木质纤维素预处理技术研究现状与展望

木质纤维素是自然界中最丰富的可再生资源,可用于生产燃料乙醇、生物柴油等能源产品,也是制备化学品和造纸的主要原料。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,复杂的化学结构限制了其高效利用,故必须对其进行预处理,去除木质素、半纤维素等不可溶物质,从而使其更易被酶水解成可发酵的糖,进而提高木质纤维素的降解转化率。预处理技术可以改变木质纤维原料的内部结构和表面性质,为后续的酶解糖化创造良好条件。从物理、化学、生物、联合处理等4个方面全面综述了不同木质纤维素预处理技术的研究现状,总结了其预处理效果和优缺点,并展望了其未来的研究方向,旨在为木质纤维素生物质降解利用研究提供参考。     

木质纤维素预处理技术研究进展

木质纤维素转化燃料乙醇一般需要经过原料预处理、酶水解和发酵过程。由于木质纤维原料化学结构复杂、直接酶解效率非常低，一般在酶水解之前需要进行适当的预处理以打破其致密结构，增加纤维表面积，提高后续纤维素酶的可及性。预处理程度直接影响纤维底物后续酶水解的效果。本文在木质纤维素常用预处理技术分析的基础上，重点讨论了3种相对高效的预处理技术：微波辅助离子液体预处理、两阶段深度共熔溶剂（DES）预处理和氯化铁预处理技术，分析了它们的优势、不足及发展现状。文中指出微波辅助离子液体预处理可有效解构木质素和半纤维素，破坏纤维素结晶区域，利于后续酶解，但微波加热过程会使离子液体分解和部分底物碳化。两阶段DES预处理可有效提高酶水解效率，但是预处理后原料中残留的DES可能会对后续反应中纤维素酶和微生物产生抑制作用。氯化铁预处理可有效破坏木质素与碳水化合物间的结合键，脱除底物中的半纤维素，而对木质素和纤维素降解较少，具有很好的发展前景。由于单一预处理技术的局限性，寻求低成本高效的联合预处理技术将是未来重点发展的方向。     

植物基因工程对生物燃料生物质特征的改进

全球每年有多达10～50Gt的廉价植物纤维素可再生利用。美国年产40亿加仑的乙醇,大多数是以玉米为原料生产的。目前多数利用微生物产生的纤维素酶对植物纤维素进行降解预处理,去除木质素,转化为可发酵的糖,进而生产乙醇。发酵前预处理及微生物反应器产酶成本都比较高。最新的植物基因工程研究致力于改善这种状况,降低成本,利用植物自身产纤维素酶和木质素酶来降解纤维素和木质素,或者提高生物质总产量或在植株中增产纤维素。     

生物燃料的技术现状及研究趋势分析

生物液体燃料(燃料乙醇、生物柴油、生物丁醇等)是生物能源战略的重要组成部分,世界范围内产业化运作的液体生物燃料主要包括生物柴油和燃料乙醇。重点对生物柴油和纤维素乙醇这两种生物燃料的技术现状和技术研究趋势进行分析。工业生产生物柴油的主要方法是酯交换法,即利用动植物油脂和低碳醇在催化剂的作用下经酯交换反应生成脂肪酸酯。纤维素乙醇技术目前主要研究集中在开发可高效水解新型木质纤维素原料;开发新型温和预处理工艺;开发新型高效纤维素降解酶系;开发木质素高效利用产品;开发乙醇发酵基因工程菌株这五个方面。还对生物柴油和纤维素乙醇的研究趋势进行了方向性的分析。     

假木质素及其对纤维素酶的抑制效应研究进展

预处理是提高木质纤维生物转化效率的关键技术之一,但目前有效的预处理技术常导致碳水化合物降解,并生成对纤维素酶有抑制作用的物质。其中,假木质素是由碳水化合物降解产物进一步缩合而形成的具有三维立体、结构类似于木质素的物质。在纤维素的酶水解过程中,假木质素可对纤维素酶蛋白造成立体阻碍、静电吸附等作用,并降低纤维素的最终酶水解效率。深入研究假木质素结构特征及其对纤维素酶的抑制作用能够为提高纤维素基乙醇产率提供理论参考。     

固定化木聚糖酶的应用研究进展

木聚糖酶是半纤维素的主要生物催化剂,可将其主要成分木聚糖降解为木糖或低聚糖,木聚糖酶可广泛应用于食品、饲料、医药、能源等领域。固定化酶可以提高酶的使用效率,增加产物收率,降低生产成本,综述了木聚糖酶的性质,固定化酶的载体和方法,并对以后的发展趋势进行了探讨。     

秸秆预处理方法的筛选

农作物秸秆组分结构特殊,秸秆中的木质纤维素很难被酸和酶降解。解决了木质素的降解问题,就能提高秸秆的降解性能。研究开发适宜的预处理技术是一种重要的降解木质素方法。通过预处理技术,使木质纤维素首先降解成简单成分,从而有利于随后的厌氧消化过程。通过试验,分析了不同的预处理方法对秸秆组分降解率的影响和污泥预处理方法的筛选,最终得出：最佳预处理方法为稀硫酸预处理法,处理条件如下：硫酸浓度：0．7％;处理温度：121℃;预处理时间：1h。     

玉米芯的2步法预处理及其酶解条件优化研究

生物燃料将成为主要新能源之一,以玉米芯为原料,碱氧和稀酸为处理剂对其进行2步法预处理,使原料中纤维素相对含量增加,以提供转化乙醇的纤维素原料。采用扫描电镜表征2步法预处理玉米芯,其表面形成疏松、沟纹和孔洞形态,这有利于酶解。采用瑞氏木霉生产的纤维素酶水解该预处理玉米芯,利用正交实验得到酶水解优化条件为,酶用量75 FPU g 1,底物质量浓度60 g L 1,pH值4.8,反应温度50℃,还原糖得率可达69.3%。为提高纤维素酶中β-葡聚糖酶的酶活效率,并减少产物葡萄糖对β-葡聚糖酶的抑制作用,进一步优化β-葡聚糖酶加量。结果表明,当β-葡聚糖酶加量达6.5 CBU时,还原糖得率显著提高到78.2%。这表明该预处理玉米芯是有效降解的玉米芯原料,适于提高还原糖得率。     

木质纤维素类生物质厌氧消化预处理技术研究进展

为提高木质纤维素类生物质厌氧消化的效率,必须进行预处理,综述了国内外几种预处理方法,包括物理法、化学法、生物法、混合法预处理技术的研究进展,并对预处理技术的发展进行了展望。     

生物质转化高值化学品有新法

正南京工业大学姜岷教授团队等通过设计不同功能互补的人工双菌共培养体系,可将玉米芯、秸秆等生物质转化为燃料丁醇、琥珀酸等生物燃料和化学品。我国每年产生十几亿吨的玉米芯、秸秆等农业废弃物,由于其结构复杂,难以实现有效降解和利用。"目前国际上多数研究是将木质纤维素进行预处理后再进行生物转化,成本较高;或者是通过基因工程改造单个菌株实现木质纤维素降解和有用化学品合成,这就导致出现了菌株的代谢负荷过重、木质纤维     

木质纤维素材料预处理研究进展

介绍了木质纤维素材料的抗降解屏障、影响预处理效果的因素、高效预处理的评价标准,并就目前研究较多的酸法、碱法、有机溶剂、蒸汽爆破几种木质纤维素材料预处理技术的相关研究情况进行了综述。最后对预处理技术的发展方向予以展望。     

木质纤维素预处理与浆料脱毒研究进展

简述了近年来木质纤维素预处理方法,分析了抑制物的形成、影响及脱除策略,对比和总结了物理法、化学法和生物法等三种抑制物的脱毒方法,其中物理法操作简单、成本低,能有效去除乙酸、糠醛等物质,化学法需额外添加化学药品,对呋喃甲醛和酚类物质脱除效果较好,生物法利用微生物或酶对抑制物的降解作用,作用条件温和,但处理时间也相对较长。最后,对如何提高木质纤维素利用效率提出了建议和思路。     

纤维素可及性对木质纤维酶水解影响的研究进展

纤维素的可及性是纤维原料中与纤维素酶结合且能够被酶处理的结合位点量,与纤维原料中的粒径和孔隙度有关,纤维素的可及性是影响纤维素酶水解的关键因素。综述了当前纤维素可及性的测定方法,包括氮吸附法、水银压入法、溶质排斥法、蛋白质吸附法、Simons法等,总结了通过提高纤维素可及性来实现高效生物转化的预处理技术,并给出当前生物乙醇转化的可能研究方向。     

木质纤维素乙醇预处理与酶解技术研究

木质纤维素乙醇的生产工艺中主要环节为预处理、酶解、发酵3个阶段.预处理是决定后续酶解效果的关键步骤,物理法、化学法和物理化学法预处理工艺是目前主要的研究方向,预处理效果需与经济可行性相互结合.对各预处理方式优缺点及经济可行性进行了综合性对比,较好的预处理方式为蒸汽爆破,糖回收率和经济可行性较高.后续采用诺维信公司不同酶制剂进行酶解评价实验,根据实验结果最新一代纤维素酶Cellic RZ1.0在低加量下可保持80％以上的葡萄糖转化率.对于发酵,抑制物浓度是发酵的主要影响因素,在稀释比例升高的情况下,发酵效率也随之提升.     

竹材制取生物乙醇原料预处理技术研究进展

竹子具有可再生性强、生长周期短且富含纤维素、半纤维素,是生产乙醇的重要潜在原料之一。目前有关木质纤维素乙醇的研究主要围绕原料预处理、酶解、发酵三大关键步骤进行,其中原料预处理的能耗和效率问题是该工艺的重要制约因素。本文在综述国内外木质纤维素乙醇原料预处理的基础上,着重分析了竹材的化学组成和结构以及各种竹材预处理的优缺点。包括机械粉碎法能耗大,蒸汽爆破法对设备的要求高,化学方法易造成环境污染,生物方法生产周期长、效率低,离子液体优点明显但需要更深入的研究。提出采用不同预处理工艺联合使用,以期达到优势互补的目的。     

玉米芯制备木糖预处理方法的研究进展

玉米芯等木质纤维素类生物质作为最丰富的可再生资源,经过预处理后可生产木糖、木糖醇等高附加值产品。预处理可以提高酶解效率与还原糖产量。预处理方法可分为4种:物理法、化学法、物理-化学法、生物法。本文主要介绍了玉米芯的组成以及不同预处理方法的优缺点,为充分利用玉米芯提供参考。     

微波烘焙预处理降解玉米秸秆

用微波可高效对生物质烘焙预处理,考察了不同微波烘焙过程对玉米秸秆主要组分的降解作用及酸、碱、甘油催化剂对纤维素转化效率的影响,并对预处理的玉米秸秆进行酶解实验。结果表明,单纯的微波预处理对玉米秸秆中主要组分纤维素、半纤维素和木质素均有强烈的转化作用。无催化剂微波烘焙后,样品中纤维素含量降低了30%。在微波烘焙中添加酸、碱、甘油催化剂,可选择性降解玉米秸秆中的半纤维素或木质素,有效提高预处理后玉米秸秆中的纤维素含量,添加NaOH后纤维素含量增加最明显,由33%增至42%,纤维素最高转化率达65%。     

好氧生物预处理时间对玉米秸秆水解酸化的影响

以玉米秸秆为原料,先经复合菌系进行好氧生物预处理,然后接种厌氧污泥进行厌氧发酵,考察了预处理时间对厌氧发酵的影响,并测定木质纤维素结构及含量变化、关键性酶活、微生物多样性和厌氧发酵酸化产量。研究结果表明：随着预处理时间的延长,玉米秸秆的结构逐渐被破坏,木质素过氧化物酶活性逐渐降低,木聚糖酶和纤维素酶活性逐渐升高,最高分别达0.879和0.025 7 U/mg。放线菌、芽孢杆菌和曲霉菌是秸秆好氧生物预处理中的优势菌群。玉米秸秆经好氧生物预处理2 d,厌氧发酵产酸效果最佳,乙醇和挥发性脂肪酸产量为249.3 mg/g,比未处理提高了46.73%;玉米秸秆经好氧生物预处理5 d,乙醇和挥发性脂肪酸产量为138.2 mg/g,比未处理降低了18.66%。过长的玉米秸秆好氧预处理时间会使玉米秸秆中半纤维素、纤维素过度降解,这是造成玉米秸秆厌氧发酵产酸量下降的主要原因。以能源化、资源化为目的的玉米秸秆厌氧发酵预处理时,利用复合菌系好氧生物处理作为其预处理方法,应严格控制预处理时间,避免因为纤维素、半纤维素过度降解导致的产品产率下降问题。     

2,4,6-三硝基甲苯生物降解研究进展

介绍了降解2,4,6-三硝基甲苯(TNT)的微生物及降解途径.总结了好氧氧化、厌氧还原以及厌氧和好氧过程协同作用降解TNT的代谢途径.指出目前生物法降解TNT存在的关键问题是实际应用中降解效率低,在分子水平上对相关基因、酶进行研究、多种技术的联合和生物法的实际应用是今后生物法研究的重点.     

木质纤维原料蒸汽爆破-生物联合预处理及其生物脱毒研究进展

在木质纤维素类生物质结构中,木质素是生物质中纤维素与半纤维素进行生物降解的天然抗性屏障,预处理是打破木质纤维素抗性结构这一阻碍生物转化与利用瓶颈的最主要途径。本文分别概述了木质纤维素蒸汽爆破预处理技术与生物预处理技术的研究现状,介绍了蒸汽爆破-生物联合预处理的研究进展,分析了蒸汽爆破预处理过程中抑制物产生的机理和主要抑制物的种类,并提出了具有脱毒效果的蒸汽爆破-生物联合预处理技术,以及木质纤维素高效预处理技术研究发展方向。