摘 要

芒草作为第二代生物质能源植物中的佼佼者,其与一般的能源植物相比,光合作用的速率和强度都更高,热值也更大，不仅纤维素和半纤维素含量明显高于其他纤维植物,而且对土壤、水和肥料的依赖程度小,对环境的适应能力极强。因此芒草被公认为是极具潜力的可再生能源植物，受到了各国科研工作者的特别关注。本文主要综述了芒草的国内外研究进展以及木质纤维素降解技术的研究现状,总结并展望了可再生生物质能源芒草的发展前景。

关键词：芒草;能源植物;木质纤维素;降解;纤维乙醇

Abstract

As the second generation of biomass energy plant, compared with the general energy plants,photosynthesis rate and intensity of miscanthus are higher and the calorific value is bigger, not only of cellulose and hemicellulose content is significantly higher than the other fiber plants, and the degree of dependence on soil, water and fertilizer is small, the ability to adapt to the environment is strong.Therefore, it is recognized as a renewable energy plant with great potential and has received special attention from researchers in various countries.In this paper, the research progress of miscanthus and the research status of lignocellulosic degradation technology were reviewed, and the development prospects of miscanthus with renewable biomass energy were summarized and prospected.

Key Words：miscanthus; energy plants; lignocellulose; degradation; cellulosic ethanol

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 芒草简介 1

1.2.1 芒草种类及分布 1

1.2.2 芒草的生物学特性 2

1.2.3 芒草作为能源植物的优势 2

1.3 芒草资源的综合利用 3

1.3.1 芒草的能源化利用途径 3

1.3.2 芒草其它方面的利用价值 3

第2章 芒草木质纤维素结构研究 5

2.1 木质纤维素结构分析 5

2.1.1 纤维素 6

2.1.2 半纤维素 6

2.1.3 木质素 7

2.2 芒草木质纤维素的定量测定 8

第3章 木质纤维素降解技术研究现状 9

3.1 木质纤维素降解 9

3.1.1 纤维素 9

3.1.2 半纤维素 10

3.1.3 木质素 10

3.2 纤维乙醇的生物炼制 11

3.2.1 原料预处理技术 12

3.2.2 水解糖化技术的研究 16

3.2.3 纤维乙醇发酵工艺的研究现状 19

第４章　总结与展望 20

参考文献 21

致 谢 25

第1章 绪论

研究背景

众所周知,伴随着人类工业技术与规模的迅猛发展,其生产和使用的各种传统的化石能源日益减少,能源危机已经是当前全球共同面临的一大问题。不仅如此,化石燃料的大量开采和燃烧已经造成生态环境急速恶化，温室效应和酸雨等环境问题层出不穷。因此,可再生的清洁能源的寻求已经成为科研工作者们重点关注的方向。

据估计每年世界上大约都会有1000亿吨的植物有机物生成^[1],而木质纤维素生物原料大约占到了世界总生物质原料的50%，但它未能得到人类充分利用^[2],同时它还蕴含着巨大的天然生物质能^[3]。自然,如何将大量的木质纤维素从生物质原料充分转化过来成为生物质高附加值的产品,实现可再生资源的高值化综合利用,是长期以来科学界研究的一个热点问题。自第一次石油危机以后,可再生替代能源的意义和重要性逐渐被人类认识和重视了起来,之后逐渐催生了对生物质替代能源的研究和开发,例如巴西的"国家酒精"开发计划以及美国的"酒精饮料"开发计划^[1]等项目,生物质可再生的能源逐渐地进入了能源消费市场,现在早已发展成为了世界各国可再生能源发展战略布局的重要组成部分,比重也日趋提高和壮大。

生物质可再生资源的开发主要依赖于能源植物本身,故而人们在发展和利用生物质可再生资源需要在一个基本前提下完成,也就是开发出理想的优质可再生能源植物资源。因为芒草相比于其它能源植物,其含有的生物质产量高,热值高,对各种环境的适应能力强,所以芒草被密切关注^[4]。甚至欧洲的田间试验已经证明,在所有潜在的能源作物中,芒草每公顷可以产生最高的能源产量，因此许多国家近年来高度的重视和关注芒草相关的能源植物的科学研究与工业化开发^[5,6],这些无不充分证明着芒草相关的能源植物的工业化开发有着远大的前景。

芒草简介

芒草种类及分布

芒草(Miscanthus)是隶属于禾本科的一类多年生草本植物。全世界拥有17种野生芒草,主要包括中国芒、荻、南荻、五节芒、双药芒等,广泛分布在东南亚、太平洋群岛及部分非洲地区,现如今欧洲和部分北美地区的芒草产业也已经扩展推广到，并且其芒草相关的生物质能源工业的研究十分领先^[7]。我国是世界上芒草资源含量最丰富的国家之一,其中南荻为我国特有的芒草种类 ^[8]。

芒草的生物学特性

芒草植物是多年生禾本科的植物,异花传粉、自交不亲和,寿命一般为18-20年,芒草根系发达且地下的根茎粗壮。芒草茎秆直立中空具有多节,高度也从1m～7m之间不等。芒草叶扁平狭长且叶缘小呈锯齿状。

芒属植物的染色体基数为19，但存在同源和异源多倍体分化的现象。欧美重点研究的芒草品种奇岗(Miscanthus✕Giganteus)为3倍体(3n=3x=57),是中国芒(2倍体)和荻(4倍体)的天然杂交后代且比亲本品种更加高壮，因而得到特别关注^[9]。

芒草作为能源植物的优势

芒草之所以能成为第二代能源植物里的佼佼者,备受科研工作者关注,究其原因是因为芒草自身拥有能成为理想能源植物的许多优秀特质。芒草与其它能源植物的特征比较如表1.1。

表1.1 芒草与其他能源植物的比较^[3]