[科普中國(guó)]-木質(zhì)素，制燃料乙醇的“攔路虎”！

我們都知道，隨著煤、天然氣、石油等傳統(tǒng)能源的日益枯竭，全球氣候變暖等因素使得可再生清潔能源走進(jìn)了大眾視野。

能源圖標(biāo)（圖片來(lái)源：百度圖片）

木質(zhì)纖維是世界現(xiàn)存的最豐富的一類(lèi)可再生生物質(zhì)原材料，在這種背景下利用木質(zhì)纖維其中的纖維素來(lái)生產(chǎn)和制備乙醇也成為了最近的研究熱點(diǎn)！

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生物質(zhì)&生物質(zhì)能

從廣義上講，生物質(zhì)是地球上存在最廣泛的物質(zhì)，包括動(dòng)物、植物和微生物，以及這些生命體排泄和代謝的所有有機(jī)物質(zhì)。

我國(guó)通常認(rèn)為生物質(zhì)是指由光合作用而產(chǎn)生的有機(jī)物，既有植物類(lèi)，如樹(shù)木及其加工的剩余物、農(nóng)作物及其剩余物(秸稈類(lèi)物質(zhì))，也有非植物類(lèi)，如畜牧場(chǎng)的污物(牲畜糞便及污水)、廢水中的有機(jī)成分及垃圾中的有機(jī)成分等。

然而！But！生物質(zhì)能又是何物？

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簡(jiǎn)單地說(shuō)，生物質(zhì)能就是太陽(yáng)能經(jīng)過(guò)一系列的反應(yīng)進(jìn)到了生物質(zhì)中，在生物質(zhì)中太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成了化學(xué)能，這些化學(xué)能再經(jīng)過(guò)加工成為我們?nèi)粘Ｉ钪兴玫降哪茉础?/p>

我們都知道化石能源會(huì)對(duì)大氣造成污染是因?yàn)槠渲泻写罅康腟、N等元素。而生物質(zhì)中S、N含量低，而且可以?xún)?chǔ)存和運(yùn)輸，與太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、潮汐能等其它可再生資源相比，生物質(zhì)資源是唯一可以?xún)?chǔ)存與運(yùn)輸?shù)哪茉磁叮?/p>

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地球上的生物質(zhì)資源十分豐富，據(jù)估計(jì)，地球上現(xiàn)在只有35%生物質(zhì)在被人類(lèi)利用，大部分生物質(zhì)資源尚未被人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用，只是任其在生長(zhǎng)環(huán)境中自生自滅。

如果地球上的生物質(zhì)資源能得到有效利用，人類(lèi)就擁有了一個(gè)取之不盡、用之不竭的資源寶庫(kù)?。?！

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在生物質(zhì)中，木質(zhì)纖維原料是世界現(xiàn)存最豐富的一類(lèi)可再生生物質(zhì)原料。由木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)出的生物燃料乙醇，一方面可以來(lái)替代部分汽油作為燃料，另一方面也是優(yōu)良的油品質(zhì)量改良試劑。較于汽油來(lái)說(shuō)，生物燃料乙醇利用效率很高，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能環(huán)保目的，對(duì)生態(tài)環(huán)境有很大的益處。

木質(zhì)纖維原料其實(shí)就在我們身邊隨處可見(jiàn)的地方！例如：秸稈、牧草、木屑、垃圾及農(nóng)作物殼皮等。

那么木質(zhì)纖維原料里能轉(zhuǎn)化成生物燃料乙醇的是什么？它長(zhǎng)得是什么樣子？又是通過(guò)什么樣的方式轉(zhuǎn)化成我們見(jiàn)到的燃料乙醇呢？

木質(zhì)纖維（圖片來(lái)源：百度圖片）

木質(zhì)纖維生物質(zhì)是自然界中最為豐富的生物質(zhì)資源，能量來(lái)自于太陽(yáng)，由植物通過(guò)光合作用固定貯存于植物細(xì)胞壁，主要有機(jī)成分為纖維素（含量40%～50%）、半纖維素（含量25%～35%）和木質(zhì)素（含量15%～25%），此外還有少量的單寧、果膠、樹(shù)脂、脂肪、蠟、配糖物及不可皂化物等。

秸稈中木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：百度圖片）

木質(zhì)纖維原料要經(jīng)過(guò)三個(gè)主要步驟，首先要通過(guò)預(yù)處理將組分分開(kāi)，接下來(lái)分開(kāi)后組分中的纖維素經(jīng)酶解處理釋放出的葡萄糖，最后葡萄糖進(jìn)入乙醇發(fā)酵途徑生產(chǎn)乙醇。

木質(zhì)素預(yù)處理（圖片來(lái)源：百度圖片）

木質(zhì)纖維原料中的纖維素是進(jìn)行后續(xù)反應(yīng)的主要物質(zhì)。但是木質(zhì)纖維素生物質(zhì)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形態(tài)，其使反應(yīng)過(guò)程有所阻礙，它是“纖維素-半纖維素-木質(zhì)素”結(jié)構(gòu)，纖維素的分子有序排列、成束聚集，由此形成了細(xì)胞壁的基本構(gòu)架。

半纖維素、纖維素及木質(zhì)素三種主要物質(zhì)緊緊纏繞在一起，所以我們需通過(guò)預(yù)處理將這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)破壞，以便進(jìn)行下一步反應(yīng)。

預(yù)處理包括物理處理、化學(xué)處理和生物處理三個(gè)主要方面。物理處理包括機(jī)械粉碎、高能輻射、超聲波處理、微波處理技術(shù)等；化學(xué)方面則是采用酸、堿、無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)溶劑等化學(xué)物質(zhì)對(duì)木質(zhì)纖維生物質(zhì)原料做處理。

木質(zhì)纖維生物質(zhì)原料經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后就來(lái)到了第二個(gè)關(guān)鍵階段：纖維素酶解生產(chǎn)糖。就是采用從微生物中提取出來(lái)的纖維素酶與原料中的纖維素反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)會(huì)將纖維素變成進(jìn)入下一步乙醇發(fā)酵反應(yīng)的糖。

但是在纖維素酶解成糖的這個(gè)過(guò)程中還有一個(gè)“攔路虎”，它就是木質(zhì)素。大量的研究表明，木質(zhì)素的存在會(huì)把纖維素酶解過(guò)程中的纖維素酶“搶走”，酶具有專(zhuān)一性，一種酶只對(duì)一種或一類(lèi)別物質(zhì)起作用，所以木質(zhì)素是不能和纖維素酶進(jìn)行反應(yīng)的，但是木質(zhì)素會(huì)把纖維素酶搶到一邊減少纖維素酶和纖維素的接觸。

“木質(zhì)素”這個(gè)攔路虎令眾多研究學(xué)者感到頭疼，因?yàn)槠鋵?duì)纖維素酶的作用有多個(gè)角度，不同的試驗(yàn)環(huán)境也會(huì)造成不同的影響程度，目前這方面的專(zhuān)家學(xué)者們也在積極的探究“木質(zhì)素”的具體影響機(jī)制，以期待早日得到有效地處理方法。

酶的專(zhuān)一性（圖片來(lái)源：百度圖片）

木質(zhì)纖維原料歷盡坎坷地走到了第三個(gè)階段，就是通過(guò)第二階段酶解反應(yīng)所產(chǎn)生的糖進(jìn)行乙醇發(fā)酵，這樣就會(huì)產(chǎn)生我們之后見(jiàn)到的生物燃料乙醇啦！

圖片來(lái)源：diyitui.com

目前，我國(guó)已有11個(gè)省區(qū)試點(diǎn)推廣乙醇汽油，6個(gè)省份全省推廣乙醇汽油的使用，另有5個(gè)省份在部分城市推廣，乙醇汽油消費(fèi)量已占同期全國(guó)汽油消費(fèi)總量的1/5。清潔環(huán)保又具有巨大的原料來(lái)源的生物燃料乙醇可是現(xiàn)如今好多地區(qū)的掌中寶啦！

（本文中標(biāo)明來(lái)源的圖片均已獲得授權(quán)）