纤维素燃料乙醇预处理技术研究进展

张 毅， 张 宏， 刘云云， 亓 伟， 王忠铭， 袁振宏

（1.陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021； 2.中国科学院广州能源研究所， 广东 广州 510640）

0 引言

随着社会的高速发展， 人们对于能源的需求量日益增加， 使得能源供给成为社会发展的战略性问题。 同时，化石能源的过渡开采和使用，也对生态环境造成了严重破坏。 因此，开发和利用绿色可再生能源成为人们关注的热点[1]。 木质纤维素类生物质是一种分布广、 储量丰富并含有大量可发酵糖的可再生资源， 通过生物化学等方法可以转化为气态、液态和固态燃料[2]。 作为一种绿色生物能源， 以木质纤维素类生物质为原料制备的燃料乙醇受到学者们的广泛关注。 然而，如何低能耗且高效地将木质纤维素类生物质转化为燃料乙醇是当下须要解决的难题。 木质纤维素的主要化学成分包括纤维素， 半纤维素和木质素，3 大组分主要通过分子间和分子内氢键结合， 形成难以破坏的致密结构， 该致密结构严重阻碍了纤维素的乙醇化过程。 因此，木质纤维素原料转化前须要经过适当的预处理，以利于后续的酶解发酵过程。 酶解前对底物进行预处理， 可以打破木质纤维素原有的复杂结构，增大底物的孔隙率和比表面积，提高酶与底物的接触面积，从而提高酶解效率，最终达到提高乙醇产率的目的[3]。 因此，本文将从木质纤维素的结构特性展开， 重点介绍当前主流的预处理方法和体系， 并分析各项木质纤维素预处理技术的特点及研究趋势。

1 木质纤维素的结构

木质纤维素主要由己糖聚合成的纤维素、戊糖聚合成的半纤维素以及芳香族化合物聚合成的木质素3 种组分组成，其结构如图1 所示[5]。从图1可以看出，3 种组分形成错综复杂的三维立体结构，半纤维素和木质素交错缠绕成基质，将纤维素包裹成束嵌入细胞壁中[4]。 在不同种类木质纤维素中，3 种组分的含量有所差别， 通常情况下， 纤维素、 半纤维素和木质素的质量分数分别为40%～50%，20%～30%，20%～30%[5]。

图1 木质纤维素的结构Fig.1 The structure of lignocellulosic biomass

1.1 纤维素

作为细胞壁的主要骨架， 纤维素是由葡萄糖单体经β-1，4-糖苷键连接成的线性大分子，其聚合度可以从几百到一万以上[6]。 纤维素是天然聚合物，具有生物相容性、结构规整性、亲水性等特性[7]。 纤维素大分子由D-葡萄糖基（失水葡萄糖）组成。 图2 为纤维素的结构单元。 从图2 可以看出，每个结构单元上含有3 个游离羟基，由于它们所处的位置和结构不同，具有的化学反应能力也有所差异，可以发生酯化、氧化、醚化等反应。 纤维素分子之间为片层结构，片层结构内部以羟基之间的氢键以及分子间范德华力相连接，使小片段聚集成具有结晶结构的微纤维。 这些平行的微纤维通过链内和链间氢键获得了较强的轴向刚度， 从而使纤维素表现出牢固的机械强度和化学稳定性[8]。

图2 纤维素的结构单元Fig.2 The structure unit of cellulose

1.2 半纤维素

与纤维素的高度聚合及直链结构特性不同，半纤维素是一种聚合度为80～200，分子量远低于纤维素， 且具有一定分支结构的杂多糖高聚物。半纤维素包围在纤维素表面，与纤维素形成细胞壁骨架，同时，半纤维素还是纤维素和木质素之间的连接链。 戊糖（木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖）、己糖（葡萄糖）和糖酸通过共价键、氢键、醚键和酯键聚合成半纤维素[7]。 半纤维素属于无定形结构并且没有结晶区域，所以其物理强度较小，易被稀酸或碱以及半纤维素酶水解成单体组分[9]。

1.3 木质素

木质素是一种疏水的高分子芳香族聚合物，具有三维异质多晶网状结构， 属于多酚化合物。木质素主要包裹在纤维素外层，与纤维素和半纤维素紧密结合，为细胞壁提供较强的支撑，赋予植物细胞壁坚固性，从而形成保护多糖物质的天然屏障。 木质素是由苯丙烷基本结构单元通过醚键和碳碳键连接成的高分子聚合物，苯丙烷单体又可分为愈创木基、紫丁香基和对羟基苯基单元，其结构如图3 所示。

图3 3 种木质素结构单元Fig.3 Three types of lignin structural units

木质纤维素的种类不同， 木质素的结构及组成也有较大的差异，例如，木本植物中的木质素含量高于草本植物中的含量， 紫丁香基单元在硬木中的比例高于其在软木中的比例[10]。

2 预处理方法

木质纤维素转化为乙醇的过程中， 预处理是至关重要的一步。如图4 所示，预处理可以通过解离木质纤维素中的不同成分来破坏原料的天然致密结构，从而达到提高纤维素酶解效率的目的。预处理方法主要包括物理法、生物法、化学法和物理化学法。

图4 预处理过程示意图Fig.4 The diagram of pretreatment process

2.1 物理法预处理技术

物理法预处理技术主要包括机械碾磨和辐射预处理。 机械碾磨法主要应用于其他预处理方法之前，机械碾磨可以破坏生物质的内部结构，降低纤维素结晶度，从而提高后续处理的效率[11]。辐射法包括微波法和超声法。微波的穿透力强，可以作用于底物的内部结构，打破其化学键；超声预处理具有频率高、作用时间短、可改善多糖分子粘度等优点。因木质纤维素致密复杂的结构，单一辐射法效果有限， 一般是将其与其他方法联合进行预处理。 Leopoldo J Ríos-González 使用微波与稀酸结合法对龙舌兰进行预处理， 微波可以在短时间内提高水分子等极性分子的热运动频率， 产生较高热量致使纤维表面膨胀破裂， 纤维素分子结构被打破，从而提高了后续的酶解效率[12]。 Govindarajan Ramadoss 用TiO2和H2O2试剂联合超声波法预处理甘蔗渣， 超声波的声空化效应会促进水裂解释放出自由羟基，强化溶剂对原料的水解能力[13]。物理预处理法的优势在于不会造成环境污染， 处理过程简单，缺点是要消耗大量的电能，预处理成本较高。

2.2 生物法预处理技术

生物法预处理主要是指利用细菌、 真菌和放线菌等微生物产生的降解酶来促进木质纤维素中各组分的降解[14]。 生物法预处理可在温和条件下降解木质纤维素类底物，具有作用范围广泛、适应性强、投资成本和能量需求低等特点[15]，在秸秆类生物质降解方面具有很大优势， 是一种环境友好型预处理方法。然而，生物法预处理技术整体上还处于发展期，当前发现的高效微生物种类较少，并且预处理周期较长，水解速率较低。 此外，目前的单一菌种预处理技术均存在不足之处， 木质纤维素的完全降解还得依靠微生物群落的共同作用[14]。目前，生物法预处理技术研发的重点有两个：一是筛选可以产生高效降解组合酶的菌株； 二是通过基因改造技术对木质纤维素降解菌株进行改造，提高底物降解效果。

2.3 化学法预处理技术

化学预处理技术是利用化学试剂， 对木质纤维素中的一种或几种化学成分进行有效地解聚，具有反应效率高、操作时间短等优点，但是产生的副产物较多。 常用的化学预处理法包括碱法、酸法、有机溶剂和离子液体预处理法。

2.3.1 碱法预处理

碱法预处理是木质纤维素原料最常用的预处理技术之一，在造纸工业中被广泛使用。碱法预处理主要通过OH-离子分解木质素与半纤维素间的酯键， 使天然木质素转变为碱木质素而溶解在碱液中， 从而有效减少其对纤维素酶的吸附作用和空间位阻作用，进而提高底物酶解效率[16]。常用的碱处理试剂有NaOH，Ca（OH）2和氨水等。 有研究表明[17]，碱处理无需很高温度即可达到理想效果，碱的用量会显著影响还原糖产率， 反应温度也会对木质素去除率产生较大影响。 在NaOH 预处理过程中， 预处理底物中的纤维素会在碱液中发生溶胀，木质素被有效去除，但纤维素分子保持原来的基本骨架不变，底物结构变得疏松[18]。 但是，NaOH 作为碱处理试剂的缺点是其价格较高，而Ca（OH）2更为安全可靠且价格低廉，因此常被用于替代NaOH，并且碱液中的Ca（OH）2可以通过CO2进行回收，避免碳水化合物的大量流失。氨水也是一种常用的碱处理试剂， 氨水的弱碱性可有效溶出木质素， 而且氨水可通过与原料中的有机物发生氨化作用，为微生物供应发酵所需的氮源[18]。 常用的碱试剂与H2O2试剂结合使用是碱处理的一个研究热点， 该技术可以更好地增强酶解效果，并且抑制物的生成量较少。 H2O2试剂的加入， 可以使低浓度的碱性试剂在温和条件下达到理想的预处理效果，间接减少了碱性黑液的排放。Zhou Xia[19]探究了碱性黑液循环利用对玉米秸秆酶解速度的影响， 发现碱性黑液在循环使用第3次时，纤维素酶解转化率仍可达到81.53%。 黑液的循环使用极大地降低了能耗和药品浪费， 提高了碱法预处理的经济性。

2.3.2 酸法预处理

酸法与碱法预处理最主要的区别是， 酸法预处理主要是去除生物质中的半纤维素成分， 具有反应效率高、使用方便等优点。酸法预处理包括液体酸和固体酸预处理， 液体酸预处理又可划分为有机酸和无机酸预处理。 最常用的无机酸是低浓度的强酸，如H2SO4，HNO3和HCl 等[20]。 酸法预处理的原理是通过去除底物中大部分半纤维素成分，解构底物的紧密组织，改变表面形貌，提高原料孔隙率，增加纤维素酶与纤维素的接触面积[21]。稀酸预处理后，得到的液相产物主要有木糖、阿拉伯糖、甲酸、乙酸和糠醛等，也会有少部分纤维素和木质素分别降解为葡萄糖和酚类化合物。 有研究表明，酸浓度对半纤维素的降解影响明显，浓度为0.5%～2.5%的稀硫酸能够有效促进葡萄糖向5-羟甲基糠醛的降解；反应温度对半纤维素的降解影响较大，木糖降解为糠醛的最佳温度为170～180 ℃[22]。无机酸处理的缺点是对设备具有较强的腐蚀性，并且对木质素的去除率较低。相比于无机酸，有机酸的酸强度较低、处理过程较为温和，且预处理产物中的低级降解产物较少。 常用的有机酸包括草酸、乙酸、甲酸、柠檬酸等，其中草酸和乙酸对木糖选择性高， 而甲酸对于木质素成分的脱除效果最好。

与液体酸相比， 采用固体酸催化剂对木质纤维素进行预处理具有选择性高、 底物易于分离和对环境污染少等优点。 近年来，包括沸石分子筛、过渡态金属氧化物、 阳离子交换树脂和碳基固体酸在内的固体酸催化剂被广泛地应用于木质纤维素的预处理过程中。 其中， 碳基固体酸具有成本低、制备过程简单、结构易于改变，可制备成多孔状、 纳米管状和石墨烯片状来满足不同的催化需求等优点， 因此被广泛用于木质纤维素的预处理过程[23]。 通过负载在碳基材料表面的酸性官能团-COOH，-SO3H，碳基固体酸可以有效断裂底物中的糖苷键， 提高催化反应的选择性。 Weerasai Khatiya 分别将蔗糖、葡萄糖和木糖作为前驱体制备碳基固体酸催化剂，在水解桉木的实验中，与同等浓度的硫酸处理效果相比， 固体酸处理产生的副产物较少，体现出了固体酸的高选择性[24]。碳基固体酸可以通过加入磁性材料， 赋予碳基固体酸磁性， 以增强催化剂与原料的可分离性。 Qi Wei以微晶纤维素和三氯化铁为原料通过共沉淀法制备了具有磁性的碳基固体酸MMCSA， 该固体酸不仅具有反应高效的特性， 还可以在反应后使用强力磁铁实现催化剂与反应物的高效分离[25]。 为了强化反应体系中的传质效率，Xu Qing 开发了双功能磁性碳基固体酸C350-Cl[26]。 C350-Cl 含有-Cl，-COOH 和-OH 官能团， 其中，-Cl 是一种仿酶类官能团，可以提供与纤维素结合的位点，起到吸附结合的作用，从而提高传质效率；-COOH和-OH 官能团可以更高效地水解各组分之间的连接键。 使用C350-Cl 处理玉米芯，半纤维素去除率最高可达91.7%， 预处理后的玉米芯酶解48 h后，酶解效率达到了90%。

2.4 物理化学法预处理技术

高温液态水预处理法是物理化学法中最常用的一种预处理方法， 该方法的反应温度为160～250 ℃， 反应时间从几分钟到几个小时不等[27]。Govindarajan Ramadoss 指出， 常温水的离子积为10-14，而高温液态水的离子积为10-11，比正常状态高出3 个数量级，这意味着高温液态水中的H+和OH-浓度比正常条件下高出约30 倍，所以高温液态水本身具有酸碱催化作用[13]。 Gabhane Jagdish采用高温液态水预处理稻草， 在最佳预处理条件下， 可去除63.17%的半纤维素和45.84%的木质素[27]。 为了实现半纤维素和纤维素的完全糖化，Qiang Yu 将不同的园林废弃物按不同的比例混合研究互补和协同效应，在最佳水热工况下，木糖的总收率达到了84.3%±4.2%， 预处理底物酶解72 h 后的酶解效率达到了95%，与单一原料相比，混合原料的预处理和酶解效果有了较大提升[28]。 为了提高反应过程中的传质效果，Yu Qiang 提出了变流量水热预处理（SCFLHW）技术，采用流动的高温液态水预处理甜高粱渣， 并分两步改变高温液态水的流动速率， 提高了预处理过程中的传质效果， 与相同反应条件下的传统高温液态水预处理相比，SCFLHW 的总木糖产率提高了20%[29]。 与其它预处理方法相比，高温液态水预处理技术在降低下游水解压力方面（包括产品分离和成本节约）具有明显的优势， 高温液态水预处理技术的缺点是反应过程中能耗比较大[30]，[31]。

不同预处理方法对生物质的降解效果如表1所示。

表1 不同预处理技术对生物质的降解效果Table 1 Effects of different pretreatment techniques on biomass degradation

综上可知：物理法简单便捷，但是预处理效果不理想， 所以一般与其他预处理方法结合使用来提高底物的酶解发酵效果；生物法能耗低，但是处理周期长且降解效率低； 碱法预处理通过溶解木质素， 可减少木质素对纤维素酶的吸附和阻碍作用，但是处理过程会产生黑液处理问题；液体酸预处理可高效去除半纤维素成分， 但是对设备腐蚀严重，固体酸预处理技术的出现解决了腐蚀问题，并具有高选择性和高效性， 但固体酸预处理技术尚处于实验室研究阶段； 物理化学法中的高温液态水预处理是一种环保的方法， 而且对后续处理有明显的促进效果， 缺点是反应过程能耗大。 目前，预处理效果好，成本比较低的新兴预处理溶剂体系成为了研究者们关注的重点。

3 预处理溶剂体系

两相系统一般由水相和有机相或离子液体组成，具有反应条件温和和选择性好等特点，其反应体系大致可分为两类： 有机溶剂体系和离子液体体系。

3.1 有机溶剂体系

与纯水相相比， 有机溶剂体系不仅有利于提高木质纤维素的转化效率， 还可以提高产物的选择性。 溶剂选择的重点是提高反应体系的催化效率并减少溶剂用量， 以降低成本和减少对环境的影响。预处理反应产物的极性差异，使得产物在水中和有机溶剂中的分配系数不同，纤维素、半纤维素以及单糖在水相中的溶解度较高， 而木质素和呋喃等产物更容易溶解在有机相中[32]。目前，常用的两相有机溶剂有丙酮、甲基四氢呋喃（MTHF）、甲基异丁酮（MIBK）、γ-戊内酯（γ-GVL）和醇类等。γ-GVL 与水的溶剂体系被认为是一种非常有效的木质纤维素催化转化反应体系。有研究表明，在较为温和的反应条件下，使用γ-GVL 与水的溶剂体系几乎可以实现木质纤维素中木质素成分的完全解离， 并且反应过程中底物解聚的表观活化能较低且单糖收率高， 有利于在较低温度下生产单糖[33]。近年来，γ-GVL 与水相结合的溶剂反应体系已在桉树、 竹子和玉米秸秆原料的解聚过程中开展应用，这些研究表明，两相体系对半纤维素表现出较强的水解力，并且γ-GVL 能够很好地溶解原料中的木质素组分[34]。

糠醛是木质纤维素预处理过程非常容易产生的一种平台化合物，由半纤维素水解成木糖，木糖再经脱水形成， 其在橡胶和石油等领域有着广泛的应用。当γ-GVL 与水的溶剂体系的反应温度高于170 ℃时，糠醛的产出量明显升高。 Xu Zhiping在γ-GVL 与水的溶剂体系中对木糖和木聚糖脱水制备糠醛的反应进行了研究，研究结果表明，木糖催化脱水生成糠醛时，对γ-GVL 溶剂具有较强的依赖性[33]。 由于MTHF 在酸性环境下具有较好的稳定性，且其和水具有高度的不混溶性；此外，MTHF 的沸点约为80 ℃，与水和预处理产物的沸点相差较大，可以通过简单的蒸馏方法进行分离，因此，MTHF 也是构建预处理溶剂体系的较好选择[35]。 Mazzotta Michael G 开发了以TiO2材料为前驱体， 含有布朗特酸位点和路易斯酸位点的多孔磺化碳质固体酸Glu-TsOH-Ti，并在MTHF-水的两相体系中进行催化果糖、 葡萄糖和纤维二糖脱水制备5-羟甲基糠醛以及木糖脱水制备糠醛的研究，研究结果表明，以MTHF 作为萃取相，可及时对生成的糠醛进行萃取，防止进一步降解，从而提高糠醛产率[35]。Wang Qiong[36]在甲苯与水的两相体系中处理玉米芯， 获得了较高的糠醛收率（65.67%）。 该研究采用极低的水固比，不仅提高了糠醛收率，而且甲苯相中的糠醛纯度较高，利于后续糠醛的分离和纯化，降低了回收成本。

3.2 离子液体溶剂体系

离子液体（ILs）是由阴离子和阳离子组成的有机盐，具有较好的热稳定性和化学稳定性，同时具有结构可调等优点，是一种良好的绿色溶剂[37]。ILs 能够通过破坏木质纤维素中的氢键网络促进疏松多孔结构的形成， 提供更多的纤维素酶接触位点， 克服了木质纤维素难以与催化酸位点接触的问题，因此，ILs 被用作木质纤维素溶剂。部分离子液体对木质纤维素具有很好的溶解性， 如基于咪唑阳离子合成的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基乙酰咪唑乙酸酯、1-乙基-3-甲基醋酸咪唑离子液体。 深度共熔溶剂（DES）是由氢键受体和氢键供体在130 ℃以下以合适的比例混合形成的低温共熔混合物， 属于特殊的离子液体[38]。氢键受体和氢键供体之间存在的强氢键，可以打断半纤维素和木质素间的氢键和醚键，从而使DES 表现出对木质素的高效去除能力[39]。Kumar Narendra 研究甲酸+氯化胆碱溶剂降解甘蔗渣的能力时发现， 基于氯化胆碱的氢键受体以及基于半纤维素衍生酸和氢离子的多个氢键供体将形成原位多氢键深共晶溶剂 （DES），DES 在较低的反应温度下不仅能去除木质素， 还能很好地保留纤维素[38]。Zhikun Wang 开发了一种由CHCl、甘 油 和 路 易 斯 酸 （AlCl3，FeCl3，FeCl2，ZnCl2和CuCl2）构成的三元有机体系，利用其预处理杂交狼尾草，可以产生高纯度和抗氧化的木质素。该三元体系脱除木质素的效果高于二元体系， 特别是AlCl3，FeCl3和CuCl2的使用， 极大地提高了脱木质素的效果，木质素脱除率可达85%[40]。

不同预处理溶剂体系对生物质的降解效果如表2 所示。两相体系中，有机溶剂体系提取的各组分的纯度较高，且其对设备腐蚀较小。 目前，比较热门的有机体系是γ-戊内酯/水体系和甲基四氢呋喃/水体系。离子溶液体系具有较好的热稳定性和化学稳定性，是今后的发展方向，但是成本仍较高，有待进一步研究。

表2 不同预处理溶剂体系对生物质降解的效果Table 2 Effects of different pretreatment solvent systems on biomass degradation

4 结语

世界各国对生物质预处理技术的研究已开展多年， 虽然现有的预处理技术已取得较大的进步和较为理想的预处理效果， 但是距离实现工业化应用还有一定的距离， 所存在的问题主要体现在处理过程能耗高、 处理过程复杂和目标产物收率低等方面。随着绿色化工概念的深入人心，开发环保高效的预处理方法势在必行。 两相溶剂体系因其高效的分离效果和温和的反应条件是学者们关注的重要研究方向。 通过对现有预处理技术的不断改进，以期获得目标产物收率高、过程能耗低和废液产生少的高效预处理方法， 是实现木质纤维素燃料产业化的关键。另外，木质纤维素预处理是一个复杂的过程，涉及到化工、生物化学和热能工程等相关领域的知识。因此，形成优势互补的交叉学科研究模式并且对深层次的机理机制问题进行详尽地阐述，是未来的关注热点。