生物质制乙醇预处理方法的研究进展

【目的】为应对日益严峻的能源和环境污染问题,综述了木质纤维生物质制备乙醇的原料预处理方法,为广大科研工作者提供了该研究领域的最新研究进展,展望了可再生木质纤维原料高值化利用的新思路和新技术.【方法】查阅了国内外生物质原料预处理制备生物乙醇的主要研究方法,并进行了归纳总结,提出各种预处理方法存在的优缺点.【结果和结论】利用可再生的木质纤维生物质发酵制取乙醇得到了广泛的研究,由于木质纤维原料结构复杂,直接转化效率低,木质素和半纤维素水解产物对纤维素水解和发酵具有明显的抑制作用.木质纤维原料预处理是提高乙醇得率的有效途径,通过预处理,去除植物细胞壁中木质素和半纤维素组分,降低木质素和半纤维素水解产物对后续乙醇发酵的抑制作用,同时降低纤维素结晶度,提高原料的多孔性,从而提高纤维素酶对纤维素的水解效率.     

一株高效降解麦秸木质素菌株的筛选及效能评价

为通过筛选为秸秆木质素的预处理及秸秆高值化利用提供一种相对温和且高效的微生物处理方法,并系统评价目的菌株对小麦秸秆木质素的降解效果,进而推动秸秆类木质纤维素生物质资源的高效转化及利用。本研究以小麦秸秆为原料,通过愈创木酚及苯胺蓝显色法进行初筛,选取在培养基上同时具有氧化圈及褪色圈的菌株,对筛选的菌株进行产酶历程分析,对预处理前后小麦秸秆的成分进行分析并采用扫描电镜进行表征,通过酶解糖化分析进一步验证菌株的木质素降解效能。经筛选获得一株能够有效降解小麦秸秆木质素的枝顶孢属真菌（Xenoacremonium sp.）,其发酵液漆酶活力为2.1 U/mL,木素过氧化物酶活力为1.6 U/mL,锰过氧化物酶活力为1.9 U/mL;在固液比1:3,120 r/min,28℃条件下,10 d后对小麦秸秆木质素降解效率可达44.53%,同时纤维素及半纤维含量分别提高了8.34%和23.93%;通过扫描电镜观察可以发现,经枝顶孢属真菌预处理后,小麦秸秆致密有序的表面明显被破坏,产生褶皱,结构出现了断裂、粗糙、空穴的现象;枝顶孢属真菌预处理的小麦秸秆,经纤维素酶及木聚糖酶水解后葡萄糖含量可达64 mmo...     

深度共熔溶剂预处理木质纤维素研究进展

木质纤维素是自然界含量丰富的可再生能源,可转化为生物燃料及其他化工产品,有望代替传统化石燃料,助力碳达峰。但木质纤维素拥有复杂的化学结构,在合理利用前需进行预处理。传统预处理方法存在工艺复杂、成本高等问题。而深度共熔溶剂(DES)作为一种新型的预处理生物质溶剂,在生物质分离方面具有巨大潜力,已得到众多科研工作者认可。本文综述了DES预处理木质纤维素相关研究,对DES进行了详细介绍及分类,根据化学组成将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型4种类型的DES。阐明了DES预处理木质纤维素三大组分(木质素、半纤维素、纤维素)的作用机制。并分别对DES预处理木质纤维素三大组分的研究进展进行了总结。在去除木质素时,采用酸度较强的物质作为氢键供体(HBD)制备DES或者选用羧基、胺/酰胺基类DES对木质素的去除效果会更好。另外,相较于纯DES,加水会降低DES的黏度,有利于木质素的溶解。但过量的水会降低DES中氢键的数量,反而不利于木质素的溶解。关于DES分离半纤维素的研究目前大多数集中于预处理条件优化等方面,众多研究表明,以氯化胆碱为氢键受体(HBA)的DES去除半纤维素能力更强。通常情况下,DES在分离三大组...     

秸秆类生物质预处理技术的研究进展

秸秆类生物质是一种廉价、可持续、丰富的可再生原料,其高值化利用是当今世界的研究热点,其预处理过程是生物质向糖类、生物燃料等附加值产品转化的关键步骤。对近年来秸秆类生物质预处理技术进行了综述,介绍了物理法、化学法以及生物法等预处理方法,为有效分离半纤维素、纤维素和木质素提供参考,并总结了各种预处理方法的优缺点,对未来预处理的研究方向进行了展望。     

木质素与生物燃料生产:降低含量或解除束缚?

生物质能源作为可再生性替代能源之一,其开发利用可为解决当前全球变暖、化石能源成本飞涨和环境污染等重大问题提供新的途径。木质纤维素是植物细胞壁的主要组成成分,也是地球上最丰富的可再生资源之一,可转化为生物酒精等液体生物燃料。木质纤维素主要包括纤维素、半纤维素和木质素,三者之间由酯键、醚键和糖苷键等化学键连接,形成的木质素-糖类复合体是一种共价键聚合物,这些细胞壁成分的组成及其互作会影响多糖的水解作用,进而影响木质纤维素的转化利用效率,其中,木质素被认为是阻碍纤维素酶分解的主要物理障碍。当前,提高能源作物生物质的田间种植、生产效率及其工厂化降解、转化效率是生物质能源发展的热点和难点问题。由于木质素是木质纤维素生物量中除多糖之外含量最高的成分之一,提高木质素利用效率成为影响整个木质纤维素生物冶炼产能的关键。为此,文中从降低木质素含量和解除木质素束缚的角度出发,系统回顾了木质素在植物细胞壁中的发育沉积特征及其遗传改造研究进展,探究从植物细胞壁结构组成角度优化木质纤维素性状提高生物燃料产率的可能性,重点论述了降低能源植物木质素含量的遗传选育和基因改良策略,以及木质纤维素生物冶炼的预处理和分离技术。一方面,通过常规育种程序培育低木质素含量的生物能源作物品种,或是通过基因工程技术下调木质素的生物合成,对于提高木质纤维素利用效率和降低生物燃料生产成本均具有积极的作用。另一方面,以解除木质素束缚为目的的生物冶炼预处理技术是提高木质纤维素生物燃料工厂化生产效率的重要环节,主要包括酸预处理法、碱预处理法和有机溶剂预处理法,高效的预处理技术能够显著提高纤维素酶水解效率,增加生物酒精产量。文中最后对木质素与生物燃料生产的研究与应用前景进行了展望。     

低过氧化氢浓度的芬顿试剂预处理玉米秸秆试验

生物质资源是地球上含量丰富的资源之一,生物质中蕴含着大量化学能。因此,高效地利用生物质资源能有效缓解当今世界承受的能源压力。但由于木质纤维素复杂的包裹结构很大程度上阻碍了生物质资源的能源化利用,所以学者们不断探索出更高效的处理方式来打破木质纤维素的复杂结构,便于其进一步转化利用。为提高玉米秸秆的综合利用率,降低预处理成本,采用低过氧化氢浓度的芬顿试剂对玉米秸秆进行预处理,以纤维素酶酶解后的还原糖产量和秸秆中木质素的相对含量变化来评价预处理效果;并通过傅立叶红外光谱(FTIR)、X-射线(X-Ray)等技术手段从官能团的变化、纤维素晶体的结晶度变化两方面对芬顿试剂预处理玉米秸秆的机理进行了进一步解析验证。结果表明:采用0.2mol·L-1的Fe2+、0.2%H2O2组合处理玉米秸秆24h,酶解72h后酶解液中还原糖的浓度是未处理秸秆的1.21倍,预处理后纤维素的结晶度下降7%,酸不溶木质素的相对含量下降16.27%。可见采用低浓度的芬顿试剂预处理玉米秸秆是一种有效的方法,且操作简单、反应时间短。     

生物质资源高效利用模式探索——“生物质-生物质材料-生物质能源”产业链模式

生物质是一类由纤维素、半纤维素和木质素为主要成分构成的天然有机高分子物质,主要以森林抚育采伐剩余物、木材竹材及其加工剩余物、秸秆、果壳等形式存在,是可自然再生的天然资源,我国的生物质产生量在7亿t/a以上。目前,国际上生物质资源的利用途径主要有3条,即生物质材料、生物质能源和纸浆。从提高生物质资源的利用效益出发,以拓展生物质产业链为基本途径,提出＂生物质-生物质材料-生物质能源＂的生物质资源高效利用模式,并重点针对＂生物质-生物质聚合物复合材料-生物质燃油＂生态产业链模式及其研究进展展开讨论。     

柱状生物质炭基尿素的成型及性能研究

为将秸秆生物质炭还田,制备一种以木质素为粘结剂的柱状生物质炭基尿素。利用扫描电镜、万能试验机和沙柱淋溶试验装置对生物质炭基尿素结构、力学及缓释性能进行测试。结果表明,成型能提高炭基尿素缓释效果,生物质炭基尿素力学及缓释性能随木质素含量及成型压力增加而增强,随成型温度增加呈先增强后减弱趋势,在加热温度为70℃时性能最优;生物质炭基尿素周围土壤脲酶活性随木质素含量增加而降低,对土壤脲酶活性有抑制作用。     

玉米秸秆中木质素、半纤维素和纤维素的组分分离研究

针对分离植物茎秆中的木质素、半纤维素和纤维素需高温和高压处理的苛刻条件以及所得组分纯度和回收率均较低的缺陷,采用乙醇和硝酸相结合的方法对玉米秸秆在常压下进行预处理,经稀碱溶液蒸煮及过氧化氢处理,实现高效分离和回收木质素、半纤维素和纤维素组分的目的。正交试验确定的最佳条件为：固液比1∶14、硝酸与乙醇体积比1∶2、76℃下反应3 h,原料的木质素脱除率达76.3%,木质素回收率为44.5%;预处理后的原料以4% NaOH为溶剂、固液比1∶40、95℃下蒸煮2.5 h,其半纤维素脱除率98.8%,半纤维素回收率达66.0%（滤液∶乙醇1∶0.8、pH 7、沉淀2 h）;粗纤维素以2.5%H2O2为溶剂、固液比1∶30、pH 11.5、（46±1）℃下处理6 h,其纤维素纯度99.28%,回收率59.7%。该方法具有工艺条件温和及绿色环保等优势,为玉米秸秆的分级利用提供了一条新的途径。     

木质素与酶的作用机制及其在纤维素酶水解中的影响研究进展

化石燃料的持续开采与使用对环境产生了严重的负面影响，使得开发可再生清洁能源代替传统能源成为必然。木质纤维素是一种丰富的可再生资源，可转化为生物乙醇、氢气等生物质燃料，被认为是代替化石燃料的理想替代品。其中木质纤维原料转化为生物乙醇需经过预处理、酶水解以及微生物发酵这3个关键步骤，而纤维素酶水解通常会受到酶、水解条件、底物等诸多因素的影响。针对木质素对纤维素酶水解的影响研究进行综述，大量研究发现，木质素是纤维素酶水解过程中的主要抑制剂。木质素既可以吸附纤维素酶，与纤维素酶发生无效吸附；又可以作为物理屏障，阻碍酶对纤维素的生产性吸附。尽管通过预处理可以去除大部分的木质素，但依旧无法从根源上缓解木质素对纤维素酶水解的影响，研究木质素的结构单元对酶解效率的影响可能是当前生物乙醇转化中木质素在纤维素酶水解中的研究方向。     

Catalytic conversion of biomass to monofunctional hydrocarbons and targeted liquid-fuel classes

It is imperative to develop more efficient processes for conversion of biomass to liquid fuels, such that the cost of these fuels would be competitive with the cost of fuels derived from petroleum. We report a catalytic approach for the conversion of carbohydrates to specific classes of hydrocarbons for use as liquid transportation fuels, based on the integration of several flow reactors operated in a cascade mode, where the effluent from the one reactor is simply fed to the next reactor. This approach can be tuned for production of branched hydrocarbons and aromatic compounds in gasoline, or longer-chain, less highly branched hydrocarbons in diesel and jet fuels. The liquid organic effluent from the first flow reactor contains monofunctional compounds, such as alcohols, ketones, carboxylic acids, and heterocycles, that can also be used to provide reactive intermediates for fine chemicals and polymers markets.     

Review of the direct thermochemical conversion of lignocellulosic biomass for liquid fuels

Increased demand for liquid transportation fuels, environmental concerns and depletion of petroleum resources requires the development of efficient conversion technologies for production of second-generation biofuels from non-food resources. Thermochemical approaches hold great potential for conversion of lignocellulosic biomass into liquid fuels. Direct thermochemical processes convert biomass into liquid fuels in one step using heat and catalysts and have many advantages over indirect and biological processes, such as greater feedstock flexibility, integrated conversion of whole biomass, and lower operation costs. Several direct thermochemical processes are employed in the production of liquid biofuels depending on the nature of the feedstock properties: such as fast pyrolysis/liquefaction of lignocellulosic biomass for bio-oil, including upgrading methods, such as catalytic cracking and hydrogenation. Owing to the substantial amount of liquid fuels consumed by vehicular transport, converting biomass into drop-in liquid fuels may reduce the dependence of the fuel market on petroleumbased fuel products. In this review, we also summarize recent progress in technologies for large-scale equipment for direct thermochemical conversion. We focus on the technical aspects critical to commercialization of the technologies for production of liquid fuels from biomass,including feedstock type, cracking catalysts, catalytic cracking mechanisms, catalytic reactors, and biofuel properties. We also discuss future prospects for direct thermochemical conversion in biorefineries for the production of high grade biofuels.     

Biomass refining

Processes for refining biomass from trees or from agricultural residues are fast approaching commercialization. Advances have been made in acidic and enzymatic hydrolysis of the cellulose component of biomass and in some newer processes for biomass refining which leave the lignin fraction relatively intact. Rather than low-priced fuels, which have received the most publicity, initial targets will be products with more profit potential, such as chemicals and molasses. Curtailment of government support for alcohol fuel programs is not crucial, because private investment is taking biomass refining from the pilot plant to the demonstration scale.     

Energy dilemmas in Asia: the needs for research and development

Outside of China, the countries of southern and eastern Asia contain 30 percent of the world's population but only 2 percent of the known fossil fuel resources. Economic growth has resulted in increasing imports of petroleum and petroleum products. Because of the tenfold rise in oil prices since 1972, several of these countries are faced with two dilemmas-one short range and one long range. Unless they can discover more fossil fuel resources within their own borders, they must either incur dangerously growing foreign exchange deficits or drastically slow their economic growth. Research and development in energy production, conversion, and conservation should eventually allow local energy sources, of which the most promising is biomass energy, to be substituted for imported fuels. But diverting scarce land and water to plantations of fast-growing trees or other kinds of biomass may seriously limit food production in these crowded countries.     

Biofuels and food security

The major source of energy comes from fossil fuels.The current situation in the fi eld of fuel and energy is becoming more problematic as world population continues to grow because of the limitation of fossil fuels reserve and its pressure on environment.This review aims to fi nd economic,reliable,renewable and non-polluting energy sources to reduce high energy tariffs in Russian Federation.Biofuel is fuel derived directly from plants,or indirectly from agricultural,commercial,domestic,and/or industrial wastes.Other alternative energy sources including solar energy and electric power generation are also discussed.Over 100 Mt of biomass available for energy purposes is produced every year in Russian.One of the downsides of biomass energy is its potential threatens to food security and forage industries.An innovative approach proved that multicomponent fuel(80%diesel oil content for motor and 64%for in stove fuel)can remarkably reduce the costs.This paper proposed that the most promising energy model for future is based on direct solar energy conversion and transcontinental terawatt power transmission with the use of resonant wave-guide technology.     

生物质制备航空燃料的技术研究及应用

石油的枯竭危机和日益加重的减排压力,使航空燃料的发展面临了巨大的挑战,探寻可再生的清洁燃料成为了世界各国的研究焦点.航空生物燃料作为可持续发展的清洁燃料受到了国内外研究者的重视.主要简述了航空燃料的组成、技术要求和制备原料,主要介绍了费托合成、酯类和脂肪酸加氢工艺、热化学转化法和生物转化法4种主要工艺,其中酯类和脂肪酸的加氢工艺便于投入生产,是最有应用前景的工艺,目前已有多家国内外企业应用4种工艺投入生产和销售,未来不久航空生物燃料会为缓解石油危机和减排压力做出巨大贡献.     

High-grade fuels from biomass farming: potentials and constraints

The key parameters controlling the productivity and the cost of net high-grade fuel from a system for biomass agriculture and conversion are analyzed. Performance depends sensitively on a "symbiotic" interaction between agronomy and technology. The conditions for obtaining net productivity and costs are explored for U.S. grain alcohol as a reference point. Currently practiced technology consumes more high-grade fuel than it generates. Some potentials and constraints for future systems, including use of other plant species and conversion systems, are explored.     

低共熔溶剂木质素的分离及结构性质研究进展

作为自然界中最丰富的天然可再生芳香类化合物,木质素被认为是生产生物基燃料和化学品的重要原料。工业木质素主要包括碱木质素和木质素磺酸盐,来源于制浆过程。制浆过程中不仅存在操作条件苛刻、能耗大、废水负荷高等问题,而且分离到的工业木质素纯度低、化学结构变化大,影响其后续高值转化利用。为此,需发展温和、清洁、高效的木质素分离技术以降低能耗及减轻污染问题。低共熔溶剂（DES）是一种新兴的绿色溶剂,由氢键供体和氢键受体以一定的摩尔比混合,并通过氢键作用形成的熔点低于其原组分的共晶混合物,具有易合成、稳定性强、生物相容性好、选择性强、可回收利用等优点。近年来DES被广泛应用于木质素的清洁高效分离研究,不同种类的DES对木质素的分离能力有较大差距。一般来说,羧酸类DES对木质素的分离能力较强,而酰胺类DES则相对较差。DES分离的木质素具有纯度高、分子量小、多分散性小的特点,与工业木质素相比具有一定的应用潜力。本文以DES对木质素的分离效率为主线,总结了常见的DES种类,分别阐述了DES组成、反应温度、时间、固液比对木质素分离效率及其结构性质的影响,介绍了DES的回收利用。并针对DES分离木质素过程中存在的问题,从DES筛选、辅助手段及反应条件优化、DES回收利用等研究方面提出了展望,以期为木质素清洁高效分离及其高值化利用提供有益参考。