【文章內(nèi)容簡介】 結(jié)構(gòu)，不均一的分子，多為無定形 不定形的、非均一的、非線性的三維立體聚合物性分子 哈爾濱理工大學學士學位論文 6 不同的 纖維素原料 ，其所含的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素有一定差異，表 22 列出了幾種重要的纖維素原料的組成。 表 22 幾種重要的纖維 素 原料的組成 [19,20] 纖維素原料 纖維素 ， % 半纖維素 ， % 木質(zhì)素 ， % 硬 木 40～ 55 24～ 40 18～ 25 軟 木 45～ 50 25～ 35 25～ 35 玉米秸稈 40 25 17 水稻秸稈 35 25 12 甘 蔗 渣 40 24 25 纖維素 原料 的預處理 方法 天然植物纖維素原料主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素組成，結(jié)構(gòu)非常復雜。由于目前所篩選的許多高酶 活性 的纖維素分解菌其半纖維素酶及木質(zhì)素酶活性不高，很難將天然植物纖維的三大組成降解；另一方面，由于結(jié)構(gòu)的復雜性，又直接影響著纖維素酶的作用。通常在酶法水解之前需進行必要的預處理，改變天然纖維素的結(jié)構(gòu)，降低它的結(jié)晶度，脫去木質(zhì)素，以增加纖維素酶系與纖維素的有效接觸，從而提高 酶解效率。 預處理 纖維素原料 的目的是為了從纖維素中去除或分離半纖維素 ， 破壞或去除木質(zhì)素的包裹 ， 降低纖維素的結(jié)晶度 ， 增加纖維素的孔隙度和比表面積 [21]。常用的預處理方法包括物理方法 ， 如機械粉碎、高溫分解和高能輻射等；化學方法 ， 如臭氧分解、酸水解、堿水解和有機溶劑處理等；物理 － 化學方法 ， 如蒸汽爆破法、氨爆破法、 CO2爆破法和臨界水處理等；以及生物方法 ， 如利用白腐真菌處理等。圍繞這些預處理方法人們做了大量工作。 物理方法 通常有機械粉碎、微波或超聲波、高能電子輻射等。 機械粉碎包括干法粉碎、濕法粉碎、振動球磨碾 磨以及壓縮碾磨。該方法可以減小原料粒徑、增加生物質(zhì)的內(nèi)表面積并破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)。 微波是一種新型節(jié)能、無溫度梯度的加熱技術(shù)，是 一種非電離的電磁輻射，被輻射物質(zhì)的極性分子在微波電磁場中快速轉(zhuǎn)向及定向排列 ， 從而產(chǎn)生撕裂和相互摩擦引起發(fā)熱 ， 同時可以保證能量的快速傳遞和充分利用。微波 應用于染色工業(yè)，可以提高纖維素的染色性能， 微波輔助提取的研究哈爾濱理工大學學士學位論文 7 表明 ， 微波輻射誘導萃取技術(shù)具有選擇性高、操作時間短、溶劑耗量少、有效成分得率高的特點 ， 已被應用于有機污染物的提取、天然化合物及生物活性成分的提取等方面 。 用微波或超聲波對纖維 素進行預處理 ， 能提高纖維素的可接觸性和反應活性。 超聲波在化學工業(yè)中的應用也迅速發(fā)展 ，在超高壓條件下，有機酸預處理生物質(zhì) （ 如農(nóng)作物廢棄物 ） 過程中，玉米秸稈用微波 (∕g)輻射，然后用酶在 400℃ 、 pH值 ，水解 72h，糖化率高達 98%。 超聲波作為一種在室溫下注入能量的方法 ， 近年來在物理、生物、化學等領(lǐng)域中已有廣泛應用 ， 在水介質(zhì)中超聲波產(chǎn)生的機械作用及空化產(chǎn)生的微射流對秸桿表面產(chǎn)生沖擊、剪切 ， 且空化作用所產(chǎn)生的熱量及自由基均可使大分子降解 。 研究發(fā)現(xiàn)， 超聲波能夠打開纖維素的結(jié)晶區(qū) ， 碎解木質(zhì)素大分子 ， 超聲波預處理能使木漿纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)和超微結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化 ， 對提高纖維素酶的可及度和化學反應性 非常有利 。 用超聲波法對玉米秸桿進行預處理 ， 以上清液中溶出的總糖為指標 ， 初步確定了單因素條件的范圍 ， 再進一步采用中心回歸設計 ， 考察固液比和超聲時間對玉米秸桿酶解的影響 ，確定最佳處理條件為 :固液比 1:， 時間 ， 葡萄糖質(zhì)量分數(shù)可達 ， 比未處理樣提高了 24倍 。 化學方法 化學處理的主要機理是使纖維素、半纖維素和木質(zhì)素吸脹，并破壞其結(jié)晶性，使其溶解并降解，從而增加其消化性。此法的操作相對簡 單，成本低，但是由于試劑的腐蝕性或毒性，存在著試劑的回收、污染和原料的洗滌問題。 常采用 NaOH、液氨及其它化學試劑 進行 處理。 NaOH 預處理時采用%～ %的 NaOH， 在適宜條件下 處理一段時間 ，可望達到最大的酶解率，但 NaOH 的耗量大。堿處理過程中還有部分纖維素被損失，不太適合大規(guī)模生產(chǎn)。 Philipp[22]研究指出，液氨預處理能改善纖維素堿化、羧甲基化和酶降解的反應活性，效果顯著，但成本相對較高。除堿和液氨外，用其它化學試劑進行適當處理，也可提高纖維素的可及性和反應活性，比如用氯化鋅處理，可提高 纖維素酶水解速率和 還原糖 產(chǎn)率。 Awade 等 [11]研究發(fā)現(xiàn)， 用丙酮純化處理纖維素過程中，丙酮能滲透到纖維素內(nèi)部，影響纖維素分子內(nèi)和分子間的氫鍵的穩(wěn)定性，導致纖維素立體化學的巨大變化，氫鍵的持久性減弱或破壞，從而使纖維素的可及度增大。 哈爾濱理工大學學士學位論文 8 物理 － 化學方法 物理 － 化學方法 常用的有氨冷凍爆破法，利用液態(tài)氨在相對較低的壓力（ ）和溫度（ 50～ 80℃ ）下 對 原料處理一定時間，然后通過突然釋放壓力爆破原料，其中液氨可以通過回收循環(huán)使用，整個過程能耗較低，是一種較有前途的預處理技術(shù) [23]。此外， 還 有機械粉碎和堿處 理相結(jié)合的方法，先將纖維原料粉碎到一定的粒度，再用 NaOH 浸泡處理，得到的剩余纖維素粉酶解效率高，粉碎程度越大，酶解效果越好。 生物方法 常用于降解木質(zhì)素的真菌是木腐菌，通常是白腐菌、褐腐菌和軟腐菌，其中軟腐菌的木質(zhì)素分解能力很低，褐腐菌只能改變木質(zhì)素的性質(zhì)，而不能分解木質(zhì)素，只有白腐菌分解木質(zhì)素的能力較強。用白腐菌預處理纖維素較省能，還可以得到有價值的副產(chǎn)物 —— SCP（單細胞蛋白 ） ，成本低，經(jīng)濟效益好，并且由于反應條件溫和，副反應和抑制性產(chǎn)物少。但生物法處理時間長，而且白腐菌除分解木質(zhì)素外，還產(chǎn)生分解纖維 素和半纖維素的纖維素酶和半纖維素酶，處理的同時也造成纖維素、半纖維素的損失，因此必須分離或選育木質(zhì)素氧化酶活性高，而不產(chǎn)生纖維素酶、半纖維素酶的菌種。 微波 預處理 微波作為一種固定頻率首先應用于雷達中，而后被廣泛應用在通訊領(lǐng)域，隨著微波技術(shù)的發(fā)展，其在分析樣品的制備、器皿的干燥、食品加工等方面得到廣泛的應用。利用微波加熱進行反應，其速度較傳統(tǒng)加熱技術(shù)快數(shù)倍乃至數(shù)千倍，因此可以降低能源消耗、減少污染、改良產(chǎn)物特性，被譽為“綠色化學” [24]，有巨大的應用前景。 微波 基本概念 微波與無線電波、電視信號、紅外線、 可見光等一樣，屬于波長不同的電磁波， 波長為 ～ 1m，頻率為 3～ 3000MHz，比無線電波更微小，稱為微波 [2527]。處于微波場中的物質(zhì)含有微波能吸收的介質(zhì)時，該物質(zhì)吸收微波能量進行自身加熱 [26]，現(xiàn)代應用中將它擴展為一種新能源，在工農(nóng)業(yè)上進行加熱和干燥，在化學工業(yè)中催化促進化學反應，在科學研究中激發(fā)等離子體等，家用微波爐就是微波能應用的典型例子 [28]。 哈爾濱理工大學學士學位論文 9 微波加熱原理 介質(zhì)材料通常由極性和非極性分子組成， 在 電磁場作用下，極性分子從原來的隨機分布狀態(tài)轉(zhuǎn)向按照電場的極性排列取向排布，在高頻電磁作用 下，這些取向按交變電磁場的變化而變化，此過程中分子的運動和相互磨擦產(chǎn)生熱量，交變電磁場的場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱動能，使介質(zhì)溫度不斷升高，這就是微波加熱的基本原理 [28]。 在快速振動的微波磁場中，分子偶極的振動盡力同磁場振動相匹配，但往往又滯后于磁場，物質(zhì)分子吸收電磁能以每秒數(shù)十億次的高速振動而產(chǎn)生熱能。因此，微波對物質(zhì)的加熱是從物質(zhì)分子本身出發(fā)的“內(nèi)加熱”。微波加熱是介質(zhì)材料自身損耗電場能量而發(fā)熱，由極性分子所組成的物質(zhì)，能較好地吸收微波，水是吸收微波最好的介質(zhì)，凡含水的物質(zhì)必定吸收微波。 微波加熱特點 常 規(guī)加熱通過輻射、對流加熱 物體 周圍的環(huán)境或 物體 表面， 物體 表面得到熱量，再通過熱傳導將熱量傳到 物體 內(nèi)部，加熱效率低 [29]，為避免溫度梯度過大，加熱速度不能太快，因此加熱過程比較緩慢，也不能對處于同一反應裝置內(nèi)的混合組分進行選擇性加熱，稱之為“外加熱”。以“內(nèi)加熱”形式工作的微波是表面和內(nèi)部同時進行的一種體系加熱，不需要外部熱源，不需要熱傳導和對流，不依賴于溫度梯度的推動，體系受熱均勻，升溫迅 速 。微波的“冷熱源”產(chǎn)生和接觸到物體的是電磁能 [30]。 與傳統(tǒng)的加熱方式相比，微波加熱存在以下顯著的特點 : 1. 加快反應過 程 常規(guī)加熱利用熱傳導的原理將熱量從被加熱物外部傳入內(nèi)部，物體中心溫度逐步升高，一定時間后中心部位才能達到所需的溫度。微波加熱是加熱物本身為發(fā)熱體，不需熱傳導，內(nèi)外同時加熱，在短時間內(nèi)即可達到加熱效果。只要存在微波輻射，物料立刻可以被加熱，反之，物料得不到微波能量而立即停 止加熱，使物料在瞬間得到或失去熱量來源，表現(xiàn)出對物料加熱的無惰性 ，使熱傳導較差的物質(zhì)在短時間內(nèi)加熱干燥，能量的利用率高，加熱爐的尺寸比常規(guī)加熱爐要小。 2. 均勻加熱 常規(guī)加熱在升溫過程中容易產(chǎn)生外層結(jié)“殼”而內(nèi)層夾“生”的現(xiàn)象。微波加熱過程中熱 由材料表面向周圍空間進行，表面溫度低于中心溫度，樣品整體加熱，溫度梯度小。物體各部位不論形狀如何，通常都能均勻滲透電磁波而產(chǎn)生熱量，大大改善介質(zhì)材料的均勻性。 哈爾濱理工大學學士學位論文 10 3. 節(jié)能高效 常規(guī)加熱中，設備預熱、輻射熱損失和高溫介質(zhì)熱損失在總的能耗中占據(jù)較大的比例，微波加熱時介質(zhì)材料吸收微波轉(zhuǎn)化為熱能，設備殼體金屬材料是微波反射型材料，它只反射而不吸收微波，微波加熱設備的熱損失僅占總能耗的極少部分，實驗室的環(huán)境溫度也不會因此而升高，改善了實驗環(huán)境。另外，微波加熱是內(nèi)部“體熱源”，不需要高溫介質(zhì)傳熱，因此絕大部分微波能被介質(zhì)物料 吸收并轉(zhuǎn)化為升溫所需要的熱量，微波能量利用效率高，與常規(guī)電加熱方式相比可以節(jié)電 30%～ 50%[2931]。 4. 易于控制 與常規(guī)加熱方法相比，微波加熱只對物體本身加熱，爐體、爐腔內(nèi)空氣幾乎不加熱，熱慣性極小，應用計算機控制，特別適宜于加熱過程和加熱工藝的規(guī)范和自動化控制。 5. 選擇性加熱 不同材料的介電特性不同，對微波反應不相同，因此微波對不同介質(zhì)特性的物料有不同的作用。如水分子對微波的吸收最好，含水量高的部位吸收微波多于含水量較低的部位，這就是微波選擇性加熱的特點，對干燥加工很有利，利用微波可選擇性加熱對混合物 料中的各組分或零件的不同部位進行加熱。 6. 安全無害 微波加熱使用過程中，無廢水、廢氣、廢物、無輻射遺留物存在。微波是在金屬制造的封閉的熱熔器和波導管中工作，能量的泄露極小，是一種十分安全無害的高新技術(shù)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了微波輔助預處理 纖維素類物質(zhì)的基礎理論 ，包括 纖維素類物質(zhì)的結(jié)構(gòu) 、 纖維素原料 的 預處理方法 、 微波 預處理 等 。 哈爾濱理工大學學士學位論文 11 第 3章 實驗部分 實驗原料及藥品 實驗原料及藥品參見表 31。 表 31 實驗原料及藥品 藥品 生 產(chǎn)廠家 NaOH（分析純） 天津市凱通化學試劑有限公司 Na2S（ 分析純） 天津市天力化學 試劑有限公司 冰乙酸 （分析純） 哈爾濱市化工試劑廠 酸性纖維素酶 肇東國科北方酶制劑有限公司 DNS試劑 天津市巴斯夫化工有限公司 水稻秸稈 （磨碎過 100目篩 ） 哈爾濱市近郊 實驗 儀器設備 實驗儀器 設備 參見表 32。 表 32 實驗儀器設備 實驗儀器設備 生產(chǎn)廠家 DSY12 孔 電熱恒溫水浴鍋 北京國華醫(yī)療器械 廠 1012 型電熱鼓風干燥箱 上海錦屏儀器儀表有限公司 981B 型電子調(diào)溫電熱套 天津市泰斯特儀器有限公司 DJ 1 電動攪拌器 江蘇環(huán)保儀器廠 GG17 抽濾瓶 （ 500ml） 四川蜀牛玻璃儀器 廠 721 分光光度計 上海精密科學儀器有限公司 美的家用微波爐 美的日用家電集團 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司 燒杯、試管、量筒、移液管 天津玻璃儀器制造廠 哈爾濱理工大學學士學位論文 12 實驗 內(nèi)容 NaOH 質(zhì)量分數(shù) 對 預處理效果 的影響 在水稻秸稈粉末與 NaOH 水溶液固液比為 1:30，催化劑 Na2S 質(zhì)量分數(shù)為 %，微波加熱功率為 中火 、 作用 時間為 5min 的試驗條件下，考察不同質(zhì)量分數(shù) 的 NaOH 對 水稻秸稈預處理效果 的影響。 具體實驗數(shù)據(jù)參見表 33。 表 33 不同質(zhì)量分數(shù) NaOH 對 預處理效果 的影響 實驗數(shù)據(jù) NaOH 質(zhì)量分數(shù) NaOH 質(zhì)量 ， g Na2S 質(zhì)量 ， g 稻 稈粉末質(zhì)量 ， g 蒸餾水 質(zhì)量 ， g 吸光度 E % % 1% 2% 注 吸光度 E 為稀釋 20 倍后在 390nm 波長下測得 Na2S 質(zhì)量分數(shù) 對 預處理效果 的影響 在水稻秸稈粉末與 NaOH 水溶液固液比為 1:30， NaOH 質(zhì)量分數(shù)為%， 微波加熱功率為 中火 、 作用 時間為 5min 的試驗條件下 ，考察不同質(zhì)量分數(shù) 的 Na2S 作為催化劑對 水稻秸稈預處理效果 的影響 。 具體實驗數(shù)據(jù)參見表 34。 表 34 不