生物质预处理的必要性探析

据统计，全球通过光合作用积累的木质生物质资源每年大概有1.0×1012 t，我国可开发利用的木质纤维素资源每年约有6亿t。木质纤维素生物质作为地球上最丰富的生物质资源，是生产生物能源、生物基化学品、生物基高分子材料的理想原材料。木质纤维素生物质的化学组分主要有纤维素、木质素和半纤维素等，视木质纤维素的产地和来源不同，其可能含有少量品种繁多的其他有机物和微量无机物质。生物质的种类差异、产地变化以及植物细胞发育阶段的不同都会影响其组成（见表2-1）。

表2-1　重要的木质纤维素原料的组成

常见的木质纤维素生物质资源主要来源包括木材、稻草秸秆、玉米秸秆及麦秸秆等农林废弃物。据统计，我国每年产生秸秆6.5亿～7亿t，焚烧量约达1.5亿t，传统的处理方式造成了很大的资源浪费与环境污染。在化石资源日益匮乏的严峻形势下，木质纤维素将成为未来新一代生物及化工产业的最理想的替代原料。我国为促进林业生物质能的发展，使其替代部分化石能源，依据《可再生能源法》和《可再生能源发展“十二五”规划》，制定了《全国林业生物质能源发展规划（2011—2020年）》。其中，把林业生物质能领域的科技自主创新，特别是能源植物的选育栽培和加工利用技术作为国家自主创新体系的重点之一。木质纤维素细胞壁结构的复杂性决定了其组分难以有效分离或直接通过化学与生物方法转化。生物质预处理技术的发展（见图2-1）是使木质纤维素生物质资源成为生物能源、生物基化学品和生物基材料的通用原料的关键。

图2-1　生物质预处理技术的发展

木质纤维素中包含了五碳糖、六碳糖及芳香类化合物等多种结构单元，这种结构组分的化学多样性为利用木质纤维素生产不同的化学产品提供了可能。要实现这一可能，首先需要利用有效的预处理技术打破纤维素、半纤维素及木质素之间牢固的相互作用，实现木质纤维素各组分的分级分离，然后再根据各组分的物理性质和化学特性分别进行有针对性的转化利用。普遍认为，木质纤维素生物质中，半纤维素和木质素通过共价键连接成网络结构，紧紧地围绕在高度结晶的纤维素束的周围，形成致密的三维网状复合体。其结构和成分十分复杂。纤维素的结构排列十分紧密，使其不溶于水，并且能够抵抗解聚。木质素具有网状结构，起着类似黏合剂的作用，支撑着纤维素骨架和半纤维素。预处理的原理是最大限度地分离或尽可能多地去除木质素和分离半纤维素，打破生物质中纤维素的结晶区，降低结晶度，增加生物质表面积，进而提高酶的可及度。图2-2所示为预处理需要达到的基本效果。(www.xing528.com)

图2-2　生物质预处理需要达到的基本效果

预处理的主要目的是利用合理的成本达到有效分离碳水化合物和木质素的目的，以保证在纤维素和半纤维素酶解或水解后能有最优的产糖率，并尽量避免产生可能影响后续生物化学转化过程中应用的生物酶的抑制物和防止碳水化合物降解。目前，各国研究人员已经开发了多种生物质预处理的工艺，如酸水解法、蒸汽爆破法及热水抽提法等。但是，由于木质纤维素稳固的结构特性，经济有效地实现木质纤维素材料的分级分离仍然还比较困难。例如，在以玉米秸秆为起始原料通过生物化学途径生产燃料乙醇的工艺中，仅原料的预处理成本就占总生产成本的19%。生物质原料的预处理是制约生物炼制发展的瓶颈问题之一，因此目前亟待开发经济有效的预处理技术或工艺。不同的预处理工艺中，有效的预处理必须满足以下要求：①增加可接近的纤维素表面积；②破坏木质素屏障和纤维素结晶度以允许适当的酶攻击；③限制对酶或发酵微生物有抑制作用的有毒降解产物的形成；④减少糖成分（纤维素和半纤维素）的损失；⑤最小化资本和运营成本。广泛的预处理方案已经用于水解，其中一些已经发展到可以称之为技术的水平。

木质纤维素的预处理技术归纳起来可以分为物理法、化学法、物理化学法和生物法等（常用方法见表2-2）。物理方法主要利用削片和粉碎等机械手段将物料处理成细小颗粒，增大物料的比表面积，减少纤维素的结晶区。木质纤维素在进行其他预处理前一般都需要先进行机械破碎。化学方法主要以酸、碱、臭氧或离子液体等作为物料的预处理剂，破坏纤维素的结晶区，打破木质素与纤维素的连接，同时使半纤维素或木质素溶解。化学方法预处理效果好，一般能够显著提高木质纤维素的酶水解效果，然而传统的化学处理方法存在试剂回收困难、腐蚀性大、毒性大或环境污染等问题。为了克服传统工艺的缺陷，一些物理化学方法（如蒸汽爆破、氨纤维爆破、高温液态水处理、湿式氧化等方法）得到了相应的发展，表现出较好的应用前景。生物法利用白腐真菌或褐腐真菌等木质素降解菌株来处理木质纤维素，具有条件温和、设备成本低等优点，然而预处理时间过长，效率不高，限制了其工业化应用。预处理的方法众多，可以根据实际情况选用一种方法或几种方法。

表2-2　常用生物质预处理方法分类

生物质预处理是生物质热解前的加工环节，会对生物质的特性（包括颗粒度、水分含量、挥发分含量和灰分含量等）产生影响，从而改变生物质热解过程及其产物的分布与性质（如较细的颗粒度和较低的灰分含量有利于提高生物油的产率，降低水分和挥发分含量则有利于提高生物油的品质）。预处理也是有效控制热解产物特性的方法之一。探索适合、有效，特别是能够改变生物质内在结构、提高热解效率及热解产物品质和产量的预处理技术具有重要意义。