纤维素水解范文
时间：2023-03-19 22:46:41
导语：如何才能写好一篇纤维素水解，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
一、前言
纤维素，英文名称为cellulose，是一种由葡萄糖组成的大分子多糖，属于天然高分子化合物，是植物细胞壁的主要成分。溶解性质表现为不溶于水及一般有机溶剂。纤维素在自然界分布十分广泛，占植物界碳含量的50%以上，大量存在于木材、棉花、麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等之中。
纤维素不溶于水和一般的化学试剂，但在特定的条件下可以发生水解生成葡萄糖，这一性质正是高中化学纤维素水解实验的基础。高中化学纤维素水解实验以滤纸为纤维素来源，以硫酸为催化剂，以一定的温度为化学反应条件，以氢氧化铜和银氨溶液为检测手段，组成了一个完整的水解+检测的化学实验。该实验因涉及到浓硫酸的稀释、氢氧化铜的变色和银镜反应的发生，可以极大地激发学生对于化学的学习兴趣，其背后所蕴含的化学思想对于学生今后在化学学科的继续学习发挥了积极地作用。
二、实验内容
1.纤维素的水解
（1）配制成20ml的浓度为70%的硫酸溶液置于50ml的玻璃烧杯中。混合过程中将浓硫酸缓慢倒入水中并且不停地搅拌，完成后，静置使其冷却。
（2）取一小块滤纸，撕碎后向小烧杯中一边加一边用玻璃棒搅拌，溶液将缓慢的变成无色透明状液体，然后将烧杯放入水浴中加热10min，直到溶液显现出棕黄色为止。
（3）将该棕黄色液体倾倒入另一盛有约20ml蒸馏水的烧杯中。取1ml混合液，注入一大试管中，加入适量的固体NaOH，直到溶液的pH值到达3-5之间，再加Na2CO3调节溶液pH值至9。
2.纤维素水解产物的检验
三、结果分析
葡萄糖的分子结构式如下图所示，在整个碳链的端部有一个醛基，使得葡萄糖有了一定的还原性，因此银镜反应和氧化亚铜实验就成了检验葡萄糖的定性试验。
纤维素的水解产物是否就是葡萄糖，这个问题就可以根据其水解产物是否能够在上面两个反应中起到作用。经过上面两个实验的现象，可以断定实验中的来源于滤纸的纤维素经过硫酸的处理发生水解，并且水解产物中存在具有还原性的葡萄糖。
四、实验思想
结构决定性质，这是化学领域的一个最基本的思想。以纤维素为例，它是一种天然的高分子材料。纤维素的形成大多在植物中进行，植物通过光合作用产生碳水化合物的糖类，这些糖类通过彼此间的脱水而形成纤维素。从葡萄糖到纤维素，结构上的变化导致了其性质上的截然不同。比如其溶解性的变化，葡萄糖在水中溶解性良好，而纤维素是不溶于水的。
纤维素的结构与性质的关系体现在下面两个方面：
1.原子排列影响物质化学性质
纤维素由葡萄糖分子间脱水形成，在脱水的过程中，葡萄糖分子中的醛基结构受到破坏，使物质的化学还原性消失，因此，直接用纤维素来还原银离子和铜离子是做不到的。从原子排列的角度来讲，组成醛基的碳氧双键易极化导致碳原子带正电性，碳氢键易断裂从而变现为一定的还原性。一旦经过脱水缩合反应，碳氢键中的氢被另一个氧原子代替，醛基变为糖苷键，而糖苷键是不具备以上还原性的。因此，原子的变化和原子结构排列的变化使得物质失去了还原性，也就是说，原子排列影响物质的化学性质。
2.分子结构影响物理性质
纤维素分子呈丝状，这是葡萄糖分子头-尾结合产生的结果。这些丝状物因为排列整齐而极易结晶，从而形成规则的晶体，往往表现为纤维状晶体，而纤维状晶体的强度较强，从宏观材料的角度来看就是纤维素材料强度较高。纤维素分子由葡萄糖分子脱水缩合而成，其脱水过程中虽然醛基结构遭到破坏，但是纤维素却完整的继承了葡萄糖分子中的羟基。这些羟基中的氢原子们可以被看做一个个的质子。在这种情况下，一个氧原子连接质子很容易和另外一个氧化子相互吸引发生作用从而在分子间形成氢键。同一个纤维素分子上的两个羟基间生成的氢键被称为分子内氢键，分子内氢键使得分子的旋转难度增加，外在表现为材料刚度的较大。
能量决定化学反应能否进行，这是化学领域另一个重要的思想。化学反应与能量的关系如下面描述。
有机物分子通常是各种原子通过共价键的形式结合起来的，比如纤维素和葡萄糖都是碳氢氧三种元素组成。有机分子在反应的时候。化学键的断裂与形成是化学反应的实质。一个反应能否进行，除了物质的分子结构因素以外，一个重要的影响因素就是能量，体现在反应条件中就是反应温度。当然，某些化学反应也可以由激光、磁场、光照等代替加热完成实验。但归根结底都是为了能够达到旧键断裂和新键形成的目的。从实验中可以看到，虽然葡萄糖具有了还原性的醛基，但是在低温下仍然无法还原银离子和铜离子，只有当温度上升，达到旧键断裂的临界点，反应才能发生。了解了各种物质的特性，反应能否发生，什么温度发生，这一临界点是可以通过计算精确地算出来的，这就是化学本质和规律的体现。
五、总结
课堂演示实验对于高中化学学科而言十分重要，他不仅能够提升同学们对于化学的学习兴趣，更有利于学生对于化学思想的掌握。纤维素的水解实验是一个很基础的有机化学实验，通过此实验，不仅可以掌握一定的有机化学知识，更能从深层次了解到物质结构决定性质、化学反应条件的本质等。希望通过本篇论文，可以对广大高中化学老师和学生起到积极地作用。
参考文献：
[1]罗德高.谈淀粉及纤维素的水解.广西右江民族师范高等专科学校学报1999（07）
篇2
关键词：玉米秸秆 酒精发酵 预处理 发酵
中图分类号：G718 文献标识码：C 文章编号：1672-1578（2016）11-0280-01
燃料酒精作为石油的替代能源，已经成为各国可再生能源开发利用的重要研究发展方向。目前，玉米等淀粉质原料生产燃料酒精技术已相当成熟，我国已经实现工业化生产，但随着陈化粮消耗殆尽，淀粉质原料存在“与民争粮，与粮争地”等问题，大量利用玉米生产燃料酒精受到严重限制[1]。利用玉米秸秆生产酒精，不仅可以缓解日益严重能源危机，环境污染，食物短缺等问题，也为人类社会的可持续发展提供了保证[2]。玉米秸秆经预处理及水解后，纤维素等分解成糖，经发酵蒸馏提取酒精，本文主要对这些工艺展开讨论。
1 原料预处理
玉米秸秆的结构较为复杂，纤维素、半纤维素被木质素包围，严重影响纤维素等的降解效率，水解之前应进行预处理。经预处理，纤维素和半纤维素及木质素分离开，聚合度较低，从而提高了玉米秸秆纤维素的水解糖化效率。目前普遍采用的预处理方法主要有物理法、化学法、物理化学法、生物法四种[3]。物理法主要采用机械粉碎、超声波处理和蒸汽爆破等物理方法，该方法预处理污染小，操作简单，但是能耗大，成本较高。化学法主要采用酸、碱或者有机溶剂等对玉米秸秆进行预处理，破坏纤维素与木质素之间的晶体结构，打破木质素对纤维素的包裹。该方法成本较低，但易产生化学污染。物理化学法是指在对玉米秸秆的预处理过程中同时采用物理和化学两种方法，二者相结合可提高玉米秸秆的预处理效率[4]。如通过汽爆方法和化学添加剂相结合，不仅可以加快预处理速度，也能尽量降低环境污染。生物法主要通过微生物作用于玉米秸秆，达到分离纤维素和木质素的目的，该种方法不仅效率高而且能在正常条件下进行，节约成本，是一种有潜力的预处理方法。
2 纤维素水解
玉米秸秆经预处理后，纤维素只有分解成糖可进行发酵成酒精，这个过程被称为纤维素的水解过程。目前玉米秸秆纤维素的水解工艺主要有酸法水解和酶法水解两种，水解后纤维素和半纤维素的氢键被破坏，分解成单糖供发酵过程。
2.1 酸法水解
酸法水解主要以硫酸作为催化剂对玉米秸秆中纤维素进行分解。包括稀酸水解和浓酸水解两种。稀酸水解通常采用0.2%-0.5%的稀硫酸水解纤维素，优点是反应条件温和，设备要求较低，但反应过程中产生大量副产物且产糖率低。浓酸水解的优点是产糖率较稀酸水解高且反应过程副产物少，但反应时间较长，腐蚀性强，不仅对反应设备要求较高，而且硫酸回收工艺复杂。
2.2 酶法水解
酶法水解利用纤维素复合酶分解玉米秸秆中的纤维素，纤维素酶包括葡聚糖酶和纤维二糖酶。水解过程中葡聚糖酶先将纤维素分解为纤维二糖，纤维二糖再在纤维二糖酶的作用下分解成葡萄糖供发酵过程使用。酶法水解相对酸法水解反应条件温和，催化效率高且能耗低，纤维素酶的专一性高，产物单一，副产物相对较少。但酶法水解中酶的固定化程度困难，反应过程中酶的消耗量较高，导致成本较高。
3 酒精发酵
酒精发酵的最终目的就是让水解中产生的葡萄糖通过发酵转化为酒精，发酵方法主要有以下几种：
3.1 直接发酵法
直接发酵法就是直接利用纤维分解细菌发酵纤维素生产酒精，此方法不需要经过酸法水解和酶法水解预处理过程。采用适合酒精发酵的生产菌株是直接发酵法的技术关键，但目前国际上还未找到一种既具备分解纤维素又能发酵成酒精的优良菌株，一般利用热纤梭菌和热硫化氢梭菌混合菌直接发酵，前者主要将纤维素分解成单糖但乙醇产率较低，后者主要将单糖转化为酒精但不能分解纤维素。
3.2 间接发酵法
间接发酵法将玉米秸秆的发酵过程分为两步，是目前研究最多的方法之一。第一步利用纤维素酶将玉米秸秆中的纤维素分解成为单糖，分解后的糖作为后续发酵所需的碳源；第二步再利用酒化酶将单糖发酵成酒精。间接发酵方法正处在研究阶段，但应用到生产中的突出问题是第一步产生的单糖随着浓度的增加会反过来抑制第一步反应的进行，而第二步随着酒精浓度的增加也会抑制菌株的发酵能力，给发酵过程带来巨大影响。
3.3 同步糖化发酵法
同步糖化发酵法主要是为了解决间接发酵法面临的反馈抑制问题，两者原理相同。该方法最早由Gauss等提出，糖化和发酵同时在一个反应器内连续进行，将纤维素水解和酒精发酵同步进行，水解产生的葡萄糖由于发酵浓度降低，消除了高浓度糖对纤维素酶的抑制作用。同步发酵法的优点是简化了生产设备，节约了生产时间，消除了抑制作用，降低了生产成本，但反应过程中面临的最突出问题如何实现纤维素发酵和酒精发酵的条件兼容。
4 酒精蒸馏
玉米秸秆发酵后的混合发酵液成分相当复杂，酒精浓度相对较低，必须将酒精从混合液中分离出来才可加以利用。酒精具有沸点低、易挥发等特性，因此酒精分离通常采用蒸馏的方法。酒精蒸馏过程中通过控制温度将酒精从混合溶液中挥发出来，经冷凝装置冷却后由气态变为液态，回收得到高纯度酒精，为了避免安全事故的发生，蒸馏过程中的温度控制成为关键。传统的玉米秸秆酒精蒸馏工艺为双塔式精馏，由于其能耗较高逐渐被三塔式精馏工艺取代。
5 结语
我国作为一个农业大国，玉米秸秆产量十分丰富，这些可利用的生物质资源如果通过堆积腐烂和焚烧的方式处理，不仅造成资源浪费而且会造成极大的环境污染。目前玉米秸秆生产酒精的工艺技术已逐步成熟，生产过程中所面临的一些问题还需进一步的研究和探索，随着技术的进一步发展和完善，利用玉米秸秆生产酒精将会在解决日益严重的能源问题上发挥巨大作用。
参考文献：
[1] 闫莉，吕惠生，张敏华等.纤维素乙醇生产技术及产业化进展[J].酿酒科技，2013（10）：80-84.
[2] 黄宇彤，杜连祥，赵继湖.世界燃料酒精生产形势[J].酿酒，2001，（5）：24-26.
篇3
1纳米纤维素制备方法
1.1机械法制备MFC
天然纤维素经高压机械处理，得到一种新型高度润胀的胶体状纳米纤维素，一般称之为微纤化纤维素(MFC)。MFC是由一些长的线状微细纤维组成的无规则网状物，保留了微细纤维的外形，其纤维直径为10～50nm，长度为直径的10～20倍［6］。通过机械法制备MFC，无需化学试剂，对环境影响小。但采用这种方法制备的MFC粒径分布宽，且制备设备特殊，能量消耗高，因此该方法目前应用较少。高压均质法和化学机械法都属于机械制备法。
1.1.1高压均质法
高压均质法是将纤维素分解成纳米纤维素的一种常用的机械制备方法。在高压均质过程中，压力能的释放和高速运动使物料粉碎，从而减小物料的尺寸。20世纪80年代早期，Turbak等［7］以4%左右的预水解木浆为原料，制备出了MFC。文献［8］表明，Duf-resne等通过高压均质化作用对纯化后的甜菜纤维进行处理，使其细胞壁发生破坏，从而制备出MFC，MFC经干燥后可用于制备高强度纤维片。Zimmer-mann等［9］采用不同的原材料，通过机械分散和高压均质过程，制备出了最大长度及直径小于100nm的MFC。分析表明，微米尺寸的纤维素易团聚，网状结构的匀度较差。图2竹浆微纤化纤维素的扫描电镜照片
1.1.2化学机械法
高压均质法易出现均质机堵塞等问题，从而无法实现制备过程连续化。为解决上述问题，出现了一系列改进方法，即化学机械法。化学机械法是先用化学降解方法对纤维进行适当的氧化降解预处理，再用高压均质机进行均质化处理的制备方法。采用化学机械法，可以从木材、麦草和大豆中制备出MFC。ShreeP.Mishra等［10］以漂白阔叶木硫酸盐浆为原料，先用TEMPO-NaBr-NaOCl系统进行氧化，然后进行机械处理(即用普通搅拌机搅拌)，成功制备出结晶度较高的MFC。Alemdar等人［11］通过对麦草进行化学预处理，然后用机械法制备出了直径为10～80nm、长度为几千纳米的MFC。Wang等人［12］也采用该方法成功地从大豆中制备出直径为20～120nm、长度比麦草制备的MFC稍短的MFC。具体制备流程见图1。图1大豆制备MFC流程张俊华等［13］以漂白硫酸盐竹浆为原料，经过PFI打浆、化学预处理以及后续的高压均质化处理，制备出直径在0.1～1.0nm的纳米级MFC产品，如图2所示。
1.2化学法制备NCC
天然纤维素经酸水解或酶解后，得到NCC。NCC是一种直径为1～100nm、长度为几十到几百纳米的刚性棒状纤维素，一般具有天然纤维素Ⅰ的晶型，可在水中形成稳定的悬浮液［8］。化学法制备NCC的同时，还可对其表面进行改性，从而赋予纳米微晶纤维素新的功能和特性。因此化学法是国内外重点研究的NCC制备方法，研究者目前对NCC的制备、结构、性能及应用已有了比较深入的了解。
1.2.1酸水解法
酸水解法制备NCC会产生大量的废酸和杂质，对反应设备要求高，且反应后残留物较难回收，但制备工艺比较成熟，已实现工业化生产。NCC的尺寸、大小和形状在一定程度上由纤维素原料决定［14-15］。不同物种纤维素的结晶度、微原纤的尺寸差异较大。表1为不同纤维材料制备的NCC尺寸范围。从表1可以看出，采用针叶木、棉花和麻类这些植物原料制备的NCC尺寸相对较小，而采用被囊动物、细菌和海藻制备的NCC尺寸较大［8］。1947年，Nickerson等人［16］最早用盐酸和硫酸水解木材制备出纳米纤维素胶体悬浮液。1952年，Ranby［17］通过酸水解方法制备出了长度大约为50～60nm、宽度大约为5～10nm的纳米纤维素晶体。1997年，Gray等人［18］采用硫酸水解棉花、木浆等原料，制备出了不同特性的纳米纤维素，并研究了其自组装特性和纤维素液晶的合成条件。2006年，Bond-eson等人［19］优化了硫酸水解挪威云杉制备NCC的条件，找到了快速高得率制备纳米纤维素胶体的方法。棉纤维具有高结晶度、来源丰富和成本低廉等优点，成为制备NCC的优良原料。Dong等人［20］以棉滤纸为原料通过酸水解制备出了NCC，并研究了水解条件、制备方法和纤维悬浮液有序向列行为。Hasan-Sadeghifar等［21］以棉纤维为原料，通过HBr水解制备出了NCC，其制备的NCC直径为7～8nm、长度为100～200nm，具有较高的横向结晶度，如图3所示。丁恩勇等人［22］以棉纤维为原料，采用超声波分散和强酸水解的方法制备出尺寸在5～100nm、外形呈球状或椭球状的NCC，其颗粒外层的全部或局部具有纤维素Ⅱ的晶型，颗粒内部具有纤维素Ⅰ的晶型。Zhong-YanQin等人［23］以棉浆为原料，在TEMPO-NaBr-NaOCl系统氧化时采用超声波处理，制备出直径为5～10nm、长度为100～400nm的NCC。该方法制备的NCC结晶度高，得率稳定。微晶纤维素(MCC)与其他纤维素相比省去了漂白脱木素过程。MCC本身具有较高的结晶度和较小的粒度，为进一步快速高效制备NCC提供了条件。目前，国内外研究人员大多采用MCC作为制备NCC的原料。文献［8］表明，Marchessault等人采用硫酸水解MCC，不仅分离出NCC，而且还发现制备的NCC表面带负电荷，因此NCC由于静电排斥力的作用而形成一个稳定的纤维素悬浮液体系。Bai等人［24］对MCC进行酸水解得到NCC后，采用差速离心的方法将制备的悬浮液进行分级，从而得到满足不同需求、分布较窄的NCC。唐丽荣等人［25］以MCC为原料，以阳离子交换树脂为催化剂，通过硫酸水解制备的NCC直径为2～24nm。长度较普通酸水解制备的图4细菌NCC的透射电镜照片NCC的更长，呈丝状，且相互交织形成网状结构。除了以上用得较多的原材料，被囊动物、细菌纤维及麻类等由于具有较大的长径比，也成为制备NCC的原料。1952年，Ranby等人［17］研究了被囊动物和细菌纤维的物理化学性质。文献［8，25-26］表明，Terech等人通过硫酸水解被囊动物制备出宽为10～20nm，长为100nm至几微米的纤维素晶须;Grunert等人通过硫酸水解细菌纤维素制备出棒状的NCC，图4为Grunert所制备的细菌NCC的透射电镜照片［8，25-26］。许家瑞等人［27］以剑麻纤维为原料，采用氯气氧化降解法制备出平均直径为10～20nm，形状为球状的NCC水溶胶产品。WeiLi等人［28］以漂白针叶木硫酸盐浆为原料，结合酸水解和超声波处理，制备出直径为10～20nm、平均长度为96nm的NCC。Le-androLuduena和MaryamRahimi等人［29-30］分别以米糖和麦草为原料，采用HCl、NaOH预处理，之后用浓硫酸水解制备出NCC。
1.2.2酶解法
酶解法制备工艺条件温和，专一性强，且所用的试剂酶与纤维素酶均为可再生资源，因此其对社会可持续发展具有重要意义，预测酶解法将成为未来研究的热点。酶解即利用纤维素酶选择性酶解无定型纤维素，剩余部分即为纤维素晶体。在这一过程中，可能会发生表面腐蚀、剥皮以及细纤维化和切断作用［31］，从而使纤维素分子聚合度下降。目前，酶解研究采用较多的原料是木质纤维素、多种细菌纤维素和MCC。NorikoHayashi等人［32］用纤维素酶酶解海洋生物刚毛藻类MCC，得到了具有纳米尺度的纤维素。蒋玲玲等人［33］利用纤维素酶(绿色木霉，TrichodermaVrideG)水解天然棉纤维，制备出纳米纤维素晶体，该纤维素晶体粒径范围为2.5～10.0nm，大多呈球状。
1.3生物法制备NCC
生物法制备NCC的最大优点是低能耗、无污染，因此国内外都竞相发展这一技术。通过微生物合成法制备的纤维素通常被称为细菌纤维素。细菌纤维素的物理和化学性质与天然纤维素相近。生物法制备NCC时可调控NCC的结构、晶型和粒径分布等，因此容易实现工业化和商业化。但是细菌纤维素制备过程复杂、耗时长、成本高、价格贵、得率低［8，26］。文献［34］表明，1986年Brown等人发现木醋杆菌(Acetobacterxylinum)可生产细菌纤维素，此后人们对细菌纤维素的研究越来越深入。除木醋杆菌可以生产细菌纤维素外，根瘤农干菌(Agabaoteriumtumefa-ciens)、假单细胞杆菌属(Pseudomonas)、固氮菌属(Azotobacter)、根瘤菌(Rhizobium)等某些特定的细菌也能产生细菌纤维素，其中对木醋杆菌的研究比较深入［8，34-35］。采用不同的培养方法，如静态培养和动态培养，利用木醋杆菌处理可得到不同等级结构的纤维素。通过调节培养条件，也可得到化学性质有差异的细菌纤维素。此外，也可采用不同葡萄糖衍生物碳源生产纤维素，如Rainer［36］以阿拉伯糖醇和甘露糖醇为碳源生产纤维素，产生的纤维素量分别是以葡萄糖为碳源的6.2倍和3.8倍。为降低生产成本及减轻环境污染，薛璐等人［37］以大豆乳清代替蒸馏水作为培养液基质，提高了细菌纤维素的产量，降低了生产成本。
2纳米纤维素的应用
近年来，研究人员对纳米技术与纳米材料在制浆造纸领域中的应用表现出了极大兴趣。李滨等人［38］介绍了纳米技术及纳米材料在浆料制备、纤维改性、湿部化学、纸张涂料、功能纸生产等领域的研究进展，并对其存在的问题和潜在应用做了探究。王进和唐艳军等人［39-40］分别研究了纳米SiO2和纳米CaCO3在彩色喷墨打印纸涂料和纸张涂料中的应用。由于纳米纤维素具有极大的比表面积和丰富的表面羟基，若将其加入到纸浆中，其与纸浆纤维能够紧密结合，从而提高纸浆纤维之间的结合力，因此纳米纤维素可作为制浆造纸过程中的增强剂、助留剂和助滤剂，具有很好的发展前景。张俊华等人［41］研究了MFC对纸张的增强效果，其将竹浆MFC、阳离子淀粉及竹浆MFC与阳离子淀粉复配物分别加入到纸浆中进行抄片。实验结果表明，将竹浆MFC加入到纸浆中可提高手抄片的物理性能，且MFC与阳离子淀粉协同使用时，其增强效果要明显好于单独使用竹浆MFC或阳离子淀粉时的增强效果。宋晓磊等人［42］研究了聚酰胺多胺环氧氯丙烷(PAE)/NCC二元湿强体系对纸张湿强度的影响，其采用先加入PAE、之后加入NCC的方法进行人工抄片。实验结果表明，当NCC用量为4%时，PAE/NCC二元体系对手抄片的干抗张强度增强效果最好，最大值为112.6N•m/g，比单独加入PAE时提高了35.5%。吴开丽等人［43］所做的实验结果表明，NCC对纸张的物理强度有一定的增强作用，且不同制备工艺条件制备的NCC对纸张的增强效果也不同;此外，其还分析了制备NCC时反应时间、反应温度及酸浆比对纸张增强的影响。
NCC的悬浮液在磁场或剪切力的作用下能发生定向，干燥成固体后这种定向仍然存在，因此NCC具有手性向列液晶相的特殊光学性能。定向NCC膜所反射的圆偏振光颜色随入射角度变化而变化。基于这种特殊光学性能，NCC可用于荧光变色颜料(如荧光变色油墨)的制造;NCC的光学特性使其不能通过印刷和影印等技术进行复制，可用于防伪纸、防伪标签和高级变色防伪油墨［43-44］。纳米纤维素除了用于制浆造纸，在其他领域也有应用。
(1)高性能增强复合材料
纳米纤维素与普通纤维素相比，在高杨氏模量及强度方面有数量级增加。桂红星等人［45］研究了NCC对天然乳胶的增强效果，当NCC用量为4%时，硫化胶膜的拉伸强度提高了69%;撕裂强度提高了210%。采用纳米纤维素作为工程塑料的增强填充剂，纳米纤维素含量高达70%时，增强产品具有普通工程塑料5倍的高强度，与硅晶相似的低热胀系数，同时保持高的透光率。利用这种特性可开发出柔性显示屏、精密光学器件和汽车或火车车窗等新产品［26］。此外还可用于建筑行业的增强，比如承重墙、楼梯、屋顶、地板等。
(2)电子工业
Shah等人［46］开展了采用纳米纤维素做高解析度动态显示器件的研究，使其有望作为电子书籍、电子报刊、动态墙纸等的新材料。Jonas等人［47］的研究提到索尼公司已经将纳米纤维素应用到耳机隔膜中，如图5所示。
(3)医药工业
纳米纤维素晶体能牢固地吸附药物及其他配料，所形成片剂不易吸湿，但可迅速崩解，因而被广泛用作赋形剂和崩解剂，制造嘴嚼药片、糖衣片和膜衣片等。此外，纳米纤维素还可用于人造皮肤、人工血管、神经缝合保护罩、动物伤口敷料及牙齿再生等。
(4)日用化工业
粉末纳米纤维素晶体可作为黏结剂，直接用于化妆品的压制，所得到的产品表观细腻、平滑、易于擦去。据报道，日本和美国已将纳米纤维素用于膜滤器(无菌装置、超滤装置等)、高强度纸杯、可循环使用婴儿尿裤、仿人造皮革、指甲油等化妆品基质［26，48］。
(5)食品工业
纳米纤维素在食品行业主要作为食品添加剂，如乳化和泡沫稳定剂、高温稳定剂、增稠剂、悬浮剂、面粉替代物、脂肪替代物、冷冻食品及饮料中的添加剂等［43］。
篇4
关键词：硅藻土；纤维素；助滤剂；助滤性能；微污染原水
中图分类号：TU991.2
文献标志码：A 文章编号：1674-4764（2016）03-0090-06
Abstract：The diatomite/cellulose filter aids were prepared using raw diatomite and cellulose via sol-gel technique. The effect of cellulose/diatomite， distilled water/cellulose， EtOH/diatomite， ammonia concentration and temperature on the properties of diatomite/cellulose filter aids were investigated. The filtration efficiency of diatomite， cellulose and diatomite/cellulose filter aids was compared. The influence of diatomite/cellulose filter aids on slightly polluted water filtration was studied. Results indicated that when 40 mL distilled water dissolved 1.0 g cellulose， 20 mLEtOH carried 1.5 g diatomite， the ratio of diatomite to cellulose was 0.67， the concentration of ammonia was 5×10-4mol/L， the temperature was 60 ℃，the best diatomite/cellulose filter aids were achieved. The efficiency of diatomite/cellulose filter aids was obviously better than that by diatomite and cellulose filter aids. The pollutants removal efficiency could increase by using the diatomite/cellulose filter aids in the direct filtration process to treat the micro-polluted raw water. The results showed that the combination of filtration and micro-filtration membrane could achieve excellent permeate water， which met the Standards for Drinking Water Quality（GB5749―2006）.
Keywords：diatomite； cellulose； filter aids； filter performance；micro-polluted raw water
现如今微污染水体已越来越多地作为人们生活用水水源之一。在微污染水处理过程中直接过滤是常用的一种水处理工艺，而直接过滤时，滤浆中的颗粒极易形成滤饼堵塞过滤介质的孔道，使过滤的效率降低甚至无法继续进行[1]。为解决这一问题，可在过滤时加入助滤剂以强化过滤过程[2]。理想的助滤剂具有空隙率大，孔隙结构丰富，比表面积大和形状不规则，不可压缩的性质，而且可形成结构疏松几乎不可压缩的滤饼，形成通畅的液体流道，从而减小滤饼的过滤阻力。同时可以阻止悬浮液中小颗粒穿透和堵塞过滤介质，提高过滤速度和滤液的澄清度[3]。助滤剂过滤可滤除滤浆中的固体颗粒及悬浮物，吸附胶体粒子、大部分细菌、病毒及部分有害元素等[4]，其过滤作用主要是对污染物的机械截留作用和吸附作用，将简单的介质表面过滤变为深层过滤，产生较强的净化过滤作用。
目前常用的助滤剂有硅藻土、纤维素等，但其在实际应用中各有优缺点：硅藻土具有孔隙结构发达、硬度高、稳定性好、化学杂质含量少的特点[5-6]，但是滤速相对缓慢，堆密度较大，按其质量加入往往达不到预期要求，多加又将使成本上升[7-8]。纤维素助滤剂在水中带负电荷，吸附阳离子，具有一定的吸附性能，所以同时可用作吸附剂，但过滤之后滤液的澄清度不太好[9-11]。目前对于纤维素和硅藻土的改性研究甚多，方法也多种多样，但同时结合两种以上助滤剂材料来制备复合助滤剂并探讨其性能的研究甚少。
本研究以纤维素和硅藻土为原料，通过溶胶凝胶法制备了硅藻土/纤维素无机有机复合助滤剂，并分析了纤硅比（纤维素与硅藻土的质量之比）、氨水浓度、蒸馏水/纤维素、无水乙醇/硅藻土以及水浴温度这5个因素对复合助滤剂的影响，以得到最佳的制备条件，同时在不同进水浊度和不同滤速条件下对硅藻土、纤维素和硅藻土/纤维素复合助滤剂的助滤性能进行了比较，并研究了硅藻土/纤维素复合助滤剂对实际微污染原水过滤效果的影响。
1 材料与方法
1.1 实验材料和主要仪器
本研究所使用的药品主要为微晶纤维素，柱层析；无水乙醇，分析纯；稀硫酸，分析纯；氨水，分析纯；均为国药集团化学试剂有限公司生产；硅藻土，武汉百惠生物科技有限公司提供；蒸馏水，自制。主要仪器为DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，HACH 2100P 高精度便携式浊度仪。
1.2 硅藻土/纤维素助滤剂的制备
将微晶纤维素分散于蒸馏水中作有机前驱物，待其完全浸润后抽滤，并用无水乙醇洗涤多次以除去残余水分。将1.0 g处理过的纤维素溶于一定量的蒸馏水 （1.0 g纤维素/30 mL蒸馏水） 中制得溶液A，向溶液A中逐滴加入1 mL的1 mol/L的稀硫酸，装入三角烧瓶并置于60 ℃恒温加热磁力搅拌器内搅拌预水解10 min。将1.5 g硅藻土与无水乙醇（EtOH）按1.5 g硅藻土/20 mLEtOH的比例配成溶液B，将溶液B加入溶液A中，恒温搅拌10 min后，加入1.8 mL的氨水（5×10-4 mol/L），反应10 min后，降至室温，用磁力搅拌器低速（20 r/min）搅拌，持续搅拌24 h，制得纤维素/硅藻土溶胶，过滤洗涤去除杂化物，在45 ℃干燥24 h，再放入恒温干燥箱105 ℃下继续干燥24 h，研磨成粉后即可得到硅藻土/纤维素复合助滤剂。
分别改变纤硅比、氨水浓度、蒸馏水/纤维素、无水乙醇/硅藻土以及水浴温度，做纤维素含量变化的对照试验，以确定最佳的制备条件，复合助滤剂材料中纤维素含量可由硅藻土的质量增量来求得。助滤剂中硅藻土的增量越高，说明纤维素和硅藻土的复合效果越好，助滤剂的助滤性能就会越好。
1.3 硅藻土/纤维素助滤剂性能的测试
采用直径为25 mm，高1 500 mm的透明有机玻璃柱为模型滤柱。滤柱中填充粒径d=0.6～1.2 mm的石英砂滤料，滤层厚H=280 mm。采用砾石作为承托层，从上到下粒径逐渐增大，总厚度100 mm。由于滤柱模型内径较小，故基本可以保证配水均匀性。取3份1 L自来水，分别投加100 mg自然黏土，充分搅拌混合，配成原水，各添加1 mg纤维素、1 mg硅藻土和1 mg硅藻土/纤维素复合助滤剂，经过滤柱过滤。过滤中尽量保持进、出水流量稳定和原水浊度稳定，通过单因素实验，在不同的进水浊度和滤速下，测出水浊度。另取两份1 L的武汉南湖水为实际微污染原水，并向其中一份投加1 mg硅藻土/纤维素复合助滤剂，经过滤柱过滤，测出水中各污染物的含量。2 结果与讨论
2.1 硅藻土/纤维素复合助滤剂的最佳制备条件分析
2.1.1 纤硅比对硅藻土/纤维素助滤剂制备的影响
保持其他条件不变，测定不同纤硅比对硅藻土增量百分比（硅藻土增加的量/纤维素质量）的影响。如图1所示，当纤硅比为0.33时，硅藻土的增量百分比最小，只有64%；当纤硅比为0.67～1.67时，硅藻土的增量百分比都趋于平稳，稳定在85%左右。纳米SiO2/纤维素复合材料中，无机SiO2纳米粒子以薄片和球状颗粒形式存在，SiO2纳米颗粒由于纤维素聚合物链的包覆作用而均匀地分散在树枝状的纤维素基体中，纤维素聚合物链对SiO2纳米颗粒的包覆作用主要是通过氢键[12]。纤维素分子链上所有的羟基都处于分子链内或者分子链间的氢键中[13]，羟基的数量是一定的，只能包覆一定量的SiO2纳米颗粒。硅藻土的化学成分主要是SiO2，因此，当纤硅比大于0.67之后，纤维素都只能与一定量的硅藻土复合，故硅藻土的增量百分比保持在85%左右。
2.1.2 蒸馏水/纤维素对硅藻土/纤维素助滤剂制备的影响
保持其他条件不变，改变蒸馏水/纤维素的大小。如图2所示，随着蒸馏水/纤维素的增加，硅藻土增量百分比先增大后减小。在蒸馏水/纤维素为40 mL/g时，硅藻土增量百分比达到最大值93%；纤维素的水解需要一定的水分，当蒸馏水/纤维素小于40 mL/g时，蒸馏水的投加量不足，只有部分纤维素水解，此时纤维素的水解产物与未水解的纤维素分子之间继续聚合，形成大分子溶液，体系内无固液界面，属于热力学稳定系统，复合效果不好；当蒸馏水/纤维素达到40 mL/g时，纤维素得以充分水解，体系内形成存在固液界面的热力学不稳定系统，与硅藻土复合效果最好；当蒸馏水/纤维素大于40 mL/g时，体系内剩余水分过多，稀释了聚合物的浓度，减少了颗粒之间碰撞的几率，与硅藻土产生凝胶质量较差，从而导致助滤剂复合效率降低。
篇5
1.1葡萄糖内切酶
该酶作用于纤维素分子内的非结晶区，随机水解β-1，4-糖甘键，截短长链纤维素分子，产生许多带有非还原性末端的小分子纤维素，但不能单独作用于结晶的纤维素。同时它也能水解小分子的纤维寡糖。
1.2葡萄糖外切酶
这类酶作用于纤维素分子的末端，依次切下纤维素分子中的纤维二糖，可作用于纤维素分子内的结晶区、无定形区和羧甲基纤维素。
1.3β-葡萄糖苷酶
也称纤维二糖酶，是一种可将纤维二糖、纤维三糖和纤维六糖等水解为葡萄糖的非专一性酶；在水解过程中低聚糖对外切酶和内切酶的产物产生抑制作用，这种酶的存在可以显著降低抑制作用，提高水解效率。
2食品工业纤维素酶的来源
纤维素酶的来源非常广泛，昆虫、动物体、微生物（细菌、放线菌、真菌、酵母）等都能产生纤维素酶。由于动物体和放线菌的纤维素酶产量极低，所以很少研究。细菌所产生的酶是胞内酶，或者吸附在菌壁上，很少能分泌到细胞外，提取纯化的难度大。而且产量也不高，主要是中性和碱性的葡萄糖内切酶。因其多数对结晶纤维素没有活性，所以主要用于棉织品水洗整理工艺及洗涤剂工业中，在食品工业中应用也较少[4]。目前，报道较多的是真菌，其产生的纤维素酶通常是胞外酶，酶一般被分泌到培养基中，用过滤和离心等方法就可较容易地得到无细胞酶制品。丝状真菌产生的纤维素酶一般在酸性或中性偏酸性条件下水解纤维素底物，其中木霉纤维素酶产量高、酶系全，故而被广泛应用，尤其是里氏木霉、绿色木霉的研究较多。
2.1产纤维素酶里氏木霉的研究进展
由于里氏木霉产纤维素酶量高、稳定性好、适应性强，便于生产和管理，因此具有突出的研究和利用价值。目前，在菌株选育上普遍采用人工诱变和基因工程改造两种方案获得高效分解纤维素的菌株。诱变的方法一般是传统的物理诱变(紫外线)和化学诱变(亚硝基胍)。IKEM等以里氏木霉ATCC66589为出发菌株，经紫外线诱变，获得两株突变菌株M2-1和M3-1。其滤纸酶活分别达到257U和281U。张素敏等利用紫外线诱变里氏木霉T306，得到突变菌株的CMCA活力达到64.2U/mL[5]。在化学诱变剂中，烷化剂可与巯基、氨基和羧基等直接反应，故更易诱发基因突变。DURANDH等用亚硝基胍诱变里氏木霉QM9414，得到一株稳定性较好的突变菌株CL847，FPA酶活最高达到5.2U/mL，较出发菌株提高了4倍[6]。也有紫外线与亚硝酸钠、亚硝基胍等化学试剂复合诱变的研究，取得了较好的效果。这些研究对里氏木霉高产纤维素酶菌株的选育及其工业化应用具有显著意义。基因工程改造可以从不同产纤维素酶菌株中筛选出比活力高、酶学性质稳定的基因重组在一起并高效表达，具有定向性，是选育出高产纤维素酶菌株的有效途径。目前已成功在里氏木霉中克隆表达的基因有纤维二糖酶基因、celEn、pBGL1、af211、Neg[7]。
2.2产纤维素酶绿色木霉的研究进展
绿色木霉酶活较大，是目前公认较好的纤维素酶生产菌。目前的研究主要集中于绿色木霉产纤维素酶生产工艺的研究。陈莉等采用固态发酵方法研究了不同条件对其产纤维素酶活的影响。得出绿色木霉固态产酶发酵的最优条件是培养温度30℃，培养时间5d，接种量5%，含水量250%。在实际发酵过程中，不同的酶组分达到最大酶活的时间也有不同，例如FPA酶活在发酵2d后达到最高值,Cx酶活在发酵3d后达到最高值。以蛋白胨为唯一氮源时，纤维素酶活力最高，以尿素为唯一氮源时，纤维素酶活力最低。绿色木霉分泌的酶系偏酸性,发酵液初始pH值为4.5时，FPA酶活和Cx酶活都出现最高值。因此在实际应用中也可以根据需要来调整不同酶组分的含量，以及合适的氮源，适宜的pH值等[8-9]。黄发等人对绿色木霉产β-葡聚糖酶的工艺条件研究也得出了类似的结果[10]。
3纤维素酶在食品工业的应用
3.1在果蔬加工中的应用
在果蔬的加工过程中,为了使得植物组织快速软化和膨润,常常采用加热蒸煮或酸碱处理等方法。这样一来就使得蔬菜、果实的香味和维生素等损失很大。通过使用纤维素酶来进行蔬菜的软化可以避免这一缺点。除此以外,通过采用纤维素酶对蔬菜和果实进行分解,可以使加工的果酱口感增加;还可以用纤维素酶来分解蘑菇,制造一种很好的调味料;在糖果品加工工艺中也可以采用纤维素酶来缩短砂糖进入果实当中的时间，以更快地达到浸透效果[11]。朱莉莉等研究了羊栖菜汁浸提工艺条件,通过研究最适范围各个单因素发现，在复合酶酶解提取羊栖菜汁的最佳浸提方案中,添加纤维素酶与果胶酶配比3:2可以大大提高浸提率[12]。
3.2在大豆加工中的应用
纤维素酶用于对大豆的处理,可以促使其大豆快速脱皮,与此同时,由于纤维素酶可以破坏其细胞壁,从而使得包含在细胞中的油脂和蛋白质完全的分离开来,导致大豆和豆饼中提取优质的水溶性蛋白质和油脂的得率明显增加，不但降低了生产成本，而且还显著地缩短了生产时间,更是提高了生产产品的品质。
3.3在茶叶加工中的应用
随着茶饮料工业的快速发展，茶水饮料生产的方式渐渐地由最初饮料厂的全程生产方式向由原料厂商只是生产茶浓缩汁这一方式过度,这就使得我国的茶叶浓缩汁、速溶茶等生产发展快速。随着近现代生物技术的快速发展,外源的生物酶在茶叶提取、加工中得到充分的应用。酶法提取的原理为利用其纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶等水解酶分解茶叶的细胞壁,使得细胞结构破坏,导致茶叶中的有效成分快速扩散与浸出,有利于提高固形物的溶出和浸提率。在茶叶提取生产的过程中，纤维素酶可以提升其可溶性糖类的含量以及水浸出物得率，并且还可以促进氨基酸、茶多酚、咖啡碱等物质的溶出，有利于释放出芳香性物质，有显著的增香效果[13]。
4纤维素酶在酿造、发酵工业中的应用
4.1在酱油、食醋酿造中的应用
酱油酿造主要是利用蛋白酶及淀粉酶等酶类对原料进行相应的酶解，而在该过程中如果添加使用纤维素酶，就可以使大豆等原料的细胞膜软化、膨胀等细胞破坏作用更加明显，使得包藏在细胞中的碳水化合物、蛋白质等顺利释放，从而缩短酿造时间，并且可以显著提高产率及品质，使酱油中的还原糖和色度明显增加，风味得到明显改善[14]。在食醋酿造过程中，通过纤维素酶与糖化酶混合使用，可以显著提升原料利用率及出品率。郝建新等以绿原酸为评价指标，进行了添加纤维素酶发酵醋的工艺研究。结果发现，利用纤维素酶等酶后，得到的发酵醋色泽澄清，并具备醋特有的香气，口感也很柔和，而且具有比较好的体外抗氧化的效果[15]。
4.2在啤酒加工过程中的应用
把纤维素酶利用在啤酒工业的麦芽生产当中，可以增加麦粒等的溶解性，减少糖化液中R-葡萄糖的含量，明显提高过滤性能。张麟等对啤酒糟进行了研究，发现预处理过程中添加纤维素酶水解比只用机械处理得到的可溶性糖含量有明显提高[16]。
4.3在饮料中的应用
冯丹等用新鲜的豆渣为原材料，利用纤维素酶对原料进行酶解，可以获得其水溶性膳食纤维等提取液，添加辅料可混合调配成一类酸甜适口，体系均一，滋味纯正，并且具有一定保健功能的膳食纤维类饮料。且研究发现其具有较好的稳定性[17]。
4.4在酒精发酵中的应用
通过在原料中添加纤维素酶来酿酒，可以增加出酒量，节约粮食20%左右，而且酿出的酒酒味醇香，杂醇油含量低。尤其是白酒当中，添加纤维素酶以后，可以同时将淀粉和纤维素转化为可发酵性的糖，再经过酵母分解而全部转化为酒精，提高出酒率且酒的品质纯正。在实际生产中应用纤维素酶，不仅可以提高发酵产率，而且能够显著缩短发酵时间[1]。此外，利用纤维素酶水解木质素生产乙醇用于化工、能源等方面对于目前的全球资源短缺现状的缓解也具有重要意义。
5纤维素酶在纤维废渣回收利用方面的应用
利用其纤维素酶或微生物,把农副产品、城市废料中的纤维素进一步转化成为酒精、葡萄糖和单细胞蛋白质等产品,这对于开辟食品工业的原材料来源、提供新型能源和变废为宝等方面具有十分重要的价值和意义。例如纤维素酶应用于动物饲料的添加剂、纺织、造纸、医药保健、石油开采、新型能源、环保等领域都具有很大的潜力。
6展望
篇6
关键词：药渣；纤维素降解菌；筛选；纤维素酶
中图分类号：Q93－331；Q946．5文献标识码：A文章编号：0439－8114（2012）04－0689-03
江西省现有中成药生产企业近百家，这些企业每年产生近100万t废弃中药渣，而全国每年产生1 000多万t中药残渣［1］。药渣造成大量环境污染的同时也增加了企业处理这些药渣的经济负担，如何有效处理这些药渣的问题已日益突出［2］。药渣主要组分包括纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素是制约药渣降解的重要因素。使用传统的物理化学方法，如酸处理、碱处理以及蒸汽加热等方法处理药渣等，存在反应条件剧烈、设备昂贵、成本较高、带来新的环境污染等问题［1－3］。而利用投加纤维素高效降解菌的方法经济、有效，正逐渐成为当前的研究热点［4］。近年来，国内外对于纤维素降解菌和纤维素酶的报道较多，但大部分研究集中在对秸秆的降解上，对于药渣降解的报道甚少。本研究的目的就是利用以纤维素为惟一碳源的方法从堆肥中初步筛选高效无毒的好氧纤维素降解菌，再从中复筛出较好的菌株，以便开发药渣好氧堆肥的高效微生物菌剂。
1材料与方法
1．1材料
1．1．1含菌样品2009年10月中旬，采集森林中腐化的楠木、长期堆放而腐化的松木以及腐烂的植物下表层湿润肥沃的土壤，采集长期堆放药渣被污染的表层肥沃的土壤以及深层封土、牛粪堆肥等共10份样品。这10份样品包括植物样品4份、土壤样品6份。采集样品后立即带回实验室接种，进行富集培养。
1．1．2培养基［5］富集培养基：K2HPO4 2．0 g，（NH4）2SO4 1．4 g，MgSO4・7H2O 0．3 g，CaCl2 0．3 g，FeSO4・7H2O 5．0 mg，MnSO4・H2O 1．6 mg，ZnSO4 1．7 mg，CoCl2 2．0 mg，药渣粉30 g，用去离子水定容至1 L。羧甲基纤维素钠（CMC-Na）固体培养基：CMC－Na 15．0 g，NH4NO3 1．0 g，MgSO4・7H2O 0．5 g，KH2PO4 0．5 g，琼脂20 g，用去离子水定容至1 L，pH自然，121 ℃灭菌。纤维素－刚果红固体培养基：KH2PO4 2 g，MgSO4 0．5 g，（NH4）2SO4 1 g，琼脂20 g，刚果红0．2 g，CMC－Na 20 g，NaCl 0．5 g，用去离子水定容至1 L，pH自然，121℃灭菌。液体产酶培养基：CMC－Na或者药渣26 g，NH4NO3 1．0 g，KH2PO4 1．0 g，MgSO4 0．5 g，蛋白胨1 g，酵母膏1 g，pH 7．0～7．5，121 ℃灭菌。
1．2方法
1．2．1菌种富集称取菌种来源样品5 g，加入以药渣为惟一碳源的100 mL富集培养基中，28 ℃恒温振荡培养7 d，吸取5 mL培养液转入新的富集培养基，富集3代。
1．2．2菌种初筛取富集3代的培养液适当稀释，在纤维素-刚果红固体培养基上分离纯化菌种，观察平皿上是否出现水解环以及水解环的大小。同时参考水解环产生的先后和清晰度，初步比较不同菌株的纤维素酶酶活，并确定用于酶活测定的菌株。
1．2．3菌种复筛将分离得到的优势菌株分别接入液体产酶培养基，37 ℃振荡培养4 d，将发酵液用2层纱布过滤，滤液于4 ℃，5 000 r／min离心20 min，上清液即为粗酶液。
1．2．4酶活测定［6，7］采用DNS还原糖法测定各纤维素酶酶活。全酶活（FPA）的测定：取2支25 mL刻度的试管，各加0．2 mL酶液，再加pH 4．8的醋酸缓冲液1．8 mL。测定管加入1 cm × 6 cm滤纸条，充分浸泡于（50.0±0．5）℃恒温水浴60 min，空白管同时置（50.0±0．5）℃恒温水浴60 min。然后分别加入DNS显色液2 mL，空白管同时加1 cm × 6 cm滤纸条。沸水浴10 min，冷却后加水至15 mL，以空白管调零点，在550 nm处测OD值。内切酶酶活（Cx）的测定：取2支25 mL刻度的试管，各加0．2 mL酶液。测定管加1．8 mL CMC-Na（质量分数1％），空白管只加pH 4．8的醋酸缓冲液1．8 mL。然后置（50.0±0．5）℃恒温水浴60 min。再分别加入DNS显色液2 mL。放沸水浴锅反应10 min，冷却后加水至15 mL，以空白管调零点，在550 nm处测OD值。外切酶酶活（C1）测定则只用把FPA测定中的滤纸条换成50 mg的脱脂棉，β－葡萄糖苷酶酶活（Cb）测定需把Cx测定中的CMC-Na（质量分数1％）换成水杨素（质量分数1％）。
2结果与分析
2．1菌种初筛结果
将来自于堆放的腐化朽木、腐烂植物及腐烂药渣的肥沃土壤及深层封土等作样品，在以药渣为惟一碳源的培养基中进行3代富集，取其菌液涂布于CMC-Na固体培养基中，待其长出菌落后，进行平板划线法分离，分离到一系列纤维素降解菌。然后将分离得到的纤维素降解菌分别接种在纤维素－刚果红固体培养基上观察其生长情况。纤维素降解菌能快速地在纤维素－刚果红固体培养基上产生清亮的水解环，试验表明，其中JX8和JX9菌株在平板上能较快地产生较大的水解环，图1是JX8和JX9在培养基上的水解环，说明它们具有较高的纤维素酶酶活。
2．2菌种复筛结果
纤维素的降解是多酶体系作用的结果，多酶体系包括内切β-1，4葡萄糖苷酶（Cx酶）、外切β-1，4葡萄糖苷酶（C1酶）、β－糖苷酶（Cb酶）3种主要成分。为此选择测定Cx、C1、Cb、FPA 4种酶活大小作为菌种的复筛依据。
将菌种分别接入以药渣和CMC－Na为碳源的液体产酶培养基，培养5 d后的酶活测定结果如表1所示。通过对以药渣和CMC－Na为碳源的两种发酵方式进行酶活测定，筛选得到了8株酶系组成各异的菌株。由试验结果可以看出，对于FPA和Cx，以药渣为碳源的菌JX9和以CMC－Na为碳源的菌JX8的较高，且它们的Cx与其他菌相比差异较大；对于C1，以药渣为碳源的菌SC1和以CMC－Na为碳源的菌SC3的较高；Cb相对于其他酶活都较低；C1、Cb和FPA在菌株之间差异都较小；这些表明菌株JX8和JX9降解纤维素的能力比其他菌株要强；酶活测定结果与水解环测定结果基本吻合，进一步验证了用纤维素－刚果红固体培养基平板筛选纤维素降解菌的方法是比较合理可行的。
2．3纤维素降解菌产酶的酶活稳定性测定结果
由上述试验可以看出，菌株JX8和JX9的酶活相对较高，说明其分解药渣、CMC－Na的能力比其他菌株要强，因此，选择以药渣为碳源的JX9菌株和以CMC－Na为碳源的JX8菌株的发酵液为试验样。在20～100 ℃的不同温度下测定其Cx，如图2所示，两菌株产酶的酶活具有较好的耐高温活性，但菌株JX9的Cx一直高于JX8；图3结果表明，JX9菌株发酵产酶的酶活在pH 4～9时都保持较高的活性，相对JX8更稳定，说明其发酵后产生的酶活具有较好的广谱性，该试验说明菌株JX9相对JX8酶活更高且酶系组成更合理。
3结论与讨论
为了获得尽可能多的优良降解菌，一般采用多种方法对纤维素降解菌进行筛选。本试验采用传统纤维素－刚果红培养基平板法进行初筛和多种纤维素酶活综合测定进行复筛相结合，以防止遗漏优良菌种［8］。筛选得到了8株酶活较高且酶系组成比较合理的菌种，其中JX9菌的酶活最好，酶系组成也最合理，对其以药渣为碳源的发酵，FPA达7.64 U／mL，Cx、Cb和C1分别为82.41、5.71和15.52 U／mL，且其酶活稳定性相对较高，说明了纤维素的降解是多酶体系协同作用的结果，以多种酶指标进行纤维素降解菌的筛选是一种更为有效的筛选方法。
篇7
一、酸雨的分布情况和形成
所谓酸雨，是指pH值(衡量酸碱性的指标)小于5.6的降水，强酸雨则是指pH值小于4.5的降水。目前，全球已形成三大酸雨区，我国的酸雨区覆盖四川、贵州、广东、广西、湖南、湖北、江西、浙江、江苏和青岛等省市部分地区，面积达200多万平方公里，是世界三大酸雨区之一。
我国酸雨区面积扩大之快、降水酸化率之高，在世界上是罕见的。据福建省环保厅的资料显示，2009年第4季度，全省23个城市中，有17个城市出现酸雨，酸雨频率大于50％的城市有7个，其中厦门的酸雨频率为100％。季度pH均值低于5.6的城市有10个，其中酸度最强的酸雨其pH值为3.31。近几年来，广东珠江三角洲特别是广州市酸雨形势也十分严峻，一是酸雨比例增加，据有关气象部门监测结果显示：2009年广州市全年降水96％呈酸性，77％呈强酸性；二是酸雨的酸度大，2009年11月14日，广州下了一场2毫米的降雨，pH值低至3.48，2009年6月15日，广东省电白县的一场降雨，pH值只有3.17。
酸雨有其复杂的形成过程。大多数酸雨是由排放到空气中的二氧化硫和氮氧化物等致酸物质经过大气化学和大气物理过程而形成。当烧煤的烟囱排放出的二氧化硫酸性气体或汽车排放出来的氮氧化物烟气上升到天上时，这些酸性气体与天上的水蒸气相遇，就会形成硫酸和硝酸小滴，使雨水酸化，这时落到地面的雨水就成了酸雨。煤和石油的燃烧是造成酸雨的主要祸首。因此，煤炭燃烧排放的二氧化硫、汽车尾气和工厂企业排放的氮氧化物的增加是酸雨增多的主要原因。
二、酸雨对档案的危害及其原理
酸雨不但腐蚀建筑物和工业设备、破坏露天的文物古迹、损坏植物叶面导致植物死亡、使湖泊中鱼虾死亡、破坏土壤成分、造成地下水酸化，而且会影响纸质档案制成材料和字迹材料的耐久性，缩短纸质档案的寿命。
1．酸雨中的酸会加快纸张中纤维素水解反应的速度，从而降低纸张的机械强度
纸张的主要成分是纤维素，还有少量半纤维素和木素。纤维素是直链状高分子化合物，其分子式为(C6H10O5)n，其中n为聚合度，月越大则纸张的强度越强，耐久性越好。纤维素中的葡萄糖基C6H10O5之间是通过氧桥连接起来的，氧桥越稳定，纤维素也越稳定，纸张的耐久性就越好，氧桥一旦断裂，纤维素的聚合度就下降，纸张的耐久性就降低。
酸雨中的酸主要是硫酸和硝酸，还有少量的盐酸和碳酸和有机酸，当档案纸张受酸雨淋湿或浸泡时，酸雨中的酸性物质渗入档案纸张中。而酸是纸张纤维素水解的催化剂，它能电离出氢离子H+，使纤维素分子中氧桥断裂所需的氢离子得到满足，从而加速纤维索的水解。水解反应时，酸中电离出的氢原子与纤维素氧桥上的氧原子互相吸引，使纤维素不稳定，造成纤维素氧桥断裂，纤维素聚合度下降。由于硫酸和硝酸属于无机酸，所以比有机酸的催化能力更大。纤维素水解作用的结果使纸张的机械强度下降，老化速度加快，耐久性降低，使纸质档案寿命缩短。
2．水分是纤维素水解的主要条件，酸雨提供纸张水解所需的水分
一般情况下，如果库房保管条件较好，档案纸张中的含水量是比较少的，但是，一旦档案受到酸雨淋湿或浸泡，则纸张的含水量较高，这就为纸张纤维素的水解提供了条件，而档案纸张水解将使纸质档案耐久性下降。
3．酸雨中的水分会直接影响档案纸张的物理性能
受酸雨影响的档案纸张，由于水分的作用纸张纤维必然润胀，结果会使纸张抗张强度、耐破度、耐折度等物理性能急剧下降，使纸张容易断裂破损。
4．加快档案字迹材料的褪变速度
受酸雨淋湿或浸泡的档案纸张，除了纸张耐久性降低，寿命缩短外，档案字迹也会受到影响。档案字迹材料有墨、油墨、墨水、圆珠笔、印泥、印台油、复印、传真等，有些字迹是水溶性的，耐水性差，受酸雨淋湿时，会出现洇化、退色等情况，如红墨水等；有些字迹耐酸性差，受酸的作用容易褪变，酸雨中的酸能加快这些字迹褪变的速度，使档案因字迹涸化、褪变而无法正常阅读使用。
5．酸雨中的水分有助于档案中有害生物的生长和繁殖，从而对档案造成更大的破坏
水分是档案中有害生物生长繁殖的重要条件，无论是档案中的微生物还是档案害虫，其生理活动都离不开水。被酸雨淋湿或浸泡的档案，其纸张的含水量必然增加，从而促进档案中微生物和档案害虫的生长和繁殖，使有害生物对档案材料的破坏作用增加。
三、防治酸雨危害档案的主要对策
当前酸雨问题已受到全世界的关注，为了进一步遏制酸雨和二氧化硫污染的发展，我国也出台了有关酸雨和二氧化硫防治的法规，并已初步形成一套较完整的环境保护法律、法规体系，环保部门正在加大执法力度，确保有关法规的执行。
防治酸雨危害档案可以从两方面来考虑，一是在宏观上通过各级政府及社会各界的共同努力，通过减少二氧化硫和氮氧化物的排放从源头上切断酸雨产生的条件；二是在微观上对档案进行酸雨防治保护，在酸雨不可避免的情况下尽量采取措施，减少酸雨对档案的危害，具体包括：
1．避免档案被酸雨直接淋湿
一方面从库房建筑人手，做好库房围护结构的防水，特别要注意屋顶、外墙和门窗的密闭性能，防止雨水流入库房；另一方面要避免在雨天运送档案，特殊情况下需要在雨天运送时，则要将档案装入防水性能较好的包装箱，并避免掉入雨水中或受到雨水淋湿。
2．减少档案与外界接触
雨天时减少利用档案原件，特别是刚在雨中活动的人员，要先使手脚衣服干燥后才能接触档案原件，避免档案接触雨水。
3．尽量利用档案复制件或电子数据
对有档案复制件的要尽量利用档案复制件，同时要通过档案数字化等手段建立档案电子数据，并导入计算机档案利用系统向利用者提供档案电子数据的利用，使利用者无须接触档案就能达到利用档案的目的。
4．控制库房和阅览室的温湿度
雨天天气容易潮湿，要注意控制档案库房和阅览室的温湿度，使其符合标准规定的范围，通过使用抽湿机等设备降低空气中的相对湿度，间接降低酸雨对档案的影响。
5．做好灾害应对工作
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关键词：生物技术 酱油 酶制剂
1、传统酱油酿造工艺的改进方向
我国传统的酿造酱油是采用自然多菌株酵，各种粮食原料也以自然形态为底物，又经“酱”和“晒油”的长时问日晒处理，因此，有它的殊风味。所以，酿制酱油的天数过少，对产品质不一定有利，正如“催熟的瓜不甜”一样，值得们思考。
有观点认为：“现在的发酵工艺(技术)不是发酵工程，因为是自然底物，又是复合发酵，可变因素太多，无法建立数学模型。”而有的观点认为：“从酱油的液体构造变化来看，因长时间发酵，分子间的结合趋于紧密，分子热运动能量减少……。从酱油的化学变化来看，因长时问发酵，酱油中的多种成分发生了一定程度的变化……，使成品酱油达到新的平衡。”有的专家分析说：“世界传统发酵食品，总体工业化程度不高。”因此用短时间的酶法水解，而达到长时间发酵的效果在技术上必须要有新的突破。
酱油酿造采用现代工艺来达到传统晒油的风味，这个过程的实质，是既发扬了传统酱油生产工艺的特点，又克服了传统酱油生产工艺的不足，所以，要经过艰苦的努力进行研究。
对于酿造酱油来说，这个商品的属性，是开门七件事之一，普通百姓对它是“熟悉、习惯、信任的一个商品。同时它又是一个微利、廉价、实用的商品，价格不能高。所以，酱油酿造所用的酶制剂或固定化技术装备等成本不能高，不能和生物药品、生物制品相比，也不能和生物高档日用品相比。要从实际出发，使酱油酿造工业用得起，用得上，才能推动传统产品的生产规模化、现代化。
2、酿造酱油生产中淀粉酶应用技术
2．1淀粉酶作用原理
酱油生产中用淀粉酶指a一淀粉酶和糖化酶两种。α-淀粉酶是内切淀粉酶，能随机水解淀粉、可溶性糊精及低聚糖中的α-1，4葡萄糖苷键，酶作用后生成糊精及少量葡萄糖和麦芽糖。糖化酶能将淀粉从非还原性末端水解α-1，4葡萄糖苷键产生葡萄糖，也能缓慢水解α-1，6葡萄糖苷键转化成葡萄糖。淀粉酶主要对酿造酱油生产中淀粉质原料进行作用，形成酱油中还原糖、糊精等成分，增加酱油固形物以及提供酒精发酵、有机酸发酵的原料成分。
2．2酱油生产中淀粉酶应用技术
随着市场对高档酱油需求增加，酱油生产原料配比中淀粉含量将有较大提高，豆粕：小麦为1：1的配比不仅在高盐稀态发酵中应用，在低盐固态发酵中小麦含量也提高豆粕原料，这就是要确保米曲霉中糖化酶活力。然而在米曲霉制曲时，原料中淀粉经过制曲被米曲霉及其微生物大量消耗，原料加水量大，制曲时间长，淀粉消耗大，影响酱油质量，因此随着酱油原料配方调整，酱油生产工艺路线将从原料制曲一培养淀粉酶一酱醅发酵、淀粉分解改变为淀粉原料一应用淀粉酶一淀粉分解一参于酱醅发酵。
3、应用蛋白酶的新技术
随着酶制剂工业发展，酶制剂应用技术步，目前酱油生产中蛋白酶应用正在研究开如下新技术。
3．1蛋白酶作用原理
蛋白酶是将大豆蛋白质水解成低分子蛋白胨、朊、多肽及氨基酸，使酱油含有多肽和18种氨基酸，成为营养丰富、含有鲜味的调味品，蛋白酶按其作用pH可分为酸性、中性和碱性蛋白酶，酱油发酵是在偏酸性环境中进行，因此要重视各种蛋白酶在酱油发酵中的作用。
3．2全酶法蛋白水解液
我国酱油生产中有相当一部分是配制油，由于添加水解植物蛋白液是用盐酸水解，工艺条件控制不好，会产生3-氯丙醇致癌物如用复合蛋白酶进行水解则产品安全性更好全酶法蛋白水解液工艺条件：原料加水为1：1．5～2．0，复合蛋白酶400～500单位原料，pH自然，水解液氯化物含量4，水解度5O℃，72h。
4、酿造酱油生产中纤维素酶应用技术
4．1纤维素酶在酱油生产中的作用原理
纤维素酶能水解纤维素变成葡萄糖，同时纤维素酶具有对植物细胞壁的溶解破坏作用，使植物细胞中的内含物得到充分利用。
4．2酱油生产中纤维素酶应用技术
酱油生产中大豆蛋白降解主要是由于蛋白酶的作用，为了使大豆蛋白更好地降解，从而增加酱油风味，首先要在酱油酿造中提高蛋白酶活力，其次为了使大豆蛋白从组织中充分需要破坏原料细胞壁，纤维素酶能使细胞壁内包裹的蛋白质和淀粉质释放出来，以提高原料利用率。
5、酶法酱油在工艺上的选用
5．1带渣制醅或发酵
应用带渣制醅或发酵，不能采用主张豆浆汁、豆粕糊之类酶解、发酵。带渣制醅对酱油风味有好处，从现有资料来看，植物种皮之类的物质中有植物的次生物质，这些物质的溶出要有一定的时间，它可以增加酱油中的功能性物质。
5．2酿制时间
酶解和发酵过程应保持一定的酿制时间。这不但有利于酱油中多种成分的变化和达到新的平衡，还有利于功能性成分的溶出、转化和形成。
5．3酶的剂型
酶的剂型以实用为主。酶系要相对全，不宜纯；剂型宜粗不宜精。有条件的单位宜用固体粗酶或酶的发酵液、浓缩液，这可降低生产成本。
5．4添加酵母、乳酸菌发酵
添加酵母、乳酸菌发酵可增加酱油的醇香。根据作者实践结果来看，在制醅中期和酶解基本完成时，以发酵液形式回浇加入，对提高原料蛋白质利用率、加速发酵周期和后熟效果都有好处。酵母的选用和组合，对发酵速度和形成不同风味关系较大。固定化酵母也是一种应用技术，有条件的也可采用。
6、酶工程酱油制造特点［7］
(1)淀粉质原料通过液化、糖化制取淀粉糖液，使淀粉原料充分分解，避免原工艺制曲淀粉损失，提高酱油可溶性无盐固形物和风味；
(2)豆粕用酶水解较彻底，酱油全氮利用率高；
(3)酵母和乳酸菌后熟发酵提高酱油酒精和酯含量，提高酱油风味；
(4)酶工程酱油制造能使传统酱油酿造成为现代工业化生产。
7、总结
酶制剂在酱油酿造中的应用经过长期探索研究和生产实践表明，无论是用酶制剂来强化补充酱油曲中酶系不足，还是全部或部分替代酱油曲，在酿造酱油生产中添加酶制剂都能明显提高原料利用率，改善酱油风味。随着酶制剂工业发展，酿造复合酶开发，酶制剂应用技术进步，酶制剂应用于酿造酱油生产将取得更大发展。
参考文献：
［1］施安辉李丽莉施亚林等.酶法酿造酱油新工艺的探讨[J].中国调味品,2007(11):25-27.
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关键词：纤维素;预处理
1.纤维素概述
纤维素是地球上最古老、最丰富的天然高分子化合物，是取之不尽用之不竭的人类最宝贵的可再生资源。纤维素工业始于十八世纪中叶，是高分子化学诞生及发展时期的主要研究对象，纤维素及其衍生物的研究成果为高分子物理和化学学科的创立、发展和丰富做出了重大贡献。
纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上。棉花的纤维素含量接近100%，为天然的最纯纤维素来源。一般木材中，纤维素占40～50%，还有10～30%的半纤维素和20～30%的木质素。
纤维素是地球上最丰富的资源 ，长期以来 ，一直是纺织、造纸工业的主要原料。纤维素以其可再生性、生物可降解性及成本优势日益受到人们的重视，在新材料、化工原料、医药、食品、环境等领域对纤维素应用的研究十分活跃。继微晶纤维素后，近年来国际上对粉末纤维素的研究崭露头角，在药物控制技术、膜材料、功能化学品及添加剂等方面已显示出良好的发展前景。
2.纤维素的性质
2.1 纤维素的溶解性
由于纤维素分子之间存在氢键，因此，常温下纤维素性质比较稳定，既不溶于水和稀碱溶液，也不溶于一般的有机溶剂，如酒精、乙醚、丙酮、苯等。
2.2 纤维素的水解
在一定条件下，纤维素可以与水发生反应。反应时氧桥断裂，同时水分子加入，纤维素由长链分子变成短链分子，直至氧桥全部断裂，变成葡萄糖。
2.3 纤维素的氧化
纤维素与氧化剂发生化学反应，生成一系列与原来纤维素结构不同的物质，这样的反应过程，称为纤维素氧化。
2.4 纤维素的柔顺性
纤维素柔顺性很差，是刚性的，因为：第一，纤维素分子有极性，分子链之间相互作用力很强;第二，纤维素中的六元吡喃环结构致使内旋转困难;第三，纤维素分子内和分子间都能形成氢键特别是分子内氢键致使糖苷键不能旋转从而使其刚性大大增加。
3.纤维素预处理
3.1 纤维素物理预处理方法
常规的物理活化方法包括干法或湿法磨、蒸汽爆炸、氨爆炸、溶剂交换或者浸润等。
利用磨盘对硬木纤维素进行预处理。磨盘机械预处理硬木纤维素效率大大提高，磨40次后平均粒径减小到21μm，比表面积增加至0.8 m2/g。机械球磨也导致氢键断裂和结晶度降低。磨40次纤维素的结晶度从原来的65%降低至22%。热分析和溶解性实验说明，磨盘预处理的纤维素具有较低的热稳定性和碱溶液中较高的溶解度。微晶纤维素在200～315℃的亚临界水短时间接触处理（3.4～6.2s）下，结晶度有所提高，低温处理（≤275 ℃）的微晶纤维素转化成水溶性的量很低（
3.2 纤维素化学预处理方法
纤维素化学预处理最常见的是碱法处理，也称墨塞丝光处理法。碱处理后，纤维素束可变小，纤维直径减小，长宽比增大，形成粗糙表面，从而提高纤维素表面黏结性能和力学性能。此外，碱处理的纤维素增加了反应位点，提高了溶胀性能。有研究发现，10%～30%的NaOH 溶液处理天然纤维素效果最好。用2.5%、5%、10%、13%、15%、18%、20%、25%和 30%的 NaOH溶液浸泡亚麻纤维得出5%、18%、10%浓度的NaOH溶液浓度合适。用5%的NaOH溶液在30℃下分别处理黄麻纤维0、2h、4h、6h、8h，然后室温干燥48h，再100℃干燥6h。对温度的影响一般认为：纤维素的碱化为放热反应，随温度提高，纤维素润胀程度下降，碱纤维的反应活性降低。因此，碱处理一般在较低温度下进行（如20℃）进行为宜。从多位研究者对纤维素碱处理的报道中得出，该方法使无定形纤维素增加的同时，结晶纤维素及纤维网络结构中氢键减少。用水泡、墨塞丝光法、初级墨塞丝光法、15 bar（1 bar=105 Pa）压力下墨塞丝光法、蒸汽爆炸法处理不同植物纤维，初级墨塞丝光法处理之后，纤维素特性黏度、平均氢强度和相对显色指数下降，改进了亲和性和反应性。水浸泡、初级墨塞丝光、压力下的墨塞丝光和蒸汽爆炸法增加了蕉麻纤维的亲和性和反应性。这些预处理对不同的一年生植物纤维素影响不同，表明物种是主要的影响因素。
为了提高拉伸性能，用不同辐射强度的紫外线和伽玛射线处理纤维素以及在不同强度的紫外线和伽玛射线下用碱（5%NaOH）处理纤维素，然后在紫外辐射下接枝30%的丙烯酰胺。各种处理方法中，碱+紫外线照射的样品力学性能（抗张强度200%，断裂伸长率250%）最好。也可用其它化学试剂对其进行适当的预处理。如用氯化锌处理纤维素，可提高纤维素酶水解的速率和产率及纤维素的接枝率。甲胺、乙胺等胺类试剂对棉纤维素有消晶作用，同时可提高纤维素酯化反应的反应活性等。
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化石燃料储备的枯竭、全球气候变暖、人口的持续增长、高成本的废物回收及存在的其他问题，都促使了可再生能源或消费品的出现。作为石油能源的替代品，生物质的生产也将会得到发展。这就提供了一个生物炼制的概念，即剩余生物质中的成分可以提取出来并利用它们的功能来生产非食品和食品物质、工农业生产中间体和合成的中间体。其涉及到3个重要的工业领域：分子领域、材料领域、能源领域。以生物残渣为原料不仅能合理利用资源，而且可以减少对环境的危害。基于工厂化生产的生物炼制，可以发展的更普遍。废料和副产品的减少不仅与工厂化生产有关，而且还和属于不同公司的工厂、不同生产过程之间的互补有关。初级产生的废料和副产品，可以作为二级生产的原料或是三级生产的能量来源。原材料、副产品流动的最佳化与不同生产之间能源的最佳化联合在一起，使通过工业代谢实现的生物炼制更普遍化[1]。生物产物对石油产品的取代将会发展成新的生物经济，也会产生新的可持续发展生物工业化过程。工业化的生物炼制，将和基于12个绿色化学产生的新过程有关（如清洁过程、原子经济、可再生原料等）。生物技术，尤其是白色生物技术将会在生物转化（酶和微生物）与发酵工程中占有很大比例。世界上每年都会产出大量的木质纤维素废料，包括农业残渣、食品农业废弃物、绿色食品废弃物、修剪树木残留物、城市有机和造纸部分的剩余固体废料。目前，常用的处置方法对环境和经济不利，包括填埋、焚化，甚至饲养动物。作为替代方案，应开发使废物增值的高附加值产品，也就是废物升级，这具有很大的经济效益和生态优势[2]。可通过升级固体废物来制得范围广泛的高附加值产品，如酶、生物燃料、有机酸、生物聚合物、生物电、食品和药物等。
1废物中的生物燃料
1.1生物乙醇
世界上乙醇生产量较大的国家是美国、巴西和中国。2009年，美国用玉米生产了39.5×109L乙醇，作为第二大乙醇生产国的巴西用甘蔗生产了30×109L乙醇[3]。2015年，生物乙醇市场达到100×109L。事实上，美国能源部已经设定了一个到2030年年产2.7×109L可再生燃料的目标，而欧盟也制定了一个强制性的目标，到2020年，可再生燃料的比例占到10%。然而，利用食物生产乙醇会造成食品供应的竞争，所以唯一可持续化的方法就是利用木质纤维素的剩余物来生产乙醇。其优势在于地球上含量丰富、分布广泛，而且不和食品供应竞争。木质纤维素转换成乙醇主要涉及：①对木质素的预处理和使细胞壁多糖显露出来；②利用酶分解纤维素酶的混合物；③用乙醇工业酵母发酵糖。现在已经有很多预处理方法得到了发展，如物理处理、化学处理（碱性或酸性）、生物处理和物理化学处理。其中，物理化学处理包括蒸汽爆炸、氨纤维膨胀、超临界流体处理和热化学处理[4]。预处理后，用酸或酶使纤维素和半纤维素水解成单糖（己糖和戊糖）。相比较而言，通过纤维素酶水解纤维素是一个首选的方法，因为它与酸水解比较，具有产量高、低腐蚀性、毒性小的优点[5]。然而，对于提高纤维素水解成乙醇的这一过程仍然面临很大的挑战，尤其是酶成本投入仍然是这一技术的关键，降低酶成本的努力还在进行中，这包括通过提高酶的专一性来提高酶的活性，或通过直接进化或定向位点诱变来使酶的剂量最小化，或者通过提高发酵过程中纤维素浓度，使用便宜的取代物生产酶来降低酶生产的成本等。酶水解可能分步发生，这叫做分步水解发酵（SHF），或是己糖的糖化和发酵同时发生（SSF），或是己糖和戊糖的糖化与共发酵同时发生（SSCF）。它们最终的目标是一步到位地将木质纤维素加工成生物乙醇[6]，所有步骤都发生在一个单一的反应器里，在这个反应器中微生物可将预处理的生物量转化为乙醇。考虑到当地的气候条件，必须执行严格的木质纤维素废弃物鉴定要求，要考虑到可行性的处理方法。例如，在法国、意大利、西班牙、土耳其和埃及等国，粮食作物、橄榄树、西红柿和葡萄加工的剩余物提供了丰富的木质纤维素来源，在这些国家，他们可以用这些来源作为生产乙醇的原料，这就使他们拥有了生产1.3×108t油当量的乙醇潜力。由于在其他的地中海国家缺少足够的农作物剩余物供应，所以他们正打算用城市固态废弃物作原料生产乙醇。地中海盆地每年生产18×108t废弃物的一半最大程度上可以生产3000×108t油当量的乙醇，而其中的管理将成为最关注的问题[7]。很多水果生产中的废弃物，像香蕉皮、芒果皮、菠萝皮已经成功地作为取代物生产乙醇。非洲广泛生产的木瓜废弃物也已经成为最常见的替代品用于酵母发酵生产乙醇[8]，而且通过黑曲霉和酿酒酵母同时糖化发酵24h后，能达到生产乙醇的最大产率5%。最近，葡萄废弃物也被酿酒酵母发酵成乙醇[9]。小麦秸秆、水稻秸秆、燕麦和大麦秸秆用于生产生物乙醇的事例也被大量报道，玉米秸秆和大豆剩余物也被用于发酵生产乙醇[10]。Mutreja等人[11]对8种不同木质纤维素废弃物的预处理进行了研究，并且在30℃下酸处理得到乙醇的最大产率为1.42g/L。Singh和Jain[12]报道了蔗糖作为替代物分批生产乙醇的事例。使用城市固体废弃物生产乙醇这一做法是一个较有前途的战略，可以满足世界能源的需求和减少温室气体排放。尤其是用可降解的城市固体垃圾对废物进行管理，减少二氧化碳排放量，对改善水的质量、增加土地利用率和生物多样性带来很多好处[13]。之前的一项研究表明，约52%的发酵用葡萄糖来源于可降解城市固体垃圾。最近，可降解废弃物，像厨房垃圾、花园垃圾和废纸都很适合于替代乙醇的生产，在优化条件下可产生约90%的葡萄糖。所以，可降解的城市固体废弃物作为生物乙醇生产的原料拥有很大的优点，既可以减少垃圾填埋与焚烧，还可以减少温室气体的排放。作为通过一步发酵直接得到乙醇的例子，利用梭状芽孢杆菌植物发酵柳枝得到乙醇已经成为现实。梭状芽胞杆菌被选来用于一步发酵，是因为可以在不同的底物上生长，而且产出的乙醇中有很少的醋酸盐副产物[14]。研究显示，固体发酵中，乙醇的最大体积分数在第12天测出来，醋酸盐和乙醇的体积分数在开始的前6d接近，从第6天到第14天乙醇体积分数显著增加并且超过了醋酸盐的最大体积分数。不同的是，在淹没状态下发酵，醋酸盐和乙醇的体积分数增加到第6天后就不再增加了。Kamei等人[15]报道了只用单一微生物而不用额外的化学物质或酶将木本植物发酵成乙醇的事例。他们利用白腐病真菌将好氧条件下的脱木质化和厌氧条件下的糖化发酵联合在一起，这种真菌能够在有氧固态发酵条件下选择性地降解木质素，从而直接从好氧培养液中生产乙醇。经过56d的有氧发酵后，40.7%的木质素和葡萄糖被降解，并且在有氧无额外添加纤维素的条件下，20d后会生成乙醇最大理论值43.9%。
1.2生物丁醇
丁醇是ABE（丙酮、丁醇、乙醇）发酵的一种产品[16]，它是一种非常好的化学原料（在塑料工业中）。更重要的是，相比乙醇而言，它是一种更好的燃料，它腐蚀性弱、吸湿性弱、污水溶解性好。由于蒸汽压低，因此蒸汽爆炸可能性小，同样的丁醇和乙醇，丁醇的能量比乙醇高30%，与目前未经改装的车使用的汽油相比，它拥有更大的混合比例[17]。丁醇可以通过一系列微生物发酵制得，其中最常用的是丙酮丁醇梭菌和拜式梭菌来进行发酵制得。
1.3生物氢
氢气正在变成良好的新型能源，因为它清洁、可循环，而且可以用于燃料电池来直接提供电能[18]。发酵得到的氢气来源于有机底物的发酵转化，而这是由不同细菌使用多元酶体系体现出来的，这个体系涉及到3个相似的无氧转化。暗发酵反应不需要光源，所以它可以24h持续发酵[18]。光发酵不同于暗发酵，因为它只在有光的条件下才反应，可以通过绿藻进行直接的光发酵或是蓝藻进行间接的光发酵得到。光发酵需要厌氧喜光细菌，而暗发酵需要厌氧发酵细菌。最近的研究工作中发现，光发酵细菌能利用几种不同的废弃物材料作为碳源来进行生产氢气产物的发酵。利用发酵技术将木质纤维素转化成氢气产物，包括纤维素水解和氢气产生两步，而这两步发生在一个反应器中，或者说是两步过程，纤维素水解是第1步，紧接着是无光条件下产生氢气，这是第2步。
1.4生物高聚物
潜在的可以生物降解的聚合物，尤其是可以从农业资源中得到的聚合物逐渐被认识到。可降解塑料从可再生资源中制得，它不仅可以降低石油消耗速率，还可以减少塑料垃圾的处理问题，因为它可以在土壤、堆肥甚至海洋环境中得到降解。这个所谓的农业聚合物，可以取代传统的塑料材料用于食品包装业。聚羟基丁酸酯和聚羟基脂肪酸酯是通过生物技术得到的主要可降解聚合物；聚乳酸也是一个可降解聚合物，它是由木质纤维素得到的乳酸单体聚合而成。
1.5生物电
在生物废弃物处理方面微生物燃料电池（MFCs）是一个新想法，通过微生物新陈代谢的途径将废弃物转变成生物电[19]。MFC（微生物燃料电池）是一种混合型的生物电化学装置，可直接通过微生物介导的生物电化学反应，用化学键的聚集实现能量转换，从得失电子的氧化还原反应中得到所需能量，用于同化作用，这个生物媒介在细菌的新陈代谢活动中得到发展[20]。微生物燃料电池有很多技术之外的优点。首先，可以直接并高效地将底物能量转化成电能，大约转化为氢能源的8倍[21]；其次，室温下就可以进行高效操作；第三，不需要气体处理，因为排出的气体中富含二氧化碳；第四，用气体提供阴极时不需要能量输入，因为这是被动充气，具体的转化效率和经济效益取决于废弃物材料的化学组成和特征。
1.6微生物固体发酵得到的附加值产品
固体发酵（SSF）在缺水或接近缺水的条件下实现，具有能源消耗低、定容生产能力大、附加值产品浓度高、废物产生少、异化作用抑制低等特点[22]。很多不同的废弃物都被报道，成功地作为固体发酵底物而得到了高经济价值的一系列产品。固体废料的简单预处理包括研磨和按不同粒径分类，这样就实现了材料同质化并且确保对下步反应有较小的影响，通过这些预处理就可以使细菌活下来。这种固体发酵方法在深层发酵工艺中引人注目。
2结论
