氨纤维膨胀（AFEX）预处理利诺纤维素生物量

氨纤维膨胀预处理，也称为AFEX，是一种化学处理方法，可用于从植物细胞壁（也称为木纤维素生物量）中产生可再生燃料、化学品或动物饲料。虽然AFEX已用于各种纤维素材料，但它对草地和草本农业残留物最有效。在AFEX期间，高浓度氢氧化铵与生物量发生反应，以打破植物细胞壁中的酯连接，将纳米引入微尺度孔隙。

这有利于细胞壁多糖的酶解构。最终结果是植物材料更容易生化转化为燃料和化学品，或可用作高度可消化的动物饲料。与其他预处理流程相比，AFEX 具有许多关键优势。

首先，AFEX的用水量低，是相当独特的，因为它产生一个大部分干燥的材料，可以密度化和容易运输。AFEX 工艺还生产少量微生物抑制剂，如毛皮，使其与微生物发酵过程高度兼容。也可以回收大部分预处理化学氨，从而提高工艺经济性。

在位于密歇根州兰辛的MBI试验工厂，试验规模AFEX预处理和氨回收已证明为每天1吨。以下协议将描述AFEX过程的实验室规模操作所涉及的步骤。展示这种技术将是雅各布阿瓜多，在我们的研究小组工作的本科生之一。

首先，使用水分分析仪确定未经处理的生物量的水分含量。称出25克生物质，并使用喷雾瓶，使用蒸馏水调整植物生物量的水分含量，以达到您的目标水分含量。对于玉米棒，这通常是每克干生物质 0.6 克水。

用手混合样品。通过在反应器管底部放置盖和特氟隆垫片来组装反应器主体。将湿生物质转移到组装的反应堆基座上，并在生物质的顶部放置一个玻璃羊毛塞。

将特氟隆垫片放在反应器顶部。确保该区域没有生物量和玻璃羊毛，这些物质和玻璃羊毛可以防止有效的密封，并通过玻璃羊毛和生物质将反应器头放在顶部操纵热电偶上。使用棘轮均匀地将夹子螺栓固定在反应器顶部。

称重反应器并记录重量。确认所有设备已接通并可操作，将计时器设置为每个反应器和要运行的样品所需的安装时间。打开可编程注射器泵，设置氨输送方法，方便起见。

验证进入和退出小型氨气缸的所有阀门是否已关闭。如果以前使用过气缸并含有残留氨或氮气，则缓慢打开小氨气缸顶部的阀 A，以排出任何氮气，并在液氨开始喷出后关闭阀门。要填充小氨气缸，请打开大型无水氨气缸和氨管管内所有阀门。

在小氨气缸顶部附近缓慢打开阀 B，直到压力稳定。等待五分钟，然后继续执行下一步。关闭氨罐和从左到右工作的小型氨气瓶之间的所有阀门，然后从小气缸阀 B 开始，在氨罐顶部的主阀上完成。

将氮调节器设置为 350 psi。打开氮气缸上的阀和附加调节器上的阀。打开小氨气缸上的阀 C，在压力下缓慢添加氮气。

通过调整调节器上的设定点，根据需要将小油缸的压力调整到 350 psi。在分配氨时保持氮管打开。对于大于 100 摄氏度的反应温度，您需要在添加氨之前预热生物质和反应器。

将温度监视器插入热电偶，将加热胶带插入温度控制器。手动调节温度控制器，使反应器温度达到 60 摄氏度。根据所需的氨负荷和先前确定的氨校准计算所需的氨量。

在注射器泵中设置方法，通过打开和关闭氨气缸底部的阀门朝排气口和注射器泵管上的阀门，从小氨气缸和注射器泵之间的管路中残留氨。断开反应器与温度监视器和温度控制器的连接。将反应器连接到快速连接。

打开阀 D 朝向小氨气缸，阀 E 朝向小氨气缸。按下泵上的绿色箭头以启动序列，然后将氨吸入注射器。当注射器在等待期间自动停止时，将注射器阀转向反应器和反应器进气阀，以便它指向快速连接阀。

延迟后，注射器将开始注入，在设定点自动停止。关闭反应阀和阀 D.打开阀 F 以从注射器中释放残余氨，然后关闭阀 F 并关闭阀 E.打开阀 D 朝排气口关闭，然后在残余氨离开后关闭。戴上低温手套时，请将反应器从快速连接上拆下。

小心潜在的氨喷雾。启动相应反应器的计时器。称量反应器单元，以验证是否根据电子表格计算添加了适当的氨重量。

将温度监视器插入热电偶，将加热胶带插入温度控制器。记录添加氨后反应器的初始温度和压力。手动调节温度控制器，使反应器达到设定温度。

目标是在五分钟内到达设定点。每三分钟记录一次反应器的压力和温度，直到居住时间结束。在居住时间结束时，断开反应器与温度控制器和热电偶的连接，将反应器从支架上拆下，然后缓慢打开烟气罩内的球释放阀。

在此步骤中，始终佩戴面罩。让反应器冷却几分钟后，使用棘轮扳手打开反应器中的夹子。在烟罩内从反应器中卸载生物质和玻璃羊毛。

为了防止残留氨蒸发时生物质的空气中污染，最好在通风空间内封闭的干燥箱内干燥生物质。如果仍然打开，则关闭所有打开的阀门并连接到氨气缸和氮气管线上的所有阀门。在 AFEX 预处理后，生物量的颜色会变暗，但在视觉上保持不变。

AFEX 除了本协议中概述的材料外，还可在各种尺度上生成高度易消化的材料。我们使用 200 毫升包装床台秤系统、5 加仑搅拌动力反应堆和 MBI 的先导反应器预处理相同的玉米 stover 样品，该反应堆每天能够处理 1 吨生物质。两个较小的反应堆使用的条件是每克干生物质1克氨，每克干生物质0.6克水，在100摄氏度下30分钟。

试验规模AFEX在相同条件下对同一材料进行，但氨负荷为每克干生物质0.6克氨。样品在6%葡萄糖负荷、5摄氏度、50摄氏度和250转/分的震动培养箱中以72小时进行酶水解。酶的商业鸡尾酒被加载，包括60%大提琴酶和40%半纤维素酶，每克葡萄糖15毫克的酶蛋白。

我们的结果表明，与未经处理的生物量相比，AFEX预处理可显著提高可发酵糖的产量。此外，使用这三种工艺预处理的生物量的72小时水解产量相互可比。按照AFEX工艺，预处理材料可以无限期地储存，只要它们保持干燥，并用于各种转化实验，如高固体酶水解和发酵，综合生物处理或动物饲料试验。

实施AFEX期间，一个关键的考虑因素集中在安全使用无水氨。AFEX 实验应始终在通风空间内进行，研究人员应采取适当的安全预防措施，防止氨暴露，并熟悉在紧急情况下如何应对。总之，氨纤维膨胀预处理是减少生物质顽固性，并更有效地利用可再生植物原料生产燃料、化学品和动物饲料的一种很有前景的方法。