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棉花秸秆生产燃料乙醇的预处理技术研究概述摘要乙醇是一种很有希望替代有限石油的燃料。
我国目前燃料乙醇生产的主要原料是陈化粮，但我国陈化粮可用于燃料乙醇生产的量十分有限。
棉花秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素和其它灰分等组成，经过预处理、发酵和脱水可生成燃料乙醇，在能源急剧短缺的今天，丰富而又可再生的棉花秸秆已经备受关注。
纤维质材料的预处理是转化乙醇过程中的关键步骤，该步骤的优化可明显提高纤维素的水解率，进而降低乙醇的生产成本。
本文总结了纤维质材料预处理的各种方法，对各种方法的优缺点进行了综述和分析，并对生物质预处理技术发展的前景进行了展望。
关键词：棉花秸秆；预处理；生物乙醇RESEARCH ON PRETREATMENT OF COTTON STALK FORBIOETHANOL PRODUCTIONABSTRACTEthanol is promising alternative energy source for the limited crude oil. Ethanol mainly comes from aged grain in our country.However, the aged grain which is used to produce ethanol is lim-ited. Cotton stalk is composed of cellulose, hemicellulose, lignin and solvent extractives. Ethanol can be obtained by pretreatment, fermentation and dehydration of cotton stra-w. In the current circumstances of energy shortage, abundant and renewable cotton str-aw has caused widespread concern.Petreatment, the critical technology for transformation of lignocellulosic materials to ethanol, can significantly enhance the hydrolysis of cellulose, and then reduce the cost of ethanol production. Progress in research and development of pretreatment is re-viewed in this paper, and the advantages and disadvantages of different methods of pretreatment a-re summarized and analyzed in detail. The prospect of pretreatment is also discussed.KEY WORDS: Cotton stalk; Pretreatment; Bioethanol第一章文献综述1.1 前言能源是当今社会赖以生存和发展的基础。
生物质能转化技术的进展能源是人类社会发展的重要物质基础，随着传统化石能源的逐渐枯竭以及环境问题的日益严峻，寻找和开发可持续的、清洁的新能源成为了当今世界的紧迫任务。
生物质能作为一种可再生能源，具有来源广泛、储量丰富、环境友好等优点，其转化技术的研究和发展备受关注。
生物质能是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。
生物质能的储存形式多样，如木材、农作物秸秆、畜禽粪便、生活垃圾等。
这些生物质资源可以通过不同的转化技术，将其转化为有用的能源形式，如热能、电能、生物燃料等。
目前，生物质能转化技术主要包括直接燃烧、热化学转化和生物化学转化三大类。
直接燃烧是最古老也是最常见的生物质能利用方式。
通过将生物质直接在炉灶、锅炉或壁炉中燃烧，产生热能用于供暖、炊事或工业生产。
然而，这种方式的能源利用效率较低，且容易造成环境污染。
为了提高燃烧效率和减少污染，现代的生物质直接燃烧技术通常采用先进的燃烧设备和尾气处理装置，如流化床燃烧炉和生物质气化联合循环发电系统等。
热化学转化技术主要包括气化、热解和液化。
生物质气化是在一定的温度和气化剂（如空气、氧气、水蒸气等）的作用下，将生物质转化为可燃气体，主要成分包括一氧化碳、氢气、甲烷等。
这些可燃气体可以用于发电、供热或作为化工原料。
生物质热解则是在无氧或缺氧的条件下，将生物质加热到一定温度，使其分解为生物油、炭和可燃性气体。
生物油可以进一步提炼为燃料油或化工产品，炭可以用于土壤改良或作为燃料，可燃性气体可以用于发电或供热。
生物质液化是将生物质在高温高压和催化剂的作用下，转化为液体燃料，如生物柴油和生物乙醇等。
生物化学转化技术主要包括发酵和厌氧消化。
发酵是利用微生物（如酵母菌）将生物质中的糖分转化为乙醇。
这种乙醇被称为生物乙醇，可作为汽车燃料与汽油混合使用。
然而，生物乙醇的生产受到原料供应和生产成本的限制，目前主要以粮食作物（如玉米、小麦）为原料，存在着“与人争粮”的问题。
木质纤维素预处理方法的研究进展摘要:概述了几种比较实用的木质纤维素预处理技术,总结了各种预处理技术的方法､原理以及优缺点,进而对木质纤维素预处理方法的发展前景进行了展望｡关键词:木质纤维素;预处理方法;研究进展Research Advances of Pretreatment Technology of LignocelluloseAbstract: Some practical pretreatment technologies of lignocellulose were briefly introduced, including the main methods, principles, advantages and disadventages. And the development prospect of pretreatment technology of lignocellulose was put forward.Key words: lignocellulose; pretreatment method; research progress随着世界经济的不断发展和石油资源的日益消耗,开发更加长久有效的能源是各国面临的一个巨大难题｡作为一种可再生能源,生物质能源是中国能源可持续发展的必然战略选择之一｡利用木质纤维素生产生物乙醇､丁醇等生物质燃料是生物质能源开发的重要内容｡我国天然纤维素原料非常丰富(包括农作物秸秆､林业副产品､城市垃圾和工业废弃物等),利用生物技术分解和转化木质纤维素既是资源利用的有效途径,对于解决环境污染､食品短缺和能源危机又具有重大的现实意义｡1 木质纤维素的结构木质纤维素是指以纤维素､半纤维素和木质素为主要成分的原料,3种成分在植物原料中的含量分别为35%~50%､15%~25%和15%~30%｡纤维素是聚合度在 1 000~10 000的葡萄糖的线性直链聚合物,由结晶相和非结晶相交错形成,结晶相结构致密,阻碍纤维素的分解｡半纤维素结构较纤维素简单,主要是由木糖､阿拉伯糖等戊糖及少量的葡萄糖､甘露糖和半乳糖等己糖形成的直链或支链聚合物,在适宜的温度下易于溶解在稀酸溶液中并降解成单糖｡木质素是一种由苯丙烷结构单体组成的具有复杂三维结构的芳香族高聚物,在植物结构中发挥胶粘作用,将纤维素和半纤维素紧密结合在一起,增大茎秆的机械强度,起到木质化作用,阻碍微生物对植物细胞的攻击,同时减小了细胞壁的透水性｡纤维素和半纤维素作为可酵解糖类,占原料总重的65%~75%[1]｡2 预处理的目的木质纤维素的转化利用可分为原料预处理､酶水解和糖发酵3个阶段,主要的技术瓶颈在于预处理技术不够成熟以及纤维素酶活性较低,造成生产成本过高｡通过原料的预处理,可以破坏纤维素的结晶结构,降低木质素的聚合度,提高木质纤维素材料的多孔性,增加酶与底物的接触面积,从而提高酶解的效率,达到节约时间和降低成本的目的｡好的预处理应满足以下4个条件:①有利于提p 3.1.1 机械粉碎法通过机械削切和研磨分别将木质纤维处理成粒径为10~30 mm和0.2~2.0 mm的颗粒,可有效降低木质纤维素的结晶度和消化效率[2]｡震动球磨技术能比普通球磨技术更有效地降低木质纤维素的结晶度和消化特性｡相对来说,机械粉碎耗时长､耗能高,造成预处理成本太高,无法在工业化生产中广泛使用[3]｡3.1.2 蒸汽爆破蒸汽爆破是当今应用最为广泛的木质纤维素预处理技术｡通过将经高压饱和蒸汽溶解的木质纤维素瞬间降压,达到破坏木质纤维素结构的目的｡通常认为,半纤维素被爆破过程中产生的醋酸和其他的有机酸所溶解,从而导致纤维素暴露出来,增大了微纤维与酶的可及性｡木质素的含量变化不大,只有小部分被溶解,但是在溶解过程中木质素发生解聚/再聚合反应,从而使木质纤维素的表面结构发生变化｡瞬时爆破使样品得以破碎降解,从而增大了反应的可接触面积,这些因素都能够提高纤维素的水解效率｡影响蒸汽爆破处理效果的因素主要有以下几方面:压力保持时间､温度､颗粒的粒径大小和含水量｡高温短时处理(270 ℃､1 min)或者低温长时间处理都能够使半纤维素达到最大程度的溶解｡相对于机械粉碎,蒸汽爆破法可以节省大约70%的能量,同时对环境不产生污染｡近几年来,通过加入各种催化剂(酸或碱)或者改换不同的蒸汽介质(如氨水),发展出许多新型的爆破技术,有效推动了预处理技术的发展,使蒸汽爆破成为最接近商业化应用的预处理方法｡大量不同种类的木质纤维素预处理试验证明了蒸汽爆破技术的可行性,其使用规模也在不断扩大｡加拿大的Iogen工厂已经建立了一套利用该技术处理木质纤维素的中试装置｡尤其在阔叶树木及农作物秸秆的处理方面,蒸汽爆破法被看作是最具有经济价值的预处理技术[1]｡蒸汽爆破法的局限主要包括半纤维素的分解､木质素的不完全降解以及在处理过程中产生的对于后续酶水解和发酵有害的物质｡因此,需要用大量的水冲洗预处理产物以去除这些有害物质｡但冲洗的同时带走了可溶性的糖,其中包括一大部分的可溶性半纤维素,降低了总的糖产量｡3.1.3 超临界水处理超临界水处理是指利用处于超临界状态(T>374.2 ℃､P>22.1 MPa)的水处理木质纤维素的方法,通常与亚临界水解技术联合使用｡在临界点(T=374.2 ℃､P=22.1 MPa)时,水的溶剂化能力突然增强,电离程度增大,可有效打破木质素的包裹作用同时降低纤维素的结晶度,使纤维素可以很容易地溶解在超临界的水溶液中,并且迅速分解成低聚糖,低聚糖进而快速分解成葡萄糖｡阳金龙等[4]研究了该技术在玉米秸秆预处理中的应用,将40 mg玉米秸秆和2.5 mL水置于380~400 ℃的密闭容器中反应15~35 s,然后对产物进行分析｡结果表明,玉米秸秆在388 ℃的超临界水相中,经21 s的反应时间后,低聚糖转化率和可检测转化率最高,分别为24.1%和43.6%｡相对于传统预处理技术,超临界水处理具有反应时间短､水解效率高､资源和环境成本低等优点,但是作为一项新兴技术,其理论研究相对不足,尚无法解决葡萄糖分解产物较多､副产物成分复杂､发酵糖产量较低等问题｡3.2 化学法化学法是用碱､酸､有机溶剂等预处理木质素､纤维素的方法,主要目的是破坏细胞壁中半纤维素与木质素之间的共价键,破坏纤维素的结晶结构及纤维素与木质素的连接键,从而提高秸秆的消化率｡3.2.1 酸处理酸处理是利用稀酸､浓酸和无水有机酸等酸性物质水解秸秆中纤维素的方法｡酸处理可大致分为无机酸处理和有机酸处理｡无机酸处理主要作用是使半纤维素变成单糖进入溶液中,增大试剂与纤维素的接触面积,提高可及度｡预处理后的原料中木质素含量基本不变,半纤维素含量变少,纤维素的含量和聚合度有一定程度的下降｡Silverstein等[5]研究了硫酸､氢氧化钠､过氧化氢和臭氧在不同条件下预处理的效果｡结果表明,这几种物质都能够明显降解木质素或者提高单糖得率,而硫酸预处理时半纤维素降解率最高,在121 ℃､0.1 MPa､2% H2SO4､90 min的条件下,木质素降解率为95.23%,但是对后续的纤维素水解影响最大,葡萄糖的转化率最低,为23.85%｡唐锘[6]在研究中发现,稀硫酸预处理方法对秸秆各组分降解率最高,在最适水解条件(0.7%稀硫酸､121 ℃､1 h)下,半纤维素､纤维素､木质素的降解率分别为46.15%､43.75%和50.00%｡有机酸处理原理与无机酸相似,主要是使原料中半纤维素和木质素溶解,降低二者在原料中的含量,一般在使用时增添无机酸作为催化剂｡但是,相对于无机酸,有机酸对容器的腐蚀性小,对后续水解过程的毒性低,具有更大的发展潜力｡3.2.2 碱处理常见的碱处理试剂有氢氧化钙､氢氧化钠､碳酸氢钠或者过氧化氢等｡秸秆碱化的原理在于氢氧根阴离子能削弱半纤维素､纤维素之间的氢键,打开木质素和半纤维素之间的醚键,皂化木质素和半纤维素之间的酯键｡碱处理能够使木质素发生降解以及降低纤维素的结晶度｡Silverstein等[5]用2%的NaOH 处理棉花秸秆,能够明显去除秸秆中的木质素､提高纤维素的转化率｡Wang等[7]研究了百慕大海草在不同浓度的氢氧化钠预处理后结构和物质的变化,结果发现,在NaOH浓度大于或等于1%的情况下,30 min的处理时间可以起到明显的去木质化的作用｡在整个处理过程中,纤维素的去除率变化很小(在10%之内),而半纤维素的去除率随着NaOH浓度的增大而增大,而且效果明显｡碱处理是现在人们普遍采用的方法,但是在用碱处理秸秆时除溶解掉一部分木质素外,也使部分半纤维素被分解,损失较大,同时与用酸处理相同,用碱进行预处理也存在着试剂的回收､中和以及洗涤等问题,这些问题都不可避免地会造成环境污染｡随着技术的发展,酸或碱处理通过与其他的物理或者化学方法(包括球磨法､蒸汽爆破､微波或者氧化技术)进行组合,将形成一些更有效的预处理方法｡3.3 生物方法微生物方法预处理被认为是目前最有前途的一种处理手段,它具有对环境无污染､降解率高､用途广､周期短､可再生､成本低等优点,能提高秸秆的综合利用效率,利于可持续发展｡微生物法主要利用菌类产生的一些酶来降解木质素和半纤维素,而对纤维素的降解作用较小｡目前常用的真菌有白腐菌､褐腐菌等,如黄孢原毛平革菌､彩绒革盖菌等,利用这些真菌产生的木质素分解酶系来对物料进行分解｡Kurakake等[8]对城市垃圾中办公室用纸采用两种菌株(Sphingomonas paucimobilis 和Bacillus circulans)进行混合预处理,然后再用酶水解｡研究表明,混合菌株生物预处理技术能够有效提高废弃办公用纸的酶水解率,糖回收率可达94%,预处理效果显著｡参考文献[1] 波吉特K,帕特里克R G,迈克K. 生物炼制——工业过程与产品(上卷)[M]. 马延和,译. 北京:化学工业出版社,2007. 160-166.[2] SUN Y, CHENG J. 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木质纤维素的制备和应用木质纤维素是一种重要的生物质资源，在许多工业生产中具有广泛的应用。
本文将介绍木质纤维素的制备过程以及其在不同领域的应用。
一、木质纤维素的制备1. 原料木质纤维素的主要原料是木材，特别是软木、松木、云杉等树种。
其中软木是一种非常优质的原料，因其硬度适中，分布广泛，且易于加工，在生产中被广泛使用。
2. 制备过程（1）去皮：将原木去皮，主要目的是减少生产过程中的污染物。
（2）磨碎：将去皮后的原木进行磨碎，磨成直径约为2-5毫米的小块。
（3）蒸煮：将小块木料放入蒸煮锅中，加入蒸汽进行蒸煮。
蒸煮的目的是将木材中的木素和半纤维素分离出来，形成可转化的纤维素。
（4）碱液处理：将蒸煮后的木块加入碱液中进行处理，分离纤维素。
碱液处理的目的是将木材中的木素、半纤维素以及一些细胞壁材料分离。
通常使用的是钠水硝酸、氢氧化钠等碱性物质。
（5）高温高压处理：将纤维素放入高压反应釜中，在一定的温度和压力下进行反应。
这个过程主要目的是增加纤维素的纯度和结晶度。
二、木质纤维素的应用1. 纺织品木质纤维素具有优良的机械性能和化学稳定性，可以用于制作纺织品。
例如，可以用纤维素制作生物降解的塑料和人造纤维。
木质纤维素也可以与其他材料混合使用，例如棉花、亚麻、丝绸等，使得纤维素纱线的性能更加优良。
2. 能源由于木质纤维素是一种生物质资源，其可以用于生产生物质燃料、木炭和液体燃料。
例如，木质纤维素可以用于生产生物柴油和生物乙醇，并广泛应用于现代交通和化工生产中。
3. 医药木质纤维素可以用于制备药物缓释剂、人工皮肤和隆胸材料等。
例如，木质纤维素可以利用其多孔结构制备人工皮肤，同时还可以用于隆胸手术。
4. 包装木质纤维素可以用于生产生物降解的包装材料。
这种材料可以替代常规塑料袋、泡沫箱等，避免塑料污染。
广泛应用于餐饮、快递、零售等各个领域。
5. 建筑材料木质纤维素可以用于生产木质纤维板、木质纤维水泥板等建筑材料。
这种材料具有轻质、强度高、耐水、防腐、隔音等特点，被广泛应用于现代建筑中。
木质纤维素的提取与利用研究 在当今的科技领域和工业生产中，木质纤维素作为一种丰富且具有巨大潜力的生物质资源，正逐渐引起人们的广泛关注。木质纤维素广泛存在于植物细胞壁中，是地球上最丰富的有机物质之一。它由纤维素、半纤维素和木质素组成，这三种成分紧密结合，赋予了植物结构的稳定性和强度。然而，要将木质纤维素有效地提取出来，并实现其高价值的利用，并非易事，需要一系列复杂的技术和方法。
木质纤维素的提取方法多种多样，每种方法都有其特点和适用范围。化学法是常见的提取手段之一，其中包括酸水解、碱处理等。酸水解通常使用强酸，如硫酸或盐酸，在一定的温度和浓度条件下，将纤维素和半纤维素从木质素的包裹中释放出来。这种方法能够较为高效地分解木质纤维素，但强酸的使用也带来了环境污染和设备腐蚀等问题。碱处理则主要利用氢氧化钠等强碱，溶解木质素，从而分离出纤维素和半纤维素。虽然碱处理相对温和，但也存在着废水处理的难题。
物理法也是提取木质纤维素的重要途径。机械粉碎通过施加外力，将植物材料破碎成细小的颗粒，增加其比表面积，有利于后续的化学处理或生物降解。然而，机械粉碎往往需要消耗大量的能量，且难以达到较高的提取纯度。另外，蒸汽爆破法利用高温高压的蒸汽瞬间释放，造成植物细胞壁的破裂，从而实现木质纤维素的分离。这种方法具有高效、节能的优点，但对设备的要求较高，操作也较为复杂。 生物法在木质纤维素的提取中具有独特的优势。微生物发酵可以利用特定的微生物，如真菌和细菌，分泌的酶来分解木质纤维素。其中，白腐菌和褐腐菌能够有效地降解木质素，而纤维素酶和半纤维素酶则可以将纤维素和半纤维素水解为可发酵的糖。生物法相对环保、温和，但反应速度较慢，需要较长的时间来完成提取过程。
在成功提取木质纤维素之后，如何实现其高效利用成为了关键。木质纤维素的利用途径丰富多样，在能源领域有着广阔的应用前景。通过生物质转化技术，可以将木质纤维素转化为生物燃料，如生物乙醇和生物柴油。以生物乙醇为例，经过预处理、酶解和发酵等步骤，将木质纤维素中的糖类物质转化为乙醇。这种生物燃料具有可再生、低碳排放的特点，对于缓解能源危机和减少温室气体排放具有重要意义。
