竹子作為能源材料應用
2021-06-28
竹子作為能源材料應用
竹子具有可再生性強、生長周期短且富含纖維素、半纖維素，是生產乙醇的重要潛在原料之一。目前有關木質纖維素乙醇的研究主要圍繞原料預處理、酶解、發酵三大關鍵步驟進行，其中原料預處理的能耗和效率問題是該工藝的重要制約因素。本文在綜述國內外木質纖維素乙醇原料預處理的基礎上，著重分析了竹材的化學組成和結構以及各種竹材預處理的優缺點。包括機械粉碎法能耗大，蒸汽爆破法對設備的要求高，化學方法易造成環境污染，生物方法生產周期長、效率低，離子液體優點明顯但需要更深入的研究。提出采用不同預處理工藝聯合使用，以期達到優勢互補的目的。
竹材與木材、秸稈等其它木質纖維素材料的化學成分主要是纖維素、半纖維素和木質素，但其各自的含量不同。竹材中的纖維素和木 質素含量均比秸稈中的高。秸稈結構松散，比較容 易加工處理。而竹材與木材、秸稈相比，具有密度 大、硬度高和強度好等特點，再加上竹材特殊的化學結構，使得竹材比木材、秸稈難于處理。例如秸稈可以采用低壓無污染蒸汽爆破技術，無需添加任何化學藥品，只需控制秸稈的含水率即可分離出80% 以上的半纖維素，且使秸稈纖維素的酶解率達到90% 以上。而竹材的蒸汽爆破處理的壓力和溫度遠比秸稈的要高。
1、竹材制取生物乙醇的預處理
竹材生產乙醇的基本工藝同其它木質纖維素生產乙醇一樣，分為預處理、水解、發酵和純化等四部分。由于木質素、半纖維素對纖維素的保護作用以及纖維素本身的結晶結構，天然纖維素原料直接進行水解時，其水解程度很低。因此為了提高糖化速度，必須對纖維素進行一定的預處理。預處理的目的是去除阻礙糖化和發酵的竹材內在結構，粉碎木質素對纖維素的保護，破壞纖維素的晶體結構，增大生物酶與纖維素的接觸面積，并取得良好的水解效果。
預處理過程是竹材生產乙醇能否工業化的關鍵步驟，是整個生產過程中最昂貴的步驟之一，對其之前的原料尺寸處理和其之后的酶水解與發酵過程都有很大的影響，如預處理效果好，水解過程中酶用量就少，并且無須使用成本較高的酶 。此外，水解過程產生的一些酸、醛等也會影響發酵過程中微生物的活性。因此，選擇適當的預處理工藝是竹材生產乙醇首先要解決的重要問題。一般預處理方法應滿足以下要求：
①有利于提高生物酶水解過程的糖化率；
②避免碳水化合物的降解或損失；
③避免生成對后續酶水解或發酵有害的副產物；
④經濟環保可行。
2、預處理方法歸納起來包括物理法、化學法和生物法
2.1物理方法預處理
機械粉碎是木質纖維原料預處理的常用方法，用球磨、碾磨將纖維素物質粉碎、使顆粒變小，降低結晶度，對處理高結晶度和高度木質化的材料都有較高的容積密度，有利于增加酶反應的基質濃度，提高酶的作用效率。在機械粉碎預處理的方法中，以球磨（振動球磨）的效率最高，高溫下研磨比在低溫下研磨的效果更好，如果研磨時加入少量木質素溶劑或膨脹劑亦可以提高研磨的效果，機械粉碎預處理法能耗大，粉碎處理的能耗占糖化過程總能耗的一半以上。粉碎所需動力大小主要是由粉碎粒度的大小和材料本身的性質決定 。對于竹材這種密度大、硬度高的材料來說，機械粉碎的能耗會更大。因此一般不建議直接采用機械粉碎法預處理竹材。
另外，蒸氣爆破法也研究得較為深入，蒸氣爆破處理法是將原料先用150～240 ℃的水蒸汽處理適當時間（30 s ～200 min），在蒸煮的過程中發生水解反應，然后立即降至常壓，原料的內含水閃蒸時產生巨大的爆破力、摩擦力與碰撞力，使纖維原料爆破成碎渣，孔隙增大，連同水蒸氣一起從反應釜中急速放出。結果使得纖維素結晶度降低，半纖維素分解為溶于水的低聚物，物料中的纖維素含量相對有所增加。部分木質素小分子化，可以通過水洗而除去如在243 ℃、35 atm 下（1 atm=10 5 Pa）， 反應時間 5 min 蒸氣爆破毛竹，可使葡萄糖收率達到42.6% ，總還原糖達到 48.8% 。用二氧化硫進行蒸氣爆破預處理有酸催化的特點，二氧化硫的加入能催化水解半纖維素。以3%的二氧化硫在200 ℃下處理巨竹 6 min ，可以有效的水解半纖維素且副產物的量很少，預處理后進行酶水解可使 75% 的葡聚糖轉變為葡萄糖 。和機械粉碎法相比，蒸氣爆破能耗低。該方法的不足之處是設備的要求高，工業化生產中耐高壓容器的制造還是有一定困難的。另外，在高溫條件下由于部分木糖的變性會產生糠醛等有害物質，對接下來的酶水解和發酵過程有抑制作用。
2.2 化學方法預處理
通常采用酸、堿、次氯酸鈉、臭氧等試劑進行木質纖維原料的預處理，其中以氫氧化鈉和稀酸預處理研究得較多。堿預處理操作簡便，設備要求較低，用堿處理木質纖維素材料可顯著提高酶解效率。常用氫氧化鈉和石灰，氫氧化鈉可以使分子間鍵皂化，脫去木質素，促進纖維素的化學膨脹。用1% NaOH 120 ℃處理1 h ，能脫去 80% 以上木質素，因而有較強的脫木質素和降低結晶度的作用 。但是脫除木質素的同時，半纖維素也被分解，而且是以大分子的形式而不是以單糖的形式進入溶液，不能被微生物利用，因而這部分的半纖維素被浪費了。堿處理的另一缺點在于氫氧化鈉成本較高且不易回收，產生的廢液會造成環境污染。 另外，很多學者開始關注過氧化氫預處理各種木質纖維原料的研究，并證明過氧化氫預處理可以顯著提高纖維素酶解效率 。在 90 ℃下，用 1% 的過氧化氫和 1%的氫氧化鈉處理毛竹 1 h，葡萄糖 收率達到 39.9% ，總還原糖達到 56.8%。 與氫氧化鈉相比，氨的成本相對較低，若采用適宜的方法可以實現氨的循環使用。而且氨處理去除木質素的效果相對較好，經處理后50% ～ 55% 的木質素被脫除，同時半纖維素也去除了一 部分。由于在纖維物料酶水解過程中，木質素能阻止酶分子對纖維素的進攻，從而降低了反應速率，而適當濃度的氨可脫去大部分木質素但保留大部分半纖維素，這樣既可消除酶解的主要障礙，又能使纖維素和半纖維素得到充分利用 。目前未見以氨來預處理竹材提高酶解效率的相關報道。在酸預處理竹材研究中，分為酸直接水解糖化和酸預處理后酶水解糖化。酸直接水解法有以竹加工剩余物竹簧為原料，兩步法硫酸水解竹加工剩余物，第一步 50 ℃，第二步 100 ℃，20% 硫酸濃度，水解時間 1 h，還原糖得率 80.14% 。竹簧是竹材在機械加工過程中的主要廢棄物，竹簧大多為細小的單體，其中糖類的提取比整竹材要容易很多，在硫酸質量分數 3.5%、反應溫度 100℃下反應2.5 h，戊糖得率72.61%，總還原糖收率48.8% 。
稀酸預處理通常采用 0.3%～1.2%的H2 SO 4，在 110～220℃下處理一定時間，其中半纖維素被水解成單糖，主要以木糖的形式進入溶液中，殘余物形成多孔或溶漲型結構，從而促進了酶水解，但木質素依然保留在固體殘渣中，所以經處理后，剩余物料中半纖維素含量顯著減少，而纖維素和木質素的相對含量有所增加。木質素的增加對后續步驟會有一定的不良影響。稀酸處理還可使纖維素的平均聚合度下降，反應能力增大，有利于酶解的進行。此外，稀酸處理后所得的處理液中含有大量的木糖，可用來進行微生物發酵轉化為其它產品，因而這部分被降解的半纖維素也可以得到經濟合理的利用。
2.3 生物方法預處理
近年來，關于選擇分解木質素的微生物或酶進行纖維素預處理的研究比較多。這些研究首先于對木材腐敗菌的認識。木材腐敗菌按木材被腐朽菌分解后的顏色和形態分為：白腐和褐腐。木材遭受白腐菌侵染，主要分解利用木質細胞壁中的木質素，僅留下纖維素，朽材比健康材色淺，呈灰白色或淺黃白色或淺紅褐色，露出纖維狀結構，叫白腐。但實際上，隨后研究發現白腐菌實際上 可以降解所有細胞壁組成部分（纖維素、半纖維素和木質素）。木材遭受褐腐菌侵染，主要分解利用木質部的纖維素，木質部殘留下來主要是木質素，顯示紅褐色或棕褐色，叫褐腐。在褐腐過程中，由于木材成分較大的纖維素很快被分解掉，所以褐腐在初期就很快引起木材質量的減少和強度下降。木質素分子是一個高度復雜的多聚物，其單體和排列順序是多種多樣的，與多聚糖結合牢牢地固定在次生胞壁和細胞間隙中。能夠利用和分解木質素的真菌主要是白腐菌。例如，白腐中木質素含量在腐朽的發生發展中一直降低，而褐腐基本上沒有木質素含量的減小。白腐菌在大多數微生物中獨具解聚和代謝木質素的能力。許多研究表明，不同的白腐菌對木材主要成分的降解順序和降解速 率不同，白腐菌對木質素的降解，依賴一些酶的產生和分泌。這些酶共同構成白腐菌木質素降解酶系 統或木質素修飾酶系統。這一酶系統的主要組分，或束縛在細胞壁上，或分泌在胞外；它們各有分工，又協同作用，為白腐菌獨特的生物降解能力提供基礎 。其主要組分有木質素過氧化物酶（Lip）、錳過氧化物酶（MnP ）、過氧化氫酶、以及其它如漆酶（Lac）等。利用這類真菌可以降解纖維原料中的木質素，從而提高纖維素的酶解效率。目前研究較多的是白腐菌中的彩絨革蓋菌（Coriolus versicolor ），以此來預處理毛竹，20 ～30 天預處理后可使還原糖的收率提高至12.9% ～13.5% 。另外，利用分離的酶進行預處理比直接利用微生物更加困難，因為無細胞的木質素降解酶可能是酶和輔酶的復雜混合物。
生物預處理方法條件溫和，能耗低，無污染，但通常處理的時間周期較長，而且許多白腐真菌在分解木質素的同時也消耗部分纖維素。生物技術的最新進展是對真菌基因展開研究改變其基因型使其為人類服務，其中對白腐菌進行遺傳改良，將有助于拓展生物方法預處理的實際應用。
2.4 新興的預處理方法
近十年來，離子液體作為一種新興的環境友好的綠色溶劑和催化劑應用于許多化工過程，引起了研究者的廣泛關注。離子液體具有許多優點，使其成為新興的“綠色溶劑”，是替代傳統易揮發、污染環境的有機溶劑的最佳選擇。這些優點有：液態范圍寬，溶解范圍廣；蒸氣壓低，因此不易揮發；不易燃燒，無特殊氣味；熱穩定性好，可回收利用；酸堿性可調；通過調節其陽離子和陰離子成分，可改變其密度、黏度、極性及折射率等物理性質。最近，室溫離子液體被用于溶解一些天然聚合物，如纖維素、淀粉及木質素等。利用這一方法對生物質原料進行預處理，可以避免高溫和化學預處理過程中產生的發酵抑制物；同時，由于離子液體的成分可以調節，針對不同的生物質，可以有針對性的配置不同的離子液體，以達到最佳預處理效果； 利用離子液體的不易揮發性，可以用水或乙醇等溶劑回收離子液體，同時這些溶劑也可回收再利用。Dadi等對用氯化1- 丁基-3-甲基咪唑（[C4mim]Cl）離子液體處理過的纖維素進行了糖化反應的研究，結果表明，離子液體預處理可以促進后續的水解過程，酶水解速率是未處理時的50倍以上。此外，在室溫離子液體中，糖類可以進行一系列的化學和酶反應。
2.5預處理發酵抑制物的產生
木質纖維原料水解液中常含有纖維素和半纖維素的降解產物和一些中和形成的鹽類，如糠醛、5- 羥甲基糠醛（HMF）、甲酸、乙酸、鈉鹽和硫酸 鹽等。其中乙酸、糠醛等對酵母發酵具有較大的抑制作用。乙酸、甲酸等可以通過抑制酵母的呼吸來減弱酵母的發酵能力。呋喃醛類化合物對釀酒酵母的影響主要是抑制酵母生長，使延滯期增長，降低乙醇得率和產量，其抑制作用程度取決于其濃度以及菌株的遺傳背景等。因此有效的預處理方法應該盡可能減少這些酵母抑制物的產生研究了乙酸、甲酸和乙酰丙酸對釀酒酵母乙醇發酵的影響，研究結果表明低濃度的弱酸（<100 mmol/L）可以增加乙醇得率，而在高于這一濃度時，乙醇得率則會降低。目前有關竹材預處理發酵抑制物的研究較少。SO2蒸氣爆破預處理巨竹時抑制物的生成量為糠醛 0.3%，5-羥甲基糠醛0.1%和乙酸 1.3%。抑制物的量不大，對酵母的乙醇發酵影響不大。功能化酸性離子液體可根據反應的需要改變陰、陽離子，使其具有酸性可調性，并且酸性位密度高、酸強度分布均勻、酸性不易流失，更有利于離子液體的循環使用。
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