迈向工业生物精炼厂：利用碱辅助球磨玉米秸秆进行高固含量酶解的工艺模拟与经济可行性研究

《Bioresource Technology Reports》：Toward industrial biorefineries: Process simulation and economic feasibility of high-solid enzymatic hydrolysis using alkali-assisted ball-milled corn stover

玉米秸秆高固体含量酶解糖化通过优化碱处理与球磨的协同预处理工艺，系统比较了四种碱/球磨预处理方法（AFBM、BMFA、ABM、AHBM）对组分去除效率和酶解性能的影响。结果表明，AFBM工艺在总糖含量（182.86 g/L）和葡萄糖产率上显著优于球磨单独处理，其经济性也最优（最低糖售价496.92美元/吨，投资回报率8.82%）。研究通过Aspen Plus建模验证了预处理顺序和H?O?浓度对经济可行性的关键影响，指出原料成本是主要经济驱动因素。

　　

张慧|谭宇峰|丁凯丽|何英辉|李阳阳|韩璐佳|肖卫华

中国农业大学工程学院，北京，100083，中国

摘要

玉米秸秆（CS）的高固体酶法糖化的工业应用受到预处理效率与生产成本之间权衡的限制。为了找到一种兼具高效率和经济可行性的预处理方法，系统地比较了四种碱/球磨预处理方法与单独球磨（作为对照）：先碱处理后球磨（AFBM）、先球磨后碱处理（BMFA）、碱辅助球磨（ABM）以及碱/过氧化氢辅助球磨（AHBM）。结果表明，碱的用量和预处理顺序显著影响了成分的去除效率及酶解性能。所有酶解反应均在20%的固体含量下进行，以模拟相关的工业条件。结果显示，与单独球磨相比，碱-球磨耦合工艺显著提高了高固体含量下的糖化效率。AFBM0.5表现出最佳的酶解性能，总糖含量达到182.86克/升，葡萄糖产量比单独球磨高出16.64%。在所有耦合工艺中，AFBM在酶解糖产量方面始终优于BMFA，表明在球磨前施加碱可显著提高原料的酶解性能。相反，在碱辅助球磨过程中增加H?O?的用量（超过0.05克/克CS）会降低有效研磨速率，导致糖产量下降甚至出现负增长。在最佳条件下，使用Aspen Plus软件建立了生物精炼厂的技术经济模型。经济分析显示，AFBM工艺的总投资和生产成本最低，最低糖售价为496.92美元/吨，投资回报率为8.82%。AFBM是最具经济竞争力的选择。敏感性分析进一步表明，原料价格是影响工艺经济性的最重要因素。本研究不仅提供了工艺比较，还为高效利用玉米秸秆生产糖基生物精炼产品（如纤维素乙醇）提供了经济见解，并对生物质产品的后续大规模应用具有价值意义。

引言

近年来，通过生物精炼从玉米秸秆（CS）中生产增值产品和生物燃料的研究受到了广泛关注（Chen等人，2016；da Rosa等人，2025；Liao等人，2024）。酶解是将生物质转化为可发酵单糖（如葡萄糖和木糖）的关键步骤，但受到木质素-碳水化合物复合物的强烈阻碍（Ji等人，2018；Zhu等人，2025）。这种结构限制了酶对纤维素和半纤维素成分的接触。在工业相关的高固体负载条件下，这种挑战更加突出，因为质量/热量传递和混合限制会严重降低工艺效率（Modenbach和Nokes，2013）。因此，预处理对于打破这种结构至关重要。使用强酸或强碱的传统化学预处理方法可以有效破坏木质素-纤维素基质中的关键相互作用，特别是木质素-碳水化合物复合物（LCCs）中的酯键和醚键以及纤维素内的氢键网络。但这些方法可能导致碳水化合物降解并产生抑制剂（如呋喃、酚类化合物），尤其是在使用高浓度试剂或苛刻条件下（J?nsson和Martín，2016；Kim等人，2016；Mosier等人，2005）。此外，还开发了多种预处理策略，包括有机溶剂方法、离子液体方法、蒸汽爆炸方法和生物预处理方法，每种方法都有其独特的机制和优缺点（Hassan等人，2018；Kumar和Sharma，2017）。在这种情况下，开发温和而高效的预处理方法具有重要意义。

其中，碱预处理特别适用于木质素的去除和纤维素的膨胀，从而直接提高酶的消化能力（Kim等人，2016）。它主要通过氢氧化物离子（OH^?）的皂化和亲核攻击来发挥作用，有效破坏木质素与碳水化合物（半纤维素和纤维素）之间的酯键和醚键。为了进一步强化脱木质化并提高底物的消化能力，通常在碱性介质中引入过氧化氢（H?O?）作为氧化剂。在碱性条件下，H?O?分解产生活性氧物种，这些物种可以选择性地攻击和破坏木质素的芳香环和侧链结构，从而提高木质素的去除率和生物质的漂白效果（Banerjee等人，2011；J.B. Li等人，2025）。机械预处理方法，如球磨，已成为应对高固体系统挑战的有前景的方法（He等人，2023；Lu等人，2021）。通过显著减小颗粒大小、增加比表面积以及破坏纤维素结晶性（通过破坏结晶区域内的氢键），球磨提高了生物质的可用性，可能增强后续化学处理的效率并减少化学消耗（Ji等人，2018；J.B. Li等人，2025；Lin等人，2024；Yang等人，2022）。这种协同作用为开发适用于高固体操作的温和、更高效的预处理工艺提供了方向（Ji等人，2018；Lin等人，2024）。然而，关于不同集成顺序和添加氧化剂对生化转化效率以及整个工艺经济性能的影响，目前仍缺乏足够的研究和比较。

任何生物精炼工艺的商业可行性最终取决于其技术经济性能。因此，技术经济分析（TEA）已成为评估工艺可行性、识别成本驱动因素和指导研究朝向工业相关目标的重要工具（Humbird等人，2011）。工艺模拟软件（如Aspen Plus）能够严格模拟物料和能量平衡，为TEA提供了坚实的基础（Davis等人，2013）。迄今为止，很少有研究将新型碱/球磨预处理组合的实验优化与工业生物精炼规模的全面TEA结合起来。因此，本研究系统地研究了四种碱/球磨预处理策略：先碱处理后球磨、先球磨后碱处理、碱辅助球磨处理以及碱-过氧化氢辅助球磨处理，用于玉米秸秆的高固体酶解。旨在评估它们对生物质组成和酶解糖化效率的影响，并根据每种策略的最佳条件开发工艺模型，并进行比较TEA以评估其经济可行性。本研究不仅提供了工艺性能比较，还提供了关键的经济见解，以指导木质纤维素生物质工业规模生物精炼中成本效益高的预处理技术的选择和开发。本研究有望为不同碱预处理条件下玉米秸秆高固体酶法糖化的工艺工业化提供参考。

部分内容摘录

材料

玉米秸秆采集自山东省滨州市（118°13′E，37°08′N）。材料经过自然干燥后，用切割机切成3–5厘米的块状。随后在60°C下连续干燥48小时，直至达到恒定重量。最后，使用锤式粉碎机（RT-34型，Rongcong Precision Technology Co., Ltd.，香港，中国）将干燥后的玉米秸秆粗碎，并通过40目筛子筛分。所得样品标记为CK。酶制剂

不同预处理玉米秸秆的粒径比较

不同预处理样品的D₅₀值如图4(A)所示。结果表明，NaOH/球磨联合预处理的玉米秸秆的D₅₀值始终大于仅球磨处理的样品。这种现象可归因于碱诱导的细胞壁膨胀和木质素-纤维素基质的松散。在温和的NaOH条件下，皂化和部分去除半纤维素-木质素连接可以减少细胞壁的结构约束，从而

结论

本研究系统比较了四种碱/球磨预处理工艺对高固体含量玉米秸秆酶解糖化的影响及其技术经济可行性。主要结论和创新发现如下：首先，工艺顺序对工业可行性具有决定性影响。尽管BMFA工艺的木质素去除率最高，但技术经济分析表明AFBM工艺最具工业竞争力

CRediT作者贡献声明

张慧：撰写 – 原始草稿、可视化、方法论、研究、数据管理。谭宇峰：方法论、数据管理。丁凯丽：撰写 – 审稿与编辑、正式分析。何英辉：方法论、正式分析。李阳阳：验证、方法论。韩璐佳：资源协调。肖卫华：监督、项目管理、资金获取。

未引用参考文献

Gong和Shuai，2023

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：32572231）的支持。