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.     

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。      

玉米秸秆预处理条件的优化

优化玉米秸秆预处理条件,测定其纤维素、半纤维素和木质素的含量,使其在生产过程中减少环境污染,降低生产成本和提高产率。将玉米秸秆切段除尘称量,先用亚硫酸氢钠浸泡,之后通过汽爆或蒸煮,再用氨水浸泡,然后烘干粉碎用蒸汽压力锅灭菌,最后进行液相色谱分析。结果表明,利用多种预处理方法相结合,使得纤维素、半纤维素、木质素分离开,切断其氢键破坏晶体结构,降低聚合度,有效去除木质素,提高纤维素、半纤维素的转化利用率。以亚硫酸氢钠浸泡24小时、3.0兆帕未挤干汽爆、氨水浸泡2小时的表现较好。     

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。     

蔗渣半纤维素·纤维素和木质素分离条件研究

[目的]研究蔗渣中半纤维素、纤维素和木质素的分离条件。[方法]在溶剂-酸-水混合体系中对蔗渣半纤维素、纤维素和木质素进行蒸煮分离,利用单因素试验和响应面分析法对主要影响因素进行分析优化,得到最佳的分离条件。[结果]通过响应面分析法预测最佳的分离工艺条件为溶剂浓度(v/v)69.63%、酸浓度(v/v)6.41%、反应时间4 h,此条件下模型预测的半纤维素水解率为98.07%、纤维素存留率为92.49%、木质素去除率为66.72%,验证试验半纤维素水解率为99.00%、纤维素存留率为92.08%、木质素去除率为67.06%,接近理论值。[结论]研究结果可较好地用于蔗渣半纤维素、纤维素和木质素的分离。     

木质纤维细胞壁大分子取向研究进展

木质纤维细胞壁主要是由纤维素、半纤维素以及具网络结构的木质素交联形成的高度有序的三维立体结构,是植物最基本的力学承载单元。本文首先概述了国内外有关木质纤维细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素3种结构大分子的模量、强度等微力学特性,其次就纤维素?半纤维素、纤维素?木质素以及半纤维素?木质素大分子间的交联结构、分子间的有序组装规律进行了总结。在此基础上,对比分析了光学显微成像、电子显微成像、原子力显微成像、显微红外光谱、线偏振显微拉曼光谱、和频振动光谱以及同步辐射X射线衍/射技术在细胞壁大分子取向研究过程中的异同点。重点讨论通过分子光谱化学成像技术揭示的木质纤维原料不同类型细胞以及同一类型细胞不同亚层中3种结构大分子取向排列规律。最后,展望了木质纤维原料大分子取向研究可能的发展趋势:系统表征木质纤维细胞壁纤维素超分子结构、三大组分间连接键类型、纤维素构象对半纤维素糖苷键及木质素芳香环有序组装的影响机制;在纳米尺度揭示木质纤维发育过程中,各类细胞壁中纤维素纤丝聚集体结构、取向和微力学变化规律;在细胞壁水平非破坏性地对木质纤维大分子取向进行三维立体成像和定量研究;基于分子结构表征、分子模拟和三维成像研究结果实现针叶、阔叶及禾本科植物纤维细胞壁骨架模型的构建。      

木质纤维素基重金属吸附剂的制备技术研究进展

分析了木质纤维素的组成成分和结构性质,归纳出木质纤维素基吸附剂的制备路线,系统总结了木质纤维素预处理、化学改性技术方法的最新研究进展,阐述了制备过程中主要因素的影响;结合表征手段揭示了其吸附机理,介绍了其吸附及再生研究方法。结果表明,为提高木质纤维素对重金属的吸附效果,可通过化学改性在其纤维素上引入活性官能团。但纤维素被封闭在由半纤维素和木质素构成的致密网状结构内,加之其结晶度较高,使得改性效果较差,因此,在化学改性前需要先进行预处理。目前的预处理技术除了包括物理、化学和生物技术,还有微波、超声等新兴技术;化学改性技术主要包括单体接枝和直接改性。原材料和试剂的种类与用量、反应温度和反应方式等因素对制备过程影响较显著。木质纤维素基吸附剂对重金属离子的吸附机理主要是表面络合和离子交换,目前吸附研究主要采用间歇式静态吸附法,再生研究主要采用溶剂再生法。最后,指出了木质纤维素基吸附剂的制备、吸附和再生过程中存在的问题及今后的发展方向。     

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。     

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。     

棘孢木霉1285对麦秸的降解及厌氧发酵的影响

为了提高秸秆厌氧发酵产气效率,本研究以1株新分离的秸秆降解菌棘孢木霉(Trichoderma asperellum1285)对麦秸木质纤维进行生物预处理,研究T.asperellum 1285对麦秸木质纤维的降解效果,并确定最佳的生物预处理时间;随后将生物预处理的秸秆原料用于中温[(37±1)℃]厌氧发酵产沼气研究。结果显示:T.asperellum1285对麦秸的木质纤维具有较好的降解能力,可有效降解木质素,保留纤维素并降低干物质损失率,降解预处理8d时,木质素损失率比对照组提高了53.09%,而干物质损失率、半纤维素损失率、纤维素损失率分别比对照组降低了55.89%、16.08%、50.91%;扫描电镜、红外光谱结果进一步证明麦秸经T.asperellum 1285预处理,木质素可被有效降解而纤维素保留并暴露在外。将经过T.asperellum1285生物预处理8 d后的麦秸用于中温厌氧消化产沼气,总产气量和总产甲烷量分别为(14 774.30±216.56)ml、(7 638.90±165.36)ml,较未经过生物预处理的对照组分别提高14.05%、16.01%。表明麦秸经T.asperellum 1285预处理可有效提高麦秸厌氧发酵产气效率。     

木质纤维素预处理技术研究进展

预处理木质纤维素是实现生物质转化为燃料乙醇的关键步骤,直接影响着木质纤维素水解效率和乙醇的生产成本。介绍了国内外几种木质纤维素预处理技术现状,评述了木质纤维素转化为乙醇的工艺特点和经济性,综述了几种极具经济潜力的预处理技术。     

温和湿热条件下碱预处理对玉米秸秆厌氧发酵的影响

为了考察温和湿热条件下碱预处理对玉米秸秆的理化特性和厌氧发酵产甲烷的影响,以干黄玉米秸秆为原料,利用不同碱预处理剂,80℃条件下处理24 h,通过分析玉米秸秆处理前后理化特性以及厌氧发酵产气特性和发酵出料理化性质,比较4种碱预处理剂的处理效果。结果表明,温和湿热条件下用碱预处理的玉米秸秆的木质素、纤维素和半纤维素含量均显著降低,浸提液pH值略有下降,而化学需氧量(COD)和总脂肪酸(TVFA)含量明显提高,单位总固体(TS)产气量和甲烷含量有所提高,且出料中有机物和固体物含量明显下降。温和湿热条件下,6%KOH溶液对木质纤维素的溶解效果最好,木质素含量下降67.04%,半纤维素含量下降76.86%;4%氨水溶液发酵产气效果最好,单位TS产气量可达到125.25 mL/g。     

牡丹废弃物用于制备发酵可利用还原糖的研究

本研究以牡丹废弃物(叶、果荚、枝)为研究对象,采用傅里叶变换红外(FTIR)光谱分析其木质纤维素种类,分别采用微波-碱法和水浴-碱法预处理原材料后,用GC-MS结合FTIR光谱分析不同预处理方法对原材料的处理效果,并采用纤维素酶解法制备还原糖进行还原糖产量分析,以评价牡丹废弃物作为原材料制备发酵可利用还原糖进行生物转化的潜能。结果表明,牡丹不同部位废弃物的木质纤维素含量不同,牡丹枝中含量最高,综纤维素含量是枝果荚叶;木质素为SG型(即愈创木基和紫丁香基木质素),以愈创木基木质素为主。微波-碱法和水浴-碱法预处理均能有效去除愈创木基,破坏部分半纤维素,提高纤维素酶解产糖效率,差异不明显;预处理也能有效去除原材料中的可溶性成分,提高还原糖产量;以牡丹果荚为原料的还原糖产量比以枝和叶为原料的产糖量至少提高46.62%,因此,牡丹果荚更适合作为制备发酵可利用还原糖的原材料。     

预处理及木质素酶对玉米秸秆酶解糖化效果影响

以玉米秸秆为原料,以酶解糖化分析、扫描电镜及傅里叶红外光谱验证为检测指标,建立了高效玉米秸秆预处理方法及条件,并进一步探讨了酶解糖化过程中各木质素酶与纤维素酶、木聚糖酶的协同作用效果及酶解糖化过程中各木质纤维素酶的最佳添加比例及添加量。结果表明：2%CaCO₃+1%H₂O₂在料液比1∶11,温度120℃,时间70 min条件下,可较好地去除木质素并保留纤维素及半纤维素组分;酶解糖化试验表明,木质素酶中漆酶对预处理玉米秸秆水解起主要促进作用,各木质酶的最优添加量分别为漆酶8 U/g,木素过氧化物酶10 U/g,锰过氧化物酶6 U/g,此条件下水解液中的混合糖含量为116 mmol/L,比未添加木质素酶含量提高了16%。试验为低酶用量、高糖得率的高效木质纤维素降解复合酶体系的建立及玉米秸秆木质纤维素原料的高效转化利用奠定了基础。     

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。     

碱性双氧水预处理对苹果渣化学组分和酶解得率的影响

【目的】利用浓度为4.5%、pH 11.5的双氧水（alkaline hydrogen peroxide,AHP）预处理苹果渣,研究其对苹果渣化学组分、木质素的去除率和纤维素酶的酶解得率的影响。【方法】以木质素的去除率为指标,优化AHP预处理的温度和时间,经过过滤收集固体组分、干燥后,制得预处理后的苹果渣。根据AHP预处理前苹果渣中纤维素、半纤维素的含量、木质素的含量以及酶解总糖含量,分析AHP在最优预处理温度下,不同预处理时间对苹果渣纤维素、半纤维素的含量及回收率,木质素的含量及去除率、酶解糖得率的影响。通过扫描电镜（scanning electron microscope,SEM）、热重分析法（thermogravimetry/differential thermogravimetry,TG/DTG）和傅里叶变换红外光谱（fourier transform infrared,FTIR）表征AHP处理前后的苹果渣物理结构、化学组分的变化。【结果】预处理的时间和温度对苹果渣木质素的去除率有显著的影响。综合考虑各方面的因素,尤其是经济效益,当预处理时间为2 h、温度为50℃时,木质素的去除率最优,可达到56.68%。在最优的预处理温度下,分析不同预处理时间后苹果渣的组分变化及酶解得率。当预处理时间为2 h时,纤维素、半纤维素回收率可达99.86%,非常接近未处理果渣中的含量;苹果渣的酶解糖得率可达到0.54 g·g^-1,是未处理果渣酶解得率的2倍。扫描电镜（SEM）图像对比说明AHP预处理使得果渣的物理结构变得多孔而疏松,纤维束变得宽松而粗糙,内表面积无限增大。热重分析法（TG/DTG）表明AHP预处理明显提高了纤维素组成单体的纯度,减少了预处理后果渣中木质素及残留物的含量。红外光谱（FTIR）研究揭示AHP预处理可以破坏木质素的化学结构,组成木质素的愈创木基、紫丁香基和对羟苯基等基本物质的结构被AHP破坏,从而使得AHP处理后果渣中木质素的含量明显降低。【结论】双氧水是一种有效的苹果渣预处理剂,其预处理效果与预处理的温度和时间有密切联系。     

不同生物预处理对芦竹和玉米秸秆及其厌氧消化性能影响研究

<正>木质纤维素类生物质复杂的结构及木质素的存在极大限制了原料在厌氧消化过程中的水解反应。预处理和贮存是木质纤维素生物质沼气工程中两个重要的上游环节。通过适当的预处理和贮存可以增加生物质的生物降解性,并有助于提高后续厌氧消化产甲烷性能。因此,开展原料预处理和贮存的研究对于厌氧消化技术的推广与应用具有非常重要的意义。论文对不同收获时期和不同固形物含量芦竹的青贮物化性能及其厌氧消化产甲烷性能进行了评价,研究了尿素添加对芦竹青贮及其厌氧消化特性的影响,并探讨了真菌预处理对玉米秸秆理化特性和产甲烷性能的影响。     

复合溶剂预处理对葵花秆木质素去除率和结构的影响

采用NaOH、乙醇复合溶剂对葵花秆进行预处理,通过单因素试验研究了反应时间、温度、固液比、溶剂质量分数及复合溶剂比例对葵花秆木质素去除率的影响,然后利用正交试验法对预处理条件进行优化,得到最佳预处理条件为温度170℃,2%NaOH和70%乙醇的复合溶剂体积比为2∶1,固液比1∶25(g∶m L),反应时间1 h,该条件下木质素去除率为53.75%。酶解试验表明,木质素去除率越高,葡萄糖产率越高。最后通过红外光谱、扫描电镜对预处理前后的葵花秆进行结构分析,发现预处理后的葵花秆结构遭到破坏,出现不规则的裂痕,木质素与半纤维素之间的结构被破坏,暴露出更多的纤维素和半纤维素。     

NaOH预处理对玉米秸秆纤维结构特性和酶解效率的影响

为研究不同温度下Na OH预处理对玉米秸秆纤维结构特性和酶解得率的影响,为确定纤维原料碱法预处理的适宜条件提供理论依据,采用稀Na OH溶液对玉米秸秆分别在60、80、105℃下预处理,测定了预处理前后纤维原料的化学组成和酶解得率,并采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和傅里叶变换红外光谱仪(IR)对预处理前后玉米秸秆的纤维结构进行了表征。结果表明:Na OH预处理能够有效脱除玉米秸秆中木质素,增加纤维素和半纤维素比例,提高纤维素结晶度,产生的润涨作用导致纤维束状结构疏松。Na OH 80℃预处理1 h后,玉米秸秆中纤维素结晶度达到63.7%,60 h的酶解得率达到71.4%;碱处理温度进一步升高则会充分暴露纤维表面纹孔,同时使纤维素分子内氢键重新形成,容易进一步损失半纤维素,降低纤维素的润涨程度,从而降低酶解效率。80℃条件下碱处理能够有效改善玉米秸秆纤维结构,提高其转化利用效率。