《Biomass and Bioenergy》：Energy efficiency in chemo-mechanical pretreatment of oil palm biomass: Sequence analysis and process optimization for enhanced bioethanol production
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本研究对比了油棕空果纤维机械预处理在化学处理前（RBCT）和化学处理后（RACT）的能耗与酶解效率，发现RACT在能量消耗（降低30.92%至43.65 kWh·kg?1）和糖产率（41.4%）方面更优，并通过优化碱浓度、温度和时间实现能源与生物转化效益平衡。
作者：牛一通（Yitong Niu）、卡莫尔丁·阿比奥敦·阿吉约拉凯武（Kamoldeen Abiodun Ajijolakewu）、李志刚（Chee Keong Lee）、刘秋鹏（Cheu Peng Leh）
所属机构：马来西亚槟城科学大学工业技术学院（School of Industrial Technology, Universiti Sains Malaysia, Penang, Malaysia）
摘要
在生物乙醇生产过程中，对生物质进行预处理以增强酶促水解通常会增加额外的能源消耗和相关成本。本研究评估了两种化学机械处理序列（即化学处理前的精炼（RBCT）和化学处理后的精炼（RACT）对油棕空果串（OPEFB）酶促糖化的效果。基于未经处理的OPEFB干质量数据，RACT将预处理所需的能量降低到了30.92 kWh·kg?1，而RBCT则需要43.65 kWh·kg?1；同时，RACT实现了更高的葡萄糖产率（41.4%）和糖分回收率（79.7%）。尽管RBCT和RCT在纤维形态和整体组成上仅有微小差异，但在实验室设定的能源限制条件下，RCT的糖化性能更优，因此更具成本效益。此外，研究还探讨了NaOH浓度、温度和反应时间对能源消耗和发酵效率的影响。过度的预处理并不会提升发酵效果，而最温和的碱性条件能够在能源投入与生物转化产出之间达到最佳平衡。
引言
目前，用于生产木质纤维素生物乙醇的生物质处理技术成本相对较高[[1], [2], [3]]。根据美国能源部的数据，软木基生物乙醇的生产成本约为每升0.90美元，远高于美国玉米和巴西甘蔗生产的乙醇成本（每升0.30至0.40美元[[4,5]]。一些大型能源公司在进行成本评估后决定取消或暂停先进的生物燃料项目，因为这些项目在当前市场和政策条件下缺乏竞争力[[6], [7], [8], [9]]。先前的研究表明，这种竞争力不足主要是由于生物质预处理和酶促糖化过程中的高资本和运营成本[[10], [11], [12]]。因此，有必要降低生产成本，尤其是预处理成本和能源消耗，同时提高整体工艺效率[[13,14]]。
天然纤维素材料的酶活性较低，水解能力有限，导致可发酵糖的产量较低[[15]]。因此，生物质预处理被视为生产木质纤维素乙醇的关键步骤[[16,17]]。预处理可以通过物理、化学或生物方法实现[[17], [18], [19]]。有效的预处理策略需要根据生物质的固有组成和结构、预处理后固体的预期组成以及水解过程中的糖释放模式进行定制[[20], [21], [22], [23]]。
机械精炼可以减小颗粒尺寸、增加内外表面积、打开孔隙并破坏纤维细胞壁，从而提高后续化学试剂的渗透性和效果[[24,25]]。诸如自水解和碱预处理等化学处理方法可以通过溶解半纤维素或去除部分木质素基质来改变纤维素结构，从而提高酶的接触效率和下游糖化效率[[26], [27], [28]]。因此，结合机械精炼和化学预处理的化学机械处理方案在处理难加工原料时受到了越来越多的关注[[29], [30], [31], [32], [33]]。
在许多化学机械预处理方案中，机械精炼通常在化学处理之前进行，这与传统的纸浆和造纸工艺类似（其中纤维精炼是标准步骤[[19,27,34]]。然而，一些研究表明，在机械精炼之前进行化学预处理可以软化纤维结构，并仍能获得具有良好消化性的固体组分[[29,35,36]]。尽管这些考虑因素促使人们设计了不同的工艺流程，但大多数已发表的研究仅提供了关于精炼工作量减少的定性描述，或仅关注纤维质量指标，而没有在统一的基础上比较不同工艺流程的能源消耗[[37], [38], [39]]。因此，不同化学机械预处理工艺的实际能源效率仍难以确定。
棕榈油在东南亚广泛种植，从新鲜果串中提取油会产生大量空果串（OPEFB）副产品[[40,41]]。在马来西亚，每年大约收获1亿吨新鲜果串，产生约2000万吨OPEFB[[42]]。由于OPEFB通常储存在棕榈油厂内，可以利用现有的工业基础设施进行收集和处理，从而减少运输需求[[43]]。此外，OPEFB的纤维素含量较高（通常在54-62%之间），因此具有作为生物乙醇生产原料的巨大潜力[[44]]。因此，相关的能源投入将对油棕空果串乙醇的成本竞争力产生重要影响。
本研究重点探讨了OPEFB的化学机械预处理过程，特别是预处理所需的能源以及其与糖分和乙醇产量的关系。具体目标包括：（i）通过考虑精炼所需的电能和加热至自水解条件所需的热能，以及化学组成、纤维素结构、纤维形态的变化，以及由此产生的可发酵糖和乙醇产量，定量比较化学处理前的精炼（RBCT）和化学处理后的精炼（RACT）；（ii）评估在选定的处理序列下，温和的碱性操作条件如何通过影响固体回收率、糖分释放、乙醇产量和预处理能源消耗来平衡能源投入与生物转化效果。通过将能源核算与组成、结构和发酵数据相结合，本研究旨在寻找能够提高单位预处理产乙醇量的化学机械处理策略。
实验部分
OPEFB样品
OPEFB样品来自马来西亚槟城的United Oil Palm Industries Sdn. Bhd。样品经过清洗和风干72小时后，被均匀处理并作为所有实验的单一原料批次。研究了两种化学机械处理序列：化学处理前的精炼（RBCT）和化学处理后的精炼（RACT）。为确保处理序列的一致性，采用了相同的原料制备方法和目标粒径规格。
化学机械预处理序列对OPEFB纤维化学组成的影响
对OPEFB纤维进行了两种不同的化学机械预处理：化学处理前的精炼（RBCT）和化学处理后的精炼（RACT）。由于自水解（化学处理）在170°C和690 Kpa的饱和蒸汽压力下进行，OPEFB中的许多提取物被去除。同时，部分生物质成分（如半纤维素和木质素）也可能发生分解。
结论
本研究证实，化学处理后的精炼（RACT）是转化油棕空果串的最节能路径。与化学处理前的精炼（RBCT）相比，RACT在初始干生物质基础上降低了约30%的预处理能耗，同时提高了可发酵糖的回收率和下游乙醇产量。在选定的处理序列下，参数筛选显示……
作者贡献声明
牛一通（Yitong Niu）： 文章撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据整理、概念构建。
卡莫尔丁·阿比奥敦·阿吉约拉凯武（Kamoldeen Abiodun Ajijolakewu）： 初稿撰写、数据整理。
李志刚（Chee Keong Lee）： 指导。
刘秋鹏（Cheu Peng Leh）： 文章撰写、审稿与编辑、指导、资源协调、资金争取。
资助
本研究得到了马来西亚高等教育部（Ministry of Higher Education, Malaysia）通过基础研究计划（Fundamental Research Grant Scheme, FRGS，项目编号203/PTEKIND/6711702）的支持。
