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半纤维素生产燃料乙醇的热水预抽提技术

摘要：结合生物质精炼的理念，可以在植物纤维原料蒸煮之前，通过热水预抽提的方式，先抽提出部分半纤维素。抽提出的半纤维素经分离后可以通过水解、发酵制取燃料乙醇；抽提后的植物纤维原料仍用于制浆造纸。这样既可以做到生物质资源的充分、可持续利用，又能为制浆企业带来附加经济效益。

能源是人类社会生存和发展的物质基础。面对全球的资源短缺与能源危机，生物质资源由于其可再生性和环保性而越来越受到人们的重视。制浆造纸行业是木质生物质资源的主要利用途径之一，但是，长期以来除了纤维素纤维用于制浆造纸外，在化学法制浆过程中，分别占植物纤维原料质量约20％和30％的半纤维素和木素会被溶解到蒸煮废液中。蒸煮废液通常是通过碱回收系统燃烧，用来生产蒸汽、电能和回收氢氧化钠等化学药品。但是，半纤维素的燃烧值很低，远低于木素的燃烧值，半纤维素没有得到有效利用。

近年来，随着生物质精炼技术的发展，对木质生物质原料中半纤维素的分离利用，如发酵制取燃料乙醇等产物的研究越来越受到研究者的重视。目前，半纤维素生物精炼的新模式是在传统的蒸煮前，通过预抽提的方式，先抽提出部分半纤维素。抽提出的半纤维素经分离后可以通过水解、发酵制取乙醇或直接提取乙酸等化学品；抽提后的植物纤维原料仍可用于制浆造纸。

热水预抽提技术具有成本低，对环境无污染，能耗低，半纤维素的水解率和回收率高等优点，是近年来研究的热点。开展制浆造纸与生物质精炼相结合的研究对我国植物纤维资源的高效利用、环境保护以及提高制浆造纸产业的经济效益都具有现实和长远的意义[1]。

1热水预抽提技术概述

半纤维素是自然界含量第二丰富的糖类资源。充分利用木质生物质中的半纤维素已成为当前生物质精炼的热点。蒸煮前通过预处理提取半纤维素，这是目前结合制浆造纸工业而研究的生物质精炼方式之一。

现有的预处理方法主要有物理法、化学法、物理化学法和生物法。物理预处理方法主要包括机械粉碎、微波和超声波预处理、蒸汽爆破和热水预抽提等。

化学预处理方法主要包括酸水解、碱水解、臭氧法、有机溶剂法等。物理化学法主要包括氨爆破法、CO2爆破法等。生物法预处理主要是通过真菌降解植物纤维原料中的木质素，目前研究得最多的是白腐菌。

上述诸多方法中，机械粉碎和蒸汽爆破会破坏纤维结构，运行成本也较高。微波处理法设备投资昂贵。化学法预处理也存在一定的局限性，如操作危险性强、环境污染大、能耗高、反应时间长、反应装置的耐腐蚀要求高等。生物法预处理由于酶的成本高、活性低，难以大规模商业化运用。而热水预抽提法不使用酸，所以不需使用化学药品进行缓冲与中和处理，降低了成本，对环境无污染。在热水中蒸煮时，物料颗粒会发生破裂，不需对物料进行降低颗粒大小的粉碎处理，能耗较少，半纤维素的水解率与回收率高，并且水解产物中中性残余物数量少。因此，热水预抽提技术具有很好的发展前景。

热水预抽提实质上是稀酸处理法的演绎。在高压下，水仍可以维持液态，其介电常数随温度的升高而增大，在200℃时，纯水的pH值接近5。高温高压下，水可以穿透生物质的细胞壁，水合纤维素，去除半纤维素。通过优化热水预抽提的工艺参数，在抽提半纤维素的同时，可以尽量使纤维素和木素保留在物料中。热水抽提液中的半纤维素经过膜分离后，可以通过稀酸水解、发酵制得乙醇。剩余物料仍用于制浆造纸。

热水预抽提破坏了半纤维素上的乙酰基、糠醛酸取代物等，生成乙酸及其他有机酸，乙酸等有机酸的形成有助于打破纤维原料细胞壁的醚键连接，对低聚糖的形成及去除起到了催化作用。另外，温度显著影响液态热水的介电常数，在高温作用下，水也起到了酸的作用。多聚糖特别是半纤维素，可以被水解生成单糖，而酸的存在会使部分单糖进一步水解为醛，主要是戊糖中的糠醛以及六碳糖中的5-羟甲基糠醛，它们对微生物的发酵都有抑制作用。因此，采用碱（如KOH）来保持热水的pH值在5~7之间，使得生物质尽可能不要水解为单糖，并且控制预处理过程中的化学反应[2]。

由于木质纤维素颗粒在热水预处理的时候得到分离，所以不需要另再减小生物质颗粒的粒径。预处理后的纤维素具有极高的酶消化性。同时预处理过程可以得到高产率的半纤维素转化的糖，水解产物可以直接用来发酵生成乙醇。另外，植物纤维中的半纤维素通常是和木素以木素-碳水化合物复合体的形式结合在一起，半纤维素的溶出，可以提高木素的反应活性，还能提高药液的渗透能力，从而提高蒸煮脱木素的程度，降低浆料的卡伯值，缩短蒸煮时间，减少化学品消耗，还可以降低黑液的污染负荷和碱回收的处理成本。研究表明，蒸煮之前可以在相对温和的条件下提取出部分半纤维素，该工艺不会对纤维数量和质量产生负面影响。

2研究现状

目前，制浆造纸是木质生物质的主要利用途径之一。但是，长期以