纤维素复合物，提高反应的活性。通过X射线衍射等化学仪器扫描观察玉米秸秆的结构，发现玉米秸秆吸收微波辐射以后，结构不断破裂，从而提高了酶解的效率。根据Peng等[17]在微波辐射处理玉米秸秆的研究中，100g玉米秸秆可得到葡萄糖和乙醇的产量分别为63.22g和31.29g，比未处理前提高了4.42倍和3.79倍。一般情况下微波都会辅助其它预处理手段使用，姚春才等[18]通过探究微波-硫酸/氢氧化钠预处理玉米秸秆，酸碱浓度、预处理时间、预处理温度和料水比对葡萄糖得率的影响。在不同糖条件下建立模型，优化预处理后微波-硫酸预处理和酶解的得糖率在最优情况下分别为44.6%和30.3%，微波-氢氧化钠预处理和酶解得糖率在最优条件下分别为1.5%和80%。微波法作为木质纤维素降解的高效升温机制，具有大大缩短预处理时间、升温快、运行费用低、作用深度大、温度分布均匀、操作工艺简单和绿色环保等诸多优点。但是缺点是处理费用很高且得率相对较低，因此，微波辐射预处理玉米秸秆目前只能在实验室阶段。超声波法超声波法是一种高效的预处理木质纤维素原料的清洁、无污染的辐射技术。超声波同微波一样也是一种电磁波，超声波频率位于20000Hz-1000000Hz范围内时，能够对生物质产生如细胞破裂和破坏等影响，因此用于生物质生产燃料乙醇工艺中。人们在使用超声波预处理技术木质纤维素时发现，超声波会产生空化作用造成巨大的能量，导致生物质表面的结构发生改变，使木质纤维素的结晶度充分破坏，加快木质素大分子的震动，从而瓦解木质素结构，造成纤维素聚合度和结晶度下降并且会使木质纤维素氧化自由基。高频的超声波破坏木质素大分子主要是破坏其中中的α-O-4和β-O-4键，使半纤维素和木质素组分形成气泡并裂成碎片。形成高达1500个大气压和温度在2000K以上剧烈条件。Yu等[19]用超声波法预处理玉米秸秆时发现：超声波预处理对乙醇液化和糖化能力的提高有非常重要的作用。玉米秸秆粒径经预处理后下降20倍，玉米秸秆细胞壁结构发生变形，发酵速度加快。超声波预处理虽然破坏了木质素组分的结构，显著地提高了纤维素酶水解的可及性和预处理当中的反应活性，会使木质纤维比表面积减少和降解了半纤维素，但是对最主要的纤维素多聚糖的影响缺不是很大，不利于影响后期酶解糖化和发酵过程。田蕾等[20]通过单因素试验和正交试验对超声波辅助酶进行工艺优化，在最佳工艺参数条件下对玉米秸秆进行酶解，其水解率可以达到19.28%，较对照提高24.31%，表明超声波预处理能有效提高酶解反应效率，促进纤维素向单糖的转化。超声波预处理具有减少使用化学药品所造成的废水等环境污染，样品原态得到保持，并且不会产生抑制剂。与其它辐射预处理一样，通常情况下超声波会与化学方法结合使用。姜绍通等[21]采用超声波-稀预处理玉米秸秆，其利用正交试验优化预处理玉米秸秆产纤维素的组合，在最优情况下，细胞外发酵液中纤维素酶活性最高分别可达FPA15.82U/ml、Cx39.9U/ml。根据陈娟[22]对超声波结合稀碱预处理玉米秸秆，在最优工艺为固液比1:12的单频超声30min中，有效提高了有效有效气体产量，甲烷提高产量提高8.58%，并大大缩短产气周期，缩短预处理时间，总体节约时间12%左右。热解法热解法也是生物质预处理方式中物理方法的一种，热解法指将木质纤维素与水按照一定比例混合，高温高压条件下的预处理反应。高压水穿透进入玉米秸秆细胞中，破坏秸秆结构，达到木质纤维素组分分离的目的。当预处理温度较高的时候，纤维素会迅速转化为碳和气体，在低温条件下分解速率较缓慢。Yuan、Long等人采用热解法联合研磨工艺处理木质纤维生物质，证明了热解预处理联合研磨工艺显著地提高了木质素的降解效果，进而大大增加葡萄糖的回收率[23]。Kumar、Kong等人采用热解法对玉米秸秆进行预处理时，发现热解法使水解酶与玉米秸秆的比表面积增大，提高了燃料乙醇转化率[24]。Xu等人的热解法预处理玉米秸秆，实验结果得出经过热水解预处理后，用稀硫酸水解，玉米秸秆还原糖的回收率可达98%，其中还原糖占其中的85%以上，并且几乎产生乙酰乙酸等副产物抑制剂，对后续酵母发酵进程影响很小[25]。Zhang等人发现用热解法预处理玉米秸秆，在最佳条件下，获得是未经处理的玉米秸秆的还原糖产量的6倍之多，乙醇产量高达57.9%[17]。水热预处理是一种绿色经济的预处理手段，只通过物理作用，不添加化学试剂，设备不会遭受腐蚀，绿色环保。热水解预处理手段因其安全性高、无毒害、无污染、成本低的优势而备受人们的关注。γ射线法双螺旋挤压法是包括传输、混合、升热和升压多项单元操作的反应法。通过挤压的手段降解木质纤维素三大组成成分的网状氢键结构，使纤维素的结晶度和聚合度减小，原料的孔隙度增大，使水等溶剂充分接触挤压预处理过程中能与纤维素原料，有利于后续工艺。双螺旋挤压法与其它预处理手段相比具有更多的优越性，例如，工艺成本低，可控性好和可变性优异；没有其他方法所带来的糖降解抑制物；具有连续运行的高运作量。国外不少研究人员研究证明了双螺杆挤压法可以应用于木质纤维素的预处理，而且产生较高的还原糖得率。双螺杆挤压法因其剪切应力强、物料混合效率高的特点，在生物质预处理方法当中占具非常重要的地位。挤压法运用在分离木质纤维素，同时双螺杆挤压法协同化学预处理法能够有效提高还原糖得率。使微晶纤维素细小化，增加比表面积大小，分离并提取半纤维素和纤维素，降低木质纤维的结晶度和聚合度。Yoo等人[31]的研究发现，还原糖的得率随着螺杆转速的提高而提高，较高的细小化作用切断纤维素微纤丝，进而使木质纤维的表面积有所提高。但是当螺杆转速到达一定限度后，因其保留时间会过短，木质纤维生物质结构没有彻底的破坏，还原糖含量不增反降。Zhang等[32]用螺旋挤压法和碱溶液结合处理玉米秸秆，得到的葡萄糖和木糖的产率从48.79%和24.9%分别提升至86.8%和50.5%。螺杆挤压法γ射线辐射在预处理过程中是放射性同位素钴-60的辐射中衍生而来的用于处理植物纤维燃料。其作用机理是穿透木质纤维素的结构，破坏木质纤维原料的结构，使纤维素的结晶度和聚合度降低，并且使木质素改性，从而达到提高酶解效率的目的。主要是通过辐射促进自由基的形成，在终止辐射后，自由基会在纤维素非结晶区逐渐衰减，并且结晶区也会发生衰减导致生物质的进一步降解。杨青丹等[26]人第一个通过采用γ辐射处理玉米秸秆发酵制备燃料乙醇，提出玉米秸秆辐照酶解工艺方法，预处理和酶解后秸秆纤维素和半纤维素的总转化率达到71%以上。发现在800kGy辐照条件下其还原糖产量比未经辐射的高出2倍多，且所用的酶的含量也减少37.5%。唐洪涛等人[27]研究发现随着辐照增加能够有效提高玉米秸秆降解生成葡萄糖，γ射线辐射和酶解处理协同效应显著，并且辐射过后所带来的效应对酶水解有很大效果，玉米秸秆在500kGy、20d的条件下酶水解糖收率最大，比空白对照提高了13.68%。杨春平等人[28]发现了以γ射线作为辐照来源，发现其能够非常有效的穿透降解木质素结构，且秸秆损失率与γ射线辐射所用强度与时间成正比，经γ射线辐射秸秆颗粒会非常小并且越来越多，γ射线辐射与粉碎具有耦合作用。易锦琼等人[29]以γ射线辐射处理生物质原料，发现不同剂量辐照处理对玉米秸秆酶解糖化率的影响也有相似的结论，在较高剂量下，γ射线辐照协同酶解效果比单一处理效果要好得多，协同预处理提高糖化得率效果显著。另外，将γ射线辐照与其它预处理手段相结合的效果好于单一作用。唐洪涛等人[27]探索了γ射线辐照与弱碱浸泡联合预处理对玉米秸秆葡萄糖得率的影响，结果显示，玉米秸秆经200kGy辐照加2%NaOH温和浸泡1h以后，酶解葡萄糖产率可以达到理论产率的52.34%。马光静[30]采用蒸汽爆破-辐照联合预处理玉米秸秆芯，结果表明，蒸汽爆破-辐照联合预处理玉米芯，对提高还原糖得率的效果具有明显的作用。还原糖得率会随着辐照剂量的逐渐增加而逐渐提高，蒸汽爆协同辐照在60mrad剂量下还原糖得率和乙醇回收率分别是初始的3.71倍和11.56倍。蒸汽爆破协同预处理玉米秸秆芯的还原糖得率和乙醇得率最大分别为29.72%和26%。2.3.2化学法化学预处理法与物理预处理法相比能够更好地脱除生物质中的木质素和半纤维素，进而获取非常高的葡萄糖回收率或木质素的脱除率。化学法处理方法效果明显，产率相对也很高，其作用机制是利用酸/碱、氧化物、有机溶剂等常用化学试剂对木质素或者半纤维素从木质纤维素中分离出来，以便改变纤维原料比表面积和结晶度大小，为水解酶增加提供更多的酶反应位点。化学预处理法主要包括酸预法、碱法、表面活性剂法、氧化法和有机溶剂法等。酸法酸处理是重要的预处理方法，常利用Hcl、、、HF、等酸在预处理工艺中，其对具有无定形结构的半纤维素有解聚、剥离的作用，并且有效地降解纤维素纤丝表面的木质素，打破坚实的木质纤维素屏障。因此在生物质领域具有广泛的应用。处理不同生物质原料的酸按浓度可以分为浓酸和稀酸，因为在浓酸的条件下，纤维素糖苷键非常容易遭到破坏而被降解，甚至会造成原纤维料碳化，并且浓酸对生产设备的腐蚀性过强，所以很少在实际中得到应用。稀酸处理可以使纤维素酶充分地提高对纤维素微纤丝的可及面积。这主要是因为酸处理形成更大的比表面积及孔隙率和降低了纤维尺寸，减少纤维素酶的使用量，有利于后续工艺进程。在稀酸预处理过程中半纤维素和木质素会发生降解，少许稀酸会将木质素渗透溶解到溶剂中，而半纤维素将形成低聚糖。进而木质素-半纤维素复合物致密连接键会断裂，包覆在木质纤维素内部的微纤丝更多的暴露出来。虽然微纤丝的排列方向不会发生改变，但紧密的层状结构消失，比表面积大幅度增加，充分地提高了酶解糖化的效率。稀酸预处理对于降解半纤维素而言脱除效果显著，木糖的选择性很高，酸的使用量小。但是酸水解会对生产仪器具有很强的腐蚀作用，同时产生影响后续酶解进程许多的诸如乙酸、乙酰丙酸等反应副产物。稀酸预处理可造成纤维素结晶度的增加，纤维素长链几乎很少溶于或不溶于酸，其中的β-1,4-糖苷键发生水解，聚合度稍微降低，纤维素无定形区的稳定性较低，很容易发生该种现象。与此同时，生物质无定形区的木质素和半纤维素经过酸预处理后也会发生降解，导致含量下降。因此，整体结晶度升高的主要因素是木质纤维素无定形区域的减少造成的。生物质预处理中使用酸的浓度一般不超过10%，预处理温度在110-220℃左右，反应时间在10-180min之间。例如Cara等人使用1%浓度的稀硫酸对玉米秸秆原料进行预处理和纤维素酶水解，在180℃，10min的条件下得到了高达75%的总糖收率[33]。提高酶水解效率要降低纤维素的结晶度，生物质原料的无定形区域的水解速率比结晶区高出许多倍。但是评价酶解糖化效率的因素因素不仅仅只有一个，还有由于酸处理后，生物质原料的孔隙率大小、比表面积大小、木质素和半纤维素的含量等原因有关，这些综合因素的提高才会使酶更加容易作用于纤维素微纤丝。因此，酸处理过程中，评价纤维素酶水解效率的因素众多，还原糖得率的产量大小还要看纤维素结晶度和其它多种因素相互作用。碱法碱预处理也是最常用的生物质预处理方法之一，但是碱预处理法与酸预处理法作用原理不相同，其主要是使包覆纤维素的木质素和半纤维素实现溶解脱出。碱性试剂中比较常用的有NaOH、、KOH与氨水等，并被广泛应用于生物质的预处理当中，获取了很好的使用结果。碱预处理的pH值一般在11.5上下，过高过低都不利于反应，其与酸预处理相比，碱预处理的条件更加温和，温度较低，一般在25-40℃就可以非常有效的作用于原料，因此碱预处理对生产设备要求相对较低一些。在此温度的碱性条件作用下，半纤维素和纤维素中连接的氢键受到波及，少许木质素分子中的酯键和醚键被溶解，并且半纤维素和木质素连接键（酯键和醚键）断裂。因此，碱预处理后更多的纤维微纤丝在表面浮现，纤维素酶的可及面积大大提高。碱预处理过程中不单单只是木质素和半纤维素含量有所变化，纤维素的表面状态的改变也应该被关注。碱较浓的情况下纤维素液的性质活泼，在低温条件下就可以发生润胀和溶解。碱预处理过程，对溶解木质素起到重要作用，溶解半纤维素、破坏木质素内的酯键和醚键链接，并使纤维素的聚合度与结晶度有所降低。Zhao等人[34]以玉米秸秆为原料，在较低预处理温度下采用碱处理，实验结果显示，碱处理后发现纤维素剩余率高达84.2%，木质素去除率为13.4%，半纤维素剩余率高达96.7%。产生这种现象最主要的原因是原料中半纤维素和木质素被脱除、孔隙度增大，还有秸秆在低温碱液中纤维微纤丝分离形成更加细小的纤维微纤丝，更加有利于纤维素酶的渗透。当浓度超过10%的碱液预处理，纤维素的晶体形态发生变化，碱液浓度高于15%时，晶体形态改变并且会伴随纤维微纤丝表面颗粒的覆盖。碱预处理后纤维素的结晶度也发生变化。Zuo等人[35]认为采用NaOH溶液处理后的生物质样品中纤维素会变得疏松和暴露，但是结晶结构变化不是很大，结晶度有所提升。这种情况的出现是因为作者采用的处理强度pH和温度较高，使得无定形结构中的木质素、半纤维素和无定形区域的纤维素均有不同程度的降解与分离，样品结晶度就会相对升高。纤维微纤丝润胀甚至疏松后，纤维素结晶结构会出现扰乱和破坏的现象，导致结晶度不同程度上会有所下降。纤维素结晶度的持续降低可以增加纤维表面的可及面积，从而增加纤维素酶对纤维素长链的作用位点，增加还原糖回收率。因此，碱预处理方法在多种有利因素的联合作用下提高了纤维素水解糖化效率。碱预处理只需低温下进行，不易降解多聚糖，但其仍然存在预处理效果随原料不同而变化，预处理时间长，残余物污染等问题。并且碱预处理作用下的木质纤维素的三大组成成分以及纤维素聚集态结构等因素的协同效应、变化规律和互相作用影响尚不明晰，要进一步进行研究。碱预处理过程中反应后的废液处理是一个待解决的问题。碱废液处理方法是与酸中和后进行排放，并且NaOH等碱液中和后产生大量的无法做出合理的回收。因此，采用KOH和氨水回收性较好的碱液作为反应溶剂，存在于废液中的和都可以经过简单的化学转化后用到农业生产中。另外也被用于预处理方法。与其他碱预处理方法相比，在回收利用方面具有独到的优势，就是可以与气体反应生成沉淀，进而实现固液分离。氧化法氧化预处理是指利用氧化剂的特性能够选择与木质纤维素中的木质素结合发生自由基反应，而使氧化降解木质素，促进纤维素和半纤维素的分解，同时改变细胞壁原有结构，打开包覆在生物质表面的天然屏障，这种方法在生物质制备燃料乙醇时应用最为广泛。常用的氧化剂包括、、、等。Younho等[2]利用过氧化氢和乙酸对生物质进行预处理，得到乙醇产量高达84%，这说明氧化法在预处理中很有潜力。李诚等人[36]使用臭氧预处理玉米秸秆，在最佳工艺条件下，原料中木质素由15.04%降至2.96%，酶解糖化率从9.17%提高到39.80%；周殿芳等人[37]使用质量分数为2.5%的处理玉米秸秆，木质素的去除率达到61.52%，酶解糖化率为39.03%。有人发现单独使用不能有效处理玉米秸秆，最佳的使用量仅能使秸秆酶解糖化效果比NaOH单独使用提高10.78%，证明氧化剂在碱处理秸秆中预处理作用有限[36]。这种方法的预处理成本偏高、产生有毒的酚类物质，使得该种方法不被接受，现阶段不能实现产业化生产。有机溶剂法有机溶剂预处理法主要是通过采用有机溶剂与木质纤维素作用使纤维素中的氢键断裂。目前在预处理中有很多种类可以使用的有机溶剂，例如：甘油、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、丙酮、有机酸等。有机溶剂在预处理当中能够使木质纤维素各组分分离，从而降解去除木质素，高值化利用纤维素、半纤维素，获得高额的酶水解效率。姚兰等人[38]采用乙醇对玉米秸秆进行预处理，其木质素含量从13.69%下降到4.89%，木质素脱除率达到64.28%，纤维素的转化率从36.7%提升到80.2%。有机溶剂的基础上适当增加反应温度，会对木质素的脱除起到积极的作用。有机溶剂可以与其它方法联用，在/催化剂的协同配合作用下，有机溶剂预处理能够分别得到85%以上的半纤维素和60%以上的木质素移除率[15]。和普通的/预处理法相比较，经有机溶剂处理后半纤维素的结构保存得较为完整，被降解的比例相对来说较低。因此有机溶剂法具有高效利用木质纤维素全组分的潜能。有机溶剂预处理手段不仅能增加纤维素和半纤维素的葡萄糖转化率，还能够分离和回收高质量的木质素，生成的抑制物少，溶剂价格低廉，但是有机溶剂很容易因为沸点较低的原因而导致蒸发损失，且溶剂在回收的过程中需要蒸馏回收，使废液处理难度增加，污染环境，因此有机溶剂预处理玉米秸秆很难在工厂化中得到实际的应用。湿式氧化法近年来科研人员发现一种新型的预处理手段，叫做湿式氧化法。湿式氧化法就是在高温高压条件下，底物在氧气和水共同的参与发生对木质纤维素的化学反应，用以打破原料的致密结构，促进后期物料的酶水解和发酵环节，其也属于氧化预处理方法的一种。这个过程对于生物质中的木质素的移除和溶解半纤维素组分表现出较高的效率。湿式氧化预处理法的影响因素包括压力、温度和时间等，纤维素和半纤维素在回收上压力的影响最大。纤维素和半纤维素回收率会随着压力的适当增加而增大，而预处理时间与压力的减少会使纤维素的回收率降低。湿式氧化法预处理生物质的时候，会适量的添加调整溶液pH值，因为pH值在生物分馏中起到重要作用。但是由于压力和温度很高，所以木质纤维素容易变黑。碱性试剂的种类不同会对预处理的影响不同，诸多研究表明通过碱性试剂的存在能够提高木质素的脱除率。Shama等对玉米秸秆进行湿氧化法预处理，，发现在195℃、10min和5和大气压的条件处理下，纤维素结构破坏严重，预处理后的酶水解得到的葡萄糖收率从19%提升到63%，足足提高3倍多[39]。Zhang等探究了湿氧化法预处理玉米秸秆生产燃料乙醇的条件，实验结果表明，玉米秸秆通过湿氧化法处理之后固体中纤维素的剩余量高达90%，纤维素的回收率是95.87%，乙醇产量为79%，在后期发酵过程中没有产生明显的有抑制作用的副产物[40]。但是湿氧化法常用作其它预处理辅助手段，因为在湿氧状态下半纤维素组分会流失导致木糖收率较低。例如，An结合了稀酸与湿氧化法耦合预处理技术处理玉米秸秆，在3FPU的低酶量的条件下得到了157%的总得糖收率[41]。利用湿式氧化预处理的特点是能够溶解大部分的半纤维素和木质素，并获得的纤维素纯度较高，同时避免产生降解产物。但是其氧化和碱性催化剂成本高，多聚糖会被氧化成和水而损失，在以后的研究当中需要寻找价格低廉的氧化剂和催化剂以降低成本。因为湿氧化法只使用氧气和水，所以是非常有发展前景的绿色无污染预处理手段。表面活性剂法一些文章报道称表面活性剂在生物质燃料乙醇的生产中的应用是使细胞壁天然屏障松弛，促进纤维素酶进入木质纤维素内部，提高燃料乙醇产率。表面活性剂是分子长链两端分别含有极性亲水基和非极性含疏水基的两亲溶剂。其特殊结构令表面活性剂吸附在木质纤维素表面定向排列，具有降低界面间的表面张力和表面自由能的作用，从而改变了木质纤维生物质的界面能，这是它能够利用于预处理中，提高酶解速率的作用机理。表面活性剂（阴/阳/非/两性离子型和生物表面活性剂）具有渗透、润湿等作用。表面活性剂提高原料的可湿性和分散性进而提高材料的利用效率。研究者报道称，离子表面活性剂比非离子型表面活性剂有更好地提高酶水解能力和降低纤维素酶的用量，所以表面活性剂对酶解糖化工艺具有突出作用。表面活性高的非离子表面活性剂对木质素和半纤维素的降解效果好，而阴离子表面活性剂对水解的促进作用差。表面活性剂浓度在预处理过程中超过临界状态下，表面活性剂就会与水解酶相互作用增加其效果。黎松涛等[42]利用与表面活性剂联合氧化作用发现，表面活性剂的加入能够有效提高木质素的去除率的同时不会对纤维素结构造成破坏。后期对酶解和发酵工艺进行的实验结果证实，表面活性剂能够明显提高预处理效果。表面活性剂耦合离子液体运用在木质纤维生物质的预处理中也有文献报道。报道称，与未经处理的玉米秸秆及单独的离子液体预处理相比，各种表面活性剂耦合离子液体预处理玉米秸秆和酶水解48h后纤维素转化率分别增加了40-85%、10-31%，并且提高了反应的最大反应速率。有添加表面活性剂进行预处理的秸秆结晶度指数下降明显[43]。黄涛等[44]采用表面活性剂耦合氢氧化钠预处理秸秆，结果表明木质素去除率进一步得到提高。2.3.3物理化学法物理化学预处理是以物理仪器辅助化学手段在生物质工艺中得以应用，即在机械研磨、微波等处理中加入酸碱或其它化学试剂，其既结合了物理和化学手段的优势，又避免了单独物理和化学方法的弊端，同时降低处理成本。目前物理化学方法有蒸汽爆破、氨爆破、酸汽爆法、液态热水法和超临界二氧化碳法等。蒸汽爆破法蒸汽爆破在物理化学处理当中研究最为成熟，应用广泛的预处理方法之一，其结合了化学效应和机械力。蒸汽爆破法的机制是：在高温高压条件下，利用水蒸气处理木质纤维素，在预处理过程中，纤维素之间的连接键被破坏，半纤维素降解和木质素润张疏松。反应器通过高温蒸汽处理很短的时间后会在瞬间释放高压蒸汽，由于反应器中的压力快速降低，蒸汽会使原料快速降温，高压蒸汽进入到生物质内部，以空气的形式释放压力，原料孔隙中的水蒸气膨胀，产生爆破的效果，这会引起纤维的机械破裂，将底物撕裂为细小的纤维微纤丝状，从而达到木质纤维素三大组分分离和结构破坏的结果。此方法可以大量减少水热法中水的用量，比简单机械处理减少70%左右的能量损耗。另外，高温高压的高强度条件加强了生物质氢键的破坏和纤维素内部有序结构的得以破坏。岳磊等[45]对蒸汽爆破预处理压力和时间对植物纤维形态结构、润胀性、化学组成成分以及灰分等的影响进行了探讨与分析，发现蒸汽爆破的反映的越剧烈，植物纤维素含量就越增加，灰分明显下降。有人曾对生物质原料进行了蒸汽爆破处理的研究，发现预处理后的底物中纤维素分子链接链发生断裂，分子内和分子间的氢键遭受到不同程度的破坏，提高了纤维素链的可移动性，这有利于纤维素有序结构向无序结构转化。蒸汽爆破法与其他方法相结合效果会更加有效[46]。Wang等[47]专门利用蒸汽爆破法处理玉米秸秆，通过厌氧发酵制备燃料乙醇，结果表明蒸汽爆破处理玉米秸秆乙醇得率比未预处理的玉米秸秆大大提高，最大的乙醇转化率与空白试验相比高出47%。蒸汽爆破法中只有水溶剂所以不需要回收，成本较低、能耗少和没有环境污染，但是会破坏半纤维素中的木聚糖，造成糖分的流失，并且产生一些乙醇等的副产物阻碍后续酶解和发酵。氨爆法氨爆法预处理属于热门的热化学预处理方法。是液氨与蒸汽爆破预处理的相结合的手段，主要是利用液态氨把秸秆中的组分做有效的分解，在相对比较低的温度中处理玉米秸秆原料。在高温高压的反应器中，木质纤维素原料和液氨在压力释放的同时产生爆破效应，液氨蒸发，温度差变化打破原料纤维结构，增加原料表面面积，从而提高乙醇产率。因为有氨的存在，所以被分在碱性预处理当中，这种方法特别是对半纤维素、木质素的去除能力超强，同时对木质素具有高度的选择性。预处理过程中反应时间、反应温度和液氨浓度，反应温度和反应时间的增加，木质纤维素中纤维素的水解程度变大。液氨浓度与葡聚糖含量成正比，却几乎不对半纤维素和木质素成分起作用，氨爆法促进了可溶性组分的去除，随着氨浓度增加葡萄糖收率提高。刘建军等[48]采用氨爆法对玉米秸秆进行研究，在最佳工艺条件下，葡萄糖收率分别为89.65%和91.93%,比未经预处理的玉米秸秆提高197%和204%。进而强有力验证了木质素效果爆破脱除显著在氨纤维预处理和增大了葡聚糖的消化率。这种方法不适合木质素含量较高的木质纤维素，有人验证此处理玉米秸秆，纤维素和半纤维素水解率至少可以到90%。但木质素水解率仅仅在40%以下.说明不适合木质素含量高的植物[49]。在整个预处理过程中，氨气能够循环利用，原料和液氨存在接触差异，会导致木聚糖回收率不高，去除木质素效果好。氨爆法处理生物质的过程对下一工艺酶水解中微生物需求量减少，因此会有很大的应用前景，但是会产生下游抑制物对乙醇发酵对糖产生降解。酸汽爆法酸汽爆法是指利用稀酸和蒸汽爆破耦合的方式对木质纤维素原料进行处理，一般情况下，蒸汽爆破法中不添加化学试剂，直接中性汽爆对半纤维素降解生成单糖并不理想，但是在蒸汽爆破中加入一些稀酸作为催化剂能够大大提高蒸汽爆破的预处理效果，其使木质素和半纤维素对木质素的保护作用大幅度降低，打破了纤维素的晶体结构，并且能够增加纤维素酶的渗透性和可及度。通常情况下酸汽爆法比普通汽爆法节能30%，是更加有效的预处理措施。单一的蒸汽爆破预处理对玉米秸秆中的纤维素和半纤维素的降解作用有限。卢波等[50]发现，如果底物经过稀酸预处理后，酸蒸汽爆破可以以更低的压力条件下处理破坏纤维素结晶度和分解半纤维素。酸汽爆法比普通蒸汽爆破法的酶解率高出一倍有余。因此，酸汽爆法处理植物细胞壁要比普通蒸汽爆破法具有优势。但是由于酸蒸汽爆破的条件剧烈，会导致木糖迅速降解，影响了糖回收率。永强课题组[51]采用酸汽爆法处理玉米秸秆，最终获得41.48g/L的乙醇，提高了玉米秸秆糖转化率和整个炼制工艺的经济性。液态热水法超科研人员秉承着清洁、无污染的环境保护原则，已于在木质纤维素中找到一种以水为溶剂的预处理方法。液态热水法又被称为热液分解法、无污染溶剂分解法、水溶胶法。液态热水法的机理是高温和高压的状态下，水被分解成和离子，重点是仍保持在液体状态的生物质处理方式，这样就可以变成催化生物质的酸/碱催化剂。这种方法是少有的不需要减少秸秆粒径尺寸的预处理方法，其通过切断半纤维素中的乙酰基和糠醛酸之间的联系从而达到促进水解要求，使半纤维素被分解成己糖和戊糖，半纤维素含量降低。这是因为高温高压条件下会产生酸性物质，作为酸性催化剂的和乙酰基的增加使半纤维素水解生成单糖。液态热水法可以有效地将木聚糖和葡聚糖分离，其优点是粘度低、传质性能良好，半纤维素和木质素都被从组织中析出。液态热水需要消耗大量的能源，预处理的残留物不需要洗涤就可瘦瘦重复利用。Liu等[52]在24min的预处理工艺中分为间歇-连续-间歇的过程，首先是在200℃下进行间歇反应通过采用部分渗滤处理工艺处理4min，在进行连续渗滤8min，紧接着再继续进行间歇反应12min完成预处理，最终数据说明，间歇渗滤工艺与连续渗滤相比，能够将用水的总量减少近40%，去除将近40%左右的木质素，酶解速率提高至90%左右，最主要的是木糖的回收率几乎没有下降。金宪龙等[53]采用高温液态水预处理玉米秸秆，玉米秸秆的预水解液中葡萄糖最大溶出率达到7.77%，戊聚糖最大溶出率达到10.57%。该技术的研究探索的少，还需要细节的改进，在高温下与其它工艺的结合问题也没有更多的实践。临界二氧化碳法超临界二氧化碳预处理法与蒸汽爆破处理的作用机制很相像。在超临界条件下，二氧化碳作为非极性有机溶剂具备低粘度、零表面张力、高扩散系数，这使分子能够够通过渗透作用进入木质纤维素多孔结构中，同时产生溶胀作用。绿色溶剂超临界通过快速泄压的方式在破坏原料致密结构的同时而不产生化学反应，相对于蒸汽爆破而言，可在减低温度下反应，避免了降低了单糖和低聚糖在高温下的降解，因此还原糖产量有所提高。此方法常常与其它预处理方法联合在一起使用，这种预处理方法不会产生对抑制副产物和平稳表面变成了易损表面而松散。影响超临界预处理的参数分别为温度、压力、预处理时间、含水量和泄压速率等。葡萄糖产量随着温度、压力、时间等参数的变化而变化。生物质本身的特性也会对葡萄糖收率影响，在超临界处理中，生物质含水率极为重要，水和反应生成碳酸溶解半纤维素的结构。水还可以对木质纤维素起到润胀和浸透作用，协助释放压力破坏生物质结构。从而增加水分会使糖收率较高。水分含量越高，糖分产率越高。罗鹏等[54]使用超临界二氧化碳对玉米秸秆原料处理，最佳条件在100℃、30min、秸秆含水量50%预处理下，在用稀酸水解成还原糖后，最大还原糖产量为39.5%，比未处理的原料提高了13.3%。由于木质纤维素原料结构具有差异，因此最佳温度和压力不同。郝刘丹等[55]研究发现，适量的高温和较高的压力可以有效提高预处理和酶解效果，但压力不宜过高，过高时会使水溶解度增加，吸附出内部纤维素中的水，导致减弱预处理效果，泄压速率也与爆破效果成正。超临界二氧化碳耦合离子液体，与未处理原料相比，甲基葡萄糖苷总收率高达43%。微晶纤维素的预处理效果在140℃、25MPa及处理时间2.0h的条件下最佳。2.3.4生物法物理预处理要求高耗能和高设备投入，还原糖回收率普遍不高。化学预处理需要使用化学试剂，容易产生副产物抑制物，很难处理和回收化学试剂。生物预处理法则具有环境友好、能耗低、低成本的优点，不需要特殊设备，不会产生影响后续酶水解反应的抑制物。生物法主要有酶解预处理法和真菌预处理法，真菌系又分为褐腐真菌预处理法、白腐真菌预处理法和软腐真菌预处理法等，这种方式处理生物质具有高度降解性能。被认为是最具前景的预处理技术之一。但缺点是预处理效果不高，酶解糖化效率低，达不到工业化标准。对工作人员的要求高，反应周期长，长时间的预处理使多聚糖的损耗增加，不利于后续工艺。酶解法20世纪中旬，淀粉葡聚糖酶首次被人们所熟知，生物纤维素酶能够有效的解决木质纤维素预处理当中的问题。酶是天然的有效降解生物质的关键工具，酶的使用历史悠久，酿酒、烘培、酒精的制造都离不开酶作为高效催化剂的发酵。纤维素酶不是单一的酶种，而是纤维素酶、木糖酶和木质素酶等各种酶系之间联合作用的结果，最终共同将木质纤维原料水解。纤维素酶在底物预处理当中表现出很强的吸附效果，会吸附底物大分子，纤维素酶的本身的特性、作用原理以及外界的条件都会决定其吸附作用能力，目前，人们尚不清楚纤维素酶的吸附机理。纤维素酶是作为一种复杂的多组分的复合酶，水解路线和步骤都不是很清楚，只知道纤维素酶具有去除植物细胞壁中纤维素的作用，可以将细胞内的糖得以释放，使多聚糖完全分解成葡萄糖，酶水解制取葡萄糖具有高纯度、易结晶和较高产率的优势迅速代替酶水解，所以酶解法完全可以对物理法等其它方法取而代之。与其它预处理手段相比，酶解法具有的优势有抑制副产物生成；没有温度要求，常温下就可以使用；不会产生有毒物质。但是酶解法致命的弱点就是反应周期长，大大增加了时间成本。不同组合的酶系作用在预处理过程中酶解产物也不尽相同，酶用量也需适宜，过多会导致浪费，过低会水解不彻底，因此对酶种类的选择和用量极为关键。此外，温度和pH值、时间、原料浓度都是主要因素。原料浓度偏低会造成酶解量较高的同时产物得率缺下降，原料浓度过高，又会产生催化速率下降的现象；温度过低会造成酶活性下降，过高又会使酶失去活性；酶解周期过长会增加时间成本，所以要适量调整酶解条件。木质纤维素自身也会对酶解产生影响，例如，粒径大小、表面面积大小、纤维素结晶度、植物中水分的含量、木质素多少和纤维聚合度都会对预处理效果造成影响。一般需要使用两种或两种以上的预处理方法来提高酶的可及面积，从而起到促进催化作用。生物酶系中纤维素酶和木聚糖酶的组合对生物质原料的水解作用最大。宋金利等[56]对玉米秸秆进行处理过程中使用酯酶、纤维素酶和木聚糖酶混合物，发现酶分解率69.27%，适合投入生产当中去，从而扩大经济效益。其最佳工艺条件为预处理温度50℃、预处理时间24h、酶浓度为4g/l、pH4.8。生物法的高速发展，使其大规模的生产成为可能。白腐菌法白腐真菌种类很多，像凤尾菇、黄孢原毛平革菌、朱红密孔菌、射脉菌、彩绒革盖菌、杂色云芝等都属于白腐真菌，其具有针对木质素的特性。白腐菌分泌的木质素降解酶系包括木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶。白腐真菌法在预处理过程的原理是：白腐菌降解木质素按两个步骤进行，首先白腐菌酶系溶解玉米秸秆蜡质表面，使细胞壁稳定性变差，随后渗入到细胞内部生成纤维素酶、木聚糖酶、木质素酶等复合酶系逐渐降解纤维素、半纤维素和木质素从而使秸秆降解。利用白腐真菌对生物质展开预处理当中，不仅仅会分解木质素，也会令纤维素、半纤维素回收率下降，所以需要具有选择性的筛选出降解木质素的酶种，白腐真菌分解木质素的能力很强，其主要原因是白腐菌酶对木质素的高效特异性。在木质素解聚初期，白腐菌通过自由基链产生高活性自由基中间产物发生链式反应导致玉米秸秆纤维素、半纤维素和木质素之间的链接键断裂，木质素氧化解聚成小分子，其中最为关键的酶是过氧化氢酶系和多酚氧化酶系。玉米秸秆通过与中氧的结合发生复杂的自由基链式反应，来完成木质素无特定型氧化。不同的白腐真菌可分泌这两种中的一种或两种降解木质素酶。曾凡清等[57]利用白腐菌分解玉米秸秆中的木质素研究发现，利用尿素与白腐菌的共同处理下，木质素降解达到36%。赵玲等[58]人利用白腐菌结合碱预处理后，发现木质素下降16.79%，纤维素结晶度下降12.4%。褐腐真菌法褐腐真菌是最大的木质素降解真菌，与白腐真菌不同，褐腐酶可以产生纤维素酶、外切葡聚糖酶，主要针对的纤维素，其次是半纤维素，并对木质素具有改性作用。降解初期褐腐菌通过提高玉米秸秆的糖化作用，引起木质纤维素中纤维素长链的溶解，破坏了纤维素的结构，同时又能避免了碳水化合物的大量降解，从而达到预处理目的。玉米秸秆由最表层，初级层和三个次级层组成。玉米秸秆内的组分与形成羟基自由基或氧化剂。褐变菌一般只处理到玉米秸秆的初级层的细胞壁中。在单独测定时，褐腐菌中的毛状根孢霉引起的总发酵率在玉米秸秆材料培养基上的预处理中最大。不同腐烂真菌构成的组合：白/褐腐菌、褐/软腐菌、白/软腐菌，可以使脱木素作用得到不同程度的增强，黄花菜加黄孢原毛平革菌是当中最好的组合，可以最有效的促进糖化作用。Deepa等[59]研究了褐腐菌的预处理对秸秆降解的作用，结果表明，经过褐腐菌处理过的秸秆产生的葡萄糖含量量比未经处理的高出1.5-2.4倍，而且成本低廉、能耗小以及绿色环保。Sarutha等[60]用褐腐菌对木质纤维生物质进行预处理中，发现木质素酶活性相对较低，而纤维素酶活性明显提高，并检测到大部分的纤维素已经分解，在205nm处出现最高的吸光值，预处理后检测到糖化效率高达52.69%，并产生木质纤维素酶。同时他们认为生物预处理有利于生物量中酶的糖化作用。这些研究表明在木质纤维素的生物降解工艺中使用褐腐真菌具有重要实际意义。2.4新型溶剂体系分离方法近几年，科研人员研发出了新型溶剂体系分离方法，分为离子液体、γ-内戊酯、低共熔溶剂，其相对于传统预处理方法具有更加环保、更高的糖收率和效率。2.4.1离子液体离子液体属于新兴绿色溶剂之一，其表现出低温低压、反应条件温和及热稳定性好的特点。离子液体在有机物或无机物中都体现出优异的溶解作用。离子液体有阴/阳离子液体之分，当通过离子液体降解木质纤维素时，溶液中阴/阳离子的不同会对应植物细胞壁的不同的组分进行分解。阴离子结构对纤维素分离起到关键作用，原因是多聚糖链上的羟基和离子液体的羟基容易结合生成氢键，变相的破坏掉生物质中的纤维素结构，促进葡聚糖的分离。但是在与半纤维素的作用中主要还是离子液体中的阳离子，原因是溶剂阳离子的芳香环容易和木聚糖大分子发生反应。优良溶剂化作用的离子液体作用于植物细胞壁的纤维素和木质素，改性木质素大分子，大部分木质素结构被破坏，扩大植物纤维表面面积，高度选择地溶解其中的纤维素、半纤维素或木质素，实现木质纤维生物质组分的分离，从而更好地分离纤维素-半纤维素-木质素之间的致密连接结构。离子液体与生物质的作用机理很复杂，不是一种两种方法就能说的清的。曾经有人提出了一种利用离子液体溶解玉米秸秆的反应机理，就是在反应初期，离子液体渗透秸秆内部溶解多聚糖和溶解少量的木质素，纤维素最先发生溶解，然后半纤维素发生溶解，等多聚糖从植物细胞壁中脱离以后，木质素才渐渐开始脱除[61]。此机理为以后木质纤维素生物质的离子液体预处理技术提供了研究基础。此外，离子液体经回收处理后可以再利用，只是效率会下降，这将节约经济成本。杨继明等人[62]利用离子液体结合碱处理玉米秸秆原料，预处理过后纤维素收率为97%，木质素去除率为84%。离子液体工艺的效率大大好于其它预处理工艺。离子液体虽然优势大，但是难免也会有很多的弊端，像木质纤维素各组分之间交错连接的复杂结构所形成的屏障，分离破坏掉的组分仍然会有残留和杂质，在接下来工艺会受到限制而不能很好的得到利用。还有离子液体技术存在缺少对于毒性的研究、不容易回收样品、成本相对较高和污染环境等需要攻关的地方。因此，需要再次开发出新型的相容性更好、能够降解的离子液体技术来对保护实施环境。2.4.2γ-内戊酯目前，γ-内戊酯作为绿色有机溶剂在生物炼制领域得到广泛关注，是己聚糖和戊聚糖经化学反应得到的乙酰丙酸中间体，很具有发展前途。γ-内戊酯在水和空气中稳定性好、熔点低、蒸汽压低、水溶性好、无毒和可降解，是极性非质子型溶剂的理想替代物。γ-内戊酯与水以任意比例混合而不形成共沸物，内戊酯是通过生物质降解转化获得，其可能会与纤维素产生酯交换反应，降低酶对纤维素的可及性。预处理后，水解体系中残留的γ-内戊酯并不会对后续酶水解效率，因此利用在预处理工艺，实现生物质的转化。秦玉洁等[63]人报道了一种新的玉米秸秆降解手段，为γ-内戊酯/水体系耦合稀对玉米秸秆预处理，此法中γ-内戊酯既可以作为溶剂，又可以作为反应产物，这一过程能从各个方面生成附加产物，并发现，内戊酯/水体系中酸处理增大了底物的结晶度和表面氧碳比，减少了表面木质素含量，明显分解木质素和半纤维素，制备高附加值化学品。目前针对γ-内戊酯与联合水体系对玉米秸秆进行预处理的报道有限。2.4.3低共熔溶剂法低共熔溶剂称作离子液体类似物，去除木质素高效性引起了人们的极大关注。低共熔溶剂具有热稳定性好、挥发性低、熔点较低、蒸汽压低、溶解度高、燃烧性差和可调节性等。低共熔溶剂预处理法即为氢键受体和氢键供体，相互作用形成氢键的均相透明溶液，氢键供体包括有机酸类、尿素、醇类等，氢键受体包括氯化胆碱和甜菜碱。其比离子液体更加优异的是能够解决成本高、生物降解性差的缺陷。因其制备简单和众多优异性质成为预处理理想介质，因此有关低共熔溶剂的相关工艺使越来越多的人研究。低共熔溶剂之所以能够降解木质纤维生物质的多糖成分，是因为低共熔溶剂能够有效地破坏多糖分子间氢键，从而促进它们溶解。一般采用低共熔溶剂水溶液进行应用，纯的低共熔溶剂粘度高，影响预处理进展。张成武制备了一系列低共熔溶剂进行实验，发现溶剂基本上不溶解微晶纤维素，但是会使微晶纤维素的表面积凹凸不平，增加了纤维素酶的可及性[64]。在苹果酸-脯氨酸的体系下，纤维素溶解度随脯氨酸浓度增加而增加。Yu等[65]制备了低共熔溶剂氯化胆碱-甲酸比例在1:2、1:6，氯化胆碱-乙醇酸比例在1:4、1:6时，纤维素的保留率分别达到87.0%、55.4%、89.7%和47.2%。HOU等的实验表明当低共熔溶剂中的供体中羟基越多，纤维素的保留率就越高[66]。低共熔溶剂受温度影响，温度越高纤维素溶解度越大，木质素去除率越高。种类的不同也会影响溶解度。Xu等[67]制备了氯化胆碱-甲酸的低共熔溶剂处理玉米秸秆，发现其对半纤维素具有高效的去除率，对半纤维素的去除率为66.2%，有利于后续的进程。低共熔溶剂制备简单，可生物降解好和可循环使用，可高效去除木质素且对纤维素的溶解性差，具有突出的工业发展前景。2.5多因素综合预处理无论是传统预处理法还是新型溶剂法预处理，都会存在一定的缺陷，不能完全破坏木质纤维素半纤维素和木质素。单因素预处方法酶解糖收率较高的方法一般还会有很多限制。为了最大程度提高多聚糖的转化率，人们就提出了平行预处理和两步顺序法预处理。以上大多数方法中已经介绍了平行预处理，就是通过两种单因素方法的组合来完善提高糖转化率。而两步法分两步进行，在时间上按顺序排列组合，第一步条件往往较温和，先找选择性处理半纤维素的处理技术，将木聚糖分解回收；在进行第二步对顽固致密结构的木质素的破坏移除。两步法表现出很高的灵活性，通过不同方法的顺序组合，来优化最终工艺结果，使后续纤维素酶解最大化。兰萌等[68]采用酸、碱两步耦合处理法对玉米芯进行原料进行预处理，先进行酸处理，在最佳工艺条件下，半纤维素的脱除率为88.6%，纤维素含量由40.6%上升到63.5%，再酸处理后进行碱处理，在最佳工艺条件下，木质素脱除率为88%，纤维素含量增至74.4%，纤维素保留率达到94，5%。虽然，二步法效率达到最大，但预处理步骤的增加，导致了化学试剂和能量的大量消耗，成本增加。因此，产品高效转化价值和工业成本需要进行调和考虑。结语与展望21世纪作为高速发展的时代，能源制造和环境问题日益成为可持续发展战略的中心问题，许多国家都加快了开发可再生、环境友好的能源，因此采用廉价的玉米秸秆如何高效生产生物乙醇已经成为当前的研究热点之一。随着我国生物乙醇的大力支持和研发，农作物秸秆制备燃料乙醇逐渐必然成为发展的趋势。利用玉米秸秆生产燃料乙醇，解决了秸秆的浪费和污染问题。生产方式很多，但能走出实验室的方法却很少，归根结底还是成本的原因，降低工艺成本仍然是一个难题。虽然我国对生物质燃料乙醇的研究进展