秸秆类生物质预处理技术研究进展

随着社会的发展，能源问题日益严重，使得人们开始寻求新型清洁的可再生资源来代替传统的化石能源，生物质资源便成为其中热门一项。而农作物秸秆作为世界上简单易得、产量大的生物质资源，吸引了无数研究者的目光。我国秸秆资源虽然十分丰富，但利用率却很低，大量秸秆无法被有效回收，只能就地焚烧，造成了环境污染和资源浪费。通过将秸秆制成燃料乙醇可以有效缓解这些问题。秸秆预处理技术通过对秸秆中木质纤维素进行水解来制备燃料乙醇。如今，预处理技术的不断完善，已经从单一的方法，变为复合法，大大提高了木质纤维素的水解率与燃料乙醇的生产效率。目前世界上主要有四种预处理方法：物理法、生物法、化学法、物理-化学法。

1物理法

现在，对玉米秸秆类型的生物质物理处理主要手段有：机械粉碎(精磨)、微波处理、高能辐射等。这些方法都是为了增大木质纤维素的比表面积，减小颗粒尺寸，降低聚合度，以提高其与生物酶的反应活性。

1.1机械粉碎

机械粉碎是通过机械作用力将木质纤维素变成0.2~2mm的颗粒，机械粉碎的设备和方式有很多，如刀式粉碎、盘式粉碎、蒸汽粉碎以及球磨粉碎等。Hideno等[1]的研究结果表明利用湿法粉碎和球磨粉碎的方法能够使水稻秸秆的酶解葡萄糖产率提升到78.5%和89.4%。Zheng等[2]改进螺杆挤压法，在螺杆挤压碱处理过后的玉米秸秆时，将挤压机内的螺杆元件替换成反向元件，可以有效地去除木质素，他们通过调整机械元件的位置，达到一种组合，去除木质素的效率高于现在使用的大多数化学方法。机械粉碎的优点是操作简单有效，但时能耗大，成本高。

1.2微波处理

微波利用介电加热，使物料内有极分子在微波高频电场的作用下反复快速改变其取向，相互碰撞而摩擦产生热量，将物料能水分子等低沸点化合物去除。此外，微波辐射还可以破坏纤维素分子间的氢键，使其失去胀润性，提高其的反应活性和可及性。已有许多研究是利用微波来预处理纤维素，例如Azuma等[3]利用微波在170~230℃部分降解木质素和半纤维素，增加其可及度，提高植物纤维素的酶水解率。其方法的快速便捷，但是缺点是成本高，难以大规模运用于生产。

1.3高能辐射

高能辐射是利用γ射线、电子束等进行一定时间和剂量的辐射来提高纤维素酶解效率。利用γ射线是通过60Co产生的γ射线来处理秸秆等纤维素材料，破坏物料结构，降低纤维素结晶度，从而提高酶解效率的方法。唐洪涛等[4]发现较高剂量辐照对提高玉米秸秆还原糖含量有着显著作用，辐照500kGy的玉米秸放置20d后时酶解还原糖得率比初始提高了13.68%，达到大。在较高剂量下，辐照联合酶解效果优于单一处理。