微波辅助磁性固体酸催化纤维素水解的研究

以生物质基磁性固体酸为催化剂,采用微波相结合的辅助手法对预处理的微晶纤维素进行水解研究。以还原糖得率为指标,通过单因素试验和正交试验(四因素三水平)考察水解时间、水解温度、纤维素与催化剂量的比例和微波功率对纤维素水解的影响,利用红外光谱(FT-IR)分析纤维素水解残渣。结果表明,微波辅助生物质基磁性固体酸催化剂催化纤维素水解的最佳工艺条件为:水解时间30 min、水解温度80℃、催化剂量与纤维素的比例2:1、微波功率450 W,此时还原糖得率最高,达57.4%;4个因素对纤维素水解影响的主次顺序为:微波功率催化剂量水解时间水解温度。FT-IR分析表明微波辅助纤维素水解残渣中几乎没有纤维素存在,即纤维素基本被完全水解。     

基于微波液化的木质纤维素组分分离和转化——纤维素组分的理化和酶解性质

【目的】将微波加热与甘油利用相结合的综合炼制工艺用于木质纤维素生物质预处理,探索其在燃料乙醇制备中的可行性,为实现经济可行、经济有效的木质纤维素生物质酶解预处理技术和生物燃料生产提供基础信息。【方法】以银腺杨、日本落叶松、刚竹和柳枝稷为试验材料,采用微波液化法对其进行液化处理,将液化产物分为纤维素、半纤维素和木质素组分,并对纤维素纤维组分进行综合表征。【结果】化学分析结果表明,纤维素纤维具有较高的葡聚糖含量;红外光谱显示,木质素和半纤维素的信号逐渐减弱,说明半纤维素和木质素经液化处理后有效脱除;XRD分析结果表明,纤维素纤维结晶度高、表面积大。【结论】相比原木质纤维素生物质,银腺杨、日本落叶松、刚竹和柳枝稷4种原材料纤维素纤维的酶解糖化效率均有不同程度提升(最高酶解转化率可达70%),液化固体产物--纤维素纤维在制备燃料乙醇中具有广阔的潜力和前景。     

促进柠条酶解糖化的预处理方法比较

以柠条平茬废弃物为原料,分别采用0.1%~5%的Na OH、0.025%~1%的硫酸和黄孢原毛平革菌处理柠条平茬废弃物,研究不同预处理方法对柠条质量损失情况、酶解转化率、总还原糖得率和木质纤维素含量的影响。结果表明,酸、碱和微生物预处理均可不同程度地提高柠条平茬废弃物的酶解转化效率和总还原糖得率,木质素的移除与改性可能是酶解效率提高的主要因素。其中,0.5%硫酸处理是从柠条平茬废弃物获取糖的最佳预处理方式,处理后总还原糖得率从5.5%提升到17.9%,提高了约2.3倍;5%Na OH处理是提高柠条平茬废弃物转化效率的最佳预处理方式,酶解转化率从5.5%提升到13.6%,提高了约1.5倍。本项研究分别从酶解转化率与总还原糖得率两个角度来评价促进柠条酶解糖化的预处理方法,其研究结果对柠条多元化的高效利用提供参考依据。     

假木质素沉积及对纤维素酶解的影响研究进展

木质纤维素类生物质是地球上最丰富的可再生资源。为提高木质纤维素类生物质的转化率,提升纤维素酶的水解效率和可发酵性糖产量,降低纤维素酶的使用量和生物质转化成本,对木质纤维素类生物质进行预处理十分必要;然而,木质素、纤维素和半纤维素之间的天然屏障限制了纤维素酶对纤维素组分的酶解。木质纤维素类生物质预处理主要有物理法、化学法、物理化学法和生物法,目前更多采用质量分数小于4%的稀酸法(如盐酸、硫酸和硝酸等,120～210℃)、高温热水法、蒸汽爆破法和液相水热法等,不同预处理方法对木质素或大部分半纤维素的溶解和去除有利于提高纤维素酶的可及性。木质素对纤维素酶解具有明显抑制作用,通过预处理降低木质素含量有利于提高纤维素酶解效率。木质纤维经稀酸或高温热水等预处理后,Klason木质素相对含量反而会增加。在木质纤维素类生物质预处理过程中,木质素液滴可能以假木质素形式沉积于纤维素表面,使其比天然木质素更加抑制纤维素酶解。本研究首先概述生物质预处理过程中木质素液滴和假木质素的形成过程,提出假木质素产生的可能机制,并对其组成和性质进行综述;然后阐述木质素液滴和假木质素对木质纤维酶解的影响;最后总结假木质素形成的调控策略。假木质素的形成过程属于非均相反应过程,受传质扩散(分子水平)和流动(宏观统计水平)的影响,可从介尺度行为研究假木质素的形成机制,同时建立相关模型和理论实现其科学的定量描述和定向调控,这不仅有利于木质纤维素类生物质炼制工艺的发展,也有利于促进跨学科科学规模的形成。     

两种木材中综纤维素的快速分离

采用微波辅助的方法实现木材综纤维素的快速分离的实验结果表明，微波辅助法在阔叶材水曲柳和针叶材落叶松心材的木素脱除方面表现出快速、高效，且对于水曲柳的效果好于落叶松。通过对所制得木材综纤维素中木素含量的测定、α-纤维素含量的测定、傅立叶红外光谱(FTIR)分析以及X-射线衍射的分析，初步证明了微波作用与传统方法分离得到的木材综纤维素差别不大，前者结晶度略高。     

稀酸预处理对玉米秸秆中4类非木质素组分的降解规律研究

分离制取玉米秸秆中非木质素类的4类组分纤维素、半纤维素、热水提取物和乙醇提取物,采用高效液相色谱研究其在稀硫酸预处理过程中主要水溶性降解产物的生成规律。其中,纤维素降解生成葡萄糖、甲酸、乙酰丙酸和5-羟甲基糠醛;半纤维素降解生成木糖、阿拉伯糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸、乙酸和糠醛;热水提取物降解生成葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甲酸、乙酸、乙酰丙酸、5-羟甲基糠醛和糠醛;乙醇提取物降解生成少量的葡萄糖、木糖、乙酸、乙酰丙酸和5-羟甲基糠醛。抑制物甲酸、乙酰丙酸和5-羟甲基糠醛主要来自纤维素,乙酸和糠醛来自半纤维素,产量可分别为1.4%、2.7%、2.2%、3.1%和7.8%(以玉米秸秆计)。硫酸质量分数是影响乙酸产量的主要工艺因素,而反应温度是影响甲酸、乙酰丙酸、5-羟甲基糠醛和糠醛产量的主要工艺因素。     

不同预处理方法对麦草化学组分及其酶解性能的影响

以麦草为原料,探讨了高温热水(LHW)、氨水浸渍(SAA)、Na OH和Na OH联合乙醇(Na OH-ET)4种预处理方法对麦草化学组分及其酶水解糖转化率的影响。结果表明:LHW对聚戊糖有较高的去除率,188℃保温40 min处理,木聚糖和阿拉伯聚糖的去除率分别为73.11%和83.10%,但对木质素的去除率较小仅为21.32%。Na OH具有较好的脱木质素和去除灰分作用,麦草经1%Na OH,140℃保温3 h后木质素去除率为72.00%,灰分去除率为75.93%。因木质素在乙醇中有较好的溶解性,相同温度和时间条件下,麦草经1%Na OH与50%乙醇联合预处理,木质素去除率提高至84.11%。XRD检测结果表明,伴随着木质素和半纤维素的溶出,不同方法预处理后物料的结晶度不同程度增加,由原料的28.80%增加至预处理后的31.23%~33.61%。由于木质素和半纤维素的部分脱除,提高了酶对纤维素的可及性,物料经30 FPIU/g(以纤维素质量计,下同)纤维素酶和30 IU/gβ-葡萄糖苷酶酶解72 h后,糖转化率明显提高,其中Na OH-ET预处理物料的酶解总糖转化率(以麦草原料为基准)最高达90.05%,是麦草原料的7.5倍。     

不同预处理方法对玉米秸秆酶解性能的影响

研究了NaOH、Ca(OH)_2、NH_3·H_2O和NaHSO_3等4种化学联合盘磨预处理方法对玉米秸秆酶解性能的影响,考察了不同预处理方法对物料得率、木质素脱除率、还原糖得率、聚糖转化率和结晶度的影响。结果表明,预处理后,玉米秸秆的结晶度均降低。机械盘磨可以减小纤维长度和颗粒尺寸,增大比表面积,暴露出更多的纤维素活性位点,增加纤维素和纤维素酶的反应活性,提高其酶解性能。确定了酶解适宜的条件:纤维素酶用量30 U/g,β-葡萄糖苷酶用量10 U/g,酶解温度50℃和时间72 h,在此条件下NaOH、Ca(OH)_2、NH_3·H_2O和NaHSO_3联合盘磨预处理后玉米秸秆的还原糖得率分别为41.00%,23.02%,65.77%和22.22%,聚糖转化率分别为39.04%,18.53%,70.49%和21.33%。在最优条件下,NH_3·H_2O联合盘磨预处理玉米秸秆的还原糖得率和聚糖转化率最高,是一种具有前景的预处理方法。     

不同热预处理对栎木木质纤维素降解的影响

【目的】为破坏木质生物质天然抗降解屏障,促进木质生物质高效转化利用,筛选出适宜的热预处理方式。【方法】以栎木为研究对象,利用质量法/体积法、范式抽提法对高温蒸汽处理、固态汽爆处理和挤压膨化处理栎木的物理性质、木质纤维素含量进行测定,采用傅里叶变换红外光谱、X-射线衍射法对其木质官能团和纤维素相对结晶度进行分析。【结果】挤压膨化处理可显著改变栎木的形貌,持水力和比孔隙率分别为对照的3.2倍和4.71倍,容重降低至对照的1/4。各热预处理均可显著降低栎木木质纤维素含量,挤压膨化处理后木质纤维素含量显著下降,纤维素、半纤维素和木质素含量分别比对照组降低了22.60%、15.85%和7.9%。傅里叶变换红外光谱显示,各热预处理栎木均具有木质特征官能团,挤压膨化处理I₈₉₈/I_{1 509}比值显著增大,说明纤维素被富集。经不同热预处理后栎木仍具有典型的纤维素X-射线衍射特征,晶体结构峰形未发生改变,但强度不同程度变弱;相对结晶度不同程度增大,固态汽爆处理和挤压膨化处理后相对结晶度显著升高,表明结晶区的纤维素被更多地暴露出来。【结论】挤压膨化处理可显著改变...     

玉米秸秆乙酰基水解产物对乙醇发酵的影响及去除策略

研究了木质纤维原料在预处理过程中半纤维素上乙酰基水解产生的乙酸对酿酒酵母、树干毕赤酵母乙醇发酵的影响,结果表明乙酸对戊糖、己糖酵母乙醇发酵均产生很大的影响。根据乙酸产生的特点,采用氢氧化钠法去除乙酸而尽量不降解纤维素和半纤维素,从源头上将乙酸与"糖"分开。在单因素(氢氧化钠质量浓度、温度、液固比和时间)试验的基础上,采用响应面分析进一步优化试验,结果表明,上述4个因素的影响从大到小依次为:氢氧化钠质量浓度、液固比、温度和时间。最佳条件为:NaOH 5.45 g/L,液固比13∶1(mL∶g),温度62℃,时间45 min。在此条件下乙酸去除率和木聚糖残留率分别为95.19%和87.80%。     

木质生物资源的水解

水解是利用木质生物资源以生物转化法制取乙醇的重要步骤,水解技术主要包括稀酸水解、浓酸水解和酶水解。酶水解的特点是具有选择性,降解产物少,葡萄糖得率高,能耗较低,不要求反应器具有高耐腐蚀性,被视为最有潜力降低乙醇生产成本的突破口。目前,利用木质生物资源制取乙醇还没有进入工业化生产。其原因在于成本高于利用淀粉和糖料,原料的预处理成本高、纤维素酶的生产成本高、酶活力低、纤维素的酶水解效率低、酶用量大、对半纤维素的有效利用不够。因此,需要研发有效的预处理工艺,提高纤维素底物的生物酶可及度;筛选高效纤维素酶、优化酶水解工艺,提高纤维素的水解率;利用基因重组的发酵性微生物,把戊糖发酵成乙醇,提高乙醇的产量,降低生产成本。     

蒸汽爆破法预处理木质纤维原料的研究

木质生物资源可以用来生产乙醇,但其结构与化学成分阻碍了纤维素对酶的可及性,因此必须对原料进行预处理,从而有效地酶解纤维素。蒸汽爆破法预处理木质生物资源。可有效去除半纤维素。分离出活性纤维。并且成本低,不用或少用化学药品。对环境无污染。     

泡桐纤维变化及其制浆造纸研究

以8~11年生泡桐为研究对象,主要探究了泡桐枝材、根材的生物量分配比及木纤维变化规律,研究泡桐枝材、根材用于制浆造纸的可行性。结果表明:泡桐枝材、根材在整株生物量中所占分配比较高;泡桐枝材木纤维含量、纤维长度随枝龄的增加而呈现递增趋势,并逐渐接近于树干材;泡桐化学性质稳定,综纤维素含量高;用枝材、根材制得的纸浆理化性质符合国家标准,多数物理强度指标表现优异。泡桐废弃枝材、根材可作为造纸纤维原料进行资源化利用。     

Ozone treatment of spent medium from Auricularia polytricha cultivation for enzymatic saccharification and subsequent ethanol production

We examined the enzymatic saccharification and ethanol fermentation of the spent media (SMs) from Auricularia polytricha cultivation using wood meals of Falcataria moluccana, Shorea sp., and Tectona grandis. Although the hydrolysis weight decrease and reducing sugar yield were higher in SM of F. moluccana, the ethanol yield was higher in SM of Shorea sp. Ozone treatment of SM further increased the hydrolysis weight decrease, reducing sugar, and ethanol yields in Shorea sp. These results indicate that SM of A. polytricha is a suitable biomass material to produce fermentable sugars for ethanol production, and that ozone treatment is a suitable method for increasing the ethanol yield.     

碱性离子液体TBAH预处理对桉木结构和酶解性能的影响

为探究碱性离子液体四丁基氢氧化铵(TBAH)在桉木预处理中作用机理,采用响应面分析法设计模型,得到离子液体TBAH预处理桉木的最佳条件为:预处理时间57.19 min,预处理温度71.98℃,TBAH质量分数11.78％,并验证了模型的科学性、准确性和有效性.通过对比未处理、NaOH、四丁基氟化铵(TBAF)和TBAH...     

熔盐裂解液化生物质的研究

为了考察熔盐组成、原料种类和裂解温度等因素对生物质裂解液化的影响,在自行设计的反应器中进行了实验研究。结果表明:纤维素在ZnCl2中液化,生物油得率最高,为35%;在66%(物质的量分数)KCl-CuCl中液化,生物油中水分含量最低,为21%;硝酸盐不适于生物质液化反应,生物油得率为零。以纤维素为原料的生物油得率高于以水稻秸秆为原料的生物油得率,而且生物油中的水分含量较低,说明含纤维素较多的生物质原料更适于裂解液化。热裂解反应受温度影响较大,生物油得率随温度升高呈先升高后降低的趋势,存在一个较优的温度,对纤维素原料而言在530℃左右,水稻秸秆在450℃左右。采用FT-IR和GC-MS对生物油进行初步分析,生物油成分比较复杂,其中呋喃类物质占有较大比例。     

挤压对麦糟纤维结构和固态发酵过程中pH值影响的研究

低成本纤维素酶的生产是酶法转化纤维质生物量为酒精的关键。尽管已有很多有关纤维素酶的研究报告，但底物的预处理对固态发酵过程中pH值和产酶的影响很少见诸于报道。作者研究了在固态发酵过程中，里氏木霉在未处理和经挤压处理的麦糟培养基上pH值的变化。经单螺杆和双螺杆挤压的麦糟，其纤维的结晶度变化较小。单螺杆挤压撕开了纤维结构，而双螺杆破坏并摧毁了纤维细胞的细胞壁，同时麦糟的颗粒也变得很小。两种经挤压处理的麦糟均有利于菌体的生长，并提高了产酶。以单螺杆挤压处理的麦糟为培养基时，最高FPA酶活力为182．8IU／g纤维素。     

聚合氯化铝对木质纤维素MgCl2预处理液的纯化

预处理是生物质资源转化的关键步骤,其过程会使植物细胞壁的结构发生变化,从而降低生物质的顽固性并增强其中糖的有效溶解,以促进其高值化利用。预处理液成分复杂,所含木质素和多种降解产物不利于糖类的高效利用,需要对其进行分离纯化。以桉木经MgCl₂预处理的废液为对象,通过聚合氯化铝(PAC)絮凝的方法去除其中的大分子木质素,利用Zeta电位和粒径检测、高效液相色谱法、紫外光谱法等技术分析絮凝处理前后预处理液的成分变化,并对其去除机理进行深入研究。结果表明:当PAC用量为4.00%质量分数时,反应体系Zeta电位为0,此时胶体稳定性最差,可获得较大的木质素沉淀量;当预处理液的pH接近3.00时,刚好达到等电点,体系中正负电荷中和不稳定,胶体颗粒粒径最大,出现明显絮凝沉淀;随着pH的升高,PAC对木质素的去除效果仍有明显增强,综合所有因素可知,在pH为10.00、PAC用量为2.00%质量分数时,处理体系对木质素的絮凝表现出良好的选择性,木质素的选择性去除率可达86.05%。由此可知,PAC主要是通过静电和桥联双重作用改善预处理液的胶体稳定性,使预处理液中的木质素大分子优先沉淀,体现出良好的选择性,是一种非常有潜力的预处理液纯化方法,值得进一步探究和优化。     

Potential of different poplar clones for sugar production

In a poplar clonal plantation with different species and hybrids, established at 13,333 cuttings ha^?1, biomass production was assessed at the end of the first rotation (3 years) and the potential of the different clones for sugar production was evaluated. The highest biomass production was observed for clones ‘AF2’ and ‘Viriato’ (46.5 and 42 t dm ha^?1, respectively). After a mild acid pretreatment and an enzymatic saccharification, the highest sugar digestibility was found for ‘Viriato’ and ‘Unal’. A clear relation between sugar digestibility and xylan removal during pretreatment was observed, while no relation with lignin content was found. Taking into account the results, the highest production of sugars per hectare was estimated for the poplar clone ‘Viriato’, being 18–48% higher than that achieved with the other clones. Therefore, this clone is a promising candidate to be used as feedstock for sugar production in a forest biorefinery.