低共熔溶剂在木质纤维原料溶解及其组分分离中的研究进展

低共熔溶剂(DES)是一种新兴的绿色溶剂,具有和离子液体类似的物理化学性质,以及易制备、成本低、溶解能力强、可设计性等优点。利用DES溶解和分离木质纤维原料及其组分进而生产生物质能源与材料是一种新型环保的木质纤维原料利用方法。在介绍DES的制备、物理化学性质及溶解机理的基础上,综述了DES溶解纤维素、半纤维素和木质素,以及分离木质纤维组分的研究进展,最后对DES应用于木质纤维领域今后的工作做出了展望。     

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。     

水溶性木质素对纤维原料酶水解的影响研究进展

木质纤维素具有储量大、可再生等特点,是生物质精炼的重要原料。通过酶水解将高聚糖转化为葡萄糖、木糖等单糖,是目前木质纤维素生物质精炼的重要途径。传统观点认为,酶水解体系中的底物木质素和溶解木质素都会阻碍木质纤维原料中纤维素的酶水解,主要表现为木质素阻碍了纤维素酶对纤维素的可及性、木质素对纤维素酶的非生产性吸附和溶解的木质素或类木质素结构(木质素衍生的酚类分子)对纤维素酶的抑制作用。但是近几年的研究表明,在酶水解体系中加入适量的水溶性木质素可有效促进含木质素底物中纤维素的酶水解。笔者总结了近年来水溶性木质素对木质纤维素生物质酶水解的研究进展,从纤维素酶-木质素相互作用的角度探讨了水溶性木质素对纤维素酶水解的促进作用,提出了水溶性木质素与纤维素酶之间的作用机理,即水溶性木质素与底物木质素对纤维素酶存在竞争吸附,水溶性木质素与纤维素酶的吸附域结合形成木质素-纤维素酶复合物,可有效减少底物木质素对纤维素酶的非生产性吸附,从而提高木质纤维素生物质的酶水解转化效率。     

助水溶剂应用在生物质精炼领域的研究进展

将助水溶剂体系应用于生物质精炼领域是当今的研究热点之一,助水溶剂可以有效地将木质纤维组分分离,实现产物的高附加值利用,如用助水溶剂处理木质纤维原料生产生物质燃料、化学品、生物基复合材料等。综述了近年来利用助水溶剂体系分离纤维组分以及制备生物乙醇、纳米纤维素、纳米木质素及其他高附加值产品的应用研究。     

生物质木质素分离和结构研究方法进展

木质素是自然界中最丰富的可再生芳香族聚合物,其高附加值化利用可减少目前木质素资源燃烧所导致的资源浪费和环境污染。生物质细胞壁中三大组分(纤维素、半纤维素和木质素)通过共价键和氢键形成了致密而复杂的细胞壁结构,使得木质素难以高效分离。若要实现生物质木质素高效分离,首先需明确原料中木质素的分子结构特点和活性基团。基于木质素结构明确的生物质原料才能够更有效地选择和开发木质素解离及解聚方法。笔者主要概述了目前结构分析用的木质素分离和结构分析方法研究进展,重点阐述了液体核磁共振技术在分离木质素定性和定量结构方面的应用,并基于目前的研究进展提出了该领域的研究趋势。总之,木质素的结构解析将为树木基因调控、林木遗传育种和木质纤维原料的生物炼制提供相关理论依据。     

低共熔溶剂应用于木质纤维素预处理的研究进展

低共熔溶剂(DES)是一种新型的绿色溶剂,具有制备简单、价格低廉、无毒、可生物降解、可循环使用的特点,在木质纤维素预处理应用方面前景广阔。本文首先概述了低共熔溶剂的组成、分类、制备方法及其物理性质等,随后对DES在生物质预处理领域中的研究应用进行归纳,综述了DES预处理分离木质纤维素的机理性研究,重点介绍了DES选择性分离木质纤维素的应用进展,以期为DES在预处理木质纤维素类生物质的规模化应用提供理论参考。     

球磨麦草茎秆和叶子的LiCl/DMSO溶解和水再生行为比较（英文）

木质纤维素生物质细胞壁全组分在有机溶剂或离子液体中的溶解是解析木质纤维素结构特性和制备生物质基材料的有效途径。笔者将不同球磨程度的麦草茎秆和叶子溶解在8%(w/w)LiCl/DMSO溶剂体系,并于水中再生,对比分析麦草茎秆和叶子溶解-再生行为及木质素结构特性对再生原料酶水解性能的影响。结果显示,球磨4 h的麦草茎秆和叶子可完全溶解在LiCl/DMSO溶剂体系,但麦草茎秆木质素及碳水化合物的溶解-再生行为与叶子有较大差异。经LiCl/DMSO溶解和水再生的原料,部分木质素损失,酶水解效率显著提高,且再生叶子酶水解效率明显高于再生茎秆。化学降解分析表明,短时间的球磨处理(≤4 h)和溶解再生过程对木质素结构影响较小,但球磨时间延长对木质素β-O-4键特别是赤型结构破坏严重。麦草茎秆木质素比叶子木质素具有较高的硝基苯氧化、臭氧降解得率、赤型/苏型结构比例以及较多的β-O-4连接键。麦草茎秆和叶子酶水解效率及木质素结构的差异表明,木质纤维素生物质酶水解效率不仅受木质素芳环结构的影响,而且受木质素侧链β-O-4连接键的影响。     

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。     

预处理纤维素超分子结构变化机制研究进展

木质纤维生物质高值转化生产清洁能源、生物基化学品和功能材料是可再生能源领域的研究热点.纤维素是木质纤维生物质的主要成分,其高效利用是生物炼制的重点.然而,纤维素的生物转化面临分子链有序组装与结晶而成的超分子结构、微纤丝聚集形成的多尺度网络结构及其与木质素、半纤维素的多种化学交联共同形成的木质纤维素抗降解屏障,阻碍了其产...     

过氧化氢预处理强化木质纤维原料酶水解研究进展

在木质纤维素的生物降解和转化过程中,木质纤维素的复杂结构和木质素组分限制了碳水化合物的高效酶水解。过氧化氢预处理可以通过破坏木质纤维素的物理化学结构并氧化降解部分木质素,从而改善原料的酶水解效率。过氧化氢预处理主要有过氧化氢-酸、过氧化氢-碱、活化过氧化氢这3类预处理方法。笔者主要归纳了不同预处理过程中的木质素降解机理,总结了过氧化氢预处理强化木质纤维原料酶水解的效果,探讨了预处理对木质纤维原料降解产物的影响,评价了各类过氧化氢预处理的可行性和优缺点。最后,根据过氧化氢预处理的特点分析了过氧化氢预处理的研究策略,展望了过氧化氢预处理的发展趋势。从安全性和经济可行性的角度来看,低试剂用量、低温和低压的预处理条件是未来过氧化氢预处理的主要研究方向。     

拉曼光谱在木质素研究中的应用进展

随着人类对环境污染和资源危机等问题认识的不断深入,开发利用廉价、可再生、可降解的天然高分子材料日益受到重视。木质素是总量仅次于纤维素的第二大天然高分子材料,是自然界中唯一能提供可再生芳基化合物的非石化资源,木质素及其分子结构研究备受关注。木质素主要由愈创木基(G)、紫丁香基(S)和对羟基苯基(H)3种基本结构单元组成,其存在不仅能够增强植物细胞壁的机械强度,同时也能够防止微生物对细胞壁的侵害,使木质化的植物直立挺拔,不易腐朽。在植物细胞壁中,木质素和半纤维素以共价键形式结合,构成木质素-碳水化合物复合体,其与纤维素微纤丝交联在一起,形成了一个复杂的三维网络结构,这一结构被认为是植物细胞壁天然的抗降解屏障。在生物炼制过程中,木质素在木质纤维原料细胞壁中的分布特点直接影响生物质的转化效率,因此,在原位状态下研究植物细胞壁木质素分子结构、微区分布以及细胞壁水平的溶解规律具有重要意义。在传统湿部化学中,定性或定量研究木质素分子结构普遍采用的是磨木木素和克拉森木素,这2种方法都需要对木质素样品进行物理或化学预处理,不可避免地会改变木质素样品天然状态下的分子结构。尽管传统的光学和电子显微技术能够提供木质素的微区分布信息,但是样品通常需要染色处理,且制样过程繁琐。相比较而言,显微拉曼光谱技术因其无损、快速、高分辨率和高灵敏度等特点在研究大分子结构、区域化学等方面具有得天独厚的优势。本文首先对G、S、H型木质素模型物拉曼光谱特征峰及这些结构单元在生物质原料中的特征峰进行归属,并简要介绍影响木质素拉曼光谱的因素,在此基础上综述该技术在植物细胞壁木质素微区分布和生物质预处理过程中木质素溶解规律等方面的研究进展,最后对该技术在木质素研究领域的发展方向进行展望,以期为植物生理学和生物炼制研究领域,尤其是设计高效的生物质预处理工艺提供新思路和新方法,进而拓宽该技术在生物大分子研究中的应用范围。     

LiCl/DMSO溶剂体系中麦草溶解性能的评价方法

为解决木质纤维生物质在溶剂体系中的溶解性能的定量问题,以麦草纤维为原料,探讨了不同球磨时间对其在LiC l/DMSO溶剂体系中溶解性能的影响,并分别使用目视比色法、光学显微镜法、浊度法评价麦草试样的溶解性能。通过对比发现,评价木质纤维试样在8%LiC l/DMSO中的溶解性能时,与目视比色法和光学显微镜法比较,浊度法具有精准、简便和量化的优点。浊度法可用于木质纤维生物质在预处理和生物炼制等过程的溶解性能的评价。     

溶解浆的质量指标及生产技术述评

溶解浆由高纯度纤维素组成,用于制造粘胶纤维、醋酸纤维、硝酸纤维、纤维素醚等材料,其重要的质量指标主要有α-纤维素含量、半纤维素含量、黏度、分子量分布等。因产品用途不同其质量指标要求存在较大差异,帘子线、醋酸纤维和粘胶长丝的α-纤维素质量分数一般为95%以上,含较少量的半纤维素及极微量的木质素。为提高产品质量,既要严格控制溶解浆中的半纤维素、木质素、灰分和金属离子含量,还需提高浆料的反应性能及纤维素分子量分布。阔叶木已成为目前溶解浆生产的主要纤维原料。溶剂法和离子液法制溶解浆技术,因可对纤维原料中纤维素、木质素和半纤维素组分进行综合利用,日益受到研究人员的重视。预水解硫酸盐法已成为主要的溶解浆生产工艺,设备系统由传统间歇蒸煮向现代DCS控制的置换蒸煮或连续蒸煮发展;氧碱脱木质素和Cl O2漂白的普及,推动了ECF、轻ECF甚至TCF等绿色漂白工艺在溶解浆生产中的应用。每种溶解浆生产技术与设备系统在中国均有应用实例。综合利用木质纤维素生物质三大组分的制浆工艺将成为下一代溶解浆生产技术的发展方向。选择不同的生产工艺和设备系统对生产线的盈利能力影响较大,新建生产线时应对原料的选择、主产品线和副产品线的定位、生产工艺和设备系统的选择进行科学论证。     

乙二胺预处理麦草浆在LiCl/DMSO体系中的溶解-再生性能

利用8%Li Cl/DMSO木质纤维全溶体系,溶解经乙二胺溶液预处理后氧脱木质素碱法麦草浆,探讨乙二胺预处理对浆料性能的影响,及预处理后浆料在8%Li Cl/DMSO全溶体系中的溶解-再生性能。研究发现:乙二胺预处理在保留较高结晶度时可改变浆料结晶结构,氧脱木质素碱法麦草浆经乙二胺预处理后可完全溶解于8%Li Cl/DMSO溶液,随着木质素含量的增加,溶解所需时间延长;溶解后样品经水可再生,产物得率为59.19%~61.88%,溶解-再生过程中木质素、多糖、灰分和硅都得到较好保留。     

木质素在不同溶剂体系中的降解研究进展北大核心

木质素是自然界植物中含量仅次于纤维素的第二大天然有机高分子聚合物,实现木质素向能源及化学品的转化,是生物质高值化利用的重要研究内容之一。溶剂是木质素催化转化反应体系的重要组成部分,是影响反应进程的重要因素,选择合适的溶剂体系能够促进木质素的溶解,有效提高转化效率。本文以溶剂体系的组成为出发点,综述了木质素在单相溶剂、两相溶剂、多元溶剂进行催化转化的研究进展,分析了溶剂效应对木质素降解的影响,并对相关研究进行了总结和展望。     

生物质三组分在聚乙二醇辅助热解液化过程中的协同作用

将三大组分的模型化合物微晶纤维素、木聚糖和木质素进行不同配比得到合成生物质,对不同配比的合成生物质样品进行热重(TG)分析,研究了其溶剂辅助热解液化行为,并得出三大组分在溶剂辅助热解液化过程中的协同作用。研究发现:温度低于350℃时,半纤维素对纤维素的降解有一定的促进作用;而高于350℃时,则有明显的抑制作用;半纤维素和纤维素均对木质素的降解起到抑制作用。采用极端顶点法选取典型配比的合成生物质,运用热裂解-色谱-质谱联用技术(Py-GC/MS)探究了合成生物质的溶剂辅助热解液化产物分布,得出了生物质各组分对溶剂辅助热解液化产物分布的影响。结果表明:合成生物质中的木质素含量较高会促进酸类物质的生成,纤维素和半纤维素的溶剂辅助热解液化产物对木质素溶剂辅助热解生成酚类化合物有一定的抑制作用;对于酯类化合物来说,合成生物质溶剂辅助热解液化都生成了较多的酯类物质,生物质三组分不同的配比促进了酯类化合物的生成。     

木质纤维素生产乙醇的研究进展

利用木质纤维素制备乙醇是解决能源结构的有效方法.笔者从木质纤维素制备乙醇的原理、木质素的预处理以及酶催化纤维素的水解过程等几个方面对近年来木质纤维素制备乙醇研究概况进行了综述和概括.     

三元低共熔溶剂预处理甘蔗渣的酶解性能研究

以制糖工业副产物甘蔗渣(SCB)作为木质纤维原料,使用具有优异相转移催化能力的三乙基苄基氯化铵(TEBAC)、无毒无害的甘油(GL),以及高价态路易斯酸六水合氯化铝(ACH)组成的三元低共熔溶剂(DES)对SCB进行预处理,系统考察了DES物质的量之比、预处理温度、预处理时间、固液质量比对SCB中各组分含量和纤维素酶解效率的影响。研究结果表明：最佳预处理条件为n_TEBAC∶n_GL∶n_ACH为1∶2∶0.05、预处理时间30 min、预处理温度120℃和固液质量比1∶15,此优化条件下木质素去除率达到(86.23±2.11)%,纤维素保留率为(94.51±2.03)%,酶解纤维素转化率达到(98.21±1.02)%,相较于未处理SCB提高了2倍,葡萄糖得率高达(81.94±1.98)%,提高了1.5倍。SEM、FT-IR和XRD分析结果表明：三元DES预处理能够有效去除SCB中的木质素和半纤维素,从而使纤维素的结晶度由未预处理的41.19%提高到预处理后的65.87%。DES经过5次循环利用后,纤维素转化率和葡萄糖得率仍达...     

白腐菌预处理在生物质材料中的应用

白腐菌经长期的生物进化,形成了一套独特的生理生化机制和强大的降解代谢能力,在木质和非木质材料预处理中都有广泛的应用。介绍了白腐菌特点及其降解木质素机理,对近年来国内外白腐菌预处理在生物质材料改性中的应用进行综述,重点论述了白腐菌预处理在改善渗透性、提高产氢量、生物制浆、糖化和醇解、堆肥以及饲料预发酵等方面的研究进展,并提出未来白腐菌在生物质材料领域应用的研发重点,为生物质材料的合理利用提供参考。     

金属钼催化云杉制备松柏醇醚及全组分利用

木质纤维由纤维素、半纤维素和木质素组成,是地球上最丰富的可再生碳氢资源。作为生物质的主要组分之一,木质素是唯一一种可再生的芳香化合物原料。木质素通过降解转化为苯酚单体化合物是实现木质素高值化的应用基础。笔者利用具有纳米尺度的MoOx/SBA-15催化剂开展了云杉木质纤维的还原催化分离研究,实现了木质素组分优先降解为松柏醇醚的过程。结果表明:云杉在甲醇体系中催化还原降解反应的最佳条件为温度240℃、反应时间2 h、常压氮气氛围、甲醇作为溶剂及氢供体。在最佳条件下,木质素经过降解转化为高附加值的松柏醇甲醚,基于木质素质量计算的转化率可达13.5%,该产物可通过简单的硅胶柱层析法实现分离纯化。反应后的固体残渣中,纤维素和半纤维素组分保留率分别达到98%和92%,可分别通过酶催化及酸催化高效转化为葡萄糖和木糖。由此可知,以MoOx/SBA-15作为催化剂不仅可以有效地将木质素催化降解为易于进一步功能化的不饱和单体产物松柏醇甲醚,还可以实现生物质组分分离,得到容易酶解的碳水化合物组分,从而有利于实现生物质的全组分利用。