今天我们一起学习木质纤维素原料的预处理方法。

木质纤维素原料的预处理　　

由木质纤维素的组成和结构可以知道，影响纤维素糖化分解的主要因素有木质素和半纤维素的保护作用，纤维素的结晶度、聚合度、有效比表面积、内部孔隙大小及分布等，要直接对纤维素进行糖化水解或生物转化是相当困难的。因此，无论采取何种工艺分解利用纤维素，都必须首先对纤维素原料进行预处理，其目的是降低纤维素的聚合度、结晶度，破坏木质素、半纤维素的结合层，脱去木质素，增加有效比表面积。常用的预处理方法可分为物理法、化学法、物理化学结合法和生物法4大类。　　

物理方法通常有机械破坏、微波或超声波、高能电子辐射等。　
　

（1）剪切和研磨Stuart等[11,12]发明了一种特殊的纤维素浆的高速剪切装置，可有效破坏纤维素与木质素和半纤维素的物理、化学结合，并显著降低纤维素大分子的结晶度，提高比表面积。研磨的方法有球磨、锤磨等，比较有效的是球磨。1946年有人用球磨制得了完全无定形结构的纤维素，但这种结构很不稳定，很快又重新形成晶态结构，这也是机械物理方法常有的弊端。球磨可使纤维素的结构松散和使微纤中和微纤间晶区间存在的氢键断裂[13,14]。使用三轮球磨处理木质纤维素，对糖化反应品质为有效。但存在的问题是，机械处理方法的能耗很高，这无疑增加了生产成本。Daniel等[15]比较了几种研磨方法的能耗，结果表明Hammer磨的能耗比盘磨低，但处理后产物的粒度较大。　
　

（2）微波和超声波　　微波是一种新型节能、无温度梯度的加热技术，应用于染色工业，可以提高纤维素的染色性能。超声波在化学工业中的应用也迅速发展。在超高压条件下，有机酸预处理生物质(如农作物废弃物)过程中，玉米秸秆用微波(4.9W/g)辐射，然后用酶在400℃、pH值5.0，水解72h，糖化率高达98%[16]。　　
化学方法　　这是目前研究较多的手段。主要采用稀酸、碱或氨、次氯酸钠、氧化剂等化学试剂单独或互相结合进行预处理。　
　

（3）碱处理　　碱处理法是利用木质素能溶解于碱性溶液的特点，用稀NaOH或NH3溶液处理生物质原料，使其中的木质素结构破坏，从而便于酶水解的进行。氢氧化钠可以起到脱木素、润涨纤维素的作用。尽管这种处理对提高原料的降解效果较好，但由于氢氧化钠的消耗量大，在碱处理过程中还有部分半纤维素被损失，所以不太适用于大规模生产。近来人们较重视用NH3溶液处理的方法，通过加热可容易地将NH3回收，重复使用。　　Sung等[17]在用氨处理橡木的实验结果表明，与大多数碱一样，氨可以打开木质素与半纤维素之间的连接，部分脱除木质素，从而改变植物纤维的结构。但与强碱不同的是，氨水的处理较为缓和，不会使重要的聚糖化合物大量损失，半纤维素的回收率随氨浓度的增加而增大，木质素的脱除率也随之上升，但纤维素基本上没有损失。另外，通过对预处理产物的酶解实验，发现尽管木质素的脱除率较高，但酶解率仅稍有提高。说明酶解率的提高，与木质素有一定的关系，但并不是关键因素。但也有资料[18,19]表明，对于硬质木质纤维材料，氨处理后，酶解率也有明显的改善。　
　

（4）酸处理　　稀酸预处理通常采用0.3%～1.2%的硫酸，在110～220℃下处理一定时间。由于半纤维素易被水解成单糖，纤维残渣形成多孔或溶涨型结构，从而促进了酶解效果[20]。虽然半纤维素用热水处理时也会溶出，但反应速度远小于稀酸催化剂存在的情况。稀酸的脱木质素作用较弱，0.1%的酸的木质素脱除率只有22%，但半纤维的溶出率高，在酸浓度为0.2%时，酶解率可提高到大于90%，远比氨处理效果好，说明半纤维素的有效溶出比木素的脱除更有利于纤维素的酶解[17]。Carrasco等对9种生物质底物的稀酸预处理进行比较，结果表明，几乎所有实验底物均表现出有利于随后的纤维素酸水解的特点[21]。　　除了无机酸以外，还有人采用有机酸，如甲酸，但作用机理有所不同，甲酸主要是脱除木质素，而不是加速半纤维素的溶出。Baeza以0.3%盐酸为催化剂，用甲酸在90℃常压处理松木底物，可有效分离木质纤维素，纤维素的含量上升，并且结晶度下降，酶解糖化率从25%上升到56%[22]。可用乙酸–硝酸为反应剂溶解和脱除木质素，仅用乙酸不能脱除木质素，为了有效地溶解木质素，必须加入硝酸。乙酸浓度35%和硝酸浓度2%，约80%的木质素可从报纸中脱除[23]。　
　

（5）氧化剂　　氧化法主要是用过氧化氢进行氧化脱木质素的反应，从而达到破坏天然植物纤维的物理结构的目的。pH值是影响反应的重要条件，在碱性条件下，可在80～90℃低温下反应，但在酸性条件下，要达到同样的氧化裂解木质素的效果，就需在130～160℃[24]条件下，Gould等以H2O2为氧化剂，控制pH值在11.2～11.8的范围，可部分脱除木质素，并降低纤维素的结晶度，过程中产生的抑制酶解过程的毒素较少[25]。　　Kazuhiro等介绍了H2O2为氧化剂，Fe2+为催化剂的两步氧化法来处理木质纤维素，获得有机酸等化学物质。通过较强步非催化氧化，一部分木质素转化为甲酸等小分子有机酸，纯纤维素回收率约为22%；第二步催化氧化，小分子有机酸达到纤维原料的33%[26]。为了加强预处理的效果，一些研究者将氧化剂与其他化学试剂结合使用。Sung等将硫酸与H2O2配合用于橡木的预处理[17]。结果表明，随H2O2浓度的增加，半纤维素的溶出率升高，当H2O2浓度为1.6%时，达到90%，相当于0.2%的酸单独处理的效果，但可省去酸中和的步骤。Jun等[27]用氨和H2O2配合预处理两种不同的软木质纤维废料，研究结果表明，单独氨处理(ARP)，氨与H2O2混合(ARP–H)，氨和H2O2按先后顺序处理，均有脱木质素的作用。但ARP工艺处理后，纤维底物的酶解率仅稍许提高了5%，ARP–H工艺，H2O2虽然有助于木质素的脱除，但酶解效果也没有明显改善。先H2O2，后氨处理后，产物的酶解率从41%上升到75%，但纤维素的保留率有所下降。Brownell等[28,29]认为氧化剂H2O2有利于生物酶对软木质纤维底物的水解作用。其他氧化剂还有过乙酸、臭氧、硝酸、次氯酸钠等。　

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