竹子作为能源材料应用

竹子作为能源材料应用竹子具有可再生性强、生长周期短且富含纤维素、半纤维素，是生产乙醇的重要潜在原料之一。目前有关木质纤维素乙醇的研究主要围绕原料预处理、酶解、发酵三大关键步骤进行，其中原料预处理的能耗和效率问题是该工艺的重要制约因素。本文在综述国内外木质纤维素乙醇原料预处理的基础上，着重分析了竹材的化学组成和结构以及各种竹材预处理的优缺点。包括机械粉碎法能耗大，蒸汽爆破法对设备的要求高，化学方法易造成环境污染，生物方法生产周期长、效率低，离子液体优点明显但需要更深入的研究。提出采用不同预处理工艺联合使用，以期达到优势互补的目的。竹材与木材、秸秆等其它木质纤维素材料的化学成分主要是纤维素、半纤维素和木质素，但其各自的含量不同。如表1所示，竹材中的纤维素和木质素含量均比秸秆中的高。秸秆结构松散，比较容易加工处理。而竹材与木材、秸秆相比，具有密度大、硬度高和强度好等特点，再加上竹材特殊的化学结构，使得竹材比木材、秸秆难于处理。例如秸秆可以采用低压无污染蒸汽爆破技术，无需添加任何化学药品，只需控制秸秆的含水率即可分离出80%以上的半纤维素，且使秸秆纤维素的酶解率达到90%以上[6]。而竹材的蒸汽爆破处理的压力和温度远比秸秆的要高。竹材制取生物乙醇的预处理竹材生产乙醇的基本工艺同其它木质纤维素生产乙醇一样，分为预处理、水解、发酵和纯化等四部分。由于木质素、半纤维素对纤维素的保护作用以及纤维素本身的结晶结构，天然纤维素原料直接进行水解时，其水解程度很低。因此为了提高糖化速度，必须对纤维素进行一定的预处理。预处理的目的是去除阻碍糖化和发酵的竹材内在结构，粉碎木质素对纤维素的保护，破坏纤维素的晶体结构，增大生物酶与纤维素的接触面积，并取得良好的水解效果[7-9]。预处理过程是竹材生产乙醇能否工业化的关键步骤，是整个生产过程中最昂贵的步骤之一，对其之前的原料尺寸处理和其之后的酶水解与发酵过程都有很大的影响，如预处理效果好，水解过程中酶用量就少，并且无须使用成本较高的酶[10]。此外，水解过程产生的一些酸、醛等也会影响发酵过程中微生物的活性。因此，选择适当的预处理工艺是竹材生产乙醇首先要解决的重要问题。一般预处理方法应满足以下要求：①有利于提高生物酶水解过程的糖化率；②避免碳水化合物的降解或损失；③避免生成对后续酶水解或发酵有害的副产物；④经济环保可行。预处理方法归纳起来包括物理法、化学法和生物法。主要方法见表2。2.1物理方法预处理机械粉碎是木质纤维原料预处理的常用方法，用球磨、碾磨将纤维素物质粉碎、使颗粒变小，降低结晶度，对处理高结晶度和高度木质化的材料都有较高的容积密度，有利于增加酶反应的基质浓度，提高酶的作用效率。在机械粉碎预处理的方法中，以球磨（振动球磨）的效率最高，高温下研磨比在低温下研磨的效果更好，如果研磨时加入少量木质素溶剂或膨胀剂亦可以提高研磨的效果[11]。机械粉碎预处理法能耗大，粉碎处理的能耗占糖化过程总能耗的一半以上。粉碎所需动力大小主要是由粉碎粒度的大小和材料本身的性质决定[12]。对于竹材这种密度大、硬度高的材料来说，机械粉碎的能耗会更大。因此一般不建议直接采用机械粉碎法预处理竹材。另外，蒸气爆破法也研究得较为深入，蒸气爆破处理法是将原料先用150～240℃的水蒸汽处理适当时间（30s～200min），在蒸煮的过程中发生水解反应，然后立即降至常压，原料的内含水闪蒸时产生巨大的爆破力、摩擦力与碰撞力，使纤维原料爆破成碎渣，孔隙增大，连同水蒸气一起从反应釜中急速放出。结果使得纤维素结晶度降低，半纤维素分解为溶于水的低聚物，物料中的纤维素含量相对有所增加。部分木质素小分子化，可以通过水洗而除去[13-14]。如在243℃、35atm下（1atm=105Pa），反应时间5min蒸气爆破毛竹，可使葡萄糖收率达到42.6%，总还原糖达到48.8%[15]。用二氧化硫进行蒸气爆破预处理有酸催化的特点，二氧化硫的加入能催化水解半纤维素。以3%的二氧化硫在200℃下处理巨竹6min，可以有效的水解半纤维素且副产物的量很少，预处理后进行酶水解可使75%的葡聚糖转变为葡萄糖[16]。和机械粉碎法相比，蒸气爆破能耗低。该方法的不足之处是设备的要求高，工业化生产中耐高压容器的制造还是有一定困难的。另外，在高温条件下由于部分木糖的变性会产生糠醛等有害物质，对接下来的酶水解和发酵过程有抑制作用。2.2化学方法预处理通常采用酸、碱、次氯酸钠、臭氧等试剂进行木质纤维原料的预处理，其中以氢氧化钠和稀酸预处理研究得较多[17-18]。碱预处理操作简便，设备要求较低，用碱处理木质纤维素材料可显著提高酶解效率。常用氢氧化钠和石灰，氢氧化钠可以使分子间键皂化，脱去木质素，促进纤维素的化学膨胀。用1%NaOH120℃处理1h，能脱去80%以上木质素，因而有较强的脱木质素和降低结晶度的作用[17]。但是脱除木质素的同时，半纤维素也被分解，而且是以大分子的形式而不是以单糖的形式进入溶液，不能被微生物利用，因而这部分的半纤维素被浪费了。碱处理的另一缺点在于氢氧化钠成本较高且不易回收，产生的废液会造成环境污染[19]。另外，很多学者开始关注过氧化氢预处理各种木质纤维原料的研究，并证明过氧化氢预处理可以显著提高纤维素酶解效率[20-22]。在90℃下，用1%的过氧化氢和1%的氢氧化钠处理毛竹1h，葡萄糖收率达到39.9%，总还原糖达到56.8%[23]。与氢氧化钠相比，氨的成本相对较低，若采用适宜的方法可以实现氨的循环使用。而且氨处理去除木质素的效果相对较好，经处理后50%～55%的木质素被脱除，同时半纤维素也去除了一部分。由于在纤维物料酶水解过程中，木质素能阻止酶分子对纤维素的进攻，从而降低了反应速率，而适当浓度的氨可脱去大部分木质素但保留大部分半纤维素，这样既可消除酶解的主要障碍，又能使纤维素和半纤维素得到充分利用[24]。目前未见以氨来预处理竹材提高酶解效率的相关报道。在酸预处理竹材研究中，分为酸直接水解糖化和酸预处理后酶水解糖化（见表3）。酸直接水解法有以竹加工剩余物竹簧为原料，两步法硫酸水解竹加工剩余物，第一步50℃，第二步100℃，20%硫酸浓度，水解时间1h，还原糖得率80.14%[25]。竹簧是竹材在机械加工过程中的主要废弃物，竹簧大多为细小的单体，其中糖类的提取比整竹材要容易很多，在硫酸质量分数3.5%、反应温度100℃下反应2.5h，戊糖得率72.61%，总还原糖收率48.8%[26]。稀酸预处理通常采用0.3%～1.2%的H2SO4，在110～220℃下处理一定时间，其中半纤维素被水解成单糖，主要以木糖的形式进入溶液中，残余物形成多孔或溶涨型结构，从而促进了酶水解，但木质素依然保留在固体残渣中，所以经处理后，剩余物料中半纤维素含量显著减少，而纤维素和木质素的相对含量有所增加。木质素的增加对后续步骤会有一定的不良影响。稀酸处理还可使纤维素的平均聚合度下降，反应能力增大，有利于酶解的进行。此外，稀酸处理后所得的处理液中含有大量的木糖，可用来进行微生物发酵转化为其它产品，因而这部分被降解的半纤维素也可以得到经济合理的利用[27-30]。2.3生物方法预处理近年来，关于选择分解木质素的微生物或酶进行纤维素预处理的研究比较多。这些研究首先来源于对木材腐败菌的认识。木材腐败菌按木材被腐朽菌分解后的颜色和形态分为：白腐和褐腐。木材遭受白腐菌侵染，主要分解利用木质细胞壁中的木质素，仅留下纤维素，朽材比健康材色浅，呈灰白色或浅黄白色或浅红褐色，露出纤维状结构，叫白腐。但实际上，随后研究发现白腐菌实际上可以降解所有细胞壁组成部分（纤维素、半纤维素和木质素）。木材遭受褐腐菌侵染，主要分解利用木质部的纤维素，木质部残留下来主要是木质素，显示红褐色或棕褐色，叫褐腐。在褐腐过程中，由于木材成分较大的纤维素很快被分解掉，所以褐腐在初期就很快引起木材质量的减少和强度下降[33]。木质素分子是一个高度复杂的多聚物，其单体和排列顺序是多种多样的，与多聚糖结合牢牢地固定在次生胞壁和细胞间隙中。能够利用和分解木质素的真菌主要是白腐菌。例如，白腐中木质素含量在腐朽的发生发展中一直降低，而褐腐基本上没有木质素含量的减小[34]（表4）。白腐菌在大多数微生物中独具解聚和代谢木质素的能力。许多研究表明，不同的白腐菌对木材主要成分的降解顺序和降解速率不同，白腐菌对木质素的降解，依赖一些酶的产生和分泌。这些酶共同构成白腐菌木质素降解酶系统或木质素修饰酶系统。这一酶系统的主要组分，或束缚在细胞壁上，或分泌在胞外；它们各有分工，又协同作用，为白腐菌独特的生物降解能力提供基础[35]。其主要组分有木质素过氧化物酶（Lip）、锰过氧化物酶（MnP）、过氧化氢酶、以及其它如漆酶（Lac）等。利用这类真菌可以降解纤维原料中的木质素，从而提高纤维素的酶解效率。目前研究较多的是白腐菌中的彩绒革盖菌（Coriolusversicolor），以此来预处理毛竹，20～30天预处理后可使还原糖的收率提高至12.9%～13.5%[36-37]。另外，利用分离的酶进行预处理比直接利用微生物更加困难，因为无细胞的木质素降解酶可能是酶和辅酶的复杂混合物[38]。生物预处理方法条件温和，能耗低，无污染，但通常处理的时间周期较长，而且许多白腐真菌在分解木质素的同时也消耗部分纤维素。生物技术的最新进展是对真菌基因展开研究改变其基因型使其为人类服务，其中对白腐菌进行遗传改良，将有助于拓展生物方法预处理的实际应用。2.4新兴的预处理方法近十年来，离子液体作为一种新兴的环境友好的绿色溶剂和催化剂应用于许多化工过程，引起了研究者的广泛关注。离子液体具有许多优点，使其成为新兴的“绿色溶剂”，是替代传统易挥发、污染环境的有机溶剂的最佳选择。这些优点有：液态范围宽，溶解范围广；蒸气压低，因此不易挥发；不易燃烧，无特殊气味；热稳定性好，可回收利用；酸碱性可调；通过调节其阳离子和阴离子成分，可改变其密度、黏度、极性及折射率等物理性质。最近，室温离子液体被用于溶解一些天然聚合物，如纤维素、淀粉及木质素等。利用这一方法对生物质原料进行预处理，可以避免高温和化学预处理过程中产生的发酵抑制物；同时，由于离子液体的成分可以调节，针对不同的生物质，可以有针对性的配置不同的离子液体，以达到最佳预处理效果；利用离子液体的不易挥发性，可以用水或乙醇等溶剂回收离子液体，同时这些溶剂也可回收再利用[39-43]。Dadi等[44]对用氯化1-丁基-3-甲基咪唑（[C4mim]Cl）离子液体处理过的纤维素进行了糖化反应的研究，结果表明，离子液体预处理可以促进后续的水解过程，酶水解速率是未处理时的50倍以上。此外，在室温离子液体中，糖类可以进行一系列的化学和酶反应。2.5预处理发酵抑制物的产生木质纤维原料水解液中常含有纤维素和半纤维素的降解产物和一些中和形成的盐类，如糠醛、5-羟甲基糠醛（HMF）、甲酸、乙酸、钠盐和硫酸盐等。如图1所示为抑制物的生成过程[52]。其中乙酸、糠醛等对酵母发酵具有较大的抑制作用。乙酸、甲酸等可以通过抑制酵母的呼吸来减弱酵母的发酵能力[53]。呋喃醛类化合物对酿酒酵母的影响主要是抑制酵母生长，使延滞期增长，降低乙醇得率和产量，其抑制作用程度取决于其浓度以及菌株的遗传背景等[54]。因此有效的预处理方法应该尽可能减少这些酵母抑制物的产生。Larsson等[55]研究了乙酸、甲酸和乙酰丙酸对酿酒酵母乙醇发酵的影响，研究结果表明低浓度的弱酸（100mmol/L）可以增加乙醇得率，而在高于这一浓度时，乙醇得率则会降低。目前有关竹材预处理发酵抑制物的研究较少。SO2蒸气爆破预处理巨竹时抑制物的生成量为糠醛0.3%，5-羟甲基糠醛0.1%和乙酸1.3%。抑制物的量不大，对酵母的乙醇发酵影响不大[16]。功能化酸性离子液体可根据反应的需要改变阴、阳离子，使其具有酸性可调性，并且酸性位密度高、酸强度分布均匀、酸性不易流失，更有利于离子液体的循环使用[45-46]。