芬顿反应用于木质纤维素生物质预处理的研究现状

黄 元， 王志敏*， 张宏森， 王风芹， 宋安东*

（1. 河南农业大学 生命学院农业部农业微生物酶工程重点实验室，河南 郑州 450002；2. 河南农业大学 理学院，河南 郑州 450002）

木质纤维素作为一类可再生资源，其来源广泛、产量丰富。全球木质纤维素类生物质产量每年约为2000亿吨，其中农作物秸秆是最主要的生物质资源，中国的农作物秸秆年产量居于世界之首，数量如此巨大的生物质资源为生物质能源的开发和利用提供了充足的底物来源[1]。随着目前能源危机的日益突出，生物质资源的合理利用显得尤为重要。农作物秸秆等生物质资源的合理利用不仅能变废为宝缓解能源危机，而且解决了农业环境污染，一举两得。

木质纤维素结构复杂，具有天然的抗降解屏障，因此预处理是生物质能源转换过程中必不可少的环节。本文论述了芬顿反应应用于木质纤维素预处理的研究现状及进展，并对其发展前景进行了展望，旨在为芬顿预处理途径的进一步优化和后续研究提供借鉴和参考。

1 全球能源现状及我国生物质资源概况

随着全球化石燃料资源的快速消耗和全球能源需求的不断增加，迫使人们利用现有的可再生资源来替代日渐枯竭的化石能源，木质纤维素生物质是地球上最丰富的可再生资源，因此木质纤维素资源的深度利用成为人们研究的重点。生物质燃料是一种可再生的新能源，开发利用生物质燃料不仅能缓解能源危机，同时也可以减轻环境污染[2]。而生物质能源因其可再生、清洁低碳、易于获取及利用形式多样等优点被认为是全球继石油、煤炭、天然气之后的第四大能源[3]。木质纤维素资源取之不尽用之不竭，充分开发和利用好这些生物质资源，是缓解能源危机的重要途径，因此，开发生物质资源利用技术成为当前的一大热点。

我国作为农业大国生物质资源丰富, 每年生物质废弃物大约50亿吨，是我国石化能源消耗量的4倍左右，而目前将其作为能源利用的约占其总产量的 0.76%[4]。我国各种生物质秸秆资源丰富，其开发利用潜力巨大。然而这些可再生的生物质资源长期以来没有得到重视和充分的利用，大部分的秸秆被遗弃或者直接焚烧，浪费资源的同时也造成了环境污染。同时我国也是一个能源消耗大国，能源消耗持续增加，石油消耗量猛增，同时对外依存度也在不断增长，预计到2020年将会超过60%，到2030年会增至65%以上[5]。我国的生物质资源丰富，据统计，每年我国农作物秸秆的收集量约为4.5亿吨，折合标准煤1.8亿吨。预计到2020年，农林废弃物约折合11.65亿吨标煤, 可开发量约合8.3亿吨标准煤[6]。通过开发和使用生物质能替代化石能源，是我国发展生物质能产业的长期目标。我国生物质能应用规模与发展目标如表1所示。

表1 我国生物质能应用规模与发展目标

2 木质纤维素生物质的资源转化

2.1 生物质资源转化及其存在的问题

木质纤维素类生物质是一种结构复杂的天然大分子化合物，由纤维素、半纤维素和木质素三大组成成分组成，此外还含有少量的蛋白质、果胶、蜡质和无机化合物[7]。木质纤维素的一般组成如图1所示[8]。

图1 木质纤维素生物质原料的一般组成图

木质纤维素中含有大量的纤维素、半纤维素以及木质素成分，其中纤维素和半纤维素是潜在的燃料生产原料。木质纤维素水解后产生的葡萄糖，木糖等可用于生产乙醇、丁醇以及生物柴油。

木质纤维素复杂的结构保护自身的同时也给生物质资源的转化带来了一些困难。由于植物在进化过程中演变出了复杂的化学结构，形成了多种紧密的保护性屏障，用来抵御外界微生物和不良环境对其结构的破坏[9]。其中纤维素和半纤维素共同组成碳水化合物聚合物，而木质素将碳水化合物包裹在里面，形成木质素碳水化合物复合物[10]。纤维素被包裹在里面，使其很难被充分利用。所以需要先破坏木质纤维素的这种“保护性”结构。因此预处理是打破木质素和半纤维素的包裹作用，破坏纤维素结晶结构的必要工艺[11]。

预处理是采用物理、化学的方法对木质纤维素进行处理，起到破坏其紧密结构的作用。预处理技术是制约木质纤维素生物质能源转化和深度利用的瓶颈之一，是木质纤维素生物质能源转化的关键步骤，也是生物质能源转化过程中不可缺少的环节。

2.2 木质纤维素类生物质的预处理

为了破坏木质纤维素的这种抗性屏障，预处理成为提高木质纤维素生物质能源转化和深度利用的关键环节。预处理过程主要是为了降低生物质的酶解抗性屏障，增加原料的孔隙，从而更好的利用底物[12]。根据处理方式不同，可分为物理预处理、化学预处理、生物预处理和理化结合预处理[13-14]。

物理预处理主要有机械粉碎、热解等，其能有效提高酶解效果，但是需要额外的提供大量的能量；化学预处理的方法主要有酸、碱、有机溶剂预处理等。酸法是研究得最早、最深入的化学预处理方法，但是其腐蚀性大，后期中和需消耗大量的碱，因此受到限制[15]。同时化学预处理过程会产生较多的抑制物；物理-化学预处理的方法主要有：蒸汽爆破、氨纤维爆破、CO2爆破、甘油协同蒸汽爆破、高温液态水等，蒸汽爆破预处理在去除半纤维素的同时也会产生很多抑制物，不利于后续的酶解和微生物发酵。

生物预处理主要是利用可以分解木质素的生物如真菌、细菌、白蚁等，利用它们自身代谢过程来降解木质纤维素。但是真菌预处理的缺点是效率比较低，碳水化合物损失比较大以及处理时间较长[16]。目前已知的白腐菌、褐腐菌等很多微生物能降解木质素，但是酶活性太低，反应时间太长，很难应用于工业生产。

3 芬顿反应在生物质预处理中的应用

传统的理化预处理都会产生对后续酶解和微生物发酵有抑制作用的呋喃、羟甲基糠醛和甲酸、乙酸等小分子酸类，抑制了微生物的发酵，同时也降低了生物质资源的利用效率[17-18]，而生物预处理由于酶活性太低，反应时间太长很难应用于工业生产，因此探索出一条处理过程不会产生抑制物，同时绿色环保、经济、高效的预处理途径成为摆在人们面前的难题。

我国工业化进程不断加强，2016年年底，全国发电装机容量为1.645 75×109kW，其中，火电装机容量1.053 88×109kW，占据主导地位。2005年起，为贯彻《中华人民共和国大气污染防治法》，防止环境污染，以HJ 2001—2010《火电厂烟气脱硫工程技术规范》[1]为标准进行烟囱设计。目前,我国多数烟囱都根据脱硫要求采用脱硫装置[2]，便于符合环保要求。多管式或套筒式烟囱可以满足砖烟囱达不到的脱硫高度限值和防腐蚀要求，国内大型火电厂也大多趋向于采用这类烟囱。但多管式或套筒式烟囱设计较复杂，需要加强烟囱精细化设计、优化设计，同时能批量完成工程设计提高效率。

白腐菌是目前已知的自然界中可以将木质素彻底的化为水和二氧化碳的一类微生物[19]。白腐菌具有特殊的胞外酶系统和独特的降解机制，能够有效的降解和破坏木质素结构，降低木质纤维素的酶解抗性屏障，提高酶的利用效率以及生物质转化效率，因此成为生物预处理的研究热点。虽然白腐菌环境友好、低能耗的生物预处理技术可以降解和破坏生物质原料的保护性屏障，提高木质纤维素的转化效率，但同时其预处理效率相对较低仍有待提高，白腐菌等生物预处理过程如何促进酶解增效的作用机制也有待进一步的研究和探索，因此很多的研究人员将目光投向生物质预处理及其酶解增效机制的研究上，期待以生物预处理为基础发展和探索出一条更经济、更高效的预处理方法。

受启发于白腐菌生物降解木质纤维素的反应，研究人员发现微生物降解木质纤维素的过程与芬顿反应相似。芬顿反应可以在室温下进行，不存在环境污染问题，同时具有能耗小、反应条件温和、不会产生影响酶解和发酵的抑制物等优点，逐渐被加以重视和应用。

3.1 芬顿化学的起源及其反应原理

芬顿化学起源于1894年，法国科学家Fenton发现在H2O2氧化酒石酸的实验中，加入Fe2+能有效促进反应的进行，将酒石酸氧化[20]，如式（1）所示。

由H2O2/Fe2+组成的体系称作芬顿试剂，将芬顿试剂参与的反应称为芬顿反应。随着后续的研究发现这种催化作用是由于芬顿反应产生了具有强氧化性的羟自由基（·OH），从而引起了酒石酸的迅速氧化。芬顿反应是一种温和的无机反应过程，过氧化氢与二价铁离子混合组成的芬顿试剂能将很多已知的有机化合物如羧酸、醇、酯类等无选择的氧化为无机态，氧化效果特别显著，具有去除难以降解的有机污染物的能力。同时芬顿氧化技术具有反映快速、设备简单、高效、成本低廉、技术要求低等优点，被广泛的应用于工业废水处理的研究中[21-23]。例如在印染废水、含酚、含油废水、二苯胺废水、含硝基苯废水等的处理中被广泛应用。芬顿反应在 pH＝3～5时反应如式（2）、（3）所示[24]。

此反应生成的·OH具有很高的氧化还原电位（2.8 V），能夺取纤维素等有机物中的氢原子，从而导致有机物降解。Fenton反应是一种常用的高级氧化技术，具有操作简单、运行成本低且对环境友好等优点，目前主要应用于污水和有机物的处理中，由于芬顿试剂中Fe2+的存在，pH＝2时，由于溶液中的H+浓度过高，三价铁难以还原为二价铁，从而减缓了催化反应过程，降低了芬顿试剂的氧化能力；pH＝8～10时，溶液为碱性，此时部分Fe2+被氧化为Fe(OH)3形成沉淀，而且温度越高该反应进行的越迅速和彻底，而Fe3+的催化效果远不如Fe2+[25]。芬顿反应中主要的限制因素是Fe2+浓度的不断降低，从而导致无法继续产生高浓度的羟自由基，因此催化反应受限。

3.2 芬顿反应用于木质纤维素生物质预处理

研究人员通过对生物预处理及其酶解增效机制的深入研究和探索发现微生物降解木质纤维素的过程与芬顿反应相似，便开始逐渐的将芬顿反应应用于木质纤维素的降解中，并不断的对其进行优化和补充，希望能探索出一条更经济、更高效的生物质预处理方法。

20世纪60年代HaliWar等[26]发现由芬顿反应产生的·OH降解木质纤维素与微生物降解相似。已经被揭露的白腐真菌，如黄孢原毛平革菌、褐腐真菌、密褐腐菌，它们是芬顿（铁/过氧化物）化学法在体内化学预处理中应用的一个例子[27]。人们研究褐腐菌降解木质纤维素时发现其能产生过氧化物酶，其中有铁作为催化中心，它通过过氧化氢催化分解亚铁离子，生成羟基自由基缓慢降解木质素，类似于芬顿反应[28]。

Prateek Jain等[31]用浓度为0.5 mM Fe2+和2.0% H2O2的优化后的芬顿试剂反应48 h处理短绒棉，评价以芬顿反应作为棉花纤维素预处理方法的有效性，结果显示酶活达到了 0.717，这表明芬顿试剂氧化了各种纤维素材料表面的保护性物质，增加了纤维素的可及度，从而增强了纤维素酶的酶解效果；Jung等[32]利用芬顿反应来模拟自然界中真菌降解木材等木质纤维素原料，使其腐朽的过程，在这项研究中，芬顿反应是自然界中真菌降解木质素，使木材腐朽的反应过程，其采用优化后的芬顿试剂（H2O2/Fe2+）配比，在25℃常温下，以稻草为实验原料选择相对较高的负载量[即10%（w/V）]进行预处理，采用芬顿预处理体系提高酶解得率，然后用于木质纤维素生物质的糖化，实验结果表明芬顿处理后酶解得率达到了理论葡萄糖产率的93.2%，说明芬顿反应过程是一个经济、高效的预处理过程，可以通过取代传统的预处理来实现纤维素燃料和化学产品的实质性改进和产量的提高。

Kato等[33]以柳枝稷、开关草、玉米秸秆、小麦秸秆为原料模拟白腐菌和褐腐菌体内发生的降解木质纤维素的反应，对以上四种不同生活环境的生物质材料进行了溶液相芬顿处理，首先配制了 12.5 mol/L的FeCl2和1.76 mol/L的H2O2溶液，处理条件为：10 g生物质原料中加入100 mL上述FeCl2溶液和100 mL上述 H2O2溶液，处理时间为 120 h，后续结果表明四种生物质材料经芬顿预处理后酶解效率平均提高了212%，其中柳枝稷的预处理效果最明显，酶解液糖含量提高了414%，玉米秸秆提高效率最低仅提高了80%；实验结果表明溶液相芬顿化学是一种可行的预处理方法，使纤维素更可被利用，同时提高生物乙醇转化效率。其推测是由于去木质化引起的酶解效果增强，但随后的结果表明芬顿处理前后四种实验原料的木质素含量变化不大，该推测不成立，芬顿预处理生物质的作用机制有待进一步的探索。

溶液相芬顿化学是一种可行的生物质预处理方法，然而，单一的芬顿处理不能达到与稀酸处理同样的效果。与单一芬顿氧化相比，芬顿结合其它预处理工艺能显著提高预处理效果缩短反应时间。近年来芬顿协同其它预处理工艺的组合预处理方法得到了研究人员的关注。

最近，一些研究人员使用了芬顿氧化与化学预处理（稀酸或碱渣）相结合的预处理方法在玉米秸秆、麦秸等农业废弃物上应用[34-35]。Jeong等[36]所做的Fenton结合水热预处理混合硬木的实验中对照组生物质原料转化率为 64.41%～67.92%，实验组为芬顿反应在 210℃下处理 10分钟，其生物质转化率最高时为79.54%，与稀酸预处理的效果相似；Ninomiya等[37]利用芬顿和声催化反应预处理木质纤维素原料并对其进行后续的酶解实验，证明了声催化-芬顿反应增强了·OH自由基生成并将其应用在木质素降解中；Zhang Mei-Fang等[38]将芬顿与超声波联合应用于微晶纤维素的预处理，设置了几组对照实验：未处理、芬顿处理、超声处理以及芬顿协调超声处理，并对处理后的微晶纤维素的后续酶水解进行了研究，通过形态分析表明预处理后微晶纤维素的纵横比大大降低，X-射线衍射分析表明，芬顿试剂能更有效地降低微晶纤维素的结晶度。芬顿和超声协同作用时，结晶度和聚合度在四个实验组中均最低，分别为（84.8%±0.2%）和（124.7±0.6），最后酶解实验结果表明，未处理样品的还原糖产率为32.38 g/100 g；而Fenton、超声、超声/Fenton处理后样品还原糖产率分别为44.39、39.18和47.41 g/100 g，实验结果表明经处理后原料还原糖得率有较大程度提升，其中芬顿协同超声预处理效果最好。

芬顿协同其它预处理方法共同处理木质纤维素是一种很好的预处理途径，能显著提高木质纤维素的预处理效果，同时能缩短处理的时间，组合预处理工艺比任何单一工艺都能获得更好的效果，上述芬顿协同超声以及芬顿协同化学预处理的研究就是一个很好的例子，因此芬顿协同其它方法的组合预处理工艺也越来越受人们关注。

芬顿反应发生在温和条件下，因此被认为是一种对环境友好、低能耗过程[39,32]。同时芬顿反应过程中不会产生抑制后续酶解和微生物发酵的有毒物质，还具有反应快、易于操作、成本低等优点，因此逐渐的被越来越多的研究人员所重视并加以探索。然而芬顿预处理生物质也存在着一些问题，例如需要不断的投入过氧化氢和亚铁盐试剂，用以启动芬顿反应产生羟自由基，因此会使用大量的过氧化氢和亚铁盐。标准芬顿氧化方法操作简单，方便快捷，但亚铁离子和过氧化氢不能被回收继续使用，而且处理成本相对较高、有机物的降解也不够充分。鉴于芬顿处理技术在实际应用中的一些缺点，研究人员在芬顿反应的基础上开发出了许多类芬顿反应技术[40]。这些类芬顿技术可以有针对性的克服常规芬顿法存在的一些问题，降低铁盐和过氧化氢的用量，达到更有效、更经济的处理效果[41]。随着芬顿氧化技术的不断发展，芬顿试剂法已发展出了许多分支，如光-Fenton 试剂法、电-Fenton法等[42]，随着类芬顿技术的不断优化和成熟，期待类芬顿技术能应用于木质纤维素类生物质的预处理上。

最近一些研究人员报道了通过芬顿催化剂（Fe3+，H2O2）模拟自然条件下木质素的降解系统，在超临界条件（7 MPa，250℃）下芬顿试剂能有效的促进木质素的解聚，木质素降解得到由单一芳烃和低聚芳烃组成的油状液体，还有一些酚类、二羧酸及其衍生物，其产率高达（66±8.5）%。后续通过气质、31P核磁共振波谱和X-射线光电子能谱对芬顿试剂处理前后的木质素材料的化学性质和结构进行了研究，结果表明芬顿试剂主要是通过断裂木质素残基间的β-O，促进木质素解聚，降低木质纤维素生物质中木质素的分子量，破坏木质素结构的同时促进了木质纤维素生物质的酶解糖化[43]。

近几年关于芬顿反应应用于生物质预处理的报道越来越多，但是目前应用芬顿反应本身预处理木质纤维素材料随后进行酶解的报道有限[44]，芬顿反应预处理木质纤维素生物质的作用机理尚不明确，有待进一步的探索和研究。目前已经证实芬顿反应是一种绿色、高效的预处理途径，而且发展出了很多形式多样的芬顿预处理体系，但是针对于芬顿预处理过程中亚铁盐的大量使用，期待找到一种亚铁盐的替代品，减少亚铁盐使用的同时实现绿色、经济、高效的预处理效果。

4 展望

受启发于白腐菌生物降解木质纤维素的反应，Fenton反应被应用于生物质的预处理中，Fenton反应具有反应条件温和、绿色、不会产生影响后续酶解和发酵的抑制物等优点，逐渐被加以重视和应用。本文分析了芬顿预处理应用于生物质预处理的优缺点以及目前急需解决的问题，指出了芬顿反应预处理木质纤维素生物质的发展方向，并对其发展前景进行以下几点展望：

1）研究发现Fenton预处理木质纤维素，不仅能增强其酶解效果，同时能促进木质素和半纤维素温和、高效分离，然而其作用机制尚不明确，期待随着研究的深入能够探索出芬顿降解木质纤维素促进酶解增效和木质素、半纤维素高效分离的作用机制；

2）纤维素解聚的组合预处理工艺被认为是一种很有前途的方法，能克服单一预处理的缺点，同时提高产糖效率，减少抑制物的形成、缩短处理时间[8]，因此期望可以探索出一条以芬顿反应为基础协同其它预处理方法的更高效、简便、经济无污染的组合预处理途径；

3）类芬顿技术的出现克服了常规芬顿法存在的一些问题例如铁盐的大量使用等，期待随着类芬顿技术的不断优化和成熟，有朝一日类芬顿技术能应用于木质纤维素生物质的预处理中，探索出一条更高效、经济的类芬顿预处理生物质途径。