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木质纤维素范文1
引言
我国每年产生数量庞大的固体废弃物，焚烧已成为最常见的固废处置方式，该方式不仅浪费资源，还严重影响空气质量。报道显示微生物可将生物质转化为液态、气态的燃料，具有能耗低、转化效率高和不产生二次污染等优点，因此，以生物质材料作为原材料开发新能源已受到世界范围的关注[1]。
农作物秸秆和木材废弃物在固体废弃物中占重要地位，其主要成分是木质纤维素。木质纤维素是一种典型的生物质，利用微生物代谢木质纤维素产生清洁能源已成为研究热点之一。目前，酿酒酵母产乙醇被广泛应用于木质纤维素的资源化处理工艺，其具有成本低、原料丰富等优点。在酿酒酵母利用木质纤维素发酵之前，需对木质纤维素进行预处理和糖化，此时木质纤维素中的纤维素与半纤维素等转化为可发酵糖，在纤维素与半纤维素等大分子物质的分解过程中，引入了一些小分子化合物，这些物质对发酵有抑制作用，统称为抑制物。
1 抑制物的种类及抑制作用
木质纤维素水解液中的抑制物大致分为三类：弱酸类、呋喃类和酚类化合物。弱酸类主要包括甲酸、乙酸和乙酰丙酸，弱酸会破坏细胞内外的渗透压平衡，并进入细胞内部，这部分弱酸在细胞内部进一步解离，使得细胞内环境酸化，影响细胞内部的酶促反应，最终抑制细胞的生长[2]。呋喃类抑制物主要是糠醛和HMF，这类物质对微生物中的乙醇脱氢酶、丙酮酸脱氢酶和醛脱氢酶产生抑制，减缓酿酒酵母的生长；醛类抑制物会产生细胞内活性氧，导致DNA分解，进而阻碍RNA和蛋白质的合成[3、4]。相对于其他类型抑制物，酚类抑制物的毒性更强，低浓度的酚类就可以抑制酿酒酵母的生长，研究表明，低分子量的酚类化合物对酿酒酵母生长具有更高的抑制作用[5]。
2 降低抑制物对酿酒酵母抑制作用的措施
2.1 木质纤维素水解液脱毒
发酵前对木质纤维素水解液进行脱毒是降低抑制物抑制作用的有效途径。脱毒方法主要分为物理法、化学法和生物法，物理方法包括真空干燥浓缩、蒸煮、活性炭吸附、离子交换吸附和溶剂萃取等，这些方法可将水解液中的有毒物质在不改变分子结构的前提下去除，不同处理方法的去除效率具有差异[6]。化学方法是利用各种碱性物质（如NH4OH、NaOH、Ca（OH）2等）及过量石灰法对水解液进行处理，通过化学反应改变水解液中的成分以降低抑制物毒性[7]。生物方法是利用特定酶或微生物脱毒，其中，漆酶是一种常用的脱毒酶，通过氧化聚合反应将毒性较高的小分子量酚类化合物转化为毒性较低的大分子量酚类化合物[8]。
2.2 提高酿酒酵母对抑制物的耐受性
除了减少木质纤维素水解液中的有毒物质，还可提高酿酒酵母对抑制物的耐受性，目前比较常用的方法是基因工程方法、诱变方法和驯化育种方法。基因工程方法是通过添加、敲除或高表达某一种或几种与抑制物代谢相关的基因以提高酿酒酵母对抑制物的耐受性的方法。改造基因可以直接、快速地使酿酒酵母表现出我们所期望的特性，但木质纤维素水解液中的抑制物种类繁多，基因工程方法难以使得酿酒酵母同时具有多种抑制物耐受性，且酿酒酵母的新陈代谢途径复杂，改造基因可能使得酿酒酵母失去原本的优良特性[9]。诱变方法以自然突变为依据，利用诱变剂加快酿酒酵母细胞基因突变的速度，在短时间内产生大量突型酿酒酵母，经过进一步的筛选，可获得具有抑制物耐受性的酿酒酵母，而诱变方法具有不确定性和诱变范围广等缺陷，因此需大量的诱变型细胞增加获得目标菌株的几率，且诱变剂可能损坏出发菌株原始基因，丢失优良特性。驯化育种是一种模拟自然选择的过程，根据生物和环境共同进化的规律，对微生物施与一定的选择压力，使得微生物在自然突变的基础上定向进化。驯化方法中存在的环境压力使得微生物突变具有明确方向，可在短时间内富集突变子，在长期的驯化过程中，菌株的优良性质可以在代际之间传递，增加了优良性质的稳定性[10]；驯化育种的不足之处在于菌株的突变机理尚未明确，难以通过其他手段获得该菌株。
3 结束语
木质纤维素水解液中的抑制物会影响酿酒酵母的发酵效率，降低代谢产物乙醇的浓度，因此需采取措施降低抑制物对酿酒酵母的抑制作用。将水解液脱毒与酿酒酵母改进进行对比，水解液的脱毒成本较高，不利于木质纤维素资源化利用的工业化发展，因此有必要提高酿酒酵母对抑制物的耐受性。木质纤维素水解液中抑制物的组分与原材料种类和预处理方式密切相关，不同改良酿酒酵母的方法各有其优缺点，在实际应用中可将多种方式有效结合，有利于获得具有较高耐受性的酿酒酵母。
参考文献
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木质纤维素范文2
论文摘要：本文论述了项目经理在企业中的地位，探讨了作为一名合格的项目经理应具备的基本素质，提出了建筑企业应建立以人为本的用人机制。
项目经理是施工企业项目经理的简称，是企业法人代表在项目上的全权委托人。在企业内部，项目经理是项目实施全过程一切工作的总负责人，对外可以作为企业法人的代表在授权范围内负责和处理各项事务，因此项目经理是项目实施最高责任者和组织者。建筑企业项目经理对项目的管理主要限于对施工项目的管理，即对一个建筑施工过程及成果进行计划、组织、指挥、协调和控制。施工项目管理是项目管理的一个分支，项目管理的发展与改革促进了施工项目管理的发展，施工项目规模的扩大与复杂性的提高也对项目经理提出了更高的要求。传统的项目经理通常只是一个技术方面的专家和任务执行者，而现代项目经理不仅要有专业技术，还要有经营管理等其它多方面的能力，比如对项目部成员的激励，与开发商、监理的协调，和政府政策保持一致等。项目经理必须通过人的因素来整合运用技术因素，以达到其项目目标，即项目经理必须使项目部成为一个团结协作，具有积极性和责任感的高效率团队。
1 项目经理是施工承包企业法定代表人在施工项目上的代表人，项目经理在项目管理中处于中心地位，是项目管理成败的关键
1.1 项目经理是施工承包企业法人代表在项目上的全权委托人
从企业内部看，项目经理是施工项目全过程所有工作的总负责人，是项目的总责任者，是项目动态管理的体现者，是项目生产要素合理投人和优化组合的组织者。从对外方面看，作为企业法人代表的企业经理，不直接对每个建设单位负责，而是由项目经理在授权范围内对建设单位直接负责。由此可见，项目经理是项目目标的全面实现者，既要对建设单位的成果性目标负责，又要对企业效率性目标负责。
1.2 项目经理是协调各方面关系，便之相互紧密协作、配合的桥梁和纽带
他对项目管理目标的实现承担着全部责任，即承担合同责任、履行合同义务、执行合同条款、处理合同纠纷、受法律的约束和保护。
1.3 项目经理对项目实施进行控制，是各种信息的集散中心
自下、自外而来的信息，通过各种渠道汇集到项目经理的手中；项目经理又通过指令、计划和办法，对下、对外信息，通过信息的集散达到控制的目的，使项目管理取得成功。
1.4 项目经理是施工项目责、权、利的主体
这是因为，项目经理是项目总体的组织管理者，即他是项目中人、财、物、技术、信息和管理等所有生产要素的组织管理人。他不同于技术、财务等专业的总负责人。项目经理必须把组织管理职责放在首位。项目经理首先必须是项目的责任主体，是实现项目目标的最高责任者，而且目标的实现还应该不超出限定的资源条件。责任是实现项目经理责任制的核心，它构成了项目经理工作的压力和动力，是确定项目经理权力和利益的依据。对项目经理的上级管理部门来说，最重要的工作之一就是把项目经理的这种压力转化为动力。其次项目经理必须是项目的权力主体。权力是确保项目经理能够承担起责任的条件与手段，所以权力的范围，必须视项目经理责任的要求而 定。如果没有必要的权力，项目经理就无法对工作负责。项目经理还必须是项目的利益主体。利益是项目经理工作的动力，是由于项目经理负有相应的责任而得到的报酬，所以利益的形式及利益的多少也应该视项目经理的责任而定。如果没有一定的利益，项目经理就不愿负有相应的责任，也不会认真行使其相应的权力，项目经理也难以处理好国家、企业和职工的利益关系。
2 施工项目经理的基本素质
职业是个体因工作时间的积累和工作态度的好坏而不断发展的工作活动和职位。职业包含着3层含义：随着时间积累而发展变化的方向和途径；个人和组织间的相互作用和影响；提供了与职业相关的身份。可以依据不同的标准对职业作以下分类：常规型与交际型、线型与螺旋型、长期型与短期型。无论哪种分类，施工项目经理必须具备管理技能和技术技能两个基本素质。管理技能包括：计划、组织、目标定位、对项目的整体意识、处理项目与外界之间关系的能力、以问题为导向的意识、授权能力—使项目团队成员共同参与决策；技术技能包括：使用项目管理工具和技巧的特殊知识；项目知识；理解项目的方法、过程和程序；相关的专业技术；计算机应用能力。
选择什么样的人担任项目经理，取决于两个方面：一是看施工项目的需要，不同的项目需要不同素质的人才；另一方面还要看施工企业具备人选的素质。建筑施工企业应该培养一批合格的项目经理，以便根据工程的需要进行选择。
2.1 政治素质
施工项目经理是建筑施工企业的重要管理者，故应具备较高的政治素质。首先必须是一个社会主义的建设者，坚持"一个中心，两个基本点"，全心全意为人民服务；同时具有思想觉悟高、政策观念强的道德品质，在施工项目管理中能自觉地坚持社会主义发展方向，认真执行党和国家的方针、政策，遵守国家的法律和地方法规，执行上级主管部门的有关决定，自觉维护国家的利益，保护国家财产，正确处理国家、企业和职工三者的利益关系，并具有坚持原则、善于管理、勇于负责、不怕吃苦、从事社会主义建设事业的高度责任感。 转贴于
2.2 领导素质
施工项目经理是一名领导者，因此应具有较高的组织工作能力。项目经理一般应满足下列要求：
博学多识，通情达理。即具有马列主义、现代管理、科学技术、心理学等基础知识，见多识广，眼光开阔。通社会主义人情，达社会主义的事理，按照社会主义的思想、品质、道德和作风的要求去处理人与人之间的关系。
多谋善断，灵活应变。即具有独立解决问题和与外界洽谈业务的能力，主意多，点子多，办法多，善于选择最佳的主意和办法，能当机立断，坚决果断地去实行。当情况发生变化时，能够随机应变地追踪决策，见机处理。
知人善任、善与人同。即要知人所长，知人所短，用其所长，避其所短，尊贤爱才，大公无私，不任人唯亲，不任人唯资，不任人为顺，不任人唯全。宽容大度，有容人之量。善于与人，与大家同心同德。与下属共享荣誉与利益，吃苦在先，享受在后，关心别人胜于关心自己。
公道正直，以身作则。即要求下属的，自己首先做到，定下的制度、纪律，自己首先遵守。
铁面无私，赏罚严明。即对被领导者赏功罚过，不讲情面，以此建立管理权威，提高管理效率。赏要从严，罚要谨慎。
项目经理不能是一名只知道个人苦干，成天忙忙碌碌，只干不管的具体办事人员，而应该是会"将将"，善运筹的"帅才"。这样才能够带领项目部成员，团结广大施工人员一起工作。
2.3 知识素质
施工项目经理应当是一个综合型专家，具有大专以上相应学历和文凭，懂得建筑施工技术，经济知识，法律知识，熟悉项目管理的基本知识和掌握施工项目管理的规律，具有较强的决策能力、组织能力、指挥能力、应变能力，也即是经营管理能力。同时每个项目经理还应在建设部认定的项目经理培训单位进行过专门的学习，并取得培训合格证书。
2.4 实践经验
项目经理是亲临第一线的指挥官，要随时处理项目运行中发生的各种问题，因此，每个项目经理，必须具有一定的施工实践经历。只有具备了实践经验，其才会处理各种可能遇到的实际问题。
2.5 身体素质
施工项目经理不但要担当繁重的工作，而且工作条件和生活条件都因现场性强而相当艰苦。因此，项目经理必须年富力强，具有健康的身体，以便保持充沛的精力和旺盛的斗志，从而顺利实现本项目的各种既定的目标。
3 结论
“百年品牌，以人为本”，通过对建筑企业中“项目经理”这一重要角色的分析与讨论，随着我国工程项目管理的进一步发展，企业运行主体应建立以人为本注重素质的用人机制。
第一，积极推进企业人才结构的专业化、知识化、年轻化，保证企业发展的生机与活力。
第二，建立有效的人才激励机制。着力造就人才成长的环境和氛围，实现企业发展目标与员工个人价值的统一，拓宽各类人才施展才华的渠道。在积极用好内部人才的同时，充分利用社会的人才资源优势，保证企业的可持续发展。
第三，以人才结构的不断优化，大力提升企业的技术和管理含量，促进企业综合素质的不断提高。
参考文献
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木质纤维素范文3
关键词：木质纤维；预处理；进展
作为世界经济支柱的石油资源预计在数十年左右将会枯竭，因此，石油替代品的开发研究迫在眉睫。目前有很多国家在研究以木质生物资源为原料用生物转化法制备燃料乙醇，以替代或部分替代储量有限的石油。
木质生物资源的主要成分是纤维素、半纤维素和木素。其中，纤维素、 半纤维素是可发酵糖的来源，含量占66%～75%（纤维质原料的绝干重量）[1]。由己糖通过酿酒酵母发酵生成乙醇是很成熟的工艺，当采用纤维素酶水解木质生物资源制造乙醇时，纤维素酶必须接触吸附到纤维素底物上才能使反应进行，因此，纤维素对纤维素酶的可及性是决定水解速度的关键因素。木素的存在阻碍了纤维素对酶的可及性，且纤维素的结晶结构以及木质生物资源的表面状态、木质生物资源的多组分结构、木素对纤维素的保护作用以及纤维素被半纤维素覆盖等结构与化学成分的因素致使木质生物资源难以水解。木质生物资源随着种类的不同，结构与化学成分存在差异，对酶的可及性也有所差异。总的来讲，未经预处理的天然状态的木质生物资源的酶解率小于20%，而经预处理后的水解率可达理论值的90%以上。预处理方法的选择主要从提高效率、降低成本、缩短处理时间和简化工序等方面考虑。理想的预处理应能满足下列要求：产生活性较高的纤维，其中戊糖较少降解;反应产物对发酵无明显抑制作用；设备尺寸不宜过大，成本较低;固体残余物较少，容易纯化；分离出的木素和半纤维素纯度较高，可以制备相应的其他化学品，实现生物质的全利用。
目前，木质纤维原料预处理的方法主要有物理法，化学法，物理化学法，生物法等。
1 物理方法
常用的物理方法有剪切和研磨，高温液态法，高温分解，微波处理，蒸汽爆破和高能辐射等。
1.1 剪切和研磨
Stuart等[2，3]发明了一种特殊的纤维素浆的高速剪切装置，可有效破坏纤维素与木质素和半纤维素的物理、化学结合，并显著降低纤维素大分子的结晶度，提高比表面积。研磨的方法有球磨、锤磨等，比较有效的是球磨。1946年有人用球磨制得了完全无定形结构的纤维素，但这种结构很不稳定，很快又重新形成晶态结构，这也是机械物理方法常有的弊端。球磨可使纤维素的结构松散和使微纤中和微纤间晶区间存在的氢键断裂[5，6]。使用三轮球磨处理木质纤维素，对糖化反应极为有效。但存在的问题是，机械处理方法的能耗很高，这无疑增加了生产成本。
1.2 高温液态法
液态热水法是指将物料置于高压状态的热水中，温度为200～230℃，处理物料2～15min使物料的40%～60%溶解，可除去4%～22%的纤维素，35%～60%的木素以及所有的半纤维素[3]。用酸水解生成的糖液，可使以单糖形式存在的半纤维素的回收率高于90%，并且，可使活性纤维转化率高达90%，但只能在较低固体含量（20%）下对物料进行处理，因此能耗较大，生产效率较低[7]。
1.3 高温分解
当原料在300℃以上的高温条件下处理时，纤维素快速分解成为气体和残留固体[8]。如果温度降低，分解速度就会减慢，而且还会产生挥发性的副产物。高温分解后的木质纤维经0.5mol/L H2SO4、97℃、2.5h水解可使80%～85%的纤维素生成糖，其中葡萄糖占50%以上[1]。在热解过程中加入氧会加快分解过程，当用氯化锌或碳酸钠作催化剂时，可以在较低温下实现对纯纤维素的分解。
1.4 微波处理
微波是频率在300MHz到300GHz的电磁波（波长1m～1mm）。微波处理能使纤维素的分子间氢键发生变化，处理后的粉末纤维素类物质没有胀润性，能提高纤维素的可及性和反应活性，可以提高基质浓度，得到较高浓度的糖化液，处理时间短，操作简单，但由于处理费用较高而难以得到工业化应用。
1.5 高能辐射
利用高能射线如电子射线、γ射线来对纤维素原料进行预处理，以获得所期望的纤维素聚合度和增加纤维素的活性，以减少溶解用或反应用化学药品造成的废水、环境等污染。文献[7]指出，电离辐射的作用，一方面是使纤维素聚合度下降，分子量的分布特性改变，使其分子量分布比普通纤维素更集中；另一方面是使纤维素的结构松散，并影响到纤维素的晶体结构，从而使纤维素的活性增加，可及度提高。但是辐射处理的成本较高，目前还很难用于大规模的生产。
2 化学预处理法
常用的化学法有臭氧法、酸水解法、碱法、氧化脱木素法、有机溶剂法等。
2.1 臭氧分解法
臭氧可以用来降解麦草、甘蔗渣、干草、花生、松木、棉杆和杨木锯末等许多木质纤维原料的木素和半纤维素。该法中木素受到很大程度的降解，而半纤维素只受到轻微攻击，纤维素几乎不受影响。臭氧预处理的杨木锯末酶法水解得率为0～57%，木素含量从29%降低为8%。臭氧分解有下列优点：（1）高效脱除木素；（2）不产生有毒的阻碍生物过程的化合物；（3）反应在室温、常压下进行。缺点是预处理需要大量的臭氧，生产成本昂贵[8]。
2.2 酸水解
主要有浓酸水解和稀酸水解两种。稀酸处理的优点在于半纤维素水解得到的糖量大，催化剂成本低，易于中和。但半纤维素水解产物五碳糖易在催化下进一步降解（糠醛）。稀酸水解过程为多相水解反应，硫酸浓度一般0.5%～2%，温度为180～240℃，时间为几分钟到几小时。Brink[9]为天然纤维素转化为葡萄糖提出了一个两步法过程。第一步，把半纤维素解聚为木糖和其他糖类。第二步，把纤维素解聚为葡萄糖。由于酸的浓度低，可以不必进行酸的回收。但葡萄糖的最大产率仅占纤维素的55%，并且有较多的解聚产物会阻止酵母发酵生成乙醇[10]。法国在1856年即开始进行了浓硫酸水解法进行乙醇生产。浓酸水解过程为单相水解反应，纤维素在浓酸作用下首先溶解，然后在溶液中进行水解反应。浓酸能够迅速溶解纤维素，但并不是发生了水解反应。浓酸处理后成为纤维素糊精，变得易于水解，（纤维素经浓酸溶液生成单糖，由于水分不足，浓酸吸收水分，单糖又生成为多糖，但这时的多糖不同于纤维素，它比纤维素易于水解）但水解在浓酸中进行得很慢，一般是在浓酸处理之后再与酸分离，使用稀酸进行水解。传统的酸水解流程包括固定水解法、分段水解法和渗滤水解法。一般采用连续渗滤反应器，固体物料充填其中，酸液连续流过。这样水解所产的糖可连续流出，减少了在床内停留时间，相应也减少了糖的进一步反应。也有人提出了两步法稀酸水解。首先原材料用0.5～2.5 mol/L的稀硫酸处理，约有50%的半纤维素转化为可溶性的低聚糖或单糖， 然后在62.5%～87.5%的液体乙醇中，用2mol/LH2SO4处理，脱除木素。通过以上两步，总纤维素得率>60%[11]。近年来，人们还研究了助催化剂的作用。即用某些无机盐（如ZnCl2，FeCl3等）来进一步促进酸的催化作用[11]。加电解液NaCl溶液可观察到非均相稀酸水解速率的提高，酸解速率与添加的电解液的浓度成线性关系。还有人尝试在渗滤反应器酸解过程中添加非水溶剂。如在稀硫酸中使用丙酮，葡萄糖产率为83.4%，不用丙酮，产量为65%。这表明，在适合的糖化条件下，可用丙酮、酸、水混合体系[12]。酸解法已有近一百年的历史，发展至今，仍存在许多问题，如酸回收问题、设备腐蚀、工程造价等。另外，酸水解产生大量的副产物如甲酸、乙酸、糠醛、5-HMF（5-羧甲基糠醛）和苯系化合物，对后续发酵有相当的抑制作用。使得乙醇的产量和产率都不是太理想，因此酸法水解正逐渐被生物法所取代。
2.3 碱水解
某些碱可以用来预处理木质纤维原料，处理效果主要取决于原料中的木素含量。碱水解的机理是基于连接木聚糖半纤维素和其他组分内部分子之间（比如木素和其他半纤维素之间）酯键的皂化作用。连接键的脱除增加了木质纤维原料的多孔性。稀 NaOH 处理引起木质纤维原料润胀，结果导致内部表面积增加，聚合度降低， 结晶度下降，木素和碳水化合物之间化学键断裂， 木素结构受到破坏。 随着木素含量从24%～55%降低到20%， NaOH处理的阔叶木消化性从14%增加到55%。 但是稀NaOH预处理对于木素含量超过26%的针叶木没有效果。 对于木素含量低（10%～18%）的草类原料，稀 NaOH预处理是有效的[13]。
2.4 氧化脱木素
在过氧化氢存在的情况下木素可被过氧化物酶催化降解。采用过氧化氢预处理甘蔗渣可以增强其对酶水解的敏感度。在2%过氧化氢、 30℃条件下预处理8h，后续糖化作用中（45℃条件下经过纤维素酶水解 24h）大约 50%的木素和大部分半纤维素溶解，纤维素转化成葡萄糖的转化率为95%。Bjerre等[14]研究发现（20g/L麦草，170℃，5～10min）经氧化和碱预处理后水解，麦草纤维素转化成葡萄糖的转化率可达85%。
2.5 有机溶剂法
在有机溶剂法中，有机溶剂或水性有机溶剂和无机酸催化剂混合物可用来断裂木素和半纤维素内在的化学键。使用的有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙酮、 乙烯基乙二醇、三甘醇及四氢化糠基乙醇。有机酸比如草酸、乙酰水杨酸和水杨酸可作为有机溶剂法的催化剂。在高温条件下无需添加催化剂即可获得满意的脱木素度。使用的溶剂经过排放、蒸发、浓缩和回收处理，既可降低成本又避免了阻碍微生物生长、酶法水解和发酵的化合物生成。
3 物理化学法
常用的物理化学法有蒸汽爆裂法、氨纤维爆裂、CO2爆破法、蒸汽爆裂与乙醇抽提结合法、氨冷冻爆破法等。
3.1 蒸汽爆裂法
这一方法主要指蒸汽爆破技术。蒸汽爆破是将木质纤维原料先用高温水蒸气处理适当时间，然后连同水蒸气一起从反应釜中急速放出而爆破，由于木质素、半纤维素结合层被破坏，并造成纤维素晶体和纤维束的爆裂，使得纤维素易于被降解利用。但蒸汽爆理后可能会提高纤维素的结晶指数[15]。最初的蒸汽爆破由Mason于1927年提出并取得专利[16]。此后各国的研究者进一步结合化学处理，使蒸汽爆破技术更加完善。蒸汽爆破与酸结合，分两步预处理。
软木质纤维，糖的回收率可大大提高，并可降低后续酶解过程的酶的用量[17]。蒸汽爆破杨木时加入NaOH，随碱浓度的增加，木质素脱除率可提高到90%[18]。蒸汽爆破的处理效果不仅与使用的化学试剂有关，而且与纤维材料的粒度大小有关。采用较大的粒度（8～12mm）不仅可节约能耗，而且可采用较剧烈的操作条件，具有较高的纤维素保留度，较少的半纤维素水解糖类损失，提高纤维素酶的酶解率[19]。
3.2 氨纤维爆裂
氨纤维爆破法比较相似于蒸汽爆破法，氨纤维爆破是指将物料置于高温高压状态的液态氨中，保持一段时间，然后将压力骤然释放，使物料爆破。
氨纤维爆破法适合于木素含量低的草本科植物、 阔材和农作物的剩余物的预处理，氨纤维爆破法可有效提高各种木素含量低的草本科植物、阔叶材和农作物剩余物的糖化率[20]。Yoon等以氨的水溶液在连续式反应器中对木质纤维原料进行预处理，把5%～15%的氨的水溶液注入有木质纤维原料的柱式反应器，使木质纤维原料被氨浸泡，反应温度为160℃～180℃，氨的水溶液的流速为1ml/cm2min，反应时间为14min。结果显示，脱除木素效果好，并且木素脱除的程度可以控制。木素是影响酶解的主要因素之一，因此，脱除木素可以降低酶的量。氨纤维爆破法对半纤维素的去除程度不高，避免了半纤维素损失； 破坏纤维素的结晶结构提高纤维素的酶解可及性；同时处理过程中产生的抑制性降解产物少。由于氨的成本高，为了降低成本，避免对环境造成污染，在预处理结束后，需对氨进行回收再用。对氨的回收是在温度高达200℃的高温下进行的，用氨的过热蒸汽来蒸发和剥离残留在处理过的木质纤维原料上的氨，然后，通过调节压力，将气态氨从反应器里排出，再回用。氨回收的设备成本及能耗高，并且氨本身的成本高，使得氨纤维爆破法的成本高，无法推广。
3.3 CO2爆破法
与蒸汽和氨爆破法一样，CO2爆破法也是对木质纤维原料预处理的方法。所不同的是该方法处理过程中CO2必须形成碳酸以增加水解率。Walsum[21]等使用CO2爆破法对玉米秸秆进行预处理，结果表明：CO2爆破法处理后的玉米秸秆比水蒸汽爆破后的玉米秸秆水解后木糖和呋喃糖得率明显提高，处理的效果与CO2的压力有关，同时也证实了碳酸可以作为后续水解的催化剂。比较甘蔗渣和废纸的蒸汽爆破、氨爆破和CO2爆破预处理，发现CO2爆破法比氨爆破法更加有效，而且不产生抑制后续水解的副产物。
3.4 蒸汽爆裂与乙醇抽提结合法
蒸汽爆裂与乙醇抽提结合法是用高压饱和蒸汽处理生物质原料，然后突然减压，使原料爆裂降解，然后通过原料洗涤再进行乙醇抽提。Hongzhang， Chen[22]等用该方法对小麦秸秆进行了预处理，工艺为：先用压力为1.5MPa， 湿度34.01%，处理时间4.5min（无酸无碱），突然减压爆裂降解。接着对原料进行洗涤，再用乙醇进行抽提，工艺为：乙醇40%，纤维/抽提液1:50（w/v）， 温度180℃ ，抽提时间20min， 0.1% NaOH。结果表明：通过该法处理后的原料中半纤维素、木质素含量明显降低。
3.5 氨冷冻爆破法
氨冷冻爆破[23]是利用液态氨相对较低的压力（1.5MPa左右）和温度（50～80℃）下将原料处理一定时间，然后通过突然释放压力爆破原料。在此过程中由于液态氨的迅速汽化而产生的骤冷作用不但有助于纤维素表面积增加，同时还可以避免高温条件下糖的变性以及有毒物质的产生。氨冷冻爆破中采用的液态氨可以通过回收循环利用，整个过程能耗较低，被认为是一种较有发展前途的预处理技术。
4 生物预处理
在生物预处理法中，褐腐菌、白腐菌和软腐菌等微生物被用来降解木素和半纤维素。褐腐菌主要攻击纤维素，白腐菌和软腐菌攻击纤维素和木素。生物预处理法中最有效的白腐菌是担子菌类。Azzam A M[24]研究了19种白腐菌预处理麦草效果，发现在5星期内35%的麦草被糙皮侧耳菌（Pleurotus ostreatus）转化成还原糖。为了降低纤维素的损失，可采用较少纤维素酶变种的侧孢霉属白腐菌 Pulverulentum 来降解木片中的木素。据报道[25]两种白腐菌对百慕大草有降解作用，用白腐菌 Ceriporiopsis subvermispora 和 Cyathus stercoreus 预处理6周，生物降解率分别提高到29%～32%和 63%～77%。
白腐菌黄孢原毛平革菌（ P.chrysosporium ）在二次代谢过程中产生木素降解酶、木素氧化酶和依赖锰过氧化物酶。其它酶，包括多酚氧化酶、漆酶、H2O2产生酶和醌还原酶也能降解木素[26]。生物预处理的优点是能耗低，所需环境条件温和。但是生物预处理后水解率很低。
5 结 语
木质纤维生产燃料酒精已成为一个热门研究课题，预处理技术作为木质纤维转化为能源的关键步骤，也成为科研工作者关注的焦点。传统的化学处理、机械处理技术等耗能较多，且不同程度地存在环境污染；蒸汽爆破具有处理时间短、减少化学药品用量、无污染、能耗低等优点，是很有发展前途的预处理新技术；生物处理技术从成本和设备角度考虑，占有独特的优势，但处理效率较低，利用基因工程和传统的生物技术对菌种和酶进行改造，提高酶活力，降低酶成本，也有望应用于大规模工业生产；利用多种预处理方法相结合，开发更加高效、无污染且成本低的预处理手段，将是今后木质纤维原料预处理的发展趋势。木质纤维原料预处理问题的解决，将为今后以木质纤维为原料的燃料酒精工业化生产打下坚实的基础。
参考文献
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木质纤维素范文4
关键词：木霉菌；白腐菌；半纤维素；纤维素；木质素；降解规律
中图分类号：S141.4 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2012）11-0078-03
Effects of Trichoderma koningii and Phanerochaete chrysosporium
on Degradation of Rice Straw
Gao XiaoMei， Liu XiaoHui， Huan MingHui， Li Yang， Chi JingLiang
（Liaoning Institute of Microbiology， Chaoyang 122000， China）
Abstract The influences of Trichoderma koningii and Phanerochaete chrysosporium on degradation of rice straw were studied， and also the degradation rules. The results showed that the cellulose， hemicellulose and lignin in rice straw degraded rapidly in the early 28 days and then slowed down. The effect of compound application of Trichoderma koningii and Phanerochaete chrysosporium was the best， and in 70 days， the cellulose was degraded by 38.18%， while hemicelulose and lignin were degraded by 53.99% and 33.91% respectively.
Key words Trichoderma koningii； Phanerochaete chrysosporium； Cellulose； Hemicellulose； Lignin； Degradation rule
农作物秸秆作为一种可再生资源，在我国具有分布广、数量大、种类多、价格低廉的特点。如何充分利用这些资源而又使环境不受污染，是现代农业面临的难题。农作物秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素三大组分组成，由于纤维素特别是木质素难以被分解，影响其利用推广。近几十年来，国内外科研人员虽然研究了一些物理、化学的秸秆利用方法，但都存在着利用不充分、成本高等问题。实践表明，秸秆的生物法利用是最佳途径，具有降解率高、安全环保、成本低等优点。自然界中许多微生物可以腐蚀和分解秸秆、树叶及树木等高纤维物质，这些微生物包括细菌、霉菌、酵母菌及食用菌等。本试验应用木霉菌和白腐菌研究其对半纤维素、纤维素和木质素降解的影响，旨在为秸秆有效利用提供基础资料。
1 材料与方法
11 材料
111 试验菌种 康宁木霉Trichoderma koningii，本实验室筛选保藏；黄孢原毛平革菌Phanero chaete chrysosporium，购于广东省微生物研究所。
112 供试培养基配方 木霉菌培养基配方：玉米面2%，酵母膏1%，KH2PO4 005%，MgSO4 005%， CaCl2 002%，VB1 1片，定容至1 000 ml，pH=55。
白腐菌培养基配方：玉米面 3%，酵母膏05%，柠檬酸钠 025%，KH2PO4 02%，MgSO4 005%，MnSO4 002%，CuSO4 001%，CaCl2 002%，VB1 1片，定容至1 000 ml，pH=45。
113 供试秸秆样品 水稻秸秆来源于辽宁省朝阳市郊，风干，经粉碎机粉碎成40目左右的秸秆粉，烘干至恒重。
12 试验设计及方法
121 试验设计 秸秆发酵试验设3个处理，即康宁木霉（处理1）、黄孢原毛平革菌（处理2）、康宁木霉+黄孢原毛平革菌（处理3）。
122 菌液培养 将康宁木霉和黄孢原毛平革菌分别在斜面固体土豆培养基上进行种子活化，培养7 d，分别接入木霉菌和白腐菌液体培养基中，培养36 h，培养温度为25℃，即得种子液。
123 秸秆发酵培养 分别称取20 g秸秆粉加入到30个500 ml的三角瓶中，分别加入麸皮2 g、（NH4）2SO4 01 g和自来水60 ml，混匀，121～125℃灭菌30 min，处理1、处理2按10%的接种量接入种子液，30℃静置培养。处理3先在固体发酵培养基中接种5%的白腐菌孢子悬浮液混匀，在30℃下培养3 d后，再接种5%的康宁木霉，30℃静置培养。
124 秸秆发酵样品 每7 d取固体发酵样品，用500 ml、pH 50的醋酸-醋酸钠缓冲液浸泡3 h，过滤，滤渣于60℃烘干，测定干重并用于测定其中纤维素、木质素、半纤维素的含量。
125 试剂的配制 中性洗涤剂按Van Soest方法配制。2 mol/L盐酸：167 ml浓盐酸（比重119）用蒸馏水定容至1 000 ml；72%硫酸：665 ml浓硫酸（比重184）加入300 ml水中，冷却至20℃，补加水至1 000 ml。其他试剂采用常规法配制。
126 差重法测定秸秆发酵物中纤维素、半纤维素和木质素含量 （1）称取1000 g恒重的样品，分别置于150 ml碘量瓶中，各加入100 ml中性洗涤剂，之后放入已沸的高压锅，100℃保温1 h，取出用恒重过的耐酸过滤漏斗（重量为W01）过滤，滤渣热水洗至滤液无中性洗涤剂且pH=70，再用丙酮洗2次，放入烘箱中烘干，称量滤斗和样品的总重（Wl），将滤渣在550℃马福炉中灰化4 h，得灰分W。
（2）称取1000 g同样恒重干样，放入150 ml的碘量瓶中，加入2 mol/L盐酸溶液100 ml ，然后放入已沸的高压锅中，100℃准确保温50 min，用重量为W02的耐酸过滤坩埚过滤至中性，滤渣再依次用95%乙醇、无水乙醇和丙酮洗涤2次，耐酸砂芯坩埚和残渣于60℃烘箱中烘至恒重，为W2。
（3）将（2）中残渣连同砂芯坩埚放入150 ml烧杯中，加入72%的硫酸5 ml，室温水解3 h后，再加水45 ml，室温过夜，次日用砂芯坩埚过滤，用蒸馏水洗残渣至滤液pH=65～70，滤渣和平底砂芯坩埚在60℃下烘至恒重为W3。
（4）将残渣和平底砂芯坩埚在550℃马福炉中灰化4 h，干燥器中平衡至恒重，为W4。差重为W3- W4，灰分为W4-W02。按上述过程测定3个不同处理的样品，每个样品重复3次，测定后取平均值，且每7 d取样测定一次。
127 计算方法 半纤维素的百分含量（%）=[（Wl- W01-W）-（W2- W02）]/1000×100；
纤维素的百分含量（%）=[ W2 -W3 –（W4-W02）]/1000×100；
木质素的百分含量（%）=（ W3 –W4）/1000×100。
2 结果与分析
21 秸秆发酵过程中不同处理秸秆粉干重变化情况
从表1结果看出，秸秆粉发酵过程中失重明显，三个处理分别失重699、1156、1205 g，失重率分别为3175%、5252%、5474%；处理3效果最佳。
表1 不同发酵时间样品干重测定结果
（g）
处理 0d 7d 14d 21d 28d 35d 42d 49d 56d 63d 70d
1 2201 2148 1995 1756 1625 1609 1598 1576 1541 1515 1502
2 2201 2071 1856 1489 1211 1158 1139 1118 1107 1069 1045
3 2201 1962 1731 1368 1105 1098 1079 1062 1043 1015 996
22 秸秆发酵过程中半纤维素、纤维素、木质素含量变化情况
从表2～表4结果看出，秸秆粉发酵过程中半纤维素、纤维素、木质素含量逐渐降低，前4周降解速度较快，之后逐渐变慢，但其含量仍不断下降。三个处理比较而言，处理3降解效果最好，半纤维素含量降至1296%，纤维素含量降至1957%，木质素含量降至893%；其次是处理2，最后是处理1。表明三个处理均对秸秆粉中半纤维素、纤维素、木质素有降解作用，且处理3效果最佳。
表2 不同发酵时间样品半纤维素含量测定结果
（%）
处理 0d 7d 14d 21d 28d 35d 42d 49d 56d 63d 70d
1 2817 2658 2347 2043 1802 1682 1545 1517 1501 1493 1486
2 2817 2638 2248 1899 1676 1561 1445 1408 1388 1365 1362
3 2817 2612 2098 1785 1551 1465 1394 1324 1308 1299 1296
表3 不同发酵时间样品纤维素含量测定结果
（%）
处理 0d 7d 14d 21d 28d 35d 42d 49d 56d 63d 70d
1 3166 3011 2931 2831 2766 2656 2606 2574 2548 2565 2559
2 3166 2981 2798 2502 2286 2203 2194 2165 2109 2089 2068
3 3166 2945 2763 2378 2158 2124 2103 2075 2014 1986 1957
表4 不同发酵时间样品木质素含量测定结果
（%）
处理 0d 7d 14d 21d 28d 35d 42d 49d 56d 63d 70d
1 1351 1326 1238 1107 1067 989 975 968 953 949 946
2 1351 1313 1224 1096 1005 953 949 922 911 903 902
3 1351 1308 1193 1045 964 928 924 913 908 898 893
23 秸秆经发酵后半纤维素、纤维素、木质素降解情况
从表5结果看出，处理3对秸秆中半纤维素、纤维素、木质素降解效果最佳，降解率分别达到5399%、3818%和3391%。 表5 发酵后半纤维素、纤维素、木质素的降解率
（%）
处理 半纤维素 纤维素 木质素
1 4724 1917 2997
2 5165 3468 3323
3 5399 3818 3391
3 结论与讨论
31 秸秆中半纤维素、纤维素、木质素含量在发酵过程中不断降低，添加菌液能够有效分解秸秆中的主要成分。
32 三个不同处理对秸秆成分均具有分解作用，且处理3效果最佳，即康宁木霉与白腐菌共同处理；其次是处理2，再次是处理1。处理3对半纤维素、纤维素、木质素的降解率分别可达5399%、3818%和3391%。
33 由于纤维素降解具有阶段性和顺序性，单一的菌株难以完成秸秆降解的复杂生化过程，因此通过复合降解秸秆菌株，可以协同完成对秸秆中各组分的高效降解。
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木质纤维素范文5
关键词蒸汽爆破;技术研究;预处理;木质纤维素
中图分类号 S210.7 文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)11-0278-03
在当今世界上,石油、煤、天然气等化石能源的储量是有限的,随着人类文明的进一步发展,对各种能源的需求量也是越来越大。石油、煤、天然气等化石能源的储量随着人类的开采渐趋枯竭。这就促使人们致力于各种低成本、可再生的新能源的开发[1]。植物纤维具有天然、可再生等特性[2],因此利用植物纤维这一巨大的可再生资源,提供人们所需的能源和其他化工产品已成为一种趋势。植物纤维的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素,它们主要存在于细胞(纤维是植物细胞中的一种主要细胞形式),其中,纤维素是纤维的骨骼物质,而木质素和半纤维素以包容物质的形式分散在纤维之中及周围[3]。研究表明,利用酸或酶水解技术可以将其中的纤维素和半纤维素转化为单糖,并可进一步发酵成酒精、糖醛、丙酮、丁醇等化工原料或生产蛋白饲料等其他高附加值产品[4,5],甚至可以通过一些手段,将植物纤维中的纤维素、半纤维素以及木质素转化为生物汽油等产品。但是,由于植物纤维本身构造的原因,对其进行直接酶解的利用率极低,因此需要对其进行预处理。
蒸汽爆破(简称“汽爆”)预处理是近年来发展迅速的一种预处理方法。原料用蒸汽加热至180~235℃,维压一段时间,在突然释压喷放时,产生二次蒸汽,体积猛增,在机械力的作用下,将固体物料结构破坏[6]。
1蒸汽爆破技术的发展及其应用
蒸汽爆破技术始于1926年,为间歇法生产,主要用于生产人造纤维板。从20世纪70年代开始,此项技术被广泛用于动物饲料的生产和从木材纤维中提取乙醇和特殊化学品。其后此项技术得到很大发展,应用领域逐步扩大,发明了连续蒸汽爆破法生产技术及设备,如加拿大Stake Technology公司开发的连续蒸汽爆破法工艺及设备,并产生许多专利。80年代后期,Stake Technology公司将此项技术应用于制浆造纸领域,并与加拿大魁北克大学共同研究,对杨木及许多非木材纤维原料进行了大量的蒸汽爆破试验,取得了很好的结果。
蒸汽爆破技术最早由Mason发明并用于制浆过程,称为Masonite法[7,8]。随后,在此工艺基础上,人们对蒸汽爆破制浆进行了大量的研究与改进,产生了Stake和Kokta法以及其他一些重要的爆破工艺,如Iotech和Siropulper。目前,蒸汽爆破技术用于制浆已经达到工业化,成为该技术应用最广、研究最深入的一个领域。
蒸汽爆破技术还广泛用于动物饲料加工,尤其是草食动物粗饲料的加工。刘东波等[9]用小鼠对汽爆秸秆的饲用安全性进行测试。试验表明,秸秆汽爆后安全无毒,可以作为动物饲料,并且可以提高动物对饲料的消化率。另外,还可以刺激动物的免疫反应,增强动物的免疫能力。目前,利用蒸汽爆破技术加工动物饲料已经达到工业化。
利用蒸汽爆破技术处理秸秆,将其进行糖化发酵后制备燃料酒精,已经成为目前研究的主要内容之一。秸秆经过蒸汽爆破之后,其酶解率可达80%~90%,比未经汽爆的秸秆酶解率提高了60%~70%。另外,陈洪章等[10]研究发现,麦草秸秆经汽爆后,其半纤维素和部分木质素降解为分子物质,并且使纤维疏松,具有多孔性。
另外,蒸汽爆破技术还广泛应用于制糖、建材、发酵剂以及木质纤维素原料预处理[11]等领域。随着研究的深入,在植物纤维的高效分离和纤维素预处理活化、固体废弃物处理等领域中,蒸气爆破技术将得到更多的关注和更广泛地应用。
2蒸汽爆破的作用过程及原理分析
蒸汽爆破主要是利用高温、高压水蒸汽处理纤维原料,并通过瞬间释压过程实现原料的组分分离和结构变化。植物细胞中的纤维素为木质素所粘结,在高温、高压蒸汽作用下,纤维素结晶度提高,聚合度下降,半纤维素部分降解,木质素软化,横向连接强度下降,甚至软化可塑。当充满压力蒸汽的物料骤然释压时,孔隙中的水汽急剧膨胀,产生“爆破”效果,可部分剥离木质素,并将原料撕裂为细小纤维[12]。在蒸汽爆破过程中,具有细胞结构的植物纤维原料在高压、高温介质下汽相蒸煮,半纤维素和木质素产生一些酸性物质,使半纤维素降解成可溶性糖;同时,复合胞间层的木质素软化并部分降解,从而削弱了纤维间的粘结。然后瞬间迅速减压,介质和物料共同完成物理的能量释放过程。物料内的汽相介质喷出,瞬间急速膨胀,同时物料内的高压液态水迅速暴沸形成闪蒸,对外做功,使物料从胞间层解离成单个纤维细胞。
蒸汽爆破过程可以分为2个阶段[13,14]:一是汽相蒸煮阶段。具有细胞结构的植物纤维原料在高温、高压介质下汽相蒸煮,高压蒸汽渗入到物料内的空隙,半纤维素和木质素产生一些酸性物质,使半纤维素降解成可溶性糖;同时,复合胞间层的木质素软化并部分降解,降低了纤维的粘结强度,而产生纤维素链的类酸性降解、热降解和物理断裂。二是爆破阶段。在汽相饱和蒸汽和高温液态水2种介质共同作用下,通过骤然释压,介质和物料共同完成物理能量的释放,这一过程为瞬间的绝热过程,并对外做功。软化的物料在膨胀气体的冲击下产生剪切力变形运动,并发生分离。在这一过程中,已渗入纤维素内部微原纤晶体束间的蒸汽水分子以气流的方式高速瞬间释放出来,会使纤维素的微纤丝及晶胞间产生摩擦和碰撞,使晶区变小,可及的晶区表面增大,非晶区和晶区的氢键发生断裂和重排。
一般认为,在蒸汽爆破过程中,存在着以下几方面的作用[15,16]:一是类酸性水解作用及热降解作用。蒸汽爆破过程中,高压蒸汽进入纤维原料中,并渗入纤维内部的空隙。在水蒸汽和热的联合作用下产生纤维原料的类酸性降解以及热降解,低分子物质溶出,纤维聚合度下降。二是类机械断裂作用。在高压蒸汽释放时,已渗入纤维内部的热蒸汽分子,以气流的方式从较封闭的孔隙中高速瞬间释放出来,纤维内部及周围热蒸汽的高速瞬间流动,使纤维发生一定程度上的机械断裂。这种断裂不仅表现为纤维素大分子中的键断裂、还原端基增加、纤维素内部氢键的断裂,还表现为无定形区的破坏及部分结晶区的破坏。三是氢键破坏作用。在蒸汽爆破过程中,水蒸汽渗入纤维各孔隙中并与纤维素分子链上的部分羟基形成氢键。同时,高温、高压、含水的条件又会加剧对纤维素内部氢键的破坏,游离出新的羟基,增加纤维素的吸附能力。瞬间释压爆破使纤维素内各孔隙间的水蒸汽瞬间排除到空气中,打断纤维素分子内的氢键。分子内氢键断裂的同时,纤维素被急速冷却至室温,使得纤维素超分子结构被“冻结”,只有少部分的氢键重组。这样溶剂分子容易进入片层间,而渗入的溶剂进一步与纤维素大分子链进行溶剂化,并引起残留分子内氢键的破坏,加速葡萄糖环基的运动,最后导致其他晶区的完全破坏,直至完全溶解。四是结构重排作用。在高温、高压下,纤维素分子内氢键受到一定程度的破坏,纤维素链的可动性增加,有利于纤维素向有序结构变化。同时,纤维素分子链的断裂,使纤维素链更容易再排列。
3蒸汽爆破功率分析
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由于蒸汽爆破过程时间极短,可以视为绝热膨胀。有效爆破功率Pe是以时间度量的有效爆破功。因此Pe可以用下式表示[6]:
M=φαρV
式中:M-T时间内膨胀的介质量;ΔH-爆破前后介质焓差;T-爆破时间;φ-爆破系数,与物料有关;α-物料中气态介质所占比例;ρ-爆破前爆破介质密度;V-爆破前物料体实际体积;s、L、m分别代表气相介质、高温液态水和爆破物料。
上述公式可以定性说明以下几个问题:一是汽相介质。在物料间隙中的饱和蒸汽的爆破系数φ接近于1,也就是说物料中的饱和蒸汽绝大部分以爆破的方式膨胀。α代表物料中气态介质所占比例,液体比例大,爆破效果就差,因此物料中含水量对爆破作用影响较大。随着爆破压力增加,ρ值和ΔH值升高。据物性手册介绍,汽相的焓低压时上升较快,在2.0MPa基本达到最大。因此,并非压力越高越好。另外,压力过高,操作时间极短,更不易控制。二是液态介质。单位体积液态水和相同温度下水蒸气的热焓值相比大得多,但它的膨胀系数极小,这部分焓差需转化为蒸汽才有爆破作用。虽然可以减压闪蒸,但由于汽化阻力太大,只有少量的汽化。因此,φ系数极小。三是爆破时间。物料的膨胀系数更小,但它对爆破时间和出料口处汽相流失产生一定影响。出料口越小,更多气体热能转化为动能,但出料时间加长,使较多气体在出料口流失,因此出料口必须有一定比例。另外,物料的比表面积越小,即物料的尺寸大些,可以减小出料口气体流失。
4影响蒸汽爆破的主要因素
影响蒸汽爆破的主要因素有以下几个方面[14,17-19]:
(1)纤维原料的种类和来源。蒸汽爆理对纤维原料的组分分离和超分子结构的影响与纤维原料的种类及来源有密切关系。有关研究指出,蒸汽爆破的效果与原料的孔隙度也密切相关,纤维原料的形态结构和超分子结构的变化程度取决于原料的孔隙度。孔隙度大,则有利于爆理,孔隙度小,则要求更剧烈的爆破条件。
(2)蒸汽爆破前的预浸处理。预浸处理的主要目的是将纤维软化,有利于爆破时纤维在不受机械损伤情况下分离。同时预处理使纤维发生一定的润胀,有利于加大水蒸汽的渗入程度,加大水合作用,从而提高处理效果。
(3)爆破压力和维压时间。蒸汽爆破过程实际就是纤维原料高温软化,在削弱纤维素间的粘结前提下,突然减压时介质的急速膨胀作用将纤维分离。如果介质爆破功率越大,则纤维离解程度越高。维压时间的长短,影响到物料中半纤维素的降解和木质素的软化程度以及介质的渗透程度。
爆破压力与维压时间具有相互影响的关系,在国内外研究者中普遍使用爆破强度(logR0)表示。其中R0用下式表示:
R0=texp(T-100/14.75)
式中:t-维压时间,min;T-温度,℃。
(4)爆破后纤维的后处理方式。蒸汽爆理后纤维的不同后处理方式对纤维原料的组分分离及超分子结构也有一定的影响。水、稀碱及乙醇等都是较常用的后处理试剂。爆理后用冷水及热水处理试样,能进一步除去爆理试样的水溶物组分。而稀碱抽提则可将残留的半纤维素和碱溶木质素除去。乙醇代替水处理蒸汽爆破试样,可以阻止爆破后分离的纤维素链的进一步靠近和氢键的重新生成,有利于提高蒸汽爆破纤维的可及度。
5蒸汽爆理方式
蒸汽爆理方式可以分为批式(非连续)处理、连续处理和液相处理3种。批式处理是指,物料投入密闭反应器后,依次经过高温高压、骤然爆破的处理,在这期间不另进行投料。连续式处理是指,物料以一定的速度投入汽爆反应器,经过处理后,以一定的速度排出,从而使整个反应器中的物料保持恒定。目前连续汽爆设备如Stake Technology公司开发的Stake汽爆系统,该系统主要由水平高压消化器(反应器)和1个排料阀门系统构成。其消化器可以通过1个共轴往复喂料器实现连续供料,物料在消化器内的停留时间可以通过喂料器和排料阀门系统控制。液相处理则指的是,先将原料粉碎为1mm以下的颗粒,加水等调成浆状,再通过均质机高压阀进入塞流反应器,反应后物料排出。处理效果受料浆的流速、温度、压力和反应时间等的影响[6]。
批式处理具有设备简单、成本较低的特点,适合于实验室和小型工厂的原料处理,但处理的效率相对低于连续式处理。连续式处理的处理能力较大,效率较高,适合于大型工业应用。但连续式处理的设备较少,目前仅有加拿大的Stake Technology公司拥有此产品,设备价格昂贵。而液相处理需要先对物料进行粉碎,能耗较高,处理后物料的含水量大,容易产生水污染等问题。
6结语
现今,蒸汽爆破技术不仅被广泛应用于食品生产、饲料加工、制糖、建材、发酵剂等行业,而且将其作为木质纤维素酶解制备燃料乙醇的预处理技术也得到了应用。对蒸汽爆破技术,特别是对连续式处理技术和装备开展深入系统的研究,对于开发和利用新能源具有十分重要的现实意义。
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木质纤维素范文6
一、纤维素成纸的原理
造纸的原料是植物纤维,主要由纤维素构成。纤维素是由葡萄糖分子通过β1,4糖苷键连接而形成的葡聚糖,结构式如图1所示,其中n为聚合度。它不溶于水及一般有机溶剂,在酸中不稳定,在碱中稳定。纤维素分子中含有大量亲水性很强的羟基（图2A）。当植物纤维经提纯并分散于水介质中时,这些羟基发生吸水作用,使纤维润胀（图2B）。当纤维素分子相互靠近时,相邻两个分子中的羟基氧原子通过水桥把水分子拉在一起（图2C）,这就是纸浆用帘子捞出并滤去多余水分后,帘子上所形成湿纸层的内部状态。由于水桥的作用力不强,因此湿纸层的物理强度不大。湿纸层烘干后,纤维素分子间直接形成氢键（图2D）,纤维素分子相互紧密交结,成为具有一定强度的纸张。
二、工业造纸工艺简介
现代工业造纸工艺包括制浆、调制、抄造、加工等主要步骤。
1.制浆
制浆为造纸的第一步,是将木材转变成纸浆,使纤维分离。常用方法有机械制浆法、化学制浆法和半化学制浆法。其中,化学制浆法是用化学药品的水溶液在一定温度和压力下处理植物纤维原料,将原料中的木素和果胶以及油脂、树脂等溶出,并尽可能地保留纤维素和不同程度地保留半纤维素,使原料纤维彼此分离成浆。我国制浆工业主要采用碱法制浆,用碱性化学试剂的水溶液处理植物纤维原料。常用的碱性化学试剂有NaOH以及NaOHNa2S。
2.调制
这是造纸的另一重要步骤,目的是调整产品纸张的强度、色调、印刷性和保存期限,一般可分为散浆 、打浆、施胶与加填等步骤。以打浆为例,其原理是用机械力将纤维细胞壁和纤维束打碎,并将过长的纤维切短,以使纤维素润胀和细纤维化,更多的羟基暴露出来形成氢键,提高纤维的柔软性和可塑性。
3.抄造
这一步骤是使稀的纸料均匀地交织,并脱水,最后得到纸张。将纸浆和辅料分散于水悬浮液中,然后在纸机网上成形,经压榨、干燥而抄成纸的方法称为湿法抄纸。近明出干法抄造工艺,使用胶黏剂将纤维黏结在一起,可以保证成纸的强度。
三、香蕉皮的组成及处理原理
香蕉皮所含主要成分为纤维素（58.5%～76.1%）、半纤维素（28.5%～22.9%）、木质素（4.8%～6.13%）,还有果胶及树脂等。用香蕉皮造纸,利用的是它含有的纤维素,其他非纤维素成分对会对纸的质量产生不良影响,所以都需要除去。碱法蒸煮的主要目的是利用碱性化学试剂尽可能地除去纤维原料中的木质素,半纤维素及果胶也可与碱发生反应,此外树脂、蜡、脂肪等也因发生皂化反应而脱除。下面介绍利用氢氧化钠去除木质素、半纤维素及果胶这三类主要杂质的原理。
1.去除木质素
木质素是由4种醇单体（对香豆醇、松柏醇、5-羟基松柏醇、芥子醇）形成的芳香族高分子聚合物,在无机酸中稳定性高。有时会发生缩聚反应,呈三维网状空间结构。木质素的存在可大大降低纸的强度和寿命,而且它很易氧化形成色素,使纸张老化、变色并发脆。氢氧化钠与木质素作用,使木质素分子链中的氧桥断裂,产生具有酸性的酚羟基,其可形成钠盐,溶于碱液中,从而得以去除。以愈创木基木质素为例,碱处理反应为：
2.去除半纤维素
半纤维素是能溶于稀碱的低分子量聚糖类物质。纸浆中半纤维素的含量增大会降低产品纸的机械强度,但半纤维素在水中的润胀性能好,有利于打浆,所以在工业制浆过程中需适当保留半纤维素。半纤维素可溶于烧碱溶液,比纤维素更易水解,在烧碱溶液中彻底水解后可得到戊糖、己糖以及某些戊糖和己糖的衍生物等。以聚木糖为例,碱处理反应为：
3.去除果胶
果胶是由不同酯化度的半乳糖醛酸以α1,4糖苷键聚合而成的多糖物质,多以难溶性的钙盐、镁盐或酯类形式存在。果胶如不除去,会使纤维粗硬或成束。碱液可使果胶酸的钙盐、镁盐水解为可溶性果胶酸钠盐而除去,也可通过使果胶大分子断裂而除去。以酯类形式存在的果胶为例,其溶于碱的反应为：
四、香蕉皮造纸学生实验方案
1.实验目的
（1）了解造纸工业中碱煮工艺的化学原理。
（2）体验造纸的基本过程,熟悉造纸的基本方法。
（3）学习打浆机的操作方法和金属网的使用技巧。
（4）建立环保意识,体会充分利用资源的重要性。
2.仪器和药品
仪器：家用打浆机（奶昔机）,600目金属筛网,电热烘箱,烧杯,玻璃棒,电热套。
药品：半熟香蕉皮,40%氢氧化钠溶液,pH试纸。
3.实验步骤
（1）切分：取80 g新鲜香蕉皮,切分至尽量小的碎块。
（2）打浆：向香蕉皮碎块中加入水,至刚好浸没过碎块。用打浆机打浆3～5 min,至呈可缓慢流动的浆液状。
（3）碱煮：将浆液与浓度为40%的氢氧化钠溶液等体积混合,加热煮沸90 min以上。
（4）过滤：用600目金属筛网（大于100目即可）过滤,所得不溶物质的主要成分即为纤维素。
（5）洗涤：用清水冲洗金属筛网中的纤维,至纤维的pH为中性。
（6）浸润：将洗涤后的纤维连同筛网在清水中浸泡8～10 min,使纤维润胀并洗去残余的金属离子。
（7）上网：将浸润后的纤维浆液摇匀,使其均匀地平铺在金属筛网上,厚度以可完全覆盖住金属筛网的网眼为宜。注意厚度不宜过小,否则不能成片。也不易过大,否则较难干燥。
（8）干燥：将平铺均匀的纤维浆液置于电热培养烘箱中,50℃下干燥60～70 min,即得到纸片。
4．说明
（1）笔者根据已有的工业制纸方法及可食性膳食纤维纸的制备方法反复进行实验,摸索药品试剂的用量、每个实验步骤所需的时间及其他实验条件,最后总结出以上利用香蕉皮制纸的简易实验方案。
（2）本法制得的香蕉纤维纸呈浅灰色,基本具备了纸张的功能,可折叠而不断裂,可流畅地在上面书写。但书写力度过大会导致纸张破裂,用力拉扯也可使其断裂。
（3）提高产品纸张质量的方法
① 去除表面残留的胶质
可在碱煮之前采用果胶酶预先去除果胶：将果胶酶与香蕉皮浆液以1:10的比例混合,在pH为7,温度为55℃的条件下水浴加热1 h。
② 提高白度
提高碱液浓度,延长碱煮时间,可提高白度。也可以在碱煮后向浆液中加入次氯酸钠进行漂白。
③提高柔软度和强度
打浆时使浆液尽量细,可提高柔软度。控制适宜的干燥时间,时间太短干燥不充分,不能成纸。而时间过长纸张含水量会过低,强度较差,柔软度也差。可加入增强剂提高强度,如加入聚丙烯酰胺和改性三聚氰胺甲醛树脂。
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