第十一章 木质纤维素的生物分解及其转化技术

纤维素的分解和转化我们对从生物数量转化为乙醇的认识，始于对组成植物细胞壁的三种主要聚合体:纤维素、半纤维素和木质素的内部构造和化学特性的认识。

根据植物种类和细胞类型的不同，纤维素占整个细胞壁重量的35%-50%，半纤维素占20%-35%，木质素占10%-25%。

纤维素是地球上最丰富的生物材料。

每个纤维素分子是葡萄糖残余物的线型聚合物。

依据氢内部以及纤维素分子之间的耦合度，这种多聚糖以晶体或者类晶体的形态为人们所发现。

纤维素存在于其他聚合体矩阵内，起初是半纤维素和木质素。

半纤维素是组成绝大多数戊糖(五碳糖)和一些己糖(六碳糖)的糖聚合物的一个分支。

木质素是一个复杂的、高度横向耦合的芳族聚合物，它能与半纤维素共有原子价，因此使得成熟的细胞壁保持稳定。

这些聚合物使得植物的细胞壁具有抗分解的密度和强度，从而也使得这些材料具有作为生物燃料生产培养基的实力。

通过真菌和细菌合成的酶，例如纤维素酶、半纤维素酶和其他的糖基水解酶协同合作从而产生更大的效力，以分解多聚糖的分子结构。

然而，这些酶系统和被它们分解的植物细胞壁一样复杂。

例如，作为商业用途的纤维酶制剂是由多种水解酶组成的混合物，每种酶都具有独特的功能。

要获得这些酶的最优组合，需要认识它们作为一个紧密控制、高度组织化系统的更多细节。

目前，要获得生物转化乙醇需要三个基本的步骤:(1)对木纤维素原材料进行热化学处理，使得这种复杂的聚合物更加易于酶分解; (2)生产和应用特殊的酶制剂(纤维素酶和半纤维素酶)对植物细胞壁多聚糖进行水解，以获得单糖混合物;(3)通过细菌或者酵母进行发酵和调停，把这些糖转化成乙醇。

要获得对关于酶和微生物是如何把生物量转化为乙醇的更全面认识，目前需要克服许多无效率生产。

GTL纤维乙醇调查研究目标改进纤维素酶系统。

GTL将加速纤维素酶系统的发展，通过提供资源来屏蔽各种自然的和改良的酶变量，提高酶的生产量和功效分析，阐明其调整性控制和必要的分子作用，并制定自然的和工程加固的酶系统的结构和活动分析模型。

木质纤维素分解温度
一、概述
木质纤维素是一种复杂的有机化合物，广泛存在于植物细胞壁中。

木质纤维素的分解温度是指在不同处理条件下，木质纤维素的化学和物理性质发生显著变化的温度。

木质纤维素的分解温度包括预处理温度、热解温度和完全分解温度。

二、预处理温度
预处理温度是指在对木质纤维素进行化学或物理处理之前，需要加热到一定温度以使其软化或去除部分杂质的过程。

预处理温度通常较低，一般在100℃至200℃之间。

预处理的目的是使木质纤维素更加容易进行后续的化学或物理反应，提高其分解效率。

三、热解温度
热解温度是指木质纤维素在加热条件下开始发生热分解的温度。

热解过程中，木质纤维素的大分子结构被破坏，产生小分子化合物。

热解温度通常较高，一般在300℃至500℃之间。

热解过程中会产生一定量的热解气和热解油，这些产物可以进一步加工利用。

四、完全分解温度
完全分解温度是指木质纤维素在高温下完全被分解的温度。

在这个温度下，木质纤维素的大分子结构被彻底破坏，产生二氧化碳和水等小分子化合物。

完全分解温度通常在500℃以上，具体取决于木质纤维素的种类和处理条件。

完全分解温度是决定木质纤维素能否作为能源物质的关键因素之一。

结论：木质纤维素的分解温度是一个重要的研究领域，了解和控制其分解过程对于实现木质纤维素的资源化利用具有重要意义。

在实际应用中，需要根据木质纤维素的种类和处理条件选择合适的预处理温度、热解温度和完全分解温度，以提高其分解效率和产物的质量。

木质纤维素类生物质高效制糖及综合利用关键技术概述及解释说明1. 引言1.1 概述本文旨在概述和解释木质纤维素类生物质高效制糖及综合利用关键技术。

随着全球能源需求的日益增长和环境污染问题的加剧，寻找新型可再生能源和可持续发展路径已成为当前国际社会的共同关注点。

作为最为广泛分布且主要来源的生物质资源之一，木质纤维素类生物质以其丰富的碳水化合物组分倍受研究者们的关注。

近年来，众多科学家和工程师致力于利用先进的技术手段将木质纤维素类生物质转化为有价值的糖类产物，并开发出相关综合利用方法，以实现生物质资源高效利用，从而满足能源、化工品和材料等多领域的需求。

1.2 文章结构本文将按照以下结构来进行叙述：首先，在第2部分中，我们将重点介绍木质纤维素类生物质高效制糖关键技术。

这包括分离和预处理、酶法降解和水解以及纤维素糖化工艺优化等方面的内容。

然后，在第3部分中，我们将探讨木质纤维素类生物质综合利用关键技术，包括生物质能源转化、生物质制备化学品与材料以及生物质废弃物资源化利用等领域的技术进展。

最后，在第4部分，我们将总结本文中介绍的主要观点和发现，并对未来的研究方向提出建议。

1.3 目的通过本文的详细介绍与说明,我们旨在提供一个全面而清晰的概述木质纤维素类生物质高效制糖及综合利用关键技术。

希望这些信息能够为科学家、工程师和相关领域的研究人员提供有价值的参考，并推动木质纤维素类生物质转化成果在实际应用中更好地推广和落地。

只有通过不断创新和完善相关技术，才能实现可持续发展并促进全球环境保护与经济建设的协调发展。

2. 木质纤维素类生物质高效制糖关键技术2.1 分离和预处理木质纤维素类生物质是一种复杂的多聚糖结构，其中包含纤维素、半纤维素和木质素等组分。

在高效制糖过程中，首先需要对原料进行分离和预处理。

分离主要是将木质纤维素类生物质与其他杂质分离开来，以提高后续酶解过程的效率。

预处理则是通过物理、化学或生物方法对木质纤维素类生物质进行改性，以增加其可降解性和易于转化为糖类的特性。

木质纤维素糖化发酵工艺研究进展前言目前，世界乙醇生产主要以淀粉类(粮食作物为主，如玉米、木薯等)和糖类（如甘蔗、甜菜等）[1-2]作为发酵原料．采用微生物法发酵生产乙醇技术成熟，但是高昂的原料成本使粮食发酵生产乙醇的工业应用受到限制，同时存在与人争粮或与粮争地等弊端，并且导致粮食价格持续走高，因此寻找新的原料势在必行．所以现在科学家把目光投向成本更为低廉、来源更广泛的木质纤维素原料[3]．它不仅包括秸秆等农业废弃物，城市固体废弃物、办公废纸、杂草、锯末等以及市政废水中的固体部分[4].地球上每年植物光合作用的生物量可达2 000亿 t，其中大部分为木质纤维素类．它的主要成分是纤维素、木质素、半纤维素．在植物组织中木质素与半纤维素以共价键形式结合，并将纤维素分子包埋其中，形成一种坚固的天然屏障，使一般微生物很难进入使其降解。

木质纤维素原料生产燃料乙醇的过程主要包括预处理、糖化、发酵等，其预处理是生物转化的关键步骤，影响整个纤维素酒精生产过程．因此高效、便捷的预处理技术是木质纤维素原料生产燃料乙醇的关键所在．一、分步糖化和发酵（SHF）前处理后的木质纤维素经水解糖化生成葡萄糖，然后在另一反应器中进行发酵转化为乙醇，这种糖化发酵工艺被称为分步糖化和发酵。

其主要优点是糖化和发酵都能在各自最优条件下进行——纤维素酶水解糖化所需的最适温度在 45～5℃，而大多数发酵产乙醇的微生物最适温度在 28～37 ℃[5]。

缺点是糖化产物葡萄糖和纤维二糖的积累会抑制纤维素酶的活力，最终导致产率的降低。

研究发现，纤维二糖的浓度达到 6 g/L 时，纤维素酶的活力就将降低 60%，葡萄糖对纤维素酶的抑制作用则没有那么明显，但是，它会对β-葡糖苷酶（一种关键的纤维素水解酶）产生强烈的抑制，葡萄糖浓度达到3 g/L时，β-葡糖苷酶的活力就将降低75%。

此外，水解用的纤维素酶（主要来自于真菌）不仅组分相对单一而且价格昂贵，当其活力受到抑制时，就得增加用量，最终导致使用成本的提高。

纤维素生物质热解技术1生物质简介1）生物质的用途。

生物质是植物通过光合作用将空气中CO2和H2O转化后进行储存所获得的能量，是地球上最广泛存在的可再生资源。

由于它具有产量巨大、可再生性、能进行碳循环、可液化获得液体燃料、可热解获得多种高附加值的化学产品和生物油等特点，所以被国际广泛关注，并成为研究热点。

生物质产品应用过程中排放的CO2和吸收的CO2相平衡，不仅没有额外增加大气中CO2的含量，还能降低形成酸雨气体含量。

2）成品生物质的获取。

对纤维素类生物质，主要指植物的秸秆。

如树木、农作物秸秆、草类及工农业生产副产品（甘蔗渣、橄榄渣等废料）。

主要成分：纤维素、半纤维素、木质素。

纤维素类生物质的处理方法：生物转换法、物理转换法、热化学转换法。

热化学转换包括直接燃烧、气化、裂解。

直接燃烧只能获得生物质总能量的10%～20％，采用新型设计的省柴灶能提高到40%～50%，有的用于直燃发电。

气化可获得甲烷（CH4）、CO、H2及小分子气态烃，既可直接燃烧提供热量，又可作为原料合成甲醇等燃料。

热解是在隔绝或少量供氧条件下加热分解获得炭、液体油、气体的过程。

热解产物炭可作为生产活性炭的原材料、液体生物油含有多种化工行业所必须的原材料及高附加值产品，并改性后直接用于透平机，气体可合成甲醇等燃料。

一般热解可将低能量密度的生物质转化为高能量密度的气、液、固产品，便于储存运输。

2热解技术工艺1）热解技术。

在热解过程中，首先需要热解反应器，它是热解研究技术的重点之一，其类型和传热传质方式，直接影响热解产物的分布。

热解反应器设计中必须考虑的基本因素：生物质在反应器内的流动方式、较高的热质传递速率、准确的温度控制及热解蒸汽的快速冷凝。

2）工艺进展。

①国内。

90年代，沈阳农业大学从荷兰引进一套旋转锥闪速热解装置，加工能力为50Kg/h；浙江大学研发了第一台小型生物质的流化床闪速热解制油试验装置，得出了各运行参数对生物油的产率及组成的影响程度，并用GC-MS联机分析系统定量分析了生物油的主要组分；近两年中科院与清华大学等开展了实验室规模的相关研究，研发了新型热解反应器－旋转筛板热解反应器，将未热解的生物质流入下级筛板继续分解。

纤维素质转化技术及其在生物质能源中的应用随着人口增长和经济发展，对能源的需求不断增长。

然而，传统的化石能源资源面临着日益严重的短缺和环境问题，因此，可再生能源逐渐成为了人们追求的目标，其中生物质能源作为一种可再生能源逐渐受到关注。

而纤维素质转化技术是生物质能源的重要组成部分。

一、纤维素质转化技术的概念纤维素质转化技术是指将含有纤维素的农林废弃物、生活垃圾等转化为可再生能源的技术，主要手段包括生物法、化学法和物理法。

其中生物法是指利用微生物和酶类将纤维素分解为简单的糖类，再通过发酵等方式生产生物质燃料，如乙醇、生物气等。

化学法是指通过酸碱催化等化学反应将纤维素转化为不同种类的化合物，如木质素、脂肪酸等，再进行精制得到生物质燃料。

物理法则是利用更高效的物理条件，如高温高压条件下将纤维素转化为可燃气体或可液化的物质。

二、纤维素质转化技术的优势纤维素质转化技术作为生物质能源开发的重要手段，其优势主要表现在以下几个方面：1.资源丰富。

我国的生物质资源丰富，有较大的生物质燃料生产潜力。

其中的农林废弃物、食品废弃物、沼气等都是生物质燃料的重要原料。

2.环保节能。

纤维素质转化技术能够有效利用废弃物资源，减轻了环境压力，同时也能够减少传统化石能源的使用，更加环保节能。

3.增加经济效益。

生物质燃料生产技术能够有效地利用农业废弃物等资源，将资源转化为生物质燃料能源，同时也创造了新的就业机会，有利于促进经济的发展。

三、纤维素质转化技术在生物质能源中的应用1. 生物质燃料生产。

生物质燃料是指通过生物质转化技术将农林废弃物、食品废弃物等转化为乙醇、生物气等可燃气体或者木质素、脂肪酸等可液化物质，再经过精制过程而得到的能源。

生物质燃料具有环保、可再生、节能等优越性，是实现能源替代的重要手段。

2. 生物质炭制备。

生物质可以通过生物质炭制备技术将其转化为生物质炭，生物质炭不仅具有良好的蓄热性能，而且还具有一定的生物活性，同时也可以用作生物质燃料。

基于微生物技术的纤维素降解分解和利用的方法随着环保意识逐渐增强，人们对于纤维素降解分解和利用的方法越来越关注。

纤维素可以被微生物降解分解，得到各种有用的产物，例如生物能源、有机酸、食品添加剂等。

本文将探讨基于微生物技术的纤维素降解分解和利用的方法。

一、微生物降解纤维素的过程微生物是一类可以生存于各种环境中的小型生物，它们能够利用纤维素作为碳源进行生存和繁殖。

微生物降解纤维素的过程可以分为三个主要阶段：吸附、酶解和代谢。

吸附：微生物会通过一些特殊的蛋白质分子，将自身粘附在纤维素颗粒上。

这个阶段是微生物与纤维素颗粒发生互动的开始。

酶解：微生物会释放一些特殊的酶，可以将纤维素链断裂成较小的碎片，如纤维素酶、木聚糖酶和半纤维素酶等，每种酶具有特殊的作用。

代谢：碎片被微生物吸收和利用，被代谢成能量和新生物分子。

微生物产生的代谢产物可以被利用作为化学原料、肥料等，具有重要的经济意义。

二、微生物降解纤维素的应用微生物降解纤维素的应用非常广泛，以下是几个典型的应用场景。

1. 生物能源的开发利用微生物降解纤维素生产生物能源已成为一种较为广泛的技术路线。

其中最重要的是利用微生物降解木质纤维素等植物纤维素，利用微生物产生出高品质的生物酒精作为燃料，具有高效、节能、环保等优点。

2. 合成有机酸微生物降解纤维素还可以合成有机酸，如乙酸、丁酸、琥珀酸等。

这些有机酸用于合成塑料、溶剂、药品等领域，有着好的前景。

3. 食品添加剂微生物降解纤维素所产生的代谢产物可作为食品添加剂，如半乳糖醛酸等。

这类添加剂有较好的水溶性和热稳定性，被广泛用于食品加工中。

三、微生物降解纤维素的挑战虽然微生物降解纤维素具有广阔的应用前景，但是也面临许多挑战。

主要有以下三方面：1. 微生物选择性不同的微生物对于不同纤维素素材的降解能力不同，且不同纤维素素材本身具有复杂的结构。

因此，对不同应用场景，选择适合的微生物和条件非常重要。

2. 过程与产物的管理微生物降解纤维素过程中，释放的产物是多样性和复杂的，管理和处理需要高度的技术和设备支持。

那些是植物结构多糖，是细胞壁的主要成分。

通过对降解纤维素微生物发生的分析。

可知具有降解纤维素能力的微生物分布在细菌、放线菌、和真菌的许多菌属中，其中真菌被认为是自然界中有机质特别是纤维素物质的主要降解者、降解纤维素微生物种类木质素的存在木质素（lignin ）与纤维素及半纤维素共同形成植物体骨架，是自然界中在数量上仅次于纤维素的第二大天然高分子材料，据估计全世界每年可产生600万亿吨[18] 。

木质素是植物的主要成分之一，它是植物细胞胞间层和初生壁的主要填充物，其产量是仅次于纤维素的最为丰富的有机物，通常在木质细胞中占15%～30%。

从化学结构看[19]，针叶树的木质素主要由松柏醇的脱氢聚合物构成愈创木基木质素；阔叶树的木质素由松柏醇和芥子醇的脱氢聚合物构成愈创木基紫丁香基木质素；而草本植物则是由松柏醇、芥子醇和对香豆醇的脱氢聚合物和对香豆酸组成因而使木质素成为结构复杂、稳定、多样的生物大分子物。

木质素依靠化学键与半纤维素连接，包裹在纤维之外，形成纤维素。

植物组织由于木质素存在而有了强度和硬度。

在生活生产中，大部分的木质素被直接排放，不仅浪费了这种宝贵的资源，还对周围环境产生巨大影响，因此研究木质素的降解和利用越来越成为热门的课题。

绿色植物占地球陆地生物量的95% ，其化学物质组成主要是木质素、纤维素和半纤维素，它们占植物［］干重的比率分别为15%~20%,45%和20% 农作物秸杆是这类生物质资源的重要组成部分，全世界年产量为20 多亿吨，而我国为 5 亿多吨但是，要充分、有效地利用这类资源却相当困难，这是由于秸秆产量!" B ’随季节变化，且量大、低值、体积大、不便运输，大多数动物都不能消化其木质纤维素，自然降解过程又极其缓慢，导致大部分秸秆以堆积、荒烧等形式直接倾入环境，造成极大的环境污染和浪费’存在于秸秆中的非水溶性木质纤维素很难被酸和酶水解，主要是因纤维素的结晶度、聚合度以及环绕着纤维素与半纤维素缔合的木质素鞘所致’木质素与半纤维素以共价键形式结合，将纤维素分子包埋在其中，形成一种天然屏障，使酶不易与纤维素分子接触，而木质素的非水溶性、化学结构的复杂性，导致了秸秆的难降解性’所以，要彻底降解纤维素，必须首先解决木质素的降解问题’因此，秸秆利用的研究从过去的降解纤维素的研究转向了木质的降解研究，作者对此进行了综述’木质素降解微生物的种类在自然界中，能降解木质素并产生相应酶类的生物只占少数%木质素的完全降解是真菌、细菌及相应微生物群落共同作用的结果，其中真菌起着主要作用% 降解木质素的真菌根据腐朽类型分为：白腐菌———使木材呈白色腐朽的真菌；褐腐菌———使木材呈褐色腐朽的真菌和软腐菌%前两者属担子菌纲，软腐菌属半知菌类% 白腐菌降解木质素的能力尤于其降解纤维素的能力，这类菌首先使木材中的木质素发生降解而不产生色素%而后两者降解木质素的能力弱于其降解纤维素的能力，它们首先开始纤维素的降解并分泌黄褐色的色素使木材黄褐变，而后才部分缓慢地降解木质素% 白腐菌能够分泌胞外氧化酶降解木质素，因此被认为是最主要的木质素［，］降解微生物!木质素的生物降解的应用木质素的生物降解目前成功地用于生产实践的实际应用尚不多见，但在有些方面的研究已经显现出诱人的前景-&）造纸工业分解木质素的酶类在造纸工业上的应用有两个方面，一是用改造旧的造纸工艺，用于生物制浆、生物漂白和生物脱色-黄孢原毛平革菌和P.brvispora等在国外已经得到成功利用-如用P.brvispora)(%/ 进行生物制浆预处理可降低47%的能耗并增加了纸浆的张力，但它们的木质素降解率和产酶量都还是极为有限的，处理时间过长，距大规模推广应用尚有一定的距离- 二是木质素分解菌或酶类用于造纸废［］水的处理，这方面的国内外研究报告已有很多且已取得了一定的实效0 -%）饲料工业木质素分解酶或分解菌处理饲料可提高动物对饲料的消化率- 实际上，木素酶和分解菌的应用已经突破了秸秆仅用于反刍动物饲料的禁地，已有报道饲养猪、鸡的实验效果- 目前，以木素酶、纤维素酶和植酸酶等组成的饲料多酶复合添加剂已达到了商品化的程度-"）发酵与食品工业木质纤维素中木质素的优先降解是制约纤维素进一步糖化和转化的关键，已有很多实验偿试使用秸秆进行酒精发酵或有机酸发酵，但看来这还有很长的路要走-在食品工业如啤酒的生产中，可使用漆酶等进行沉淀和絮凝的脱除，使酒类得到澄清-!）生物肥料传统上曾使用高温堆肥的办法来使秸秆转化为有机肥料，但这些操作劳动强度大，近年来不为农民所欢迎最近，秸秆转化为有机肥料的简单而行之有效的办法是秸秆就地还田但是，还田秸秆- -在田间降解迟缓并带来了一系列的耕作问题，而解决这些问题的关键是加速秸秆的腐熟过程，因此，以白腐菌为代表的木质素降解微生物为这种快速腐熟提供了理论上的可能性-在国内，已有几家科研单位在进行相相似文献(10条)1.期刊论文李燕荣.周国英.胡清秀.冯作山.LI Yan-rong.ZHOU Guo-ying.HU Qing-xiu.FENG Zuo-shan 食用菌生物降解木质素的研究现状-中国食用菌2009,28(5)木质素是农作物秸秆中的主要成份之一,木质素降解直接影响秸秆等植物资源的利用效率.从降解木质素的食用菌种类、食用菌木质素降解酶系及其营养调控机理、应用前景共4个方面,综述了食用菌生物降解秸秆木质素的研究现状.2.学位论文黄红丽堆肥中木质素的生物降解及其与腐殖质形成关系的研究2006随着社会的发展，有机固体废物的排放急剧增加。