Pretreatment of lignocellulosic materials

Pretreatment of lignocellulosic materials for efficient bioethanol production

Galbe, M. and G. Zacchi
Dept. of Chemical Engineering, Lund University, P.O. Box 124, 221 00 Lund, Sweden

摘要

第二代生質酒精（Second-generation bioethanol）以各種木質纖維素材料（lignocellulosic materials）為料源，具有替代、補充汽油之潛力。第二代生質酒精製程之關鍵，在於如何把纖維素（cellulose）及半纖維素（hemicellulose）水解成單體醣（monomer sugars）。最有可為之作法，是利用酵素（enzymes）將纖維素水解成葡萄糖。然而，要能讓木質纖維素材料可以為酵素親近（Accessible），需要各式各樣之前處理。最近幾年，已發展出許多種前處理方法，其中可為者，如酸前處理、鹼前處理等。這裡頭，有些方法已經被證實，以農業廢棄物（agricultural residues），如玉米秸桿（corn stover）為料源，產糖率可達理論值之90%以上。對於一些較為頑固之料源，如軟木，如採用酸前處理或加酸之蒸汽爆裂前處理，也可以獲得相當高之糖與酒精產率。然而，要精確地去比較不同之前處理法，需要在真實之製程條件下，進行評估方法之改進。針對不同之料源所予以之不同前處理方法之績效，必須從整株作物（whole crop）之角度來評估。到底是要從前處理液回收之單體醣（monomer sugars）或寡聚醣（oligomer sugars）？或從留在前處理物之半纖維素？來評估半纖維素醣（hemicellulose sugars）在前處理過程所受到之衝擊程度？是要看已溶解入前處理液之木質素（lignin）？或要看還留在前處理物之木質素？抑制物（inhibitory compounds）組成與濃度？等等，都將影響後續之酵素水解要如何進行？例如，需不需要hemicellulases？木質素要如何回收？或當作木質素副產品（lignin co-product）使用？

1. Introduction

當前有許多國家把「由renewable source取得liquid fuel，替代gasoline」當作一個最優先之目標。之所以要如此，其目的不外乎想要有一個安全且永續之能源供給，並減少溫室效應。在European Union（歐盟，EU），其運輸部門完全依賴進口之石化汽油，極易受到市場波動影響，體質非常脆弱。再者，運輸部門也是CO2排放量增加之主要源頭。因此，在歐盟有一個激勵biofuels使用之Directive，該Directive設定了「biofuels替代gasoline與diesel之比例，將由2005年之2%，提高到2010年之5.75%」之目標。

未來20年，Bioethanol之來源與挑戰
未來20年，bioethanol預計將成為用於運輸部門之主要renewable biofuels之一。在巴西、美國與一些歐洲國家，已有大規模之推動。Bioethanol可由各種料源生產，其優點包括：（1）non-toxic；（2）易導入existing infrastructure；（3）可與gasoline低度混合（E5、E10）或高度混合（E85）；（4）可單獨作為潔淨燃料。當前，多數之bioethanol係產自sugar或starch-based agricultural crops，稱之為「第一代生產技術」。雖然，它們具有成本競爭優勢，但所用料源卻開始出現「不足以因應需求增加之要求」；意即，料源開始出現供不應求之問題；加上以sugar或starch-based agricultural crops產製酒精，對於溫室氣體之減量效果也不如預期。

以lignocellulose feedstocks產製bioethanol－第二代生質酒精
面對挑戰，最有希望之選擇之一，就是採用lignocellulose feedstocks，如農業、森林廢棄物（wheat straw、sugar cane bagasse、corn stover、sawdust、thinning rests）及專用作物（柳、柳枝稷）等作為料源，產製bioethanol。也就是所謂之「第二代生產技術」。以Lignocellulose feedstock作為料源，具有料源豐富、溫室氣體淨排量非常低，可降低對環境之衝擊等優點。

第二代生質酒精之成本問題
第二代生質酒精要能與gasoline競爭，就必須大大地降低成本。由於Bioethanol之整體生產成本（overall production cost）主要來源有二，一為料源（raw material），二為酵素之生產（enzyme production），因此整株作物（whole crop）都能被有效地使用是必要的－意即，ethanol之產率要能最高，料源之碳水化合物（carbohydrate）（hemicellulose 與cellulose）都要被全部水解及發酵，且剩餘之lignin之「產率」也必須要很高。然而，要讓纖維素及半纖維素水解成單體醣，且產率要高，困難嗎？比起使用sugar-或starch-containing crops作為料源，當然是難度很高。

第二代生質酒精之製程
第二代生質酒精之製程，可以分成六個主要步驟：（1）hydrolysis of hemicellulose；（2）hydrolysis of cellulose；（3）fermentation；（4）separation of lignin residue；（5） recovery and concentration of ethanol；（6）waste water handling。其中，關鍵之步驟為hemicellulose及cellulose之水解（醣化）與發酵。從生質酒精之製程來看，降低生產成本之因素包括（1）有效地使用料源；（2）蒸餾及脫水階段（distillation and evaporation）之進料濃度要高；（3）運用製程整合以降低投資成本及能源需求。在降低能源需求部分，可將部分木質素焚燒，提供製程所需熱源與電力，並將剩餘部分當作co-product賣掉，運用於heat及power，以增加整個系統之能源效率－即讓內部能源需求最小化、固態燃料產出最大化。

酵素水解製程
半纖維素及纖維素之水解（醣化）方面，利用酵素催化降解纖維素、轉換成葡萄糖之酵素水解製程（enzymatic process）已經被認為是最具吸引力之方法。然而，要利用酵素將纖維素轉換成葡萄糖，除非導入前處理，否則其過程將會是非常緩慢的。原因？就在於纖維素被交織成網之半纖維素及木質素保護著，酵素難以接近。

前處理及其特徵
要化解纖維素難以被酵素接近之難題，對料源進行「前處理（pretreatment）」，可能是一個最關鍵之步驟。從後續之製程步驟，纖維素之可消化性、fermentation toxicity、stirring power requirements及 energy demand等觀點，前處理對製程之其他步驟，如enzymatic hydrolysis、fermentation、downstream processing 及wastewater handling等，都有很大之影響。一個有效之前處理，必須具有之特徵或達成下列目標：
○高碳水化合物回收率。
○讓纖維素於後續酵素水解製程，呈現高消化性。
○無或最少糖及木質素之降解產物。
○可不經去毒，直接將前處理液予以發酵。
○前處理物之回收率高，且前處理液之含糖濃度高。
○低能源需求，或能源可於其他process再利用，作為secondary heat。
○低投資及營運成本。
其他，還包括：（1）如果半纖維醣可在前處理過程釋出，並為單體醣，則水解階段就可以省略hemicellulases；（2）如果木質素不被氧化，且可與纖維素分離，就可以減輕水解脢（cellulase）在水解階段被束縛在木質素上之困擾。

2. Assessment of Pretreatment 前處理方法之評估

比較前處理結果之參數：severity factor
前處理條件及其對糖或乙醇產率等關鍵變數之影響，透過一種簡單之方法加以評估，以判斷前處理之結果，是必要的。在眾多關於生質物前處理之討論中，「severity factor」已被當作一種「指標」，用來比較前處理結果。雖然「severity factor」不能精準衡量前處理之嚴苛程度，卻可達到粗估之目的。Severity correlation為前處理時間及溫度之函數，用以描述前處理之嚴苛程度：
log(Ro) = log (t•exp ((T-Tref)/14.75)) Tref = 100˚C.
當前處理是在有「酸」之條件下進行，則pH要納入考慮：
Combined severity (CS) = log(Ro) – pH
研究顯示：當前處理條件越嚴苛，則越容易造成半纖維素醣之降解。雖有如此負面效果，然高嚴苛條件（high severity）之前處理，又是強化纖維素可消化性所不可或缺。那麼，理想之前處理又如何？當然是（1）讓半纖維素水解成單體醣，又不會造成降解；（2）增加纖維素之孔洞尺寸，降低結晶度，強化可消化性。然而，要兩者都全部滿足可能嗎？以目前之技術，在同一pretreatment severity下，是困難的！

評估前處理之方法
常用來評估前處理如下：
○分析前處理液之單體及寡聚醣含量及前處理物－不溶解於水之固體物（water-insoluble solids, WIS）之組成，藉以評估前處理階段之碳水化合物（纖維素及半纖維素）之回收率。
○對有水洗或無水洗之前處理物（WIS）予以酵素水解。
○對前處理液予以發酵，以評估前處理對酵母菌（fermenting microorganism）之抑制性。意即，藉以檢視前處理過程有無產出抑制物，影響發酵。
○對whole slurry（前處理物及前處理液混合之漿狀物）或水洗之前處理物予以同步醣化及發酵。

酵素之使用
以酵素水解來評估前處理，使用之纖維水解脢（cellulases）為外切型纖維水解脢（cellobiohydrolases）及內切型纖維水解脢（endoglucanases）之混合物，並輔以β－葡萄糖苷脢（β-glucosidase）。外切型纖維水解脢主要用於分解結晶型之纖維素，由還原端Reducing ends或非還原端Non-reducing ends將纖維素以纖維雙醣為單位予以分解。內切型纖維水解脢則用於纖維素分子內部之非結晶區，隨機水解其中之β-1,4-glucosidic linkages，並將長鏈纖維素分子切斷，產生大量具有還原性末端之小分子纖維素。β-glucosidase非cellulase，用以將纖維雙醣（cellobiose）或短鏈之纖維寡醣Cellooligosaccharide自非還原端起，以葡萄糖為單位予以分解，降低纖維雙醣對於內切型纖維水解脢或外切型纖維水解脢活性之抑制作用。相對cellulase而言，纖維雙醣是一種end-product inhibitor。也別忘了，葡萄糖是β-glucosidase之抑制物，會對β-glucosidase產生抑制作用。由於酵素會被終端產物（end product）抑制，故終端產物之集結對酵素水解之影響是負面的。纖維水解脢及 β－葡萄糖苷脢之最佳條件：50 ± 5˚C、pH 4.0–5.0。然最佳之酵素水解條件，會因水解時間及酵素之來源不同而異。

酵素水解用於評估前處理
透過酵素水解評估來前處理，其條件包含基質濃度、酵素劑量、溫度及攪拌速度等。其中，最常使用之條件為：（1）以洗過之前處理物為料源；（2）.基質濃度為2 wt %或1 wt %。在這種條件下，可能可以看到最高之纖維素消化性及葡萄糖產率，然因所用之基質是洗過的，避掉可能於前處理階段產生之終端產物，迴避這些產物對纖維水解脢之抑制作用，無法完整顯現前處理之效果－因為前處理之完整效果，除了讓纖維素之可消化性提高，有利於後續之酵素水解效率外，還包括了抑制物之產出要最低。

以全漿狀物（whole slurry）作為基質
從製程之全貌來看，為降低後續製程－蒸餾及脫水階段之能源需求，能在水解及發酵後，獲得較高之糖及乙醇濃度，會是個關鍵。為了在大規模之運轉裡，達到增加糖濃度之目標，最好在前處理後，就使用全漿狀物（whole slurry）作為基質，省卻會導致稀釋效應之separation steps。為符合酒精回收階段之能源需求（當然是投入越低越好），酵素水解階段之基質濃度可能得超過10 wt %。為模擬近似實際製程之條件，可於前處理後，將漿狀物稀釋至所要之濃度，如10 wt %，再予以酵素水解。如此一來，也可以看看抑制物之作用。然，記得：在高基質濃度下，因糖濃度提高，酵素不免會受到終端產物－葡萄糖之抑制。

評估抑制物對微生物之影響
為評估抑制物對發酵用微生物之影響，常直接對前處理液予以發酵或先就有水洗或無水洗之WIS（前處理物）予以酵素水解，再將水解液發酵。由於酒精產率不僅與糖產率有關，也與水解液之可發酵性有關。攸關水解液可發酵性之抑制物，其抑制作用與前處理階段釋出之可溶性物質（soluble substances）濃度有關。這些可溶性物質一部分是存在料源內者，如醋酸（acetic acid）；一部分是在前處理階段形成。部分出現在漿狀物內之物質，有五碳醣（pentoses）及六碳醣（hexoses）之降解產物，如糠醛（furfural）及羥甲基糠醛（Hydroxymethylfurfura, HMF）。其中，furfual可進一步形成甲酸（formic acid）或再聚合化（polymerize）。HMF可能轉換成甲酸及乙酰丙酸（levulinic acid）。某些前處理方法，也可能形成lignin degradation products。以上這些可能於發酵階段面對之醋酸acetic acid、糠醛furfual、羥甲基糠醛HMF及其他抑制物之濃度，則與發酵前之製程（前處理）有關。若發酵之水解液含糖濃度過低，或水解液之可發酵性太差，造成產出之酒精濃度過低，例如低於4~5 wt %，則後續蒸餾、脫水純化過程所需之能源，將會隨酒精濃度之降低而增加。因此，評估前處理液之可發酵性就顯得很重要。如何進行可發酵性試驗（Fermentability test）？可直接拿前處理後取得之前處理液或經稀釋後之前處理液，予以發酵。至於要稀釋到何等濃度？以最適宜於最終製程（應指蒸餾、脫水純化階段）所對應之濃度為準。

同步醣化與醱酵（Simultaneous sccharification and fermentation, SSF）用於評估前處理
另一種評估前處理之方法，就是拿稀釋後之漿狀物或經水洗後之前處理，直接進行同步醣化與醱酵。其中，基質濃度約為 5% 或更高一些。由於是採用SSF，過程中，水解產出之葡萄糖立刻被微生物（酵母菌）發酵成酒精，可有效移除葡萄糖及葡萄雙醣之抑制作用。由於對酵素有害之抑制物被微生物轉化掉了，所以SSF之整體酒精產率會高於分開酵素水解與醱酵（Separate Hydrolysis and Fermentation, SHF）。順便一提者，以SSF評估前處理時，SSF之變數包括：基質濃度、酵素劑量、微生物（酵母菌）劑量等。

評估比較前處理之困境
必須一提者，不同實驗室之配置與條件不同，以「存在之不同」為基礎去比較不同之前處理方法，自然有其困難；除非，評估之方式是絕對地相同。然而，即便採用之評估方式是絕對地相同，一但使用之評估方式不適用被評估之對象時，所下之結論也可能是不正確的。例如，對於可能產生大量oligomer hemicellulose sugars之前處理方法，若評估方式是在酵素水解階段使用 hemicellulases（專攻半纖維素之酵素），而非只用纖維水解脢（cellulases），則會得出特別有利於該前處理方法之結論。

3. Pretreatment Methods 前處理方法

前處理方法可大概分類為physical pretreatment（milling、grinding、irradiation）、chemical pretreatment（鹼前處理alkali、稀酸前處理dilute acid、氧化劑前處理oxidizing agents、有機溶液前處理organic solvents）、physicochemical pretreatment（蒸汽爆裂前處理steam pretreatment/autohydrolysis、高壓熱水前處理hydrothermolysis 、濕式氧化前處理wet oxidation）及biological pretreatment。有些前處理是混合或綜合的，很難去歸屬為那一類，故有將「混合或綜合之前處理方法」稱為綜合式或physicochemical。
○以酸為基礎之前處理，將半纖維素水解成單體醣，減少酵素水解階段之hemicellulases需求。
○中性條件為基礎之前處理，如蒸汽前處理（或稱蒸汽爆裂前處理）、高壓熱水前處理（hydrothermolysis），藉由從半纖維素釋出之酸，如醋酸，將半纖維素溶解，唯並未將半纖維素轉換為單體醣，因此酵素水解階段需要hemicellulases來處理半纖維素b溶解釋出之寡聚醣。
○以鹼為基礎之前處理，將部份或幾乎全部之半纖維素留在前處理物中，因此酵素水解階段需要hemicellulases來處理前處理物中或已溶解之半纖維素。

3.1 物理式前處理方法

透過chipping、milling、grinding等物理式前處理方法，可將生質物碎裂為顆粒，增加纖維素之接觸面積，助益於後續之酵素水解。為達到料源得以在酵素水解階段有較高之可消化性，採用物理式前處理方法，可能相當耗能，且可能超過生質物所能提供之理論能量。使用擠出機（extruder）並與加熱或添加化學品相結合之物理式前處理方法，可能是一種有趣之選擇。另一種已被建議之物理式前處理方法為利用gamma rays照射。透過gamma rays照射，切開β-1,4-glycosidic bonds，可獲得較大之表面積，較低之結晶度。然，這種方法被認為是一種非常昂貴之方法，且被懷疑是否為環境友善之技術。

3.2 化學式前處理方法

鹼前處理
鹼前處理：將料源泡在鹼性溶液（alkaline solution），如NaOH，將纖維素孔徑撐開（膨脹），然後加熱一段時間。「撐開或膨脹」這個動作，可增加內部面積，降低聚合度（degree of polymerization, DP）及結晶度（crystallinity）。鹼前處理過程，大部分之木質素常伴隨部分之半纖維素被溶解。相當大比例之半纖維素糖為寡聚醣（oligomers sugar）。鹼前處理之動作，主要在於切開木質素與碳水化合物（纖維素及半纖維素）之鍵結，打斷木質素之結構，讓碳水化合物易於被酵素攻擊。由於鹼前處理之行為，主要為「去木質化（deligniﬁcation）」，因此特別適用於含木質素較少之農業廢棄物及草本作物，而不適用於木材。以軟木而言，其木質素含量高，鹼前處理之效果很低，甚至沒有。

Lime前處理
Lime前處理是一種鹼前處理，是採用石灰，而非採用NaOH之前處理，特別適用於農業廢棄物或硬木材料。

稀酸前處理
稀酸前處理：將物料浸泡在稀酸中，加熱至140~200˚C，並持續幾分鐘至一個小時。常見之酸前處理，是採用濃度低於4 wt %之H2SO4，具有價廉且有效等優點。酸前處理中，半纖維素被水解，並以水解成單體糖為主。酸前處理者，易形成有毒物質，影響後續發酵製程。

溶劑前處理
溶劑前處理：利用有機或含水有機溶劑之混合溶劑，加上無機酸觸媒H2SO4 或HCl，用來切斷木質素及半纖維素之鍵。溶劑前處理過程，水解之木質素被溶解，並可於organophilic phase回收。由於溶劑有如抑制物（inhibitor），故酵素水解及發酵前，必須先經水洗。使用之溶劑有methanol、ethanol、acetone、ethylene glycol、triethylene glycol 及phenol等。這些溶劑具爆裂性、易燃性，不易掌握。

3.3 物理化學式前處理方法

歸類為物理化學式前處理（physicochemical pretreatment method）方法者，為介於或混合物理式及化學式前處理方法者。

蒸汽前處理
蒸汽前處理（steam pretreatment）：將物料置於高壓飽和蒸汽，溫度為160 ~ 240˚C（相當於6 ~ 34 bar之壓力）下，停留數秒至幾分鐘，然後釋壓；又稱為蒸汽爆裂前處理（steam explosion pretreatment），是最常用之前處理方法。因為大家相信，就是那個作用在纖維上之「爆裂（explosive）」動作，讓lignocellulosic materials易於被水解。另，研究證實，蒸汽前處理之效應是來自於半纖維素之酸水解，而這也就是為何有部分cellulosic materials特別容易被切斷（break down）。因此，農業廢棄物及含有機【酸】之硬木特別適宜採用蒸汽前處理，裡頭之【酸】就成為半纖維素水解之催化劑。蒸汽前處理過程，半纖維素溶解並形成寡聚醣及單體醣（可於前處理液中測得）。留在前處理物之纖維素，也變得易被酵素接近。然而，我們必須承認：要找到同時符合（1）high yields of both hexose and pentose sugars；（2）easy to hydrolyze cellulose to glucose之最佳條件很困難。除非，將前處理分成two steps（到底是two stages？two steps？stage = step？這本書是沒有交待清楚，且有前後不一之情形。是一個stage內之two-steps，1st step先泡H2SO4或SO2，2nd step予以蒸汽前處理。），第一階段之嚴苛程度較低，以獲得高之半纖維素醣回收率為目標；第二階段之嚴苛程度較高，以讓纖維素易於被水解成葡萄糖為目標。

蒸汽前處理＋酸催化
利用酸，如H2SO4或SO2作為催化劑，可提升蒸汽前處理之效果。使用酸，不僅可增加半纖維素醣之回收率，亦可加強前處理物之酵素水解效果。在蒸汽前處理過程，以酸作為催化劑所產生之作用，相當於高基質濃度下進行之稀酸水解（dilute acid hydrolysis）。蒸汽前處理加上酸催化，特別適用於軟木之前處理。蒸汽前處理加上酸催化之製程已接近商轉，目前正在被廣泛之測試中，例如：（1） NREL pilot plant in Golden（http://www.nrel.gov/docs/fy00osti/28397.pdf）；（2）SEKAB pilot plant in Örnsköldsvik (Sweden)（http://www.iogen.ca/company/facilities/index.html）；（3）demonstration-scale ethanol plant at Iogen in Ottawa (Canada)（http://www.iogen.ca/company/facilities/index.html）

濕式氧化前處理
濕式氧化前處理（Wet oxidation pretreatment）：以水及空氣或氧，於溫度120˚C以上，有時加上鹼作為催化劑。研究顯示，由於大部分之木質素被氧化與溶解，導致產率隨木質素含量之增加而降低，如同鹼前處理，濕式氧化前處理適用於低木質素含量之料源。如同其他「去木質化（deligniﬁcation）」方法，木質素無法回收作為固體燃料，大幅減少出售副產品之收入。

AFEX前處理
AFEX（Ammonia ﬁbre explosion）前處理是一種高壓下之鹼前處理，類似於蒸汽前處理。於低於100˚C，高於3 MPa下，使用液態阿摩尼亞（liquid ammonia）處理，約10–60 min。一般而言，每公斤之乾料源，約需使用2公斤以上之阿摩尼亞。由於阿摩尼亞於大氣壓下易揮發，故可於前處理後，透過降壓予以回收。AFEX前處理過程，只有少部分物料被溶解，意即，幾乎沒有木質素或半纖維素被移除，但材料之結構卻有所改變，增加含水能力及可消化性。如同鹼前處理，AFEX前處理特別適用於農業廢棄物，卻尚未證實適用於高木質素含量之木材料。AFEX前處理不會產生影響後續製程之抑制物。

ARP前處理
ARP（ammonia recycle percolation）前處理：於150–170˚C下，將含水阿摩尼亞（aqueous ammonia）通過biomass，然後回收。ARP前處理為一有效之去木質化（deligniﬁcation）方法，適用於硬木及農業廢棄物，對軟木之效果有限。

3.4 生物式前處理方法

生物式前處理（Biological pretreatment）：採用降解木質素之微生物（lignin-degrading microorganisms），如白腐真菌（white rot fungi）及軟腐真菌（soft rot fungi），前者主攻木質素，後者主攻半纖維素、次攻木質素。生物式前處理係於較低溫度下操作，且不添加化學劑，咸認為具環境友善及省能等優點。然，生物式前處理過程速率非常緩慢，加上微生物會吃掉半纖維素及纖維素，造成物料流失，不符合產業需求。不過，生物式前處理還是可以考慮當作最前置之步驟，之後再接續其它前處理方法。

4. Results from Pretreatment Studies

可適合用來產製酒精之材料很多，它們可大致分成三大類：農業材料、硬木材料及軟木材料。綜合不同材料之前處理結果，必須特別強調者，從某一種材料所得到之結果，不必然就可以適用到另一種材料。過去30年，已經針對許多不同之材料及其使用之各種前處理方法，有過探討。如楊樹、柳樹和白楊等硬木材料，其他還有稻桿、蔗渣及橄欖樹木等。以下以農業廢棄物－玉米秸稈（corn stover）及軟木－雲杉為料源，深入討論不同前處理方法之結果。

4.1 Corn Stover
4.2 Softwood Species
4.3 Two-Stage Pretreatment

為何要採二階段前處理（two-stage pretreatment）
從玉米秸稈（corn stover）及軟木之前處理討論顯示：要獲得甘露糖（mannose）－軟木之主要半纖維素糖及葡萄糖之最高產率，與要讓纖維素在後續酵素水解步驟具有最大可消化性，是不可能兼得地。因此，提出「二階段蒸汽爆裂前處理（two-stage steam pretreatment）」之建議。在First stage裡，於較低嚴苛程度下將半纖維素水解；在Second stage裡，於較高嚴苛程度下讓經First stage處理過之前處理物（solid material）再處理一次。

二階段前處理之研究
二階段酸前處理之研究已有很多，然，關於二階段蒸汽爆裂前處理之討論卻很少。Soderstrom et al.之二階段蒸汽爆裂前處理研究，有（1）二個階段都使用SO2或H2SO4浸泡（impregnation）；（2）第一階段以H2SO4浸泡、第二階段以SO2浸泡者。其中，二個階段都使用SO2或H2SO4浸泡者，糖產率最高。泛用之前處理條件下，每100 g料源，糖產出約可達50 g。除了糖產率外，也要關心者為可發酵性。研究顯示，先以H2SO4浸泡，再行高嚴苛程度（高溫、長駐留時間）前處理者，其所得物料不具可發酵性；反之，先以SO2浸泡者，不管嚴苛程度高低，所得物料均具有可發酵性。二階段前處理，酒精產率優於單階段前處理者，所需酵素劑量也較低；然，缺點為高投資成本及高能源需求。

5. Conclusions

過去10年，已研發不少前處理方法，且透過這些前處理方法，獲得高糖產率，甚至高酒精產率。然，這些結論大部分是使用較小規模之批次式設備，且酵素水解之評估也常是於低基質濃度下進行。

由於評估前處理方法之方式不同，要以目前為止所掌握之資料來比較前處理方法誰好誰劣，確實會是一個問題。不僅評估之方式不同，部分甚至不是以真實之製程條件為基礎。若要針對不同之料源所予以不同之前處理方法，進行績效評估，必須從整體製程之角度來看。例如，到底是要從前處理液回收之單體醣或寡聚醣？或從留在前處理物之半纖維素？來評估半纖維素醣在前處理過程所受到之衝擊程度？是要看已溶解入前處理液之木質素？或要看還留在前處理物之木質素？抑制物之組成與濃度？等等，都將影響後續之酵素水解要如何進行？例如，需不需要hemicellulases？木質素要如何回收？或當作木質素副產品使用？

對農業廢棄物而言，已有許多前處理方法可產生高糖產率；然而對木材而言，特別是軟木，可行之前處理方法卻不多。酸前處理及加酸之蒸汽爆裂前處理雖號稱可用於各種型態之料源，卻不免有高設備成本及易形成抑制物等缺點，必須進一步改進並與後續酵素水解整合，如改進混合酵素（enzyme mixtures），以降低前處理之嚴苛程度、降低設備成本及抑制物形成之機會。

要驗證前處理技術，下一步要做的是，將所有改進放到試驗規模之製程（pilot-scale process），並將所有步驟整合成一連續式試驗工廠（pilot plant）。唯有如此，才能針對前處理方法之評估，提供更完整之數據，也才能針對不同前處理條件如何影響到其它後續製程步驟，如酵素水解、發酵、downstream processing及wastewater treatment，產物及副產品之品質等，提供更好之訊息。