微波辅助预处理水稻秸秆纤维素的工艺研究2.docx
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微波辅助预处理水稻秸秆纤维素的工艺研究2
微波辅助预处理稻秆纤维素的工艺研究
摘要
纤维素是地球上最丰富的多糖，全世界秸杆或木质纤维类生物质能约相当于640亿吨石油，是目前世界上少数可预测的能够为人类持续提供能源的资源。
利用纤维素水解产物经发酵生产乙醇为纤维素资源化利用提供了很好的途径。
纤维素材料的预处理是生产可发酵还原糖的关键步骤，该步骤的优化可提高纤维素的水解率，进而提高还原糖产量。
本文考察了水稻秸秆在微波作用下，不同微波功率、作用时间以及不同质量分数的NaOH和催化剂Na2S对预处理效果的影响，利用分光光度计对预处理过的稻秆滤液进行吸光度测定，扫描电镜（SEM）对未经任何处理、经0.5%NaOH微波中火加热5min后、经0.5%NaOH和0.2%Na2S微波中火加热5min后的水稻秸秆表面微观形貌进行观察，并对其进行了酶解及还原糖浓度测定。
结果表明：
经NaOH和Na2S溶液预处理以后的水稻秸秆，可发酵还原糖产量得到提高，SEM图片显示预处理后稻杆的表面结构受到不同程度的破坏。
在微波功率为中火，加热5min的条件下，NaOH质量分数为0.5%、催化剂Na2S质量分数为0.2%时，对水稻秸秆的预处理效果较好，还原糖浓度达到51.52g/L。
关键词 微波；预处理；稻秆；还原糖
Researchontheprocessesofpretreatmenttoricestrawcellulosewithmicrowave-assisted
Abstract
Celluloseisthemostabundantpolysaccharide.Thestraworlignocellulosetranslocatedbiomassenergy,equivalenttoabout64milliontonsofoil,istheonlypredictedresourceoftheworldwhichcouldcontinueprovidinghumanresourcesofenergyatpresent.Cellulosehydrolysisusedbyfermentationwayintoethanolproductionprovidesagoodwayforcelluloseutilization.Fibermaterialpretreatmentisakeyprocessintheproductionofethanol,cellulosehydrolysiscanbeincreasedthroughthesestepsofoptimization,andthenimprovethefermentablereducingsugarproduction.
BasedonthestudyofricestrawpretreatmentunderdifferentmassfractionofNaOHandcatalystNa2Swithmicrowave.Theabsorbanceofpretreatedricestrawfiltrateweredeterminedbyspectrophotometer.Thesurfacemorphologyofricestrawwithoutanypretreatment,pretreatedwith0.5%NaOH,pretreatedwith0.5%NaOHand0.2%Na2Swereobservedbyscanningelectronmicroscopy（SEM）,theenzymatichydrolysisweredoneandthefermentablereducingproductionwerealsodetermined.TheresultsshowthatthefermentablereducingproductionofricestrawhasincreasedandthestructurealsogotdifferentdegreeofdamageafterpretreatedwithNaOHandNa2S.Inthemicrowavepoweratmediumbakingtemperature,heating5min,whilethemassfractionofNaOHis0.5%,catalystNa2Sis0.2%,thepretreatmenteffectisgood,andtheconcentrationoffermentablereducingsugaris51.52g/L.
Keywords microwave;pretreatment;ricestraw；reducingsugar
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目录
摘要
Abstract
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2国内外纤维素类物质的预处理研究状况1
1.2.1国外研究状况1
1.2.2国内研究状况3
1.3课题研究的目的和内容4
1.4本章小结4
第2章微波辅助预处理纤维素类物质基础理论5
2.1纤维素类物质的结构5
2.2纤维素原料的预处理方法6
2.2.1物理方法6
2.2.2化学方法7
2.2.3物理－化学方法8
2.2.4生物方法8
2.3微波预处理8
2.3.1微波基本概念8
2.3.2微波加热原理9
2.3.3微波加热特点9
2.4本章小结10
第3章实验部分11
3.1实验原料及药品11
3.2实验仪器设备11
3.3实验内容12
3.3.1NaOH质量分数对预处理效果的影响12
3.3.2Na2S质量分数对预处理效果的影响12
3.3.3微波作用时间对预处理效果的影响13
3.3.4微波加热功率对预处理效果的影响13
3.3.5酶解及还原糖浓度的测定14
3.4表征方法14
3.4.1采用分光光度计测不同条件处理后稻秆滤液吸光度14
3.4.2采用SEM观察不同条件处理前后稻秆表面形貌的变化14
3.5本章小结14
第4章实验结果与分析15
4.1不同预处理条件的处理效果分析15
4.1.1NaOH质量分数对预处理效果的影响15
4.1.2Na2S质量分数对预处理效果的影响16
4.1.3微波作用时间对预处理效果的影响18
4.1.4微波加热功率对预处理效果的影响19
4.2扫描电镜（SEM）观测表面微观形貌20
4.3酶解及还原糖浓度22
4.4本章小结23
结论24
致谢24
参考文献24
附录24
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第1章绪论
1.1课题背景
随着人们对全球性能源危机及环境保护的认识不断加深，从二十世纪七十年代中期开始，利用生物技术和生物源进行乙醇的工业化生产，并以此做为石油能源的替代物成为各国的研究特点[1]。
究其原因，一方面是因为主要的能源进口国加大了纤维素乙醇替代能源的研究与投资力度，希望以此改善本国的能源需求现状[2]；另一方面尽管目前人们利用糖类和淀粉生产酒精的技术已经十分成熟，但基于以粮食为原料的乙醇大规模生产必将导致“与人畜争粮，与粮食争地”的不利局面，且生产成本较高。
所以，寻找一种新的可再生能源已迫在眉睫。
以发酵法生产的燃料乙醇（fuelethano1），具有和矿物燃料相似的燃烧性能，但其生产原料为生物源，是一种可再生的能源。
植物的秸秆、蔗渣、废纸、垃圾纤维等纤维素类物质是地球上最丰富的可再生资源，也是当前利用率最低的资源，每年用于工业过程或燃烧的纤维素仅占2%左右，还有很大一部分未被利用[3]。
此外，乙醇燃烧过程所排放的一氧化碳和含硫气体均低于汽油燃烧，所产生的二氧化碳和做为原料的生物源生长所消耗的二氧化碳在数量上基本持平，这对减少大气的污染及抑制“温室效应”意义重大，燃料乙醇也因此被称为“清洁燃料”。
在植物原料中，纤维素分子大都以相互缠绕的晶态结构存在，其分子间以氢键形式紧密结合，在一般条件下，化学或生物的催化剂很难进入其大分子内部使其发生催化水解反应。
因此，水解技术的关键之一就在于使难水解的纤维素易水解化。
对农业秸秆采用物理的或化学的方法预处理，可使植物细胞结构以及纤维素分子晶态结构破坏，使原料疏松，特别是木质素与纤维素间的结构破坏，将大大降低木质素的屏障作用，从而使植物纤维素水解效率大为提高，还原糖得率大幅上升。
为此，国内外已采取多种方法对植物原料进行预处理，如蒸爆法、微波法、电离辐射法、碱处理等。
1.2国内外纤维素类物质的预处理研究状况
1.2.1国外研究状况
在各种预处理方法中，碱处理和酸处理是发现最早、应用最广、最有效的预处理手段之一。
在1844年时，欧美各国就开始使用这种预处理方法，并且现在还有人在继续使用。
Detroy等[4]的研究结果表明，用百分含量为2％，浓度为0.5mol/L的NaOH对秸秆预处理4小时，可以转化76％的纤维素物料，而酸性预处理的效率相对较低，除非提高其温度。
NaOH对秸秆预处理可以降解木质素，Hamilton等[5]发现用NaOH和可溶性木质素以及半纤维素释放底物可以提高纤维素底转化率。
Dar等[6]发现，在室温条件下，用质量分数为1％的NaOH溶液对小麦秸秆处理7天，厌氧消化过程中微生物的消化率和生物转化率均得到不同程度的提高。
1928年，美国的W.H.Mason[7]发明了气爆制浆技术，该技术使用7～8MPa的饱和水蒸汽作为介质进行爆破。
匈牙利的Eniko等[8]采用湿氧化法在195℃，15min，1.2×103kPa，2g/LNa2CO3对60g/L玉米秸秆进行预处理，其中60%半纤维素、30%木质素被溶解，90%纤维素呈固态分离出来，纤维素酶解转化率达85%左右。
蒸爆最简单的形式是不添加任何化学物质，可以使用催化剂。
生物法预处理技术开始是应用于制浆工艺的打浆过程，到了20世纪40～50年代，生物分解纤维素才引起人们的关注，并且对其进行研究。
60年代，各国对细菌分解纤维素的研究主要集中在中温菌，但未获得突破性进展。
70年代开始，一些学者发现，自然界堆肥中的纤维素主要被高温厌氧菌分解的，因而相继加强了对高温厌氧菌的研究，并成功地从堆肥、土壤中分离出了一些高温菌，从而使研究方向转向高温菌。
Kitchaiya等[9]将稻草或蔗渣原料预浸在甘油中用微波常压处理10min，最终还原糖浓度增加2倍多。
东顺一[10]在密闭容器中用微波照射红松、山毛榉、甘蔗渣、稻草等材料，结果表明糖化率随着温度的升高而升高，但是如果温度超过半纤维素和木质素的软化点时，会引起过分解反而使糖化率下降。
加拿大的Awade等[11]研究了用有机溶剂，如丙酮纯化处理纤维素过程中氢键的变化。
结果发现，由于丙酮能够渗透到纤维素材料内部，又具有氢键受体的潜能，通过其吸引纤维素分子内和分子间的氢键，可导致纤维素立体化学的巨大变化，其结果是使纤维素分子氢键的持久性减弱或破坏，从而使纤维素的可及度增大。
因此，认为丙酮也是纤维素的润胀剂。
蒸爆技术在德国战争期间曾被广泛应用，在70年代也引起过人们的注意力，该技术被认为是生物再利用过程中取得的重大进展之一。
然而直到今天仍然缺乏一种经济的、大规模的生产方式。
加拿大、美国、西欧等国家和地区均在积极发展与应用该技术。
最近一段时间，日本又采用臭氧法对纤维素进行预处理，这一实验得到成功，该技术也投入工厂使用。
1.2.2国内研究状况
我国在预处理领域的研究还处于开始阶段，许多预处理方法均落后于欧美各国，目前微波处理纤维素原料还仅仅停留在实验室阶段。
熊健等[12]研究了微波对纤维素超分子结构的影响，发现微波处理使纤维素保持了原来的结晶形态，但结晶度和晶区尺寸增大。
但是这一技术现在还处于研究阶段。
近几年，Fe离子对双氧水预处理过程中起到的助催化作用这一性能引起了人们的关注。
QuangANguyen等详细研究了Fe离子的催化效果。
华东理工大学等单位也对Fe2+的催化效果进行了详细研究。
张建安等[13]研究员用氧-碱-蒽醌蒸煮麦草所得纤维素为原料，在不同的蒸煮时间下取样得到不同木质素含量的纤维素，对其进行酶解，考察木质素含量对纤维素酶解的影响。
其结果表明，随着纤维素中木质素含量的增加，酶解率降低，木质素含量越低，酶解率越高。
这说明，木质素的存在对纤维素酶解有很大的影响，木质素起着屏蔽作用，其含量越高，这种屏蔽作用就越大，从而降低了酶解率。
针对微波预处理的方法也有很多研究。
微波是一种新型节能、无温度梯度的加热技术，可以促进多种有机化学反应的反应速率[14]。
研究发现，微波辐射可以破坏植物细胞壁的薄膜结构，改变纤维素原料的超分子结构，使纤维结晶区尺寸发生变化[15]。
朱圣东等[16]研究了微波预处理稻草糖化工艺，比较了不同微波处理方式对稻草糖化过程的影响。
研究发现，微波与碱联合预处理稻草可以提高稻草糖化的初始糖化速度，而还原糖的得率基本保持不变；微波处理酶液可降低稻草糖化速率与还原糖得率；微波处理糖化过程可以提高稻草糖化的初始糖化速度，但还原糖得率稍有下降；微波与碱联合预处理稻草最有利于稻草糖化过程。
杨晓辉等[17]以蔗渣为原料，采用碱和微波辐射联合处理后用于里氏木霉纤维素酶的液态发酵。
结果表明，利用碱液与微波辐射对植物纤维素原料进行预处理可部分降解木质素和半纤维素，增加其可及度，提高菌体利用效率。
采用碱液浸泡后经微波辐射处理的甘蔗渣作为基质进行纤维素酶的液态发酵可以提高纤维素酶的活性，并缩短发酵周期。
微波处理后的蔗渣更易为菌体利用，表现为发酵过程中菌体生长旺盛，酶活性增加，发酵周期缩短。
在此基础上对发酵培养基和培养条件进行进一步优化，有望得到更高的酶活性。
1.3课题研究的目的和内容
现在比较成熟的利用纤维素类物质生产燃料乙醇的方法是先进行预处理，然后利用预处理得到的纤维素水解得到葡萄糖等可发酵还原糖，再进一步发酵得到乙醇。
其中预处理对后两步来说是非常重要的，因为如果它处理得好，得到的预处理后的原料将更易于进行下两步，而纤维素水解工艺一直是化工行业的一个难点，基于传统上的水解方法会引起高污染、高催化剂消耗以及生物技术产物抑制作用强、生产效率低等问题，目前各国学者都致力于新技术、低消耗催化剂在生物质转化方面的研究。
许多纤维素水解反应需要催化剂来提高反应效率，减小能耗，改善产物的复杂性，但研究者对这方面的研究还不够，所以开发出适合条件的催化剂并对其作出评价和理论解释将是今后要解决的一个重要问题。
本论文主要研究了水稻秸秆在微波作用下，不同微波功率、作用时间以及不同质量分数的NaOH和催化剂Na2S对预处理效果的影响，利用分光光度计对预处理过的稻秆滤液进行吸光度测定，扫描电镜（SEM）对未经任何处理、经0.5%NaOH微波中火加热5min后、经0.5%NaOH和0.2%Na2S微波中火加热5min后的水稻秸秆表面微观形貌进行观察，并对其进行了酶解及还原糖浓度测定。
1.4本章小结
本章介绍了课题的研究背景以及国内外利用纤维素类物质生产燃料乙醇的预处理研究状况；概述了本课题的研究目的和内容。
第2章微波辅助预处理纤维素类物质基础理论
2.1纤维素类物质的结构
木质纤维素是指天然植物纤维素原料中的纤维素、半纤维素和木质素。
天然植物纤维素原料存在于农作物的废弃物、木材、树枝以及木材加工剩余的碎木和锯木中，一般由纤维素（40～60%）、半纤维素（20～40%）和木质素（10～25%）三种主要组分构成的，此外，其中还含有少量其它物质[18]。
纤维素分子排列规则、聚集成束，由此决定了植物细胞壁的构架，在纤丝构架之间充满了半纤维素和木质素。
植物细胞壁的结构非常紧密，在纤维素、半纤维素和木质素分子间存在着不同的结合力。
纤维素和半纤维素或木质素分子之间的结合主要依赖于氢键，半纤维素和木质素之间除氢键外，还存在着化学键的结合。
纤维素、半纤维素和木质素是构成植物细胞壁的主要成分，对细胞起保护作用。
表2-1总结了植物细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素的结构和化学组成。
表2-1植物细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素的结构和化学组成
纤维素
半纤维素
木质素
结构单元
D－吡喃葡萄糖
D－木糖、甘露糖、L－阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖
愈创木基丙烷（G）、紫丁香基丙烷（S）、对羟基苯丙烷（H）
连接键
β-1,4糖苷键
β-1,4糖苷键、
β-1,2糖苷键和
β-1,3糖苷键
多种醚键和碳－碳键
聚合物
β-1,4葡聚糖
木聚糖、葡萄糖甘露聚糖、半乳糖葡萄糖甘露聚糖
G木质素、GS木质素、GSH木质素
结构
由结晶区和无定形区组成立体线
有少量结晶区的空间结构，不均一的分子，多为无定形
不定形的、非均一的、非线性的三维立体聚合物性分子
不同的纤维素原料，其所含的纤维素、半纤维素和木质素有一定差异，表2-2列出了几种重要的纤维素原料的组成。
表2-2几种重要的纤维素原料的组成[19,20]
纤维素原料
纤维素，%
半纤维素，%
木质素，%
硬木
40～55
24～40
18～25
软木
45～50
25～35
25～35
玉米秸秆
40
25
17
水稻秸秆
35
25
12
甘蔗渣
40
24
25
2.2纤维素原料的预处理方法
天然植物纤维素原料主要由纤维素、半纤维素、木质素组成，结构非常复杂。
由于目前所筛选的许多高酶活性的纤维素分解菌其半纤维素酶及木质素酶活性不高，很难将天然植物纤维的三大组成降解；另一方面，由于结构的复杂性，又直接影响着纤维素酶的作用。
通常在酶法水解之前需进行必要的预处理，改变天然纤维素的结构，降低它的结晶度，脱去木质素，以增加纤维素酶系与纤维素的有效接触，从而提高酶解效率。
预处理纤维素原料的目的是为了从纤维素中去除或分离半纤维素，破坏或去除木质素的包裹，降低纤维素的结晶度，增加纤维素的孔隙度和比表面积[21]。
常用的预处理方法包括物理方法，如机械粉碎、高温分解和高能辐射等；化学方法，如臭氧分解、酸水解、碱水解和有机溶剂处理等；物理－化学方法，如蒸汽爆破法、氨爆破法、CO2爆破法和临界水处理等；以及生物方法，如利用白腐真菌处理等。
围绕这些预处理方法人们做了大量工作。
2.2.1物理方法
通常有机械粉碎、微波或超声波、高能电子辐射等。
机械粉碎包括干法粉碎、湿法粉碎、振动球磨碾磨以及压缩碾磨。
该方法可以减小原料粒径、增加生物质的内表面积并破坏纤维素的晶体结构。
微波是一种新型节能、无温度梯度的加热技术，是一种非电离的电磁辐射，被辐射物质的极性分子在微波电磁场中快速转向及定向排列，从而产生撕裂和相互摩擦引起发热，同时可以保证能量的快速传递和充分利用。
微波应用于染色工业，可以提高纤维素的染色性能，微波辅助提取的研究表明，微波辐射诱导萃取技术具有选择性高、操作时间短、溶剂耗量少、有效成分得率高的特点，已被应用于有机污染物的提取、天然化合物及生物活性成分的提取等方面。
用微波或超声波对纤维素进行预处理，能提高纤维素的可接触性和反应活性。
超声波在化学工业中的应用也迅速发展，在超高压条件下，有机酸预处理生物质（如农作物废弃物）过程中，玉米秸秆用微波（4.9W∕g）辐射，然后用酶在400℃、pH值5.0，水解72h，糖化率高达98%。
超声波作为一种在室温下注入能量的方法，近年来在物理、生物、化学等领域中已有广泛应用，在水介质中超声波产生的机械作用及空化产生的微射流对秸杆表面产生冲击、剪切，且空化作用所产生的热量及自由基均可使大分子降解。
研究发现，超声波能够打开纤维素的结晶区，碎解木质素大分子，超声波预处理能使木浆纤维的形态结构和超微结构发生明显变化，对提高纤维素酶的可及度和化学反应性非常有利。
用超声波法对玉米秸杆进行预处理，以上清液中溶出的总糖为指标，初步确定了单因素条件的范围，再进一步采用中心回归设计，考察固液比和超声时间对玉米秸杆酶解的影响，确定最佳处理条件为:
固液比1:
21.87，时间47.607min，葡萄糖质量分数可达8.95g/L，比未处理样提高了24倍。
2.2.2化学方法
化学处理的主要机理是使纤维素、半纤维素和木质素吸胀，并破坏其结晶性，使其溶解并降解，从而增加其消化性。
此法的操作相对简单，成本低，但是由于试剂的腐蚀性或毒性，存在着试剂的回收、污染和原料的洗涤问题。
常采用NaOH、液氨及其它化学试剂进行处理。
NaOH预处理时采用0.5%～2.0%的NaOH，在适宜条件下处理一段时间，可望达到最大的酶解率，但NaOH的耗量大。
碱处理过程中还有部分纤维素被损失，不太适合大规模生产。
Philipp[22]研究指出，液氨预处理能改善纤维素碱化、羧甲基化和酶降解的反应活性，效果显著，但成本相对较高。
除碱和液氨外，用其它化学试剂进行适当处理，也可提高纤维素的可及性和反应活性，比如用氯化锌处理，可提高纤维素酶水解速率和还原糖产率。
Awade等[11]研究发现，用丙酮纯化处理纤维素过程中，丙酮能渗透到纤维素内部，影响纤维素分子内和分子间的氢键的稳定性，导致纤维素立体化学的巨大变化，氢键的持久性减弱或破坏，从而使纤维素的可及度增大。
2.2.3物理－化学方法
物理－化学方法常用的有氨冷冻爆破法，利用液态氨在相对较低的压力（1.47MPa）和温度（50～80℃）下对原料处理一定时间，然后通过突然释放压力爆破原料，其中液氨可以通过回收循环使用，整个过程能耗较低，是一种较有前途的预处理技术[23]。
此外，还有机械粉碎和碱处理相结合的方法，先将纤维原料粉碎到一定的粒度，再用NaOH浸泡处理，得到的剩余纤维素粉酶解效率高，粉碎程度越大，酶解效果越好。
2.2.4生物方法
常用于降解木质素的真菌是木腐菌，通常是白腐菌、褐腐菌和软腐菌，其中软腐菌的木质素分解能力很低，褐腐菌只能改变木质素的性质，而不能分解木质素，只有白腐菌分解木质素的能力较强。
用白腐菌预处理纤维素较省能，还可以得到有价值的副产物——SCP（单细胞蛋白），成本低，经济效益好，并且由于反应条件温和，副反应和抑制性产物少。
但生物法处理时间长，而且白腐菌除分解木质素外，还产生分解纤维素和半纤维素的纤维素酶和半纤维素酶，处理的同时也造成纤维素、半纤维素的损失，因此必须分离或选育木质素氧化酶活性高，而不产生纤维素酶、半纤维素酶的菌种。
2.3微波预处理
微波作为一种固定频率首先应用于雷达中，而后被广泛应用在通讯领域，随着微波技术的发展，其在分析样品的制备、器皿的干燥、食品加工等方面得到广泛的应用。
利用微波加热进行反应，其速度较传统加热技术快数倍乃至数千倍，因此可以降低能源消耗、减少污染、改良产物特性，被誉为“绿色化学”[24]，有巨大的应用前景。
2.3.1微波基本概念
微波与无线电波、电视信号、红外线、可见光等一样，属于波长不同的电磁波，波长为0.001～1m，频率为3～3000MHz，比无线电波更微小，称为微波[25-27]。
处于微波场中的物质含有微波能吸收的介质时，该物质吸收微波能
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