林业工程学报，２０２３，８（２）：１１７－１２３ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ＤＯＩ：１０．１３３６０／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－１３５９．２０２２０５０３２
收稿日期：２０２２－０５－２４㊀㊀㊀㊀修回日期：２０２２－１２－０３
基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金（ＣＡＦＹＢＢ２０２１ＺＩ００１－０１）㊂
作者简介：梁芳敏，女，研究方向为清洁制浆与生物质资源利用㊂通信作者：焦健，男，助理研究员㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊｉａｏｊｉａｎ＠ｉｃｉｆｐ．ｃｎ
两种机械处理方式对生物质原料反应性能的影响
梁芳敏１，焦健１∗，朱北平１，邓拥军１，房桂干１，２
（１．中国林业科学研究院林产化学工业研究所，江苏省生物质能源与材料重点实验室，江苏省林业资源高效
加工利用协同创新中心，南京２１００４２；２．山东华泰纸业集团，东营２５７３３５）
摘㊀要：减小生物质原料粒径是提高生物质精练过程中组分分离效率的关键步骤，生物质粒径的大小以及不同机械处理方式对原料反应性能的影响尚不明确㊂本研究对比了机械粉碎与双螺杆挤压机联合盘磨处理获得物料的反应性能，结果表明：机械粉碎物料受到剪切力作用，长度变短导致粒径变小，纤维仍然呈紧密的束状结构；随着粒径减小，比表面积与吸液能力随之增加，反应性能越好，粒径小于０．１８ｍｍ的物料反应性能最优㊂双螺杆挤压机联合盘磨机利用剪切力㊁摩擦力㊁挤压力使物料纤维微纤丝化，打开了部分闭合纹孔㊂与粒径小于０．１８ｍｍ的粉碎机粉碎物料相比，双螺杆挤压联合盘磨获得的物料比表面积提高了３１．５４％，吸液能力提高了４３．４６％；
过氧化氢预处理时，木质素去除率提高３１．９３％，预处理后酶解葡萄糖得率提高５４．１９％㊂实验表明，双螺杆挤压机联合盘磨处理比机械粉碎更利于提高生物质反应性能㊂
关键词：机械预处理；生物质；盘磨机；双螺杆挤压机；粒径；反应性能
中图分类号：ＴＱ３５㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀㊀㊀文章编号：２０９６－１３５９（２０２３）０２－０１１７－０７
Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｏｎ
ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙｏｆｂｉｏｍａｓｓｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｓ
ＬＩＡＮＧＦａｎｇｍｉｎ１，ＪＩＡＯＪｉａｎ１∗，ＺＨＵＢｅｉｐｉｎｇ１，ＤＥＮＧＹｏｎｇｊｕｎ１，ＦＡＮＧＧｕｉｇａｎ１，２
（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＰｒｏｄｕｃｔｓ，ＣＡＦ；ＫｅｙＬａｂ．ｏｆＢｉｏｍａｓｓＥｎｅｒｇｙａｎｄＭａｔｅｒｉａｌ；
Ｃｏ⁃ＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｏｆＥｆｆｉｃｉｅｎｔＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＦｏｒｅｓｔＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４２，Ｃｈｉｎａ；
２．ＳｈａｎｄｏｎｇＨｕａｔａｉＰａｐｅｒＣｏ．Ｌｔｄ．Ｄｏｎｇｙｉｎｇ２５７３３５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｉｃｂｉｏｍａｓｓｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅｓ（ｃｅｌｌｕｌｏｓｅａｎｄｈｅｍｉｃｅｌｌｕｌｏｓｅ），ｌｉｇｎｉｎ，ａｎｄｏｔｈｅｒｅｘ⁃ｔｒａｎｅｏｕｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ（ｐｒｏｔｅｉｎｓ，ｌｉｐｉｄｓ，ａｎｄｉｎｏｒｇａｎｉｃｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ）．Ｉｔｉｓａｒｅｎｅｗａｂｌｅａｎｄａｂｕｎｄａｎｔｒｅｓｏｕｒｃｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｂｉｏ⁃ｂａｓｅｄｐｒｏｄｕｃｔｓｓｕｃｈａｓｂｉｏｆｕｅｌｓａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｓ．Ｔｈｅｒｅｃａｌｃｉ
ｔｒａｎｃｅｎａｔｕｒｅｏｆｂｉｏｍａｓｓｈａｍｐｅｒｓｉｔｓｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｙ，ａｓｗｅｌｌａｓｐｏｌｙｓａｃｃｈａｒｉｄｅａｃｃｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙｆｏｒｅｎｚｙｍｅｓａｎｄｍｉｃｒｏｂｅｓ．Ｓｅｖｅｒａｌｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｉｃｂｉｏｍａｓｓｉｎｔｏｖａｌｕｅ⁃ａｄｄｅｄｐｒｏｄｕｃｔｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｈｉｅｖｅｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｏｏｄｆｌｏｕｒｗｉｔｈｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｌｅｓｓｔｈａｎ８５０μｍｉｓｍｏｓｔｌｙｃｒｕｓｈｅｄｂｙａｐｕｌｖｅｒｉｚｅｒａｎｄｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒｅａｏｆｂｉｏｍａｓｓｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｒｅｄｕｃｉｎｇｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｕｓｅａｐｕｌｖｅｒｉｚｅｒｔｏｓｍａｓｈｏｎｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｓｃａｌｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ，ｕｓｅｆｕｌｌｅｓｓｏｎｓｃａｎｂｅｌｅａｒｎｅｄｆｒｏｍｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｈｅｒｍｏ⁃ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｕｌｐｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｗｈｉｃｈｈａｓｂｅｅｎｃｏｍｂｉｎｅｄａｔｗｉｎｓｃｒｅｗｅｘｔｒｕｄｅｒｗｉｔｈａｄｉｓｃｍｉｌｌｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｉｚｅａｎｄｄｉｓｓｏｃｉａｔｅｆｉｂｅｒｓｏｆｂｉｏｍａｓｓ．Ｔｈｅｓｉｚｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｂｉｏｍａｓｓｉｓａｎｅｎｅｒｇｙｅｘｔｅｎｓｉｖｅｏｐｅｒ⁃ａｔｉｏｎｆｏｒｂｉｏｒｅｆｉｎｅｒｙ，ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｉｚｅａｎｄｐｈ
ｙｓｉｃａｌｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｏｎｂｉｏｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎｉｓｐｒｅｓｓｉｎｇｔｏｂｅｕｎ⁃ｒａｖｅｌｅｄ．Ｈｅｒｅｉｎ，ｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｗｏｏｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｔｈｅｐｕｌｖｅｒｉｚｅｒａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｔｗｏ⁃ｓｃｒｅｗｅｘｔｒｕｄｅｒｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈａｄｉｓｃｒｅｆｉｎｅｒｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｆｉｂｅｒｌｅｎｇｔｈｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓｐｒｏｄｕｃｅｄｆｒｏｍｔｈｅｐｕｌｖｅｒｉｚｅｒｗａｓｃｕｔｂｙｓｈｅａｒｆｏｒｃｅ，ａｎｄｔｈｅｎｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｂｅｃａｍｅｓｍａｌｌｅｒ，ｗｈｉｌｅｆｉｂｅｒｓｓｔｉｌｌｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｃｏｍｐａｃｔｓｔｒｕｃ⁃ｔｕｒｅ．Ｓｍａｌｌｅｒｓｉｚｅｈａｄｂｅｔｔｅｒｒｅａｃｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｌａｒｇｅｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒｅａａｎｄｆａｖｏｒａｂｌｅｌｉｑｕｉｄａｂｓｏｒｂａ⁃ｂｉｌｉｔｙ．Ｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｌｅｓｓｔｈａｎ０．１８ｍｍｈａｄｔｈｅｂｅｓｔｒｅａｃｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄｔｈｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｒａｔｅｓｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｃｈｅｍｉ⁃ｃａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｗｅｒｅｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔａｆｔｅｒｔｈｅｓａｍｅｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙａｔｗｉｎｓｃｒｅｗｅｘｔｒｕｄｅｒｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈａｄｉｓｃｍｉｌｌ（ＴＳＥ⁃ＤＭ）ｃｏｕｌｄｐｒｏｍｏｔｅｍｉｃｒｏ⁃ｆｉｂｒｉｌｌａｔｉｏｎ，ｓｏｍｅｆｉｎｅｆｒａｃｔｕｒｅｓｗｅｒｅｆｏｕｎｄａｔｔｈｅｗｅａｋｐａｒｔｓｏｆｔｈｅｃｅ
ｌｌｓ，ｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙｔｈｅｓｈｅａｒｆｏｒｃｅ，ｆｒｉｃｔｉｏｎｆｏｒｃｅ，ａｎｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎｆｏｒｃｅ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｒｅａｓｅｄｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒ⁃ｅａａｎｄｌｉｑｕｉｄａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｏｆｌｅｓｓｔｈａｎ０．１８ｍｍ，ｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒｅａｏｆ
林业工程学报第８卷ｍａｔｅｒｉａｌｓｆｒｏｍｔｈｅＴＳＥ⁃ＤＭｐｒｏｃｅｓｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ３１．５４％，ａｎｄｔｈｅｌｉｑｕｉｄａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ４３．４６％．Ｗｈｉｌｅａｌｋａｌｉｎｅｈｙｄｒｏｇｅｎｐｅｒｏｘｉｄｅｗａｓｕｓｅｄｆｏｒｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｏｆｌｉｇｎｉｎｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ３１．９３％，ａｎｄｔｈｅｇｌｕｃｏｓｅｙｉｅｌｄｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ５４．１９％ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｅｎｚｙｍａｔｉｃｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓｐｒｏｃｅｓｓａｆｔｅｒｔｈｅａｌｋａｌｉｎｅｈｙｄｒｏｇｅｎｐｅｒｏｘｉｄｅｐｒｅ⁃ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｐｕｌｖｅｒｉｚｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅＴＳＥ⁃ＤＭｐｒｏｃｅｓｓｃｏｕｌｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｂｉ⁃ｏｍａｓｓ，ｗｈｉｃｈｉｓｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｂｉｏｍａｓｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｂｉｏｍａｓｓ；ｄｉｓｃｍｉｌｌ；ｔｗｉｎｓｃｒｅｗｅｘｔｒｕｄｅｒ；ｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅ；ｒｅａｃｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
㊀㊀随着世界人口的增长和现代化的逐步推进，全球能源需求不断上升，地球上化石资源不可避免地面临枯竭的命运㊂化石燃料的有限性和未来不确定的能源政策，对维持能源市场的稳定具有潜在的威胁［１－３］㊂另一方面，化石能源消耗不断攀升导致的环境污染㊁气候变化等一系列问题，成为人类面临的另一大挑战㊂开发清洁㊁可再生能源已成为我国可持续发展战略的重点任务之一㊂木质纤维原料因其产量丰富㊁可再生性㊁生物降解性和碳中性等优点被广泛关注［４－５］㊂利用木质纤维原料炼制燃料和化学品并实现木质纤维原料的高效转化是实现化石能源替代战略的重要途径㊂
然而，木质纤维原料中纤维素㊁半纤维和木质素在细胞壁中通过化学键或其他特殊形式相互连接，形成复杂且致密的网络结构，阻碍其经济㊁高效的转化利用［６］㊂燃料与化学品的制备需要化学品㊁酶及微生物与纤维原料底物的充分接触，因此在生物转化过程之前需要进行有效的预处理，以提高纤维原料的可及性［７］㊂
近年来科研工作者研究了多种预处理方法以提高纤维原料的可及性［８－９］，如化学（碱㊁酸㊁氧化剂和有机溶剂）㊁物理化学（汽蒸爆破㊁超声＋化学组合）㊁生物或这些预处理技术的组合，这些预处
理技术可以有效地提高纤维原料的利用率和转化率㊂为了实现预处理技术的高效性，大多采用粉碎机粉碎获得粒径小于８５０μｍ（２０目）的木粉［１０－１１］，通过粒径的减小实现生物质比表面积的提高㊂毫无疑问，生物质原料粒径小㊁比表面积大㊁传质好㊁可及性好，利于后续的分离与利用㊂然而，生物质的规模减径是一种能源密集型作业，占生物精练过程总成本的比例很大㊂机器操作参数㊁生物质特性以及最终产品的尺寸和形状都会影响生物质减径的能量消耗［１２－１４］㊂Ｃａｄｏｃｈｅ等［１５］研究了最终粒径和能量消耗的函数关系，生物质粒径减小到３ ６ｍｍ，生物质的能量输入约为３０ｋＷｈ／ｔ，如需要获得更小的颗粒尺寸，能量消耗可能高于生物质中可用的理论能量含量；而且目前使用的大多机械减径工具，如锤磨机㊁碎纸机㊁刀磨机㊁饲料切碎机㊁球磨机㊁粉碎机等［１６］，很难连续㊁规模化生产，制约了生物精练平台的工业化进程㊂因此，寻一种连续规模化的生物质原料减径技术十分必要和紧迫㊂借鉴制浆造纸工程中机械制浆技术，联合挤压机与盘磨机对木质纤维原料进行处理，通过减小粒径提高比表面积㊁纤维微纤丝化等提高生物质基质的可及度㊂笔者将对双螺杆挤压机联合盘磨机
（ＴＳＥ⁃ＤＭ）生产的热磨机械浆（ＴＭＰ）与粉碎机粉碎筛分后获得的生物质原料进行对比研究，探究ＴＭＰ用于生物质精练平台的可行性㊂
１㊀材料与方法
１．１㊀实验材料
桉木（Ｅｕｃａｌｙｐｔｕｓ）木片，由广西金桂浆纸业有限公司提供，化学成分为葡聚糖３９．６０％㊁木聚糖１１．６５％㊁木质素３３．０９％㊂纤维素酶（诺维信ＣＴｅｃ２，美国）和木聚糖酶（诺维信ｃ２７５３，美国）均购于Ｓｉｇｍａ⁃Ａｌｄｒｉｃｈ（上海）公司，实测酶活力分别为２５０ＦＰＵ／ｇ和３４９０Ｕ／ｇ㊂用于高效液相谱仪（ＨＰＬＣ）分析的葡萄糖㊁木糖等标准样品采购自Ｓｉｇｍａ公司，纯度为９９％以上㊂抗四环素㊁乙酸㊁乙酸钠㊁氢氧化钠㊁硅酸钠㊁二乙基三胺五乙酸㊁无水乙醇㊁过氧化氢（ȡ３０％）均为国产分析纯试剂，采购自（沪试）国药集团化学试剂有限公司㊂１．２㊀实验方法
１．２．１㊀植物粉碎机处理
风干桉木片平衡水分后，置于万能高速粉碎机中粉碎２ｍｉｎ，然后使用标准筛筛分出５个组分，分别为＞８５０μｍ（Ｆ１）㊁４２５ ɤ８５０μｍ（Ｆ２）㊁２５０ ɤ４２５μｍ（Ｆ３）㊁１８０ ɤ２５０μｍ（Ｆ４）㊁ɤ１８０μｍ（Ｆ５）（ ＋ 代表可以通过该目数标准筛， － 代表不能通过该目数标准筛），分别密封于塑料袋中待用㊂１．２．２㊀ＴＳＥ⁃ＤＭ处理
室温下，将桉木片置于去离子水中浸泡过夜后，捞出沥干，在１０５ħ下汽蒸１０ １５ｍｉｎ，使用双螺杆挤压机（江苏金沃机械有限公司，图１）挤压成粗木丝状态，挤压后物料用去离子水调节物料质量分数至２０％后使用盘磨磨浆机（ＫＲＫＮｏ．２５００⁃Ⅱ，熊谷理机工业株式会社，日本）在常压下磨浆，挤压后物料被强制进料，在不同的破碎区（图２）实现
８１１
㊀第２期
梁芳敏，等：两种机械处理方式对生物质原料反应性能的影响
挤压粗木丝由大变中至小的生产过程，同时在挤压力㊁摩擦力的作用下实现微纤丝化，得到物料标注为ＴＭＰ，密封于塑料袋中冷库冷藏备用㊂实验所用的双螺杆挤压机与高浓盘磨机均为可以连续生产的中试设备，为了与粉碎机获得的物料进行比较，此过程中不添加化学药剂，只进行机械处理
㊂
图１㊀双螺杆挤压机Ｆｉｇ．１㊀Ｔｗｉｎｓｃｒｅｗ
ｅｘｔｒｕｄｅｒ
图２㊀盘磨磨浆机功能区
Ｆｉｇ．２㊀Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌａｒｅａｏｆｄｉｓｃｍｉｌｌ
１．２．３㊀过氧化氢预处理
过氧化氢预处理在水浴锅中进行㊂依次将
１２．３８ｍＬＮａＯＨ溶液（４ｍｏｌ／Ｌ）㊁９．９３ｍＬＨ２Ｏ２溶液（８ｍｏｌ／Ｌ）㊁０．８２ｍＬＮａ２ＳｉＯ３溶液（２ｍｏｌ／Ｌ）㊁
０．９８ｍＬ二乙基三胺五乙酸溶液（８ｍｏｌ／Ｌ）㊁１．９０ｍＬ乙醇（１５％）及１４．３９ｍＬ去离子水倒入烧杯中混合，迅速与物料混合均匀后装入耐压玻璃烧瓶中密封，将烧瓶放入预热至９０ħ的恒温水浴锅中，保温１２０ｍｉｎ㊂预处理结束后，用４００目（３８μｍ）滤布分离固体组分和滤液，并用蒸馏水洗涤固体组分至中性，将预处理后物料置于烘箱内４０ħ风干，置于密封袋中密封备用㊂预处理物料得率及化学组分去除率分别按式（１）和式（２）计算：
ｙ＝
ｍ１ｍ２
ˑ１００％
（１）
式中：ｙ为预处理得率；ｍ１为预处理后物料质量，ｇ；ｍ２为初始物料质量，ｇ㊂
ｒ＝１－ｍ３ｍ４æ
èçöø
÷ˑ１００％
（２）式中：ｒ为化学组分去除率；ｍ３为预处理物料剩余
组分质量，ｇ；ｍ４为初始物料中组分质量，ｇ㊂
１．２．４㊀纤维素酶水解
准确称取１ｇ绝干预处理物料，依次加入纤维
素酶（１５ＦＰＵ／ｇ葡聚糖）㊁木聚糖酶（１７４．５Ｕ／ｇ木聚糖）㊁０．０４ｍＬ四环素（０．１０ｇ／Ｌ）㊁１ｍＬ乙酸⁃乙酸钠缓冲液（１ｍｏｌ／Ｌ）控制酶解体系ｐＨ为４．８，补充去离子水至底物质量分数为５％㊂将酶解瓶置于恒温摇床中酶解７２ｈ（温度５０ħ，转速１５０ｒ／ｍｉｎ）㊂酶解结束后，取１ｍＬ酶解底物，离心分离得上清液，分析上清液中可发酵性糖（葡萄糖和木糖）的浓度㊂预处理物料葡聚糖酶和木聚糖酶的酶解得率分别由式（３）和式（４）［１２］计算：
ｙｇ
＝ｍ５ˑ０．９ｍ６
ˑ１００％（３）
式中：ｙｇ为葡聚糖酶解得率；ｍ５为酶水解所得的葡萄糖质量，ｇ；ｍ６为预处理底物中葡聚糖质量，ｇ㊂
ｙｘ＝ｍ７ˑ０．８８
ｍ８ˑ１００％（４）
式中：ｙｘ为木聚糖酶解得率；ｍ７为酶水解所得的木糖质量，ｇ；ｍ８为预处理底物中木聚糖质量，ｇ㊂
１．３㊀分析方法
１．３．１㊀纤维素㊁半纤维素和木质素测定
桉木原料㊁预处理物料㊁酶解物料中纤维素㊁半
纤维素和木质素含量测定参照美国可再生能源实验室ＮＲＥＬ／ＴＰ⁃５１０⁃４２６１８ ２００８‘生物质中结构碳水化合物和木质素的测定“进行检测㊂
１．３．２㊀酶水解液中糖组分测定采用ＨＰＬＣ（Ａｇｉｌｅｎｔ１２６０Ⅱ，美国安捷伦科技
公司）定量分析测定酶水解液中糖组分㊂检测器为示差折光检测器，糖柱为Ｂｉｏ⁃ＲａｄＡｍｉｎｅｘＨＰＸ⁃８７Ｈ谱柱，流动相为０．００５ｍｏｌ／ＬＨ２ＳＯ４溶液㊁流速为０．６ｍＬ／ｍｉｎ，进样量为１０μＬ，柱温为５５ħ㊂
１．３．３㊀吸液能力测定
取３ｇ干度为ｘ的机械处理后物料，加去离子
水６０ｇ，搅拌均匀后静置（２０ħ，３０ｍｉｎ），定性滤纸过滤直到３０ｓ内没有液滴滴落，称量湿物料的质量为ｗ（ｇ）㊂样品的吸液能力Ａ通过公式（５）计算：
Ａ＝
ｗ－１０００ˑｘ１０００ˑｘ
（５）
１．３．４㊀比表面积测定
采用全自动吸附仪（ＭｉｃｒｏＡｃｔｉｖｅＡＳＡＰ２４６０
２．０１，Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ公司，美国）进行比表面积（ＢＥＴ）测试㊂样品经１００ħ真空预处理６ｈ，降温至室温后进行氮气吸附测试，吸附温度为７７Ｋ㊂
９
１１
林业工程学报第８卷
通过Ｂａｒｒｅｔ⁃Ｊｏｙｎｅｒ⁃Ｈａｌｅｎｄａ介孔分析模型计算得到孔径分布，获得介孔数据㊂
１．３．５㊀扫描电镜分析取不同机械方式处理物料㊁化学预处理后底
物，使用导电胶将其固定于样品架上，随后进行抽真空喷金处理㊂采用扫描电镜（ＱＵＡＮＴＡＦＥＧ
４５０，ＦＥＩ公司，美国）观察上述待测样品的形貌㊂工作电压２０ｋＶ，工作距离１０．１ｍｍ㊂
２㊀结果与分析
２．１㊀宏观形态对比
粉碎机主要是利用磨刀的剪切作用，将经自然风干后放入粉碎机中的木片切割成粒径较小的颗粒，但所得颗粒尺寸不均一（图３中Ｆ１ Ｆ５），过标准筛后筛分出的不同粒径（Ｆ１ Ｆ５）颗粒的得率也不相同，如表１所示㊂这与粉碎物料的体积占比以及粉碎时间有很大关系，增加粉碎时间和电能输入会提高小粒径组分得率㊂就本实验而言，Ｆ２（４２５ ɤ８５０μｍ）得率最高为３１．９９％；ＧＢ／Ｔ２６７７．
１ １９９３‘造纸原料分析用试样的采取“中规定采取的试样Ｆ３（２５０ ɤ４２５μｍ）得率仅有１９．６１％；
Ｆ５（ɤ１８０μｍ）得率最低为
１６．０１％㊂
图３㊀两种预处理方式物料外观形态比较
Ｆｉｇ．３㊀Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｖｉｓｕａｌｆｏｒｍａｆｔｅｒｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓ
㊀㊀另取一批木片原料水洗浸泡１ｈ，然后将木片
投入具有两根反向运行螺杆的双螺杆挤压机中，在 挤压⁃疏松 处理（图１）及正反向螺旋产生的剪切力与摩擦力共同作用下形成丝状物㊂丝状物进入磨浆机后，纤维在磨区被磨齿边缘捕获，经过齿面与齿面间的作用力㊁离开磨齿边缘等过程中受到的摩擦㊁揉搓和压溃等作用力
［１７］
，纤维长度变短；同
时纤维束被搓散，出现微纤丝化现象，可以观察到很多细小毛刺之类的细小部分（图３⁃ＴＭＰ）㊂从外观上来看，木片经双螺杆挤压机联合盘磨处理获得的ＴＭＰ与图３中Ｆ２（４２５ ɤ８５０μｍ）的宏观大小类似，但其表面有很多细小纤维，原料变成蓬松的
团状㊂与目前常用的粒径小于８５０μｍ（过２０目标准筛）［１０－１１］的木粉（总得率８０．８０％）相比，ＴＭＰ得率可以达到９５．００％，具有绝对优势㊂这对提高植物原料利用率，实现生物质机械预处理工业化具有重要的现实意义㊂
表１㊀两种预处理方式物料粒径大小及得率
Ｔａｂｌｅ１㊀Ｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅａｎｄｙｉｅｌｄａｆｔｅｒｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓ
不同机械处理方式
编号粒径／ｍｍ得率／％备注机械粉碎
Ｆ１
＞０．８５０
１９．２０
＋２０目
Ｆ２０．４２５ ɤ０．８５０３１．９９－２０ ＋４０目Ｆ３０．２５０ ɤ０．４２５１９．６１－４０ ＋６０目Ｆ４０．１８０ ɤ０．２５０１３．１９－６０ ＋８０目
Ｆ５
ɤ０．１８０
１６．０１－８０目
双螺杆挤压机＋盘磨ＴＭＰ
９５．００
㊀注： 空白 未测量， ＋ 表示不能通过该目数， － 表示可以通过该目数㊂
２．２㊀比表面积与吸液能力分析
相同物料，粒径尺寸越小，比表面积越大，其传热㊁传质的能力越强，因此，反应性能越好，这也是众多研究者致力于减小粒径的原因之一㊂两种预处理方式物料的比表面积与吸液能力见表２㊂由表２可见：机械粉碎获得的物料（Ｆ１ Ｆ５）其比表面积随粒径减小而增大，由０．８５ｍ２／ｇ增大至１．４９ｍ２／ｇ；ＴＳＥ⁃ＤＭ获得的ＴＭＰ，其比表面积得到大幅
提升，与宏观尺寸相似的Ｆ２相比，比表面积提高约一倍，与粒径尺寸最小的Ｆ５相比，比表面积提高
３１．５４％，可能是由于纤维表面产生的细小纤维造成的㊂
表２㊀两种预处理方式物料的比表面积与吸液能力
Ｔａｂｌｅ２㊀Ｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｎｄａｂｓｏｒｐｔｉｖｅｃａｐａｃｉｔｙａｆｔｅｒ
ｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ
不同机械
处理方式
编号比表面积／（ｍ２㊃ｇ－１）吸液能力／（ｇ㊃ｇ－１）机械粉碎
Ｆ１
０．８５６．７１Ｆ２０．９３６．８３Ｆ３１．００７．５５Ｆ４１．１７７．８５Ｆ５
reaction视频怎么剪
１．４９７．９６
双螺杆挤压＋盘磨
ＴＭＰ１．９６
１１．４２㊀㊀使用粉碎机粉碎并筛分得到的物料，其吸液能力随尺寸的减小而增加，Ｆ３㊁Ｆ４㊁Ｆ５的吸液能力相近，优于Ｆ１㊁Ｆ２，但吸液能力的增加并不明显，单纯依靠减小粒径尺寸提高物料的吸液能力是有限的，需要采用其他技术手段打开药液渗透的通道㊂ＴＭＰ的吸液能力优势凸显，与吸液能力最好的Ｆ５相比提高了４３．４６％㊂这可能是由于双螺杆挤压联
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㊀第２期梁芳敏，等：两种机械处理方式对生物质原料反应性能的影响
合盘磨过程中，尺寸减小同时产生了更多的类似毛刺的细小纤维，增加了药液渗透的表面积，有利于药液渗透㊂较高的吸液能力可以提高纤维的润胀程度，提高化学药品的渗透性能，进而提高化学反应性㊂
２．３㊀反应性能分析
过氧化氢处理（ＡＨＰ）是一种有效的脱木质素预处理方法，越来越多地用于生物质高效分离㊂本实验使用前期研究木质素提取条件［１８］，对不同机械处理获得的物料进行过氧化氢预处理，通过提取木质素破坏木质素与半纤维素对纤维素的包裹与保护，使纤维素更容易与酶接触进而水解成为葡萄糖㊂通过反应得率㊁不同组分去除率的分析，考察不同机械处理物料的反应性能，结果如图４所示㊂实验结果
显示，随着物料粒径减小，反应得率随之降低，由８３．６７％降低至７８．２５％（Ｆ１至Ｆ５）㊂粒径尺寸减小，比表面积增大，与药液接触的面积越大，吸液能力增强，有利于反应的进行，进一步验证了减小反应底物尺寸有助于提高底物的反应性能
㊂
图４㊀化学预处理得率分析
Ｆｉｇ．４㊀Ｙｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ
由不同组分去除率（图５）可以看出，对于葡聚糖去除率而言，Ｆ１ Ｆ４基本一致，在２０％左右；当原料粒径小于０．１８ｍｍ（Ｆ５）时，葡聚糖去除率提高至２９．３２％，而ＴＭＰ经ＡＨＰ预处理
后，葡萄糖去除率仅有１０．７０％；Ｆ４㊁Ｆ５木质素去除率高于Ｆ１㊁Ｆ２㊁Ｆ３，但差别仅有３％ ４％，而ＴＭＰ木质素去除率达到４４．１％，与木质素去除率较高的Ｆ４㊁Ｆ５相比，提高３１．９３％，提高木质素去除率有利于后续酶解反应的进行㊂
对化学预处理后物料进行酶解处理，考察不同尺寸㊁不同机械处理方式获得的物料经化学预处理后物料酶解葡萄糖㊁木糖得率，结果如图６所示㊂对于粉碎机获得物料，其葡萄糖和木糖的得率随着粒径尺寸减小而增加，Ｆ５木糖得率与Ｆ４基本相同，葡萄糖得率略高；与最小粒径Ｆ５相比，ＴＭＰ具有明显优势，其中葡萄糖得率比Ｆ５提高４６．１６％，木糖得率与Ｆ５基本一致㊂图５中Ｆ５与Ｆ４相比，虽然在预处理阶段损失了较高的葡聚糖，但经酶解处理后，葡萄糖的得率（图６）比Ｆ４提高了２％左右，说明缩减粒径尺寸有利于提高物料的反应性能㊂ＴＭＰ虽然得率略高于最小粒径Ｆ５，但其化学处理过程中木质素去除率与Ｆ５相比提高３１．９３％，再经酶解处理，葡萄糖得率提高
５４．１９％㊂
图５㊀化学预处理三组分去除率
Ｆｉｇ．５㊀Ｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｏｆｔｈｒｅｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ
ｉｎｃｈｅｍｉｃａｌ
ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ
图６㊀化学处理后酶解得率（对未处理原料）
Ｆｉｇ．６㊀Ｅｎｚｙｍａｔｉｃｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓｙｉｅｌｄａｆｔｅｒｃｈｅｍｉｃａｌｔｒ
ｅａｔｍｅｎｔ（ｆｏｒｕｎｔｒｅａｔｅｄｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｓ）对于粉碎机获得的不同尺寸大小的物料Ｆ１ Ｆ５，尺寸越小，越有利于反应的进行，最小粒径Ｆ５（ɤ０．１８ｍｍ）具有最优的反应性能，经化学预处理后，三大组分的降解率之和最高，酶解后葡萄糖㊁木糖得率最高㊂依托化学机械浆生产线获得的ＴＭＰ，在机械挤压力㊁摩擦力㊁剪切力的作用下，缩减原料尺寸的同时将致密的纤维束结构解离开，反应性能优于粉碎机生产的最佳（最小）尺寸Ｆ５，在ＡＨＰ化学处理阶段木质素的去除率达到４４．１％，葡萄糖得率达到５４．５６％，且其反应性能良好，更利于后续生物质组分的分离与应用㊂
２．４㊀微观形貌分析
化学预处理前不同原料放大１００倍的扫描电
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