非水溶劑預(yù)處理木質(zhì)纖維原料研究進(jìn)展

韓明陽(yáng)，喬慧，付佳銘，馬澤雯，王妍，歐陽(yáng)嘉

（南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，江蘇南京 210037）

木質(zhì)纖維原料作為地球上最豐富的可再生碳資源，使用其替代石化資源不僅可以補(bǔ)充我國(guó)相對(duì)緊張貧乏的油氣資源，解決國(guó)家能源安全問(wèn)題，而且可緩解隨著化石燃料大量消耗引發(fā)的環(huán)境污染問(wèn)題，更助力于中國(guó)碳中和碳減排戰(zhàn)略方針。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，木質(zhì)纖維素資源豐富，每年僅農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)量就達(dá)15 億噸，轉(zhuǎn)換為能源的潛力可達(dá)10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。農(nóng)林廢棄物為典型木質(zhì)纖維素資源，可以通過(guò)生物質(zhì)煉制技術(shù)轉(zhuǎn)化為糖類和生物燃料等高附加值產(chǎn)品，開(kāi)啟綠色可持續(xù)新型化工經(jīng)濟(jì)。

木質(zhì)纖維素雖然種類復(fù)雜多樣，但均具有較為頑固的分子屏障結(jié)構(gòu)。在木質(zhì)纖維原料生物煉制中，原料預(yù)處理是首要步驟。預(yù)處理的主要目的是通過(guò)改變木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)原有的致密性，使微生物和降解酶進(jìn)入到木質(zhì)纖維基質(zhì)，直接降解和利用其中的碳水化合物組分。預(yù)處理不僅對(duì)最終產(chǎn)物的產(chǎn)率有較大影響，而且其成本約占生物煉制工藝總成本的20%。時(shí)至今日，木質(zhì)纖維原料的預(yù)處理方法已被廣泛研究，主要包括物理方法（機(jī)械粉碎、研磨等）、化學(xué)方法（酸預(yù)處理、堿預(yù)處理、氧化預(yù)處理等）、物理化學(xué)方法（蒸汽爆破預(yù)處理、熱水預(yù)處理、氨纖維爆破預(yù)處理等）、生物方法和混合方法等。現(xiàn)有木質(zhì)纖維原料預(yù)處理方法大多以水為介質(zhì)，通過(guò)移除半纖維素和木質(zhì)素提升原料生物降解效率，從而取得較好的酶解效果和發(fā)酵性能，但這依然存在兩個(gè)共性問(wèn)題：一是木質(zhì)素在水中的溶解度較差，木質(zhì)素移除需要較為劇烈的條件，該過(guò)程會(huì)導(dǎo)致原料發(fā)生進(jìn)一步的降解，生成大量發(fā)酵抑制物，從而影響后續(xù)轉(zhuǎn)化；二是預(yù)處理過(guò)程所需水量大，化學(xué)試劑的使用還會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染、水資源浪費(fèi)、廢水排放等問(wèn)題。基于此，脫木質(zhì)素效果良好和溶劑具有較強(qiáng)可回收性的非水預(yù)處理技術(shù)近年來(lái)受到高度重視。

非水預(yù)處理木質(zhì)纖維原料最早起源于有機(jī)溶劑制漿工藝。19世紀(jì)末（1893年）Klason使用乙醇和次氯酸對(duì)纖維原料進(jìn)行蒸煮用于研究木質(zhì)素和纖維素的分離，20世紀(jì)70年代溶劑大量用于制漿，形成有機(jī)溶劑制漿工藝，該工藝可以更有效地利用制漿原料，且不污染空氣和水。近年來(lái)隨著木質(zhì)纖維原料生物煉制受到重視和發(fā)展，借鑒有機(jī)溶劑制漿工藝也隨之發(fā)展起來(lái)。非水溶劑預(yù)處理技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展已顯示出良好的預(yù)處理效果和廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景，但規(guī)?；瘧?yīng)用仍處于起步階段。本文系統(tǒng)介紹了目前非水溶劑預(yù)處理的種類和方法，概括性探討了不同非水溶劑的性質(zhì)、作用原理、分離效果和主要優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)非水溶劑預(yù)處理面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，以期對(duì)未來(lái)綠色、低廉、高效的預(yù)處理方法提供借鑒和指導(dǎo)。

1 非水預(yù)處理溶劑的特點(diǎn)和作用原理

現(xiàn)有研究表明，非水溶劑預(yù)處理木質(zhì)纖維原料的效果取決于溶劑的物理化學(xué)性質(zhì)。非水溶劑與以水為主的預(yù)處理相比，在促進(jìn)氫離子的傳輸、限制性擴(kuò)散效應(yīng)和改善反應(yīng)性能方面發(fā)揮著重要作用，還可以提高催化活性（降低反應(yīng)活化能）和產(chǎn)品的選擇性。在非水溶劑預(yù)處理中，溶劑與組分的結(jié)合力，特別是氫鍵結(jié)合強(qiáng)度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變并最終影響對(duì)木質(zhì)纖維素的處理效果，木質(zhì)素的有效脫除是非水溶劑預(yù)處理最突出的共性特點(diǎn)。與木質(zhì)纖維素預(yù)處理相關(guān)的非水溶劑理化性質(zhì)主要包括溶解度、介電常數(shù)、極性等，其中部分參數(shù)相互關(guān)聯(lián)且與溫度密切相關(guān)。表1列出了預(yù)處理中常用非水溶劑的物理化學(xué)參數(shù)。

Hildebrand 溶解參數(shù)（）是廣泛用于測(cè)定溶劑溶解度的方法，常用于判斷木質(zhì)素在非水溶劑中的溶解度。木質(zhì)素Hildebrand 溶解度參數(shù)值為22.5，如表1 所示，乙醇、甲酸、乙酸和丙酮的溶解參數(shù)與木質(zhì)素最為接近，表明這些溶劑能很好地溶解木質(zhì)素，具有較強(qiáng)的脫木質(zhì)素效果；另一方面，非水溶劑預(yù)處理與水相預(yù)處理類似，酸度的存在有利于半纖維素降解反應(yīng)的發(fā)生，從而促使半纖維素脫除和預(yù)處理底物酶解效率的提升。非水溶劑中酸催化反應(yīng)的酸度取決于溶劑的介電常數(shù)，溶劑的介電常數(shù)越高，其酸性就越高。表1中介電常數(shù)最大的為甲酸，其次為丙三醇和甲醇，這說(shuō)明甲酸溶劑預(yù)處理對(duì)半纖維素和木質(zhì)素的脫除均有著很好的效果。考慮到溶解度參數(shù)僅反映了非水溶劑對(duì)底物的溶解度，而木質(zhì)素的溶解性實(shí)際是由氫鍵作用和溶解度共同決定的，使用更全面的極性經(jīng)驗(yàn)參數(shù)(30)似乎更為可靠。(30) 由溶劑體系內(nèi)分子間各種作用力決定，可綜合反映溶劑的極性和酸性，較高的極性參數(shù)可以提供更多的作用力用于木質(zhì)纖維原料的解離。在常見(jiàn)的非水溶劑中，甲酸和丙三醇具有較高的極性參數(shù)。

表1 非水溶劑的物理化學(xué)性質(zhì)[10]

綜上，非水溶劑的理化性質(zhì)是決定木質(zhì)纖維原料預(yù)處理效果的關(guān)鍵，受木質(zhì)素溶解度、半纖維素?cái)嗔研Ч腿軇?duì)原料綜合作用力影響，在常見(jiàn)的非水溶劑中，甲醇、乙醇、丙三醇和甲酸等醇類和有機(jī)酸是較為適宜的預(yù)處理溶劑，受溶劑對(duì)木質(zhì)纖維原料作用原理的啟發(fā)，近年來(lái)又相繼設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出離子液體（ILs）和低共熔溶劑（DES）新型非水溶劑。

2 醇類預(yù)處理

2.1 低沸點(diǎn)醇類

采用低沸點(diǎn)醇類預(yù)處理的主要優(yōu)勢(shì)是其溶劑價(jià)格較為便宜、沸點(diǎn)低便于回收，缺點(diǎn)是溶劑揮發(fā)性高、易燃、不安全。低沸點(diǎn)醇類預(yù)處理主要包括乙醇預(yù)處理和甲醇預(yù)處理，近年來(lái)的研究結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 低沸點(diǎn)醇類預(yù)處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)

乙醇具有無(wú)毒、環(huán)保、可與水任意比互溶的特點(diǎn)，是最常見(jiàn)的醇類預(yù)處理方法，也是最早用于木質(zhì)纖維素預(yù)處理的有機(jī)溶劑。乙醇具有較小的表面張力，可以有效地滲透在木質(zhì)纖維素中，在高溫高壓下有效地脫除木質(zhì)素。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)乙醇預(yù)處理鋸木屑，其醇溶木質(zhì)素的重均分子量和-O-4 芳基醚鍵含量都顯著低于磨木木質(zhì)素，而且-鍵和-5鍵含量也相應(yīng)減少，這說(shuō)明經(jīng)乙醇預(yù)處理脫除的木質(zhì)素解聚程度較高，但木質(zhì)素中紫丁香基/愈創(chuàng)木基（S/G）比值大大增加，這是因?yàn)榇既苣举|(zhì)素主要由解聚的S型木質(zhì)素片段產(chǎn)生。有研究者認(rèn)為，乙醇預(yù)處理過(guò)程中半纖維素上乙?；撀溽尫诺囊宜峥赏ㄟ^(guò)酸化增強(qiáng)木質(zhì)素的溶解和半纖維素的降解。

乙醇預(yù)處理木質(zhì)纖維素的常見(jiàn)影響因素主要包括時(shí)間、溫度、乙醇濃度以及酸催化劑。根據(jù)表2，單一乙醇預(yù)處理需要較為劇烈的預(yù)處理?xiàng)l件，一般溫度均發(fā)生在150℃以上，反應(yīng)時(shí)間為30～60min。預(yù)處理中乙醇濃度一般控制在體積分?jǐn)?shù)40%～60%，此范圍能獲得較好的酶解效果。研究者發(fā)現(xiàn)單一乙醇預(yù)處理并不能脫除木質(zhì)纖維素中大部分的木質(zhì)素，例如195℃采用體積分?jǐn)?shù)40%乙醇處理甘蔗渣可獲得相對(duì)最佳脫除效果，但半纖維素和木質(zhì)素脫除率分別為66.25%和49.79%。Zhang等探究了不同濃度乙醇在高溫下預(yù)處理甘蔗渣，發(fā)現(xiàn)乙醇濃度的增加并不利于半纖維素去除，例如采用體積分?jǐn)?shù)80%乙醇預(yù)處理后的半纖維素脫除率僅為24.7%，同時(shí)脫木素效果也降低至21.2%。這說(shuō)明高濃度的乙醇會(huì)阻礙半纖維素和木質(zhì)素的脫除。為降低預(yù)處理強(qiáng)度和提高木質(zhì)素脫除率，近年來(lái)添加催化劑輔助乙醇預(yù)處理成為較常見(jiàn)的強(qiáng)化手段。乙醇預(yù)處理常用酸催化劑主要包括硫酸、乙酸、鹽酸或磷酸等。采用酸催化劑具有雙重作用。一是半纖維素脫除和水解作用，酸的存在使木質(zhì)纖維素三大組分中的半纖維素更加容易發(fā)生水解。隨著酸催化劑的加入，半纖維素去除率顯著增加，即使在較低溫度（140℃）下桉樹(shù)半纖維素脫除率仍然達(dá)90%以上，大量半纖維素的脫除為木質(zhì)素的移除去除了空間屏障。采用酸水解半纖維素不可避免的問(wèn)題是會(huì)增加發(fā)酵抑制物的產(chǎn)生，這些抑制物的存在對(duì)下游的酶水解和發(fā)酵是不利的。二是脫木質(zhì)素作用。體積分?jǐn)?shù)50%乙醇預(yù)處理桉樹(shù)時(shí)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%HSO顯著提高木質(zhì)素的去除率（21.1%～83.3%）。硫酸的加入可促進(jìn)裂解木質(zhì)素中的-芳基醚鍵與芳基甘油--芳基醚鍵，有助于去除木質(zhì)素。但是也有實(shí)驗(yàn)表明隨著溫度提升到170℃，脫木質(zhì)素的效果反而降低，這是由于木質(zhì)素在高溫條件下苯環(huán)上芐基碳正離子與酚類化合物發(fā)生親電芳香取代反應(yīng)。在預(yù)處理過(guò)程中，苯環(huán)側(cè)鏈出現(xiàn)位置的縮合，生成縮合產(chǎn)物，導(dǎo)致木質(zhì)素脫除率降低。與單一乙醇預(yù)處理相比，酸催化有機(jī)溶劑預(yù)處理可以極大地提高原料的可降解率，但對(duì)設(shè)備腐蝕問(wèn)題不容忽視，另外還有可能在劇烈的酸性條件下碳水化合物或其衍生物發(fā)生縮聚產(chǎn)生假木質(zhì)素，這些均不利于木質(zhì)纖維素的生物煉制。

近年來(lái)，乙醇聯(lián)合堿預(yù)處理和氧化預(yù)處理的工藝相繼被開(kāi)發(fā)。單一堿預(yù)處理和氧化預(yù)處理均被證實(shí)具有較好的木質(zhì)素脫除效果。氫氧化鈉、正丙胺和堿性液體均能通過(guò)提高半纖維素和木質(zhì)素脫除率促進(jìn)預(yù)處理原料的水解。Zhang等在體積分?jǐn)?shù)60%乙醇預(yù)處理木質(zhì)纖維素中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5% NaOH 可提高半纖維素脫除率（13.4%～22.6%）和木質(zhì)素去除率（2.5%～17.9%），酶解率從23.6%上升至72.0%。無(wú)機(jī)堿預(yù)處理在后處理過(guò)程需要大量水洗滌，且預(yù)處理液的分離和回用較為困難。為提高溶劑和堿回收再利用效率，有機(jī)堿（二乙胺、三乙胺、正丙胺、異丙胺、異丁胺、乙二胺）被開(kāi)發(fā)作為堿催化劑聯(lián)合體積分?jǐn)?shù)60%乙醇溶液預(yù)處理玉米秸稈，研究發(fā)現(xiàn)該法可同時(shí)獲得可發(fā)酵糖和優(yōu)質(zhì)無(wú)鹽木質(zhì)素，脫木質(zhì)素率為81.7%，總糖產(chǎn)量為83.2%。過(guò)氧化氫是一種環(huán)保型脫硫試劑，可以增強(qiáng)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中木質(zhì)素聚合物的氧化解聚作用。Park等研究了乙醇和過(guò)氧化氫的聯(lián)合預(yù)處理方法來(lái)提高玉米秸稈的酶糖化。

甲醇不同于安全無(wú)毒的乙醇，盡管價(jià)格低廉，但是具有毒性，所以相對(duì)于乙醇預(yù)處理研究較少。甲醇預(yù)處理木質(zhì)纖維素可以通過(guò)斷裂-芳基醚和芳基甘油--芳基醚鍵以實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素的有效溶解。見(jiàn)表2，堿催化聯(lián)合甲醇預(yù)處理可提高生物質(zhì)中木質(zhì)素脫除率，較好保留纖維素和半纖維素，并改善預(yù)處理底物的酶水解性能。You 等利用體積分?jǐn)?shù)50%甲醇和1.5mL堿性制漿過(guò)程中產(chǎn)生的堿性液體（主要由碳酸鈉和氫氧化鈉組成），在較低的預(yù)處理溫度下預(yù)處理甘蔗渣，脫木質(zhì)素率達(dá)到82.75%，預(yù)處理過(guò)的蔗渣酶解后的葡萄糖產(chǎn)率為92.82%，木糖產(chǎn)率為88.51%；Zhong等使用NaOH輔助甲醇預(yù)處理菜花廢棄物，木質(zhì)素的脫除率為86.7%，葡萄糖得率為97.7%。目前，堿輔助甲醇預(yù)處理是一種較為高效的獲得高附加值木質(zhì)素和可消化性糖的方法，在堿性條件下木質(zhì)素會(huì)發(fā)生-芳基醚鍵的斷裂，回收的木質(zhì)素分子量低、純度高、熱穩(wěn)定性好。

2.2 高沸點(diǎn)醇類

甘油屬于高沸點(diǎn)（290℃）有機(jī)溶劑，本身無(wú)毒，是生物柴油工業(yè)的副產(chǎn)品。與低沸點(diǎn)溶劑相比，甘油預(yù)處理的最大特點(diǎn)是高溫下溶劑壓力低，可以在常壓下進(jìn)行。從甘油的理化參數(shù)上看，甘油的Hildebrand溶解性參數(shù)與木質(zhì)素相差較大，說(shuō)明其木質(zhì)素溶解能力弱于低沸點(diǎn)醇類，但相對(duì)較高的極性參數(shù)和介電常數(shù)有利于半纖維素脫除。近年來(lái)，甘油預(yù)處理開(kāi)始受人們關(guān)注，較早研究顯示采用純度大于95%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的工業(yè)級(jí)甘油預(yù)處理麥草可獲得大于70%的木質(zhì)素脫除率和優(yōu)秀的預(yù)處理物料酶解率，但高純度甘油的使用限制了該預(yù)處理技術(shù)的發(fā)展。為降低甘油成本，之后更多的研究嘗試使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%～80%的粗甘油或甘油廢棄物。無(wú)催化劑的甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理需要較高的溫度（200～240℃）和較長(zhǎng)的時(shí)間（1～4h）才能獲得較高的半纖維素和木質(zhì)素脫除率。添加酸或堿催化的甘油預(yù)處理可以縮短反應(yīng)時(shí)間一般在15～30min 范圍，溫度可降至120～160℃。Pascal 等采用工業(yè)甘油和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.06%HSO預(yù)處理甘蔗渣（200℃，15min），預(yù)處理后半纖維素和木質(zhì)素去除率分別為82%和52%，預(yù)處理后的底物也表現(xiàn)出良好的酶解能力。甘油預(yù)處理雖然在商業(yè)化進(jìn)程中與乙醇預(yù)處理一樣面臨溶劑回收需要額外成本的問(wèn)題，但一方面與低沸點(diǎn)醇類對(duì)木質(zhì)纖維素后續(xù)的酶解和發(fā)酵有一定抑制作用不同，甘油本身作為微生物代謝中間物，不僅對(duì)后續(xù)的生物過(guò)程沒(méi)有影響，殘留在預(yù)處理物料中的甘油還可被微生物利用；另一方面，粗甘油的使用可大幅度降低溶劑成本，有研究者認(rèn)為甘油預(yù)處理的前景將優(yōu)于乙醇預(yù)處理。

乙二醇作為一種生物質(zhì)衍生的有機(jī)醇，其理化參數(shù)與甘油較為接近，但Hildebrand溶解性參數(shù)比甘油更靠近木質(zhì)素，在同等條件下乙二醇預(yù)處理脫木素效果優(yōu)于甘油，低于甲醇和乙醇。表3總結(jié)歸納了甘油和乙二醇預(yù)處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的研究結(jié)果。

表3 高沸點(diǎn)醇類預(yù)處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)

對(duì)乙二醇預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化的結(jié)果顯示，單一乙二醇預(yù)處理通常情況下難以獲得預(yù)期的半纖維素和木質(zhì)素脫除效果，添加適當(dāng)?shù)拇呋瘎┛梢源蠓忍岣哳A(yù)處理效果，實(shí)現(xiàn)半纖維素和木質(zhì)素的高效脫除。Xue 等單獨(dú)使用乙二醇預(yù)處理玉米秸稈，脫除半纖維素和木質(zhì)素的效果很差，當(dāng)添加稀硫酸進(jìn)行聯(lián)合預(yù)處理時(shí)，木質(zhì)素脫除率急劇上升至80.3%。同樣Wei 等比較酸或堿催化乙二醇預(yù)處理甘蔗渣，發(fā)現(xiàn)鹽酸催化乙二醇預(yù)處理對(duì)半纖維素（約99.3%）和木質(zhì)素（約67.1%）的去除效果更強(qiáng)，而氫氧化鈉-乙二醇聯(lián)合預(yù)處理更有利于木質(zhì)素（約90.9%）去除，但對(duì)半纖維素降解比較弱（約28.8%），這兩種預(yù)處理方法均能較好地保留預(yù)處理固體中的纖維素，酶解糖化均可達(dá)到90%以上。最近，為避免無(wú)機(jī)酸催化劑的腐蝕作用，金屬鹽作為路易斯酸催化加入到乙二醇溶液預(yù)處理稻草取得了令人興奮的效果。AlCl-乙二醇聯(lián)合預(yù)處理可脫除88%的木質(zhì)素和90%的半纖維素，預(yù)處理底物酶解率為94%。之后的溶劑回用實(shí)驗(yàn)表明金屬鹽的存在是木質(zhì)素脫除的重要原因。

3 有機(jī)酸預(yù)處理

3.1 甲酸

甲酸作為最簡(jiǎn)單的羧酸（p3.75，20℃），一方面電離常數(shù)比長(zhǎng)鏈的羧酸強(qiáng)（如乙酸p4.76，25℃），在酸催化反應(yīng)中較為有效，另一方面與硫酸相比酸性較弱，不會(huì)引起明顯的副反應(yīng)。甲酸預(yù)處理可以分為兩類：一是稀酸溶液高溫預(yù)處理，屬于水相預(yù)處理；二是濃酸預(yù)處理，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%以上，是指甲酸溶劑預(yù)處理，普遍認(rèn)為是非水預(yù)處理。甲酸溶劑預(yù)處理有三大特點(diǎn)：一是甲酸可以提供質(zhì)子并引起酸催化，將半纖維素分解成更小和更多可溶性分子；二是甲酸具有良好的木質(zhì)素溶解能力，甲酸溶劑和木質(zhì)素的Hildebrand溶解度值非常接近，其可以在溫和的條件下實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素脫除從而加速木質(zhì)纖維素的組分分離；三是由于甲酸沸點(diǎn)低，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的蒸餾回收，可以回收后重復(fù)使用，從而減少溶劑回收過(guò)程中的能源消耗。

如表4所示，目前大量報(bào)道表明高濃度的甲酸預(yù)處理優(yōu)先傾向于在較為溫和的條件，并且能取得令人滿意的半纖維素和木質(zhì)素脫除效果。研究發(fā)現(xiàn)劇烈的實(shí)驗(yàn)條件（增加預(yù)處理時(shí)間和溫度）會(huì)導(dǎo)致底物中的木質(zhì)素溶解后再次沉淀，還會(huì)造成纖維素的損失。

表4 有機(jī)酸預(yù)處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)

本文作者課題組采用高濃度甲酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)88%）以1∶10的固液比在80℃、3h條件下對(duì)玉米芯進(jìn)行預(yù)處理，90.1%的半纖維素和87.1%的木質(zhì)素從原料中被脫除，同時(shí)87.2%的纖維素保留下來(lái)。同樣Pathak等采用了質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%的甲酸在125℃預(yù)處理甘蔗渣也取得了很好的分離效果。對(duì)于低濃度甲酸預(yù)處理的研究，Zhao等考察了采用不同濃度的甲酸預(yù)處理效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著甲酸濃度增大，半纖維素和木質(zhì)素的脫除率也隨著增加，但是預(yù)處理底物的酶解率卻會(huì)隨著甲酸濃度的增加而降低，這是因?yàn)楦邼舛燃姿釙?huì)引起纖維素發(fā)生甲酰化反應(yīng)從而嚴(yán)重地抑制著后續(xù)的酶解。當(dāng)甲酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)80%時(shí)，甲酸預(yù)處理會(huì)造成纖維素和木質(zhì)素組分表面的羥基發(fā)生一定程度的甲?；瑖?yán)重制約了后續(xù)纖維素酶糖化。對(duì)此Zhao等分別使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～4% 的NaOH 和Ca(OH)在120℃處理1h，可以有效去除甲?；瘜?duì)于酶解的負(fù)面效果。類似地，本文作者課題組探究了四種不同的方式對(duì)底物進(jìn)行后處理對(duì)酶解效果影響，發(fā)現(xiàn)常溫下飽和碳酸鈉溶液后處理可解除甲酸預(yù)處理對(duì)酶解的抑制，有效地提高酶解得率，后處理后玉米芯酶解得率達(dá)98.5%。此外，Chen等使用了質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%堿性HO在80℃、1.5h 條件下進(jìn)行后處理，也可以取得較高的葡萄糖酶解得率（83.7%）。

鑒于甲酸預(yù)處理有著令人滿意的效果，Zhao等在此基礎(chǔ)上分析了多產(chǎn)品協(xié)同生產(chǎn)提高纖維素乙醇的經(jīng)濟(jì)可行性。其基于Formiline 工藝（甲酸預(yù)處理+堿后處理），實(shí)現(xiàn)了小麥秸稈分餾共產(chǎn)乙醇、糠醛和高純木質(zhì)素，進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，并與稀酸法工藝進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn)，在共產(chǎn)糠醛和高純度木質(zhì)素的前提下，F(xiàn)ormiline工藝可以實(shí)現(xiàn)小麥秸稈轉(zhuǎn)化的正向增值（+99USD/t），但如果僅生產(chǎn)乙醇，稀酸工藝的附加值增加為負(fù)值（-68USD/t麥秸）。所得結(jié)果表明，多產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)是增加潛在收益的重要途徑，以提高纖維素乙醇生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行性。

3.2 乙酸

乙酸是種一元弱酸，它的Hildebrand溶解度值和木質(zhì)素相比接近，表明其脫木質(zhì)素效果會(huì)很好，但是乙酸的介電常數(shù)相對(duì)其他溶劑很低，意味著所需乙酸濃度較高。見(jiàn)表4，Tang 等探究了乙酸濃度對(duì)預(yù)處理效果的影響，當(dāng)乙酸體積分?jǐn)?shù)從20%增加到60%時(shí)，脫木質(zhì)素率大幅提高（11.9%～67.1%），半纖維素的去除率也從9%提高到81.2%。纖維素在體積分?jǐn)?shù)60%乙酸預(yù)處理下的保留率達(dá)到96.8%，說(shuō)明乙酸的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)高于60%時(shí)才能有效脫木質(zhì)素。乙酸的預(yù)處理一般需要在較高的溫度（135～200℃）下進(jìn)行，如果加入硫酸作為催化劑，反應(yīng)溫度可進(jìn)一步降低至110℃以下。先前的研究表明，添加硫酸可以提高木質(zhì)素和半纖維素的去除率。因此，Zhao等通過(guò)在體積分?jǐn)?shù)80%乙酸中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%硫酸作為催化劑在107℃溫度下預(yù)處理甘蔗渣，最后能夠達(dá)到80%的去木質(zhì)素效果，但同時(shí)纖維素會(huì)發(fā)生乙?；?，干擾纖維素酶對(duì)纖維素底物的識(shí)別造成酶解得率低，需要同甲酸預(yù)處理一樣使用少量的堿進(jìn)行后處理，提高纖維素的酶解率，也可以使用過(guò)氧化氫和乙酸進(jìn)行預(yù)處理。Mota等使用過(guò)氧化氫和乙酸溶液預(yù)處理玉米秸稈、甘蔗渣和桉樹(shù)樹(shù)皮，去木質(zhì)素效果在45%～75%，這種方法增加了纖維素酶在木質(zhì)纖維素上的吸附，并有可能使糖產(chǎn)量最大化，有助于更高產(chǎn)量的乙醇發(fā)酵。

4 其他有機(jī)溶劑預(yù)處理

丙酮是最簡(jiǎn)單的飽和酮，丙酮與木質(zhì)素的值接近，表明它能有效地溶解木質(zhì)素，其沸點(diǎn)很低（56.5℃），不會(huì)與水形成共沸物，因此在回收溶劑方面相對(duì)比較容易。丙酮預(yù)處理通常在高溫（140～180℃）下進(jìn)行30～120min。這意味著丙酮預(yù)處理需要較高的壓力（8.9～16.9bar， 1bar=0.1MPa），目前比較流行的是通O，O的存在可以使木質(zhì)素的共價(jià)鍵變得活潑，進(jìn)一步改善了脫木素效果。同樣與其他有機(jī)溶劑一樣，丙酮的濃度對(duì)木質(zhì)素的溶解度影響很大。Huijgen 等探究了在不同丙酮濃度下對(duì)小麥秸稈預(yù)處理效果，其中在205℃、1h 條件下質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%丙酮溶劑脫除了82%的半纖維素和79%的木質(zhì)素，而在質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%～80%丙酮之間，木質(zhì)素溶解度可高達(dá)90%～93%。但是與上述溶劑相比，丙酮的高成本限制了其在預(yù)處理中的廣泛應(yīng)用。

甲基異丁基酮（MIBK）是丙酮的衍生物，目前對(duì)于它的預(yù)處理研究還處于起步階段。MIBK 的Hildebrand 溶解度參數(shù)為17.4，均低于上述溶劑，而且MIBK 在水中的不溶性也是其性能較差的原因，所以Kalogiannis 等在175℃、1h 條件下使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%MIBK預(yù)處理山毛櫸，木質(zhì)素的去除率僅為32.7%，但是添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%HSO作為催化劑會(huì)顯著改善木質(zhì)素效果（49.1%）。雖然MIBK脫木質(zhì)素效果不是很好，但由于形成雙液相反應(yīng)系統(tǒng)可以使溶解木質(zhì)素的有機(jī)相與含有半纖維素水解物的水相自動(dòng)分離，簡(jiǎn)化分離過(guò)程，進(jìn)而降低了木質(zhì)素回收的能量需求，對(duì)此可以在未來(lái)的工作中進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

-戊內(nèi)酯（-GVL）是一種可再生的天然化合物生物質(zhì)衍生物，由于其具備較高的沸點(diǎn)、閃點(diǎn)和化學(xué)穩(wěn)定性，以及具有良好的溶解木質(zhì)素和半纖維素的性能，近年來(lái)在生物煉制領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。Shuai 等使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%的GVL 并加入HSO作為催化劑預(yù)處理硬木，超過(guò)80%的木質(zhì)素被去除，96%～99%的纖維素保留在預(yù)處理的原料中，最終葡萄糖與木糖的總產(chǎn)率高達(dá)99%和100%，這些轉(zhuǎn)化率比使用其他有機(jī)溶劑（乙醇）時(shí)的轉(zhuǎn)化率高3倍。此外，Li等通過(guò)將GVL/HO/酸溶劑混合物應(yīng)用于木質(zhì)纖維素的預(yù)處理研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)-GVL 處理后的木質(zhì)素在結(jié)構(gòu)上接近天然木質(zhì)素，和水相比使用-GVL 作為溶劑進(jìn)行酸催化的生物質(zhì)水解反應(yīng)速率更快。

甲基四氫呋喃（MTHF）是一種易燃液體，其性質(zhì)與甲基異丁基酮相似，溶解在酸性環(huán)境下具有較好的穩(wěn)定性，和水具有高度的不混溶性，所以可以在雙相系統(tǒng)中有效地進(jìn)行預(yù)處理。MTHF 的沸點(diǎn)約為80℃，與水和預(yù)處理產(chǎn)物的沸點(diǎn)相差較大，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的蒸餾方法進(jìn)行分離，因此MTHF也是構(gòu)建預(yù)處理溶劑體系的較好選擇。

5 新型溶劑預(yù)處理

5.1 離子液體

離子液體（ILs）又被稱為室溫熔融鹽，是指在常溫下由分子量較大的有機(jī)陽(yáng)離子和分子量較小的無(wú)機(jī)或有機(jī)陰離子組成的低溫熔鹽，具有不易燃性、極低蒸氣壓、高黏度、低導(dǎo)電率、高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等物理化學(xué)特性。離子液體相較于常規(guī)溶劑最大區(qū)別是可根據(jù)特定的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，離子液體在應(yīng)用中往往由于其無(wú)污染性和無(wú)腐蝕性，被認(rèn)為是揮發(fā)性有機(jī)溶劑的綠色替代品。

離子液體具有很強(qiáng)的氫鍵配位，能夠通過(guò)破壞木質(zhì)纖維素中的氫鍵，使木質(zhì)素結(jié)構(gòu)變得疏松多孔，從而提供更多的底物接觸位點(diǎn)，有利于木質(zhì)纖維素的分離。Yavir 等通過(guò)研究[Amim][Cl]分解木質(zhì)素的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)離子可以與木質(zhì)素的芳香化合物表現(xiàn)出π-π 相互作用。且它是唯一在側(cè)鏈上具有p 電子的離子液體，因此[Amim][Cl]被認(rèn)為是溶解各種木質(zhì)纖維素的良好溶劑，可在低于100℃下有效溶解纖維素。到目前為止，應(yīng)用于木質(zhì)纖維素預(yù)處理的離子液體有[Bmim][Cl]、[Amim][Cl]、[Emim][OAc]、[Bmim][OAc]、[Emim][MeO(H)PO]和[Amim][OFo]。

ILs 預(yù)處理的主要缺點(diǎn)是成本太高，很難商業(yè)化。其中[Emim][OAc]被認(rèn)為是生物質(zhì)預(yù)處理最有效的ILs，但其價(jià)格高達(dá)50USD/kg，而[Bmim][Cl]在木質(zhì)纖維素預(yù)處理方面效果較差，但其成本僅為[Emim][OAc]的1/60。對(duì)此Sun 等開(kāi)發(fā)了一種結(jié)合固體堿催化劑（NaSiO） 和廉價(jià)離子液體（[Bmim][Cl]）結(jié)合的新方法，并將其用于云杉、柳樹(shù)和大豆秸稈等木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的預(yù)處理，結(jié)果表明NaSiO和[Bmim][Cl]的組合增強(qiáng)木質(zhì)素和半纖維素去除率，改善了酶水解。其中柳樹(shù)的酶解率提升至98.6%，是單一[Bmim][Cl]的2.6 倍。這項(xiàng)研究促進(jìn)了離子液體工業(yè)化發(fā)展。

5.2 低共熔溶劑

低共熔溶劑（DES）是由氫鍵受體和氫鍵供體在130℃以下以合適的比例混合形成均勻混合物。氫鍵受體和氫鍵供體之間存在的強(qiáng)氫鍵可以打斷半纖維素和木質(zhì)素間的氫鍵和醚鍵，從而使DES 表現(xiàn)出對(duì)木質(zhì)素的高效去除能力。DES由于和離子液體有許多共同的性質(zhì)和特性，被認(rèn)為是一類新的離子液體。但與離子液體相比，DES 具有成本低、易于制備、生物可降解等優(yōu)勢(shì)，與離子液體不同的地方是DES 是通過(guò)氫鍵或其他非共價(jià)相互作用形成的，而不是穩(wěn)定離子液體的離子鍵。

Chen等設(shè)計(jì)了一種三元DES可以有效地應(yīng)用于生物質(zhì)預(yù)處理當(dāng)中，其中氫鍵受體是氯化膽堿（ChCl）或鹽酸胍（GH），氫鍵供體則是乙二醇（EG）、丙二醇（PG）或甘油（GLY），對(duì)甲苯磺酸（PTSA）作為酸性氫鍵供體，研究發(fā)現(xiàn)GH-EGPTSA 最為有效，在120℃、30min 條件下中去除了79%的半纖維素和82%的木質(zhì)素，最后獲得葡萄糖的產(chǎn)量為78.4%。證明新型的三元DES能有效分離木質(zhì)纖維素。此外，微波、超聲等物理輔助預(yù)處理技術(shù)，可以加強(qiáng)DES 對(duì)木質(zhì)素原料的作用。Chen等開(kāi)發(fā)了超快微波輔助DES預(yù)處理的木質(zhì)纖維素分餾方法，用由氯化膽堿和乳酸（ChCl/LA）組成的DES 在800W 的微波照射45s 對(duì)柳枝稷和玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理，其中對(duì)玉米秸稈的去木質(zhì)素效果最好達(dá)到79.6%。Malaeke 等在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，DES在超聲輔助下處理木質(zhì)纖維素可破壞木質(zhì)纖維原料表面的蠟層和硅，減小木質(zhì)素的顆粒尺寸，從而提高DES對(duì)木質(zhì)素的溶解能力，使木質(zhì)素在DES（間苯二酚-氯化膽堿）溶解率高達(dá)50%。這一探索為未來(lái)木質(zhì)素的發(fā)展開(kāi)辟了新的方向。表5總結(jié)了新型溶劑預(yù)處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的結(jié)果。

表5 新型溶劑預(yù)處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)

6 結(jié)語(yǔ)

非水溶劑預(yù)處理可通過(guò)有效脫除木質(zhì)素和半纖維素提高原料的酶解效率，而且與常規(guī)水相預(yù)處理相比，非水溶劑預(yù)處理中最大的優(yōu)勢(shì)就是溶劑可以通過(guò)簡(jiǎn)單的蒸餾回收利用，大幅度減少預(yù)處理過(guò)程溶劑的消耗，從而減輕預(yù)處理的水耗和廢水處理的壓力，符合綠色發(fā)展的理念，是一類具有較好前景的預(yù)處理方式。然而，由于目前對(duì)非水溶劑預(yù)處理的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用研究尚不深入，不同溶劑預(yù)處理有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)（具體見(jiàn)表6），針對(duì)不同非水溶劑，溶劑循環(huán)回用策略研發(fā)和其余組分回收利用聯(lián)產(chǎn)研究不多，缺乏對(duì)非水溶劑預(yù)處理下生物煉制集成系統(tǒng)的整合和流程評(píng)價(jià)，導(dǎo)致其在實(shí)際生產(chǎn)中還有待于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。今后應(yīng)主要在以下幾個(gè)方面開(kāi)展深入的研究和探討。

表6 常見(jiàn)非水溶劑預(yù)處理處理方法的主要優(yōu)缺點(diǎn)

（1）非水溶劑的開(kāi)發(fā)和性能改善 深入研究非水環(huán)境下溶劑與木質(zhì)纖維原料間的各種次級(jí)鍵作用力，包括氫鍵、離子鍵、疏水作用力對(duì)木質(zhì)纖維不同組分的溶解和脫除影響，建立溶劑理化參數(shù)與組分變化的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，闡明不同溶劑對(duì)木質(zhì)纖維原料預(yù)處理效果的作用規(guī)律，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)和篩選非水溶劑，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維原料組分的高效分離。

（2）開(kāi)展非水溶劑預(yù)處理統(tǒng)合工藝的研究和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估 適用于木質(zhì)纖維的理想預(yù)處理過(guò)程需要同時(shí)滿足獲得容易酶解發(fā)酵的預(yù)處理原料和剩余非纖維組分可實(shí)現(xiàn)回用和副產(chǎn)品聯(lián)產(chǎn)的量大條件。為滿足該目的，非水溶劑預(yù)處理需要其他的化學(xué)或物理方法輔助，例如：微波、超聲等形成各種新型組合預(yù)處理工藝，實(shí)現(xiàn)纖維原料各組分的梯級(jí)分離、木質(zhì)纖維全組分利用和增值處理，提高集成工藝的經(jīng)濟(jì)性和商業(yè)價(jià)值。

（3）溶劑循環(huán)利用策略的建立 非水溶劑預(yù)處理中最大的優(yōu)勢(shì)就是溶劑可以回收利用，建立成本可控合理的高效溶劑回收策略是非水溶劑預(yù)處理商業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵。如表6所示，不同溶劑理化參數(shù)不同，回收策略也不相同。然而，目前該方面的研究尚處于起步階段，相關(guān)報(bào)道和研究較少，存在較大的提升空間。需要進(jìn)一步開(kāi)展溶劑回收過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，優(yōu)化回用條件，降低回收過(guò)程的能耗和水耗，深入探討回收過(guò)程溶劑、木質(zhì)素和半纖維素的損失，增強(qiáng)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)性。

（4）溶劑生物安全相容性研究 目前非水溶劑預(yù)處理主要研究集中在預(yù)處理和酶解工段，將非水溶劑預(yù)處理酶解液用于微生物發(fā)酵的研究較少。盡管已有報(bào)道表明殘留的非水溶劑對(duì)酶解過(guò)程展現(xiàn)出較高的相容性，但微生物發(fā)酵過(guò)程這些溶劑對(duì)生物的毒性以及微生物對(duì)其代謝能力對(duì)發(fā)酵的影響尚缺乏認(rèn)識(shí)，非水溶劑對(duì)微生物發(fā)酵影響的作用機(jī)制有待于進(jìn)一步完善。