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文献综述
引言
地球资源的日益枯竭，石油、煤炭、天然气等一次性化石资源的供需矛盾已经严重阻碍了人类经济与社会的可持续发展。可再生的替代能源已经成为关乎人类未来命运的头等大事[1]。燃料乙醇作为可再生资源以受到了高度重视，然而，第一代燃料乙醇淀粉乙醇的表现却不尽如人意。淀粉乙醇多采用粮食（如玉米、甘蔗）作为原料，由此造成的食品价格增长与耕地的占用将能源危机转而变成了食品危机[2]。另外，早有学者指出生产淀粉乙醇所需的热能主要由化石燃料提供，这使得温室气体排放并未得到改观甚至还有所增长[3]。第二代燃料乙醇纤维素乙醇，不同于第一代燃料乙醇，是通过以非粮的木质纤维素为原料，整合先进的生物精炼与废气处理工艺实现液体燃料生产的同时降低温室气体排放[4,5]。因此许多国家已将纤维素乙醇的生产摆在了重要位置。
1.木质纤维素简介：
木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素三大主要组分组成,这些组分构成了植物的细胞壁,对细胞起保护作用。纤维素是由D-毗喃葡萄糖基以β-l,4糖昔键连接而成的天然链状高分子化合物,大约由500一10000个葡萄糖单元组成，分子排列规则、聚集成束,形成植物细胞壁。半纤维素是纤维素以外的碳水化合物(按惯例淀粉与果胶质除外)。与纤维素不同,半纤维素不是均一聚糖,是一大类高分子非均一多聚糖的总称。组成半纤维素的糖基主要有:D一木糖、D一甘露糖、D一葡萄糖、D一半乳糖、L一阿拉伯糖、4一O一甲基一D一葡萄醛酸、D一半乳搪醛酸与D一葡萄糖醛酸等,还有少量的的L一鼠李糖、L一岩藻糖基及各种带有O一甲基或乙酞基的糖基。各种植物的半纤维素不但含量不同,而且结构各异。木质素是具有三维立体结构、由苯丙烷单元通过醚键和碳碳键连接而成的聚酚类三维网状高分子芳香族化合物,其中醚键约占60一75%,碳键约占25一30%。作为一种填充和粘结物质,在细胞壁中能以物理或化学的方式使纤维素纤维之间粘结和加固,增加木材的机械强度和抵抗微生物侵蚀的能力[6,7]。
在天然存在的木质纤维素中,除棉花外,其余各种纤维的细胞壁中都是被半纤维素和木质素包裹着的。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。纤维素与半纤维素,或纤维素与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。
1.木质纤维素的应用
木质纤维素是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。有资料表明,全世界每年植物体的生成量高达1.551011t干物质,其中纤维素、半纤维素的总量约为8.51010t。我国是一个农业大国,若能把大量的农业纤维原料及工业纤维废料中的纤维素经济有效地水解成葡萄糖,并进一步用于燃料乙醇、有机酸和抗生素等的生产,是解决能源以及环境问题的有效途径[8]。木质纤维素通过预处理后酶解糖化，进一步发酵产生纤维乙醇，它是一种非常重要的生物质液体燃料，它可以直接作为动力燃料或者是掺入汽油中作为燃油改善剂和部分汽油的替代品，用汽油发动机的汽车，汽油中乙醇加入量在5%～22%；而对于乙醇专用发动机的汽车，乙醇加入量为85%～100%。由于乙醇含氧比率较高，所以可以替代对水资源有污染的增氧剂MTBE（甲基叔丁基醚），以使得燃烧更充分，降低一氧化碳和芳香族化合物排放量。可见燃料乙醇的使用不仅可以减少汽油的使用，缓解对石化燃料的过度依赖，而且还可以减少有害物质的排放，降低城市环境的污染。目前，国内外均以淀粉质(玉米)和糖蜜(甘蔗)为原料生产酒精[9]，底物成本占生产总成本的比例很大，欧美发达国家为40%左右，而中国这一数值高达60一70%。近年来，随着乙醇工业的大规模扩张，使玉米的价格持续上涨，对发展中国家的居民生活产生巨大影响。木质纤维素正好作为粮食的替代品发酵纤维乙醇，这将有利于改善目前资源紧张、环境恶化的状况,对人类社会实现可持续发展具有重要的经济和社会意义。
1.木质纤维素的预处理方式
目前木质纤维原料生产乙醇的主要问题是得率低、水解成本高。纤维素有效酶解受木质素的空间障碍和纤维本身结晶度和聚合度的影响,因此欲酶解纤维素必须对原料进行预处理,这是有效转化木质生物资源的一个必要环节。
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