干法碱球磨预处理促进高固含量生物质高效转化为糖和乙醇：与传统球磨的对比研究

　　针对木质纤维素生物质高固含量转化过程中预处理能耗高、效率低的问题，研究人员开展干法碱球磨（NaOH-ball milling）预处理技术研究。通过优化碱添加比例（4% w/w）和球磨时间（30 min），在30%固含量下实现215.9 g/L糖浓度和96.19 g/L乙醇产量，较传统球磨效率提升77%–114%。该技术通过机械-化学协同作用突破木质素屏障，为生物燃料规模化生产提供新策略。

　　

木质纤维素生物质作为可再生资源，其转化为生物燃料的瓶颈在于顽固的细胞壁结构。传统预处理方法如酸/碱处理需大量水和热能，而单纯物理球磨（ball milling）虽适用于高固含量（≥15% w/w）但能耗巨大。更棘手的是，木质素（lignin）的存在会阻碍酶解效率，导致糖浓度难以达到经济阈值（8% w/w）。如何兼顾效率、成本和环境友好性，成为生物燃料产业化的核心挑战。

中国农业科学院的研究团队在《Fuel》发表论文，创新性地将干法碱球磨（dry alkali-ball milling）应用于玉米秸秆预处理。通过对比传统球磨，发现添加4% NaOH可缩短球磨时间至30分钟，并在30%固含量下实现215.9 g/L糖浓度，较传统方法提升77%–114%。发酵实验中，预糖化同步共发酵（Pre-SSCF）策略使乙醇产量达96.19 g/L，较传统工艺提升64%，同时减少处理时间。这一成果为高固含量生物质转化提供了低能耗、高效率的解决方案。

关键技术方法
研究采用干法碱球磨预处理玉米秸秆（山东滨州来源，含35.35%纤维素、20.01%半纤维素），对比不同NaOH添加量（0%–12% w/w）和球磨时间（30–90 min）对酶解效率的影响。使用Cellic CTec2（116 FPU·mL^?1
）进行高固含量（20%–30%）酶解，并通过酵母WXY74进行三种发酵策略测试：分步糖化共发酵（SHCF）、同步糖化共发酵（SSCF）和预糖化同步共发酵（Pre-SSCF）。

研究结果

Pretreatment optimization under 20% solids loading
酶解动力学显示，碱球磨样品（如A4-BM30）在6小时内糖浓度迅速上升，24小时达稳定。4% NaOH添加使30分钟球磨效果优于90分钟传统球磨，葡萄糖释放速率提升1.25–4.05倍。木质素部分溶解和纤维素结晶度降低是效率提升的主因。

Enzymatic hydrolysis under 30% solids loading
最优条件（A12-BM60）下糖浓度达215.9 g/L，粘度降低50%以上。碱处理显著改善浆料流变性，缓解高固含量导致的传质限制。

Fermentation performance
传统球磨在SHCF中乙醇产量为58.58 g/L，而碱球磨在Pre-SSCF中产量跃升至96.19 g/L。预糖化阶段（6小时）为酵母提供初始碳源，持续糖释放维持发酵活力，乙醇得率达理论值的83.2%。

结论与意义
该研究证实干法碱球磨通过机械-化学协同作用，同步实现粒径微细化（cellular scale）和木质素改性，突破高固含量转化的两大壁垒。其优势体现在三方面：

1. 能耗经济性：碱添加减少66%球磨时间，吨原料能耗降低40%；
2. 过程兼容性：Pre-SSCF策略适配快速糖释放特性，缩短发酵周期；
3. 产业可行性：215.9 g/L糖浓度和96.19 g/L乙醇滴度满足工业化最低要求（4% w/w乙醇）。

这项技术为木质纤维素生物燃料的规模化生产提供了新范式，尤其适用于水资源匮乏地区。未来研究可拓展至其他碱试剂（如KOH）和多样化生物质原料的适配性优化。