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。     

有机酸及多元醇类低共熔溶剂预处理木质纤维素研究进展

综述了一种新型绿色低共熔溶剂(Deep Eutectic Solvents, DES)预处理木质纤维素的研究进展。DES具有价格低廉、毒性小、易生物降解和易合成等优势,用于木质纤维素预处理可以在保留纤维素的同时,选择性去除木质素和半纤维素,极大提高后续纤维素酶解过程中的糖化率。重点介绍了有机酸和多元醇类DES预处理木质纤维素、不同DES预处理效果比较以及这两大类DES组合其他预处理等方面取得的研究进展,并对DES预处理机理及构效关系、DES循环使用、DES木质素的分离及高值化利用做了展望。     

木质纤维素新型预处理与顽抗特性

木质纤维素是地球上最丰富的可再生生物质资源,其中纤维类多糖的酶催化降解是木质纤维素生物精炼的关键环节之一。对木质纤维素进行预处理,破坏底物的顽抗特性,是实现木质纤维素高效酶解糖化的必要途径。为此,各国学者围绕预处理技术开发以及底物顽抗特性开展了大量研究,本文对近几年来在这两方面取得的最新成果进行了综述和分析。在预处理方面,重点介绍了组合预处理、低温预处理、绿色溶剂与电化学预处理4类新型预处理技术,并对预处理效果与技术优势进行了评价;在底物顽抗特性方面,综述了木质素、结晶度、酶可及度等不同顽抗特性对纤维素酶解的影响规律,重点总结了近年来顽抗特性研究方面的新方法、新认识与新理解。上述研究成果有助于了解当前木质纤维素预处理研究的导向以及明确制约纤维素酶解的关键因素,为设计和筛选适宜的预处理方式、深刻理解纤维素酶解机制提供基础和指导。     

非离子表面活性剂对木质纤维素酶解的促进作用

纤维素酶单位酶活力较低、酶用量较高及酶自身易失活等因素依然是木质纤维素工业生产能源和生物基产品的瓶颈性问题。本文尝试在木质纤维素基质水解时添加一些非离子型表面活性剂以减少纤维素酶用量,并对这些非离子型表面活性剂促进酶解效率提高的原因进行了初步探讨。研究发现,添加非离子性表面活性剂能提高木质纤维素的酶解,添加浓度为0.05 g/g底物,常压甘油自催化预处理麦草经过添加两种非离子表面活性剂Tween-80和PEG 6000后葡萄糖产量分别可提高20%左右;非离子表面活性剂对不含木质素的原料酶解产糖也有较大的提高,以滤纸为底物时葡萄糖产量提高近90%,以微晶纤维素为底物时分别提高70%以上;添加非离子表面活性剂使得酶解体系中扩散系数k升高,异相反应效率提高,酶促反应动力学Km值明显减小,显著提高底物对纤维素酶的亲和力。     

木质纤维素乙醇原料预处理技术的研究进展

近十年来,随着石油价格的上涨以及化石燃料使用对全球变暖的影响,利用木质素纤维素制取燃料乙醇日益成为国内外研究的热点。木质纤维素制取乙醇的主要步骤包括:原料的预处理、纤维素的糖化、发酵、产品分离。木质纤维素的组成包括木质素、半纤维素和纤维素,其中木质素和半纤维素对纤维素的水解具有阻碍作用。因此,在木质纤维素制取乙醇的工艺过程中,原料的预处理是非常关键的步骤,影响整个木质纤维素乙醇的生产过程。文章回顾了木质纤维素原料主要的预处理技术的最新进展,并结合后续的水解与发酵工序,对各种预处理技术的优缺点进行了对比。     

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。     

低共熔溶剂预处理杨木水解渣拆解木质素

为高效去除木质纤维素中的木质素,获得富含纤维素的底物,实现木质纤维素组分的单一分离与组分全利用,制备合成了6种三元低共熔溶剂(deep eutectic solvent, DES),利用DES预处理已去除半纤维素的杨木水解渣,研究了6种低共熔溶剂对木质素去除和纤维素保留的影响,并优化获得了最佳的预处理工艺参数。结果表明,6种DES中苄基三乙基氯化铵-乙二醇-氯化铁(T-EG-Fe)的预处理效果最优,木质素去除率为80.46%,纤维素保留率为90.81%。优化得到T-EG-Fe预处理杨木水解渣最佳工艺条件为:反应固液比为1∶15,反应温度为130℃,反应时间为5h,在最优条件下预处理得到的固体残渣中纤维素质量分数为92.78%,木质素质量分数为5.33%。T-EG-Fe具有高效拆解木质素的潜力,在木质纤维素预处理过程中具有一定的应用价值。     

玉米芯氨水预处理及酶解工艺研究

为有效提高木质纤维素酶解转化率,文中以玉米芯为研究对象,在常压中温下采用氨水浸泡工艺处理原料,考察了预处理条件对木质素脱除率和纤维素、半纤维素酶解转化率的影响规律。确定了最适预处理条件:氨水质量分数为15%、固液质量体积比为1∶6 g/mL、反应温度为60℃和预处理时间为12 h。该条件下纤维素、半纤维素回收率和木质素脱除率分别为94.5%,86.7%和48.1%;在每g葡聚糖加入30 FPU纤维素酶和60 CBUβ-葡萄糖苷酶条件下,酶解24 h后纤维素和半纤维素酶解转化率分别可达83.0%和81.6%。     

木质素磺酸镁对不同纤维素原料酶解的影响机制

为探讨木质素磺酸镁作为辅助添加剂在纤维原料酶解过程的作用机制,以两种木质素磺酸镁为研究对象,考察了不同来源木质素磺酸镁组构差异及其在不同纤维原料酶解过程中的作用。研究发现,商品木质素磺酸镁较自制木质素磺酸镁具有更高的磺化度,但自制木质素磺酸镁具有更高总羟基相对含量。商品木质素磺酸镁和自制木质素磺酸镁对微晶纤维素酶解均有促进作用;对于木质纤维原料酶解,两种木质素磺酸镁对水热法预处理物料均有抑制作用。对亚硫酸氢镁预处理物料酶解,仅低浓度的自制木质素磺酸镁表现出促进作用。该研究为解释木质素磺酸镁对纤维素原料酶解的影响机制提供了理论依据。     

木质素磺酸镁对不同纤维素原料酶解的影响机制

为探讨木质素磺酸镁作为辅助添加剂在纤维原料酶解过程的作用机制,以两种木质素磺酸镁为研究对象,考察了不同来源木质素磺酸镁组构差异及其在不同纤维原料酶解过程中的作用。研究发现,商品木质素磺酸镁较自制木质素磺酸镁具有更高的磺化度,但自制木质素磺酸镁具有更高总羟基相对含量。商品木质素磺酸镁和自制木质素磺酸镁对微晶纤维素酶解均有促进作用;对于木质纤维原料酶解,两种木质素磺酸镁对水热法预处理物料均有抑制作用。对亚硫酸氢镁预处理物料酶解,仅低浓度的自制木质素磺酸镁表现出促进作用。该研究为解释木质素磺酸镁对纤维素原料酶解的影响机制提供了理论依据。     

深度共熔溶剂预处理木质纤维素生物质研究进展

木质纤维素生物质转化为生物燃料或化工产品一般需经历预处理、酶解及发酵过程,因其复杂的化学结构,在酶解前通常进行预处理以破坏其致密结构,提高酶与纤维素的可及性。深度共熔溶剂（DES）是一类新型的“绿色”溶剂,具有制备简单、价格低廉、性质可调、可生物降解、可循环使用等优势,可有效去除木质素组分,同时保留大部分纤维素,在生物质预处理方面具有巨大的潜力。本文介绍了DES的构成、分类及理化性质,总结了DES预处理对生物质组分的影响,并对预处理效果的影响因素如底物和DES的类型、溶剂黏度、温度、生物载量、微波及超声波辅助工艺和两阶段处理工艺等方面进行分析,探讨了DES和生物的相容性,最后针对DES存在的问题及缺点,提出了理性设计和大规模利用DES的机遇与挑战,本文可为实现生物质的低成本预处理和高价值利用提供新的思路。     

木质纤维原料组分分离的研究

从木质纤维原料预处理对微生物转化的必要性和回收利用半纤维素、木质素意义两个方面分析了木质纤维原料组分分离的必要性。木质纤维原料组分分离意味着木质纤维原料的精制,不是把木质纤维原料仅作为纤维素单一资源看待,而是把它视为一种多组分物料,将木质纤维原料精制成为具有一定纯度的各种组分,并分别加工成有价值的产品,这也是生物量全利用对于木质纤维原料预处理提出的新要求,赋予新的哲理思想。根据生物量全利用的要求,提出了木质纤维原料组分分离技术的新定性评价标准。根据利用汽爆和乙醇萃取法联合对麦草组分分离的研究结果,可提出一条经济可行的麦草组分分离的工艺过程,半纤维素和木质素回收率分别达到了80%和75%,纤维素酶解率达90%以上。     

氧气辅助湿热预处理对玉米秸秆酒精发酵的影响

为了解氧气（O₂）在玉米秸秆湿热预处理中的作用,优化玉米秸秆酒精生产工艺,本文采用三种不同湿热预处理条件处理玉米秸秆,即条件1（195℃,15min）、条件2（195℃,15min,12bar O₂）和条件3（195℃,15min,12bar O₂,2g/L Na₂CO₃）,并利用酿酒酵母对预处理后的玉米秸秆同步糖化发酵酒精工艺（SSF）进行了研究。实验结果表明：经过预处理,玉米秸秆分为固体滤饼与水解液两部分,其中绝大部分纤维素以固体形式保留在滤饼中,而半纤维素和木质素由于不稳定则发生了部分水解或降解。三种预处理条件下纤维素总体收率分别为91.2%、94.6%和95.9%,半纤维素总体收率分别为74.5%、50.3%和68.2%,固体滤饼中木质素质量分数分别为25.2%、17.5%和13.7%,纤维素酶解葡萄糖率分别为64.8%、65.8%和67.6%。表明氧气对纤维素收率影响不大,能够促进半纤维素的溶出。氧气主要与木质素发生反应,尤其与碱性物质碳酸钠（Na₂CO₃）结合,能够促进木质素降解,从而获得了较高的纤维素收率和纤维素酶解葡萄糖率。因此在底物质量分数8%,经过酿酒酵母142h发酵,经条件3处理的玉米秸秆获得的酒精浓度最高,最终酒精浓度达到25.0g/L,并且整个发酵过程没有明显的抑制作用产生。     

Enhanced enzymatic hydrolysis of rice straw pretreated by alkali assisted with photocatalysis technology

BACKGROUND: The fermentable sugars in lignocellulose are derived from cellulose and hemicellulose, which are not readily accessible to enzymatic hydrolysis because of their biological resistance, so that pretreatment of lignocellulose is needed for this process. In this work, a novel lignocellulose pretreatment method using alkali solution assisted by photocatalysis was investigated. RESULTS: The reaction conditions of nano‐TiO₂ dosage and photocatalysis time were optimized at 2 g L^?1 and 1 h, respectively. After pretreatment under these conditions, cellulose in rice straw was increased from 37.5% to 71.5%, and lignin decreased from 18.5% to 9.0%. The results of X‐ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FT‐IR) and scanning electron microscopy (SEM) analysis showed that the physical properties and microstructure of the straw were changed by this pretreatment, which favored the following enzymatic hydrolysis. The enzymatic hydrolysis rate of the straw pretreated using this technology was verified to be 73.96%, which was 2.56 times higher than that obtained with the alkali procedure. CONCLUSION: The proposed photocatalysis pretreatment technology was more efficient at degrading the lignin and hemicellulose in rice straw than alkali pretreatment, making it more readily available for the following enzymatic hydrolysis process. Copyright © 2009 Society of Chemical Industry     

非水溶剂预处理木质纤维原料研究进展

木质纤维素是目前中国最丰富的可再生资源,但由于其交织的复杂结构阻碍了内部纤维素和半纤维素的后续转化,这促使研究者们去寻求有效的预处理方法以解决目前的困境。近年来,随着预处理溶剂不断被发现和新型溶剂的快速涌现,非水溶剂预处理作为一种新兴的预处理方式在木质纤维素生物炼制中展现出良好的效果和应用前景。本文在系统介绍了各种非水溶剂理化性质和特点的基础上,综述了各种非水溶剂对木质纤维素预处理的作用原理、半纤维素和木质素的去除效果以及对纤维素酶解性能的影响,同时总结归纳了不同非水溶剂预处理的主要优缺点,并对非水溶剂预处理面临的挑战和未来的发展方向进行了展望,以期对未来绿色、低廉、高效的预处理方法提供借鉴和指导。     

玉米芯残渣的碱性亚硫酸盐预处理及其反应动力学模型

玉米芯提取木糖后残留了大量富含纤维素和木质素的废弃物。针对玉米芯残渣（corncob residues,CCR）中木质素含量高和半纤维素含量很低的特点,采用碱性亚硫酸盐法进行预处理。研究了预处理pH、液固比、温度、亚硫酸盐用量等条件对纤维素保留率、木质素去除率、底物酶解效率以及预处理液中木质素磺酸钠含量的影响规律。结果表明,当亚硫酸钠用量为10%（质量）、氢氧化钠为5%（质量）、液固比为6：1、160℃预处理1 h时,可去除86.1%的木质素、保留82.4%的纤维素,底物的72 h酶解率达85.1%[酶载量为5 FPU·（g葡聚糖）^-1],预处理液中木质素磺酸钠的收率为31.5 g·（100 g CCR）^-1。为了指导放大试验和工程应用,提出了一个能准确预测底物木质素含量的参数--木质素因子（lignin factor,LF）,在此基础上成功建立了脱木质素反应动力学经验公式以及底物酶解效率的预测方程,预测值与实测值误差在10%之内。     

低共熔溶剂预处理提高甘草渣酶解效果优化

近年来，低共熔溶剂（deep eutectic solvent，DES）以易制备、成本低、易回收等优势，在生物质预处理方面受到广泛关注。本研究以氯化胆碱为氢键受体，乙醇胺为氢键供体，合成DES，研究了不同温度、时间和固液比预处理条件对中药渣组分和酶解效果的影响。结果表明：固液比1∶20、120℃、预处理4h后原料中木质素去除率达到78.42%，纤维素回收率为83.89%。随后对不同条件下所得底物进行酶水解，反应96h后发现，较优条件下所得底物酶解效率为78.57%，较未处理中药渣（30.40%）提高了1.58倍。类分形动力学分析表明，预处理温度对酶解效果影响最大。SEM、XRD和FTIR检测发现，预处理后底物形貌、结晶指数和官能团变化有利于酶解效果的提高。     

水热预处理工艺参数对玉米秸秆组分与酶解效率的影响

采用间歇式水热预处理方法,考察了不同水热预处理温度和处理时间对玉米秸秆主要成分变化的影响以及水热预处理后的纤维素酶解效率。在180～220℃,10～25 min范围内,随温度升高和时间延长预处理后半纤维素移除率和纤维素损失率也随之增大,但木质素质量并未减少反而有所增加。在210℃,25 min时得到最大半纤维素移除率为86.0%。以半纤维素移除率、木质素移除率和纤维素损失率为因变量,处理温度和处理时间为自变量通过多元线性回归分析或二次方程(多元线性回归方程拟合度不佳时)拟合分别获得回归模型。模型显示处理温度和处理时间对三者均具有显著影响。分析敏感性显示处理温度对三种因变量的影响均大于处理时间。经210℃,20 min处理后,纤维素酶解率最高为76.2%,继续提高处理温度和延长处理时间半纤维素移除率提高,但纤维素酶解率下降。     

甘蔗渣的酸催化常压甘油有机溶剂预处理及其酶解

预处理可以打破木质纤维素原料纤维素、半纤维素和木质素三大组分间的顽抗结构,从而提升纤维素基质可酶解性。本文针对目前常压甘油有机溶剂预处理花费时间过长的问题,尝试开展酸催化的常压甘油有机溶剂预处理研究以缩短预处理时间。实验通过单因素选择和响应面Box-Behnken设计优化,获得酸催化常压甘油有机溶剂预处理的最佳条件为：预处理温度245℃,预处理时间38min,硫酸添加质量0.1%。在此条件下获得基质48h酶解率的响应面预测值为94.0%,实际值为91.4%。结果表明响应面优化方案和回归模型适用于本实验,预处理显著提高了基质可酶解性。高浓度基质（15%～20%）酶解进一步证明了预处理后基质具有突出的可酶解性,20%浓度基质在酶载量5FPU/g干基质条件下批次酶解72h,酶解率达60%,葡萄糖浓度达83.4g/L。酸催化常压甘油有机溶剂酸预处理在明显缩短预处理时间的同时,能显著提高木质纤维素基质可酶解性,使后续工业化意义的浓醪酶解糖化成为可能。