預處理應用于能源草制備生物能源的研究進展

張琛蔚，楊富裕

（1.中國農業大學農學院，北京100193；2.中國農業大學動物科技學院，北京100193）

生物質能源與太陽能、風能等可再生能源是目前世界新能源的重要組成部分［1］。我國在《可再生能源中長期發展規劃》中指出：到2020年，力爭實現可再生能源消費量占總能源消耗量的15%，其中生物質能源占據重要比重，因此其越來越受到相關領域重視［2］。生物質能源原料主要包括非糧能源植物、農業廢棄物和城市廢棄物等，非糧能源植物是當前的研究熱點，其主要包括多種能源草本、木本植物和經濟作物。其中，能源草本植物因具備生物質產量高、抗逆性強、多年生特性和其易種植、收獲、運輸和儲存性質而備受關注［2］。美國早于1984年啟動了能源草研究項目，計劃到2030年，能源草產能將占所有生物能源的35.2%［3］，預計可提供2290億升生物乙醇；歐洲自1989年以來先后啟動了多個專項，進行能源草選育研究；德國興建發電能力為12萬千瓦發電廠，其燃料為芒屬植物與其他作物的混合物。目前，部分發達國家已實現能源草產生物能源產業化，而我國在此方面起步較晚，對其育種、栽培、管理等方面研究偏少，因此需加快推進對能源草的研究進程。

能源草是指可用于制備生物能源的富含木質纖維素的草本植物，主要包括柳枝稷（Panicumvirgatum）、芒草（Miscanthus）、雜交狼尾草（Pennisetum glaucum）和虉草（Phalarisarundinacea）等，種類繁多。其細胞壁由大量纖維素、半纖維素和木質素構成，結構復雜，半纖維素、木質素通過共價鍵聯結成網絡結構，纖維素鑲嵌其中［4］。由于木質素在外圍的阻礙，直接對纖維素進行轉化利用較為困難。因此，對原料進行預處理降低纖維素結晶度、破壞木質素以增加纖維素接觸面積是十分必要的。本文綜述了物理、化學和生物預處理技術，從預處理方法的成本、效率和污染程度等角度，對能源草預處理方法進行分析和評價，旨在選出成本低、污染小的高效預處理方法或組合方式，以期為生物燃料生產提供參考。

1 能源草制備生物燃料的預處理方法

預處理也稱前處理，是指在厭氧發酵前利用物理、化學、生物及混合預處理法［5］對材料進行作用。預處理可增大材料與沼液中微生物接觸面積，提高木質素破壞程度與纖維素降解度，同時，根據不同材料選取合適的方法可獲得較高產能效率。據統計，一般預處理法的處理效率為10%～90%不等。

1.1 物理預處理方法

物理方法是通過外界手段如機械工具、溫度、壓強改變等對材料進行作用，破壞木質纖維素致密結構，增大材料與接種物的接觸面積。其主要包括：粉碎、切短、擠壓、加熱處理、蒸汽爆破法、射線輻射處理、液體高溫水、脈沖電場預處理［5］等方法。物理預處理法是非常基礎且重要的預處理方法。

1.1.1 切短和粉碎預處理 切短與粉碎處理，顧名思義，是通過機械工具，如閘刀、粉碎機和磨碎機等，將材料的粒徑或長度減小，破壞材料結構，增加能源草與發酵接種物的接觸面積，提高產能效率。絕大多數化學及生物預處理前均會進行切短、粉碎處理，根據切短長度、粉碎粒徑不同，產能效率也有所不同。目前以農業廢棄物為材料的預處理方法研究較多，能源草相關研究偏少，在此只舉一例：

徐然［6］將柳枝稷切短為1，3，5，7和9cm 后于37℃下進行產氣試驗，結果顯示，材料長度為1cm時產甲烷量和纖維素降解率最高，分別為202.29 mL·（g·VS）-1和19.63%。不同能源草發酵的最佳長度和粒徑不同，目前經粉碎處理后粒徑集中于0.003～30mm之間，材料過長則會減小與接種物的接觸面積［7］，過短則可能破壞其中某些結構，因此需根據不同材料特性進行實驗分析確定最佳長度。

1.1.2 加熱預處理 加熱預處理是通過高溫或高溫蒸汽作用加速物質內分子的碰撞、提高木質纖維素內疏離程度進而提升木質素去除率、纖維素降解率，最終可較大幅度提高產氣能力，不同材料提高程度不同。目前能源草預處理一般以柳枝稷作為研究材料，具體情況如下：

Jackowiak等［8］發現在微波處理基礎上對柳枝稷進行50℃加熱處理，其總產氣量可提高4.5%。Wang等［9］將木質纖維在60℃條件下進行加熱處理和離子液處理，其木質素破壞程度達70%。試驗證明，加熱預處理與其他方法共同使用效果更好。

對于其他能源草作為預處理原料的研究目前較分散，如學者們針對狗牙根在3個溫度（150，160和170℃）和不同處理時間（30和60min）預處理效果進行了研究，其中在150℃，60min條件下所得產還原糖率最高，為70%；當在170℃，60min條件下半纖維素溶解量最高，達83.3%。李連華等［10］將雜交狼尾草置于121℃高壓滅菌鍋內進行蒸汽加熱，最終其厭氧發酵累計產甲烷量提高11.13%；另外，將禾本科王草（PennisetumpurpureumK.Scbumacb）進行加熱處理后，其結晶度從4.73降低至3.29并提高62%的產氣量，同時縮短了發酵的滯延期。

在加熱預處理中并非所需加熱溫度越高、時間越長越好，而是存在最佳條件，如柳枝稷在100℃下產氣量提高多，而狗牙根在150℃下產氣量提高較多。不同能源草所需最適處理溫度可能不同，因此需集中材料進行實驗，總結處理條件并節省能源。

1.1.3 蒸汽爆破預處理 蒸汽爆破法是指在高壓蒸汽初始溫度為160～260℃，壓強為0.69～4.83 MPa下處理材料［5］，在特定時間壓力驟然下降，使材料氫鍵斷裂，降低材料緊密程度。在蒸汽爆破過程中加入酸或堿性催化劑，可提高反應速率，使處理效果更佳，目前蒸汽爆破的種類包括普通蒸汽爆破，氨法蒸汽爆破（AFFX）和CO2蒸汽爆破法。

普通蒸汽爆破在早期預處理研究中較常見，如羅鵬等［11］用普通蒸汽爆破法處理麥草（Psathyrostachysjuncea（Fisch.）Nevski），經試驗證明，在溫度為190℃（停留時間為2min）條件下，汽爆麥草得率和纖維素回收率最高，分別為81.2%和58.4%；在溫度為210℃（停留時間為8min）條件下，麥草纖維分離程度最佳，纖維素酶水解得率最高，達73.2%。除此之外，芒草預處理也應用到了蒸汽爆破法，王麗婷等［12］通過實驗發現，當在爆破溫度為220℃、維壓時間為5min的條件下，將芒草處理后還原糖產量最高達117.4mg·g-1。目前蒸汽爆破法被廣泛應用于秸稈處理中，但由于和本文材料不同不再贅述。

當加入0.5%～4%的酸或堿催化劑（H2SO4，H3PO4，NaOH或氨水）時可提升氣爆效果，同時降低處理溫度節省能源。目前，氨法蒸汽爆破應用廣，研究也較深入，其首先用于秸稈預處理，后用于能源草處理中。如Holtzapple等［13］將秸稈進行AFFX處理（每千克材料中加入1～2kg氨水后進行蒸汽爆破處理），并在155℃下用2.1%的H2SO4稀溶液催化并持續15min，最終可將甲烷產氣率提高67%。Alizadeh等［14］優化了AFFX處理條件并將其運用于柳枝稷處理，在溫度為100℃、氨添加量為1g氨·g-1生物質以及停留時間為5min的條件下，預處理組較對照組纖維素轉化效率提高93%，乙醇產量為0.2g乙醇·g-1干物質，是未處理組的2.5倍。因此用于秸稈處理中的很多方法值得借鑒。

此外，Dale等［15］利用特殊CO2蒸汽爆破法處理材料，在壓力為5.62MPa溫度為160℃的條件下每千克材料用4kg CO2處理24h，可提高75%的總產氣量。這種CO2蒸汽爆破法是利用CO2產生壓力破壞材料結構，提升其降解率，但此法并未運用到能源草處理中。

綜上，AFFX是目前最佳的氣爆處理方法，其運用廣泛，可提高約90%的材料轉化率、60%的產氣率，且氨水成本低廉，易于投入生產。另外，蒸汽爆破法多和其他處理方法結合使用，可進一步提高材料降解率。

1.1.4 射線輻射預處理 射線輻射預處理是指運用微波、超聲波、γ-射線和電子束等射線對材料進行作用，使其內部發生震蕩，從而破壞木質纖維素結構，提高纖維素降解程度。其中微波與超聲波因使用便捷且對人體傷害較小而被廣泛運用。Jackowiak等運用微波在150℃下分別處理小麥秸稈和柳枝稷50min，秸稈甲烷產氣率提高28%，但柳枝稷甲烷產氣率提升并不顯著，這可能與材料內部結構有關。隨后其提高處理溫度并延長了作用時間，在180℃下對柳枝稷進行微波處理90min，材料溶解性化學需氧量與總化學需氧量的比值（sCOD·tCOD-1）較對照組上升13.8%，說明其產還原糖量上升13.8%［16］。目前微波處理廣泛應用于秸稈、柳枝稷等材料預處理當中，其材料降解效率為30%左右，在物理預處理中占據重要地位。另外，微波通常與加熱處理結合使用，加熱溫度為150～180℃（目前較優方法為150℃下微波處理20min），此組合方法對木質纖維素降解有較大作用。

1.1.5 脈沖電場預處理 脈沖電場是一種新型的預處理方法，其利用電場脈沖對細胞壁的作用，破壞木質素結構。相關研究者在室溫下以8kV·cm-1的電場強度及單位時間內2000次脈沖處理木質纖維素材料，結果顯示，木質纖維素降解率較對照組提高3.6%［17］。此種預處理方法所需裝置較復雜，使用較少，目前僅被運用于秸稈處理中，對于能源草作用效果需將其運用于能源草處理后方可知曉。

1.2 化學預處理方法

國內外學者針對于化學預處理法的研究十分詳盡。化學預處理中包括酸、堿處理法，氧化法［18］（包括過氧化氫法、濕法氧化法和臭氧分解法），離子液體法和酸性電解水法。其中酸、堿預處理效果良好，如NaOH處理可將破壞程度提高50%以上，較大程度提高材料產能效果。

1.2.1 酸預處理法 在酸預處理中常用稀酸主要包括 H2SO4，HNO3，H3PO4和 HAc等，其利用強酸腐蝕性和氧化性破壞木質纖維素結構，且主要針對半纖維素進行作用。目前在酸處理法中運用較多的是H2SO4處理，其可將材料降解程度提高50%～80%，產氣能力也有相應提高。

Wyman等［19］用體積分數為0.5%的H2SO4溶液于140℃條件下對柳枝稷進行處理并持續1h，最終其纖維素降解率達70%。Alireza于170～180℃下利用0.9%的稀H2SO4處理柳枝稷，產甲烷量比對照組提高80%。之后研究者們取消了加熱過程，在室溫下用1.2%H2SO4浸泡柳枝稷4h后，材料降解率增加50.4%。Zhang等［20］為確定酸處理中H2SO4最佳體積分數，于常溫常壓下用0.8%～4.2%的H2SO4溶液作用于柳枝稷，試驗證明，當H2SO4體積分數為4%時其材料降解效率最高，達83%。

利用稀H2SO4溶液處理其他能源草，如芒草、荻（Triarrhenasacchariflora（Maxim.）Nakai）等也有相關研究。袁振宏等［21］證明在121℃下芒草內部結構降解程度隨H2SO4體積分數變化而變化，其中半纖維素在H2SO4體積分數為1.5%時會全部降解，酸體積分數過高會產生糖類以外的雜質。廖沃日汗等［22］在120℃下用1.5%H2SO4稀溶液對荻進行30min預處理，木質纖維素降解程度較對照組提高15%。另外，研究發現，虉草經稀H2SO4處理后纖維素轉化率提升35%。

目前，對于柳枝稷H2SO4處理研究的十分詳盡，其中H2SO4溶液處理濃度一般為1%～4%。另外，各類能源草組分含量基本一致，僅少數有較大差異，因此各類能源草H2SO4處理濃度不會有較大浮動。其他酸溶液對能源草處理的研究不多，且成本有時會高于H2SO4，因此H2SO4是酸處理中的較優選擇。

1.2.2 堿預處理法 堿處理方法包括NaOH、Ca（OH）2、KOH和稀氨水法，其利用稀堿溶液對材料進行處理，破壞木質素。以柳枝稷為材料的堿處理目前研究較多，具體如下。

堿處理中運用較多的是NaOH和稀氨水法。如Guang等［23］在100℃、濕度為91.7%條件下用NaOH溶液對柳枝稷進行處理，產能效率達63%。Kurakake等［24］于120℃下利用25%～28%氨水將柳枝稷酶解20min，處理組還原糖產量是未處理組的5倍。Isci等［25］常溫常壓下用30%氨水浸泡柳枝稷材料，結果顯示，木質素含量減少40%～50%，半纖維素含量減少50%。

關于其他能源草堿處理的研究如下：李連華等［10］在室溫下用1%NaOH溶液作用于雜交狼尾草，其木質素含量從12.78%降低至6.51%，并對材料結晶度產生一定影響。Haque等［26］運用0.75%～2.5%NaOH稀溶液在105℃下對芒草進行處理，發現2.5%NaOH溶液處理效果最好，木質素和半纖維素損失率分別達74%和55%。Chaudhary等［27］以甜根子草（SaccharumspontaneumLinn）為研究材料，于30℃下使用不同堿（NaOH，NaOH+10%尿素，氨水）對其進行預處理，其中NaOH+10%尿素處理效果較佳，木質素降解率為63%。張樹河等［28］優化了斑茅的堿處理條件，其在2%NaOH作用下、60℃抽提1h后木質素的含量降低為3.34%，纖維素提高到72.54%，半纖維素為28.57%。另外，如將虉草用Ca（OH）2處理后，纖維素轉化率可提高3%。

從上述研究結果看，氨水、Ca（OH）2等堿處理弱于NaOH處理效果，因此目前NaOH運用最為廣泛，其處理濃度一般集中于0.5%～2.5%，使用成本低且木質素去除率高，但對環境有較大負面影響。因此對其污染防治手段應進一步優化。

1.2.3 臭氧分解法和濕法氧化法 臭氧分解與濕法氧化原理相似，均利用強氧化性對材料進行作用。前者是臭氧首先分解為氫氧自由基，利用強氧化性降解材料；后者是在高溫（125～300℃）高壓（0.5～20MPa）下，于材料中加入水和氧化劑（如H2O2），設定溫度、時間和壓強從而對材料進行處理。臭氧分解和濕法氧化法均不具選擇性，在處理過程中材料可能會損失部分碳水化合物，其相關研究進展如下：

Panneerselvam用3種不同濃度（40，50和58 mg·L-1）的臭氧在常溫常壓下對木質纖維素進行處理，結果表明58mg·L-1的臭氧處理效果最好，可破壞59.9%的木質素。之后，Panneerselvam等［29］還發現，將芒草用臭氧處理后，其還原糖產率較對照組增大146.2～431.9mg·g-1。此外，Uellendahl等［30］發現，將木質纖維素在150℃，0.5 MPa下進行濕法氧化處理之后，甲烷產量從200 L·kg-1增長到360L·kg-1，將此方法運用于柳枝稷處理也可一定程度提高產能量。

在氧化法中H2O2常和其他方式混合使用，如酸、堿或微波處理，其處理效果良好，可破壞50%以上木質素。另外，因成本問題上述兩類氧化法并未大規模應用于生產中，仍有待于進一步研究。

1.2.4 離子液體預處理法 離子液體處理法是指在不同處理溫度下利用70%～85%的咪唑氯化物、N-甲基嗎啉-N-氧化物、1-丁基-3-甲基咪唑氯化物等溶液對能源草進行作用，破壞木質素，提高發酵效率。

目前咪唑氯化物應用較多。Socha等［31］運用咪唑氯化物處理木質纖維素72h，其產葡萄糖量和產木糖量分別較對照組提升90%～95%和70%～75%。Li等［32］將此溶液運用于柳枝稷處理，利用1-丁基-3-甲基咪唑氯化物在常溫常壓下處理材料后，其降解率提升16.7倍，產甲烷率提高96%。Montalbo等［33］將1-丁基-3-甲基咪唑氯化物與超聲波共同作用于柳枝稷，較單用超聲波處理木質纖維素降解率高50.8%；同時用離子液體處理柳枝稷并在130℃下持續加熱12h，其木質素降解率比單獨加熱處理高53%。另外，其他離子液體如N-甲基嗎啉-N-氧化物也被用于預處理，如 Akhand等［34］在90℃條件下用N-甲基嗎啉-N-氧化物作為處理試劑對秸稈進行處理并持續7h，材料甲烷產量增加47%。其產能提升效果良好，有待于運用于能源草處理中。

此外，還有一種與離子液體相似的處理方式，即酸性電解水［35］。這種預處理方式利用特定濃度（不同處理材料所用濃度不同）的FeCl3稀溶液對木質纖維素進行降解，如Jing等［36］在木質纖維素樣品中加入35%的FeCl3并持續處理30min，結果產還原糖量提高126.5%，但此方法同樣未用于能源草預處理，有待進一步研究。

總體來說，離子液體處理法中運用較多的是咪唑氯化物、嗎啉氧化物等化學物質，其可對材料木質素進行破壞，將材料降解率提高40%～90%不等，效果良好，但因離子液體成本比酸、堿處理高，其在生產中運用不廣泛。

1.3 生物預處理法

生物預處理可分為自然和人為加入微生物預處理，其中人為加入微生物處理針對性更強，可將材料降解效率提高約30%～60%，效果良好且污染程度低［37］。生物預處理主要使用的添加劑為細菌、真菌和酶制劑，其中真菌在作用時首先吸附在木質纖維素端部，菌絲由內而外延伸；而細菌則吸附在木質纖維素表面，由外向內延伸，進而破壞材料結構，在降解過程中微生物產生纖維素、半纖維素以及木質素降解酶等，共同對材料進行作用。

1.3.1 酶法處理 酶法處理是在溫和條件下直接利用纖維素酶或其他酶類對木質纖維素作用，從而提高發酵過程中的反應速率。其中所用的纖維素酶可由梭菌（Colstridium）、纖維單胞菌屬（Cellulomonas）和芽孢桿菌（Bacillales）等微生物［38-39］或蛋白表達系統中產生，其他種類酶如漆酶則由毀絲霉（Myceliophthora）等微生物產生，也可用于預處理中，如研究者們利用250AU·（g·VS）-1濃度的漆酶（此酶對木質素有降解作用）對柳枝稷在常溫下處理4h后，其甲烷產量提高34.2%。

目前以能源草為材料的纖維素酶預處理研究較少。師靜等［40］探究纖維素酶用量、酶解時間、底物濃度、緩沖液pH值、反應溫度5種因素對巨菌草纖維素降解的影響，結果顯示，各因素的影響程度依次為纖維素酶用量＞酶解時間＞底物濃度＞緩沖液pH值＞反應溫度，其中最佳酶解條件為：反應時間60h，酶用量44.8U·g-1，底物濃度10g·L-1，pH值5.0，酶解溫度45℃。另外，相關學者于pH 4.0～6.0條件下探究纖維素酶預處理中添加劑的效應，其中正丁醇在酶法水解中起到了抑制作用，而辛醇、正癸醇等都在酶解預處理過程起了促進作用，將正丁醇加入到酶處理裝置中可將材料產甲烷率提高37%～57%。

總之，酶處理對環境產生污染小，處理效果好，但和其他生物處理方法相似，成本較高，且目前纖維素酶的表達和生產工藝并不成熟，需進一步降低成本、提高生產技術水平。目前多用微生物菌劑添加代替純纖維素酶制劑添加。

1.3.2 真菌預處理法 真菌預處理法是指利用白腐菌（Phanerochaetechrysosprium）、青霉（Penicillium）和曲霉（Aspergillus）等大型真菌產酶特性，在28～37℃溫和條件下對材料進行處理，選擇性降解木質素和纖維素，從而提高產能效率。目前白腐菌是真菌中運用最頻繁的菌種，對其研究也相對較多。Liggenstoffer等于180～200℃條件下對木質纖維素處理5～15min，之后利用白腐菌C1A（Pycnoporussp.SYBC-L3）菌株作用于材料，最終28.34%～38.22% 的木質素被降解。Liu等［41］利用白腐菌對柳枝稷進行36d持續處理，最終木質素降解度達30%，發酵效率較未處理組高50%。Yao等［42］在濕度為80%～85%、溫度為35℃條件下利用白腐菌作用于芒草和柳枝稷，結果表明，這2種材料的產還原糖量分別較未處理之前提升了25.48和8.33 mg·g-1，其差異原因可能是由于內部結構不同。

其他菌種如黑曲霉（Aspergillusniger）、綠色木霉（Trichodermaviride）等也可用于預處理，但目前其未被運用到能源草處理中。如趙曉農等［43］以黃孢原毛平革菌（Phanerochaetechrysosporium）等單菌及其與黑曲霉復合的雙菌對蘋果渣進行預處理。固態條件下，黃孢原毛平革菌促進糖化效果最強，總還原糖含量提高70.8%；液態條件下，黑曲霉與白腐菌混合作用最強，處理后總還原糖含量提高66.2%。陳莉等［44］對綠色木霉降解纖維素的最佳條件進行探究，結果表明其最佳條件為：接種量5%，初始pH值4.5。因此對于能源草真菌處理仍有待于進行實驗探究。

總之，真菌處理是目前預處理方法主流研究方向之一，污染程度小，處理效率較高且節省能源，在溫和條件下木質素降解率為30%，降解后還原糖量提高程度為70%左右。其不足之處在于所需處理時間長，成本也較化學預處理高。

1.3.3 微生物群落預處理法對能源草產能影響 細菌在預處理和發酵過程中均有重要作用，其種類繁多，一般在溫度為20～55℃范圍內對底物進行作用。細菌的主要作用是破壞木質纖維素緊密結構，選擇性降解纖維素和半纖維素［47］。其對材料降解率達60%左右，產氣能力提升20%～30%，可作為良好的預處理添加劑。

楊洪巖等［45］篩選出可高效產酶的細菌復合系并用其對柳枝稷處理14d，結果表明，在50℃、pH為4.5條件下柳枝稷纖維素及半纖維素降解率分別達50%及60%，對應的酶活分別為0.21和3.57 IU。Bai等［46］建立了MEG細菌菌群體系，在35±2℃的條件下對木質纖維素處理7d，其甲烷產氣率提升25%，此菌群有待運用于能源草處理中。Eichorst等［47］在38℃下運用微生物菌群處理柳枝稷，所得纖維素降解率較對照組高2倍。Ahn等［48］將柳枝稷和禽類糞便共同發酵，結果表明，利用禽糞中天然微生物群可將柳枝稷甲烷產氣提高至299mL·（g·VS）-1。目前可穩定繁殖的纖維素降解菌群已被應用于實驗室內預處理過程，但未投入生產中。

另外，雖青貯不屬于預處理范疇，但其有時也可達到提升能源草產甲烷量的效果。因青貯本身是利用厭氧條件下乳酸菌等有益微生物的活動將植物中碳水化合物轉化為乳酸、乙酸等有機酸（同時pH值降到4.2以下），而乙酸是甲烷的前體物質，可能對后續厭氧發酵產生影響，因此也將其相關內容進行總結。目前青貯多用于牧草飼料保存，較少用于能源草產能青貯，相關的研究也較少。其中張寶藝［49］在雜交狼尾草青貯過程中添加不同濃度（1.0×105，1.5×105和2.0×105cfu·g-1）乳酸菌及不同濃度（0.01，0.02和0.03g·t-1鮮重）纖維素酶，持續45 d，結果顯示纖維素酶添加量為0.03g·t-1鮮重時甲烷產量最大，為2916.17mL，產氣率為294.17 mL·（g·VS）-1。對于青貯是否能提升產氣量，提升程度如何，不同能源草可能存在很大差異，因此此方向仍需探索。

總之，細菌處理法專一性強，污染程度低，處理效率良好，但其和真菌處理局限性相似，處理時間長、成本較高。目前，發掘極端環境內存在的菌群（如深湖泊底層污泥內、牛糞中存在的纖維素降解菌群等）進而研究其纖維素降解性能也是十分必要的，因為此種環境下生長的菌群對纖維素降解能力、專一性和抗逆性均較強，更具開發價值。

1.4 混合預處理法

混合預處理是指物理、化學和生物等不同預處理方法組合使用，對能源草進行處理。不同方法之間結合導致處理效率不同，其大多較單一預處理法效率高，且效率因不同能源草而異。目前在工業生產中預處理方法幾乎均為混合預處理。

Keshwani在綜述中提到［50］將1%NaOH 溶液與微波輻射（10min，250W）結合用于柳枝稷處理，其還原糖產量較對照組高3～5倍。Hu和wen［51］利用1%NaOH與微波輻射對柳枝稷進行處理，在190℃、固體含量為50g·L-1條件下處理30min后，纖維素降解率提高99%。余醉等［52］以蘆竹為材料將稀酸、稀堿、加熱處理和稀酸催化加熱處理法進行比較，結果表明，稀酸催化下的高溫熱水法效率最高，總水解率達47.91%，木質素減少12.99%。Li等［53］利用加熱預處理，將能源草混合樣品進行處理后，其產氣速率和產能量分別提升7%和8%。另外，化學預處理也可作為物理處理輔助手段，如Yandapalli等［54］發 現，分 別 將（0.05，0.1 和 0.2 g·g-1生物量）的石灰運用于柳枝稷處理中，并于121℃下持續30min之后于室溫下保存72h，結果表明0.2g石灰·g-1柳枝稷的石灰處理對后續粉碎和制備固體燃料的影響最大。此外還有前文提到的微波加熱預處理、微波與酸處理、加熱與微生物處理結合等均為混合處理方法。

針對于能源草混合預處理的研究目前多集中于物理、化學組合，其他方法組合還被未大規模使用，尤其是生物處理與其他方法的結合（如微波處理與白腐菌、堿處理與白腐菌結合等），仍需進行相關試驗并總結。另外，以秸稈為材料的混合預處理研究成果較多，在對能源草預處理技術進行研究時可加以借鑒。

2 預處理方法間的對比分析

上述預處理方法均各具優缺點，如物理預處理方法對環境的污染程度低、成本低、處理時間短但處理效率有限且消耗能量較大；化學方法中酸、堿預處理法處理效率相對較高，如 H2SO4或NaOH預處理法是目前最經濟高效的方法，但其對環境污染程度較大且選擇性較低；生物預處理成本普遍偏高、處理時間長，其優點是對環境污染程度小，選擇性強且處理效率良好；混合預處理因其處理過程復雜、擁有很多不定性因素，因此各個指標均不易確定，但就上述提到的混合預處理（包括微波處理與加熱處理混合、微波與真菌處理混合等）來說，其處理效率高，并且不同方法間具有互補作用，值得深入研究。具體情況如表1所示。

表1 能源草不同預處理方法比較Table 1 The comparison of different pretreatment methods of bioenergy grass

3 總結與展望

目前預處理方法種類繁多，需要學者研究的方面也是多樣性的，因此對此類研究需有明確的目的和方向，本文從以下幾點對預處理方法今后研究進行了總結和展望。

3.1 物理處理方法是所有預處理方法的前處理

在進行化學、生物處理前都應首先進行切短、粉碎或其他物理方法處理，這樣可以較大程度破壞木質纖維素的緊密結構，為后續實驗提供方便。不同實驗所需材料切短長度有所不同，需粉碎的材料經處理后粒徑一般集中于0.003～30mm間即可，而其他物理處理方法可根據實驗需要進行選擇。

3.2 酸、堿預處理是目前主要應用的預處理方法

稀 H2SO4（4%）及稀 NaOH（0.5%～2.5%）溶液成本低廉且對材料處理效果好，因此，在實驗或生產中主要應用其對材料進行處理，根據能源草種類不同稀酸和稀堿處理濃度可能略有不同，但大體相近。目前由于環境問題，化學預處理受到較大限制。

3.3 生物預處理應成為預處理方法中主流研究方向

微生物因其天然的木質纖維素降解專一性及其對環境低污染性受到較多關注。目前運用較多的是白腐菌。微生物繁殖迅速，其所產生的纖維素酶、漆酶等可不同程度降解纖維素或木質素，提高產能效果。從表1中可以看出，生物處理專一性、無污染性在其領域都占有優勢，因此對不足之處進行優化是首要任務。生物預處理的限制是成本高、處理時間長，降低成本、縮短處理時間是其目前的研究方向。如欲縮短時間需提高酶的活性，欲降低成本則需提高預處理技術水平，因此對于預處理裝置改進、條件優化、微生物培養技術以及蛋白表達技術提高等均迫在眉睫。另外，應針對產酶微生物群落應深入研究，篩選新型纖維素降解菌群，并對目前已被廣泛運用的蛋白表達系統進行優化，使表達效果提升。此外，還需細化生物預處理中涉及到的各項指標，如溫度、pH和時間等，選擇最適條件，提升生物預處理效率。

3.4 能源草預處理方法研究趨勢應向高效率、低污染方向發展

低成本、高效率和低污染是目前預處理技術發展的目標，酸、堿預處理雖處理效果好、成本低，但其對環境有較大負面影響并可能破壞材料本身的結構，因此應對其處理后的排污手段進行進一步探究，降低環境污染程度，同時與生物處理結合以提升處理專一性。另外，物理預處理一般為初步處理，切短、粉碎等幾乎是每種預處理方法所必經的途徑，蒸汽爆破、射線輻射、液體高溫水等處理效果良好，但能源損耗程度大，有些耗損能源甚至會超過能源草制備的能源，因此尋找前期能源消耗少、處理效果較優的新預處理方法也同樣是目前研究的重要任務。

3.5 多種預處理方法綜合應用是能源草預處理的發展趨勢

多種預處理法組合會彌補單一預處理法的不足，并可能達到“一加一大于二”的效果，如微波處理和白腐菌處理結合、微波處理與NaOH處理結合等，這些組合在秸稈預處理中都有所運用，值得借鑒。另外，預處理過程中應有較強針對性，如化學預處理中某些有用成分也被化學試劑破壞，而生物處理則具有較強選擇性，因此將不同處理結合使用可達到優勢互補的目的。目前，物理、化學預處理組合已被多方面研究，而生物處理與其他預處理的結合研究較少，需要研究者進一步探索、分析更多可能的組合，以提高木質纖維素的降解程度。

3.6 建立能源草預處理綜合評價體系

系統測定不同預處理法對能源草的影響后，應建立完善的預處理評價體系，如李峰等［55］對部分能源草建立了初步評價體系，其產能效率、分布、熱值、抗逆性等特性均在體系中有清晰的體現和評分。因此，對于不同材料、不同預處理法也應進行類似的總結歸納，對材料降解效率、成本、環境污染程度和能源消耗進行詳細闡述、評價和綜合分析。另外，后續應及時更新處理方法，以便研究者根據不同實驗室設備選取最佳的預處理方法，提高實驗效率。