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木质纤维原料的生物酶预处理理论与技术研究进展

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中国造纸学报 2022年第4期37卷 92-98页

作者：王营超田中建吉兴香王强齐鲁工业大学(山东省科学院)生物基材料与绿色造纸国家重点实验室山东济南250353

基于生物酶的专一性、高效性和环境友好性,生物技术在制浆造纸工业中已获得了广泛应用,并取得了良好的经济和环保效益。采用生物酶预处理木质纤维原料不仅可以改善纤维形态、提高纸浆性能、降低磨浆能耗、提高生产效率,而且能够缓解传... 详细信息

基于生物酶的专一性、高效性和环境友好性,生物技术在制浆造纸工业中已获得了广泛应用,并取得了良好的经济和环保效益。采用生物酶预处理木质纤维原料不仅可以改善纤维形态、提高纸浆性能、降低磨浆能耗、提高生产效率,而且能够缓解传统制浆造纸工业面临的环境污染问题,为造纸行业的绿色转型发展提供更多可能。但目前生物酶技术在木质纤维原料预处理工段的应用还存在一些不足,如生物酶在各种环境下如何保持活性、生物酶成本高、处理条件苛刻及反应时间长等均是实际生产中需要解决的问题。本文综述了果胶酶、木聚糖酶、纤维素酶及木质素降解酶等生物酶预处理木质纤维原料的理论与技术研究进展,以期为解决上述问题并使生物酶预处理技术在制浆造纸工业化生产中达到高效利用提供一定参考与思路。

关键词：生物酶木质纤维原料预处理

木质纤维原料同步糖化发酵制取生物乙醇研究进展

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生物质化学工程 2016年第3期50卷 65-70页

作者：高月淑许敬亮袁振宏张宁蒋剑春中国林业科学研究院林产化学工业研究所生物质化学利用国家工程实验室国家林业局林产化学工程重点开放性实验室江苏省生物质能源与材料重点实验室江苏南京210042 中国科学院广州能源研究所广东广州510640

简单介绍了同步糖化发酵及其优势,综述了同步糖化发酵工艺近年来在工艺参数、工艺流程及发酵微生物等方面的最新研究进展,着重介绍了耐高温酵母的选育及其在同步糖化发酵制取生物乙醇中的应用,这有可能成为解决同步糖化发酵工艺中酶解... 详细信息

简单介绍了同步糖化发酵及其优势,综述了同步糖化发酵工艺近年来在工艺参数、工艺流程及发酵微生物等方面的最新研究进展,着重介绍了耐高温酵母的选育及其在同步糖化发酵制取生物乙醇中的应用,这有可能成为解决同步糖化发酵工艺中酶解和发酵温度不协调问题的最重要途径。

关键词：木质纤维原料生物乙醇同步糖化发酵

非酶法催化木质纤维原料转化制备低聚木糖研究进展

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林产化学与工业 2020年第6期40卷 118-128页

作者：张威伟张波张乐平蒋建新北京林业大学材料科学与技术学院林业生物质材料与能源教育部工程研究中心北京100083 北京林业大学生物科学与技术学院北京100083

低聚木糖(XOS)被认为是最有效的益生元之一,可广泛应用于医药保健品、食品添加剂、宠物食品和饲料等领域。传统的酶法生产XOS的效率低、生产周期长、生产成本较高,难以工业化大规模生产,因此近些年来非酶法催化转化制备XOS成为了该领域... 详细信息

低聚木糖(XOS)被认为是最有效的益生元之一,可广泛应用于医药保健品、食品添加剂、宠物食品和饲料等领域。传统的酶法生产XOS的效率低、生产周期长、生产成本较高,难以工业化大规模生产,因此近些年来非酶法催化转化制备XOS成为了该领域研究热点。介绍了XOS的化学结构、理化性质及生理功能,系统综述了酸水解法、蒸汽爆破法、自动水解法(乙酰基辅助催化)、亚临界CO2辅助自动水解和无机盐催化等非酶法催化转化XOS工艺过程、工艺特点、XOS得率及优缺点。最后,总结了目前该领域研究中存在的问题,并展望了未来的研究方向。

关键词：低聚木糖木质纤维原料益生元工业化非酶法催化

木质纤维原料醋酸催化制取低聚木糖及其纤维素酶水解

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木质纤维原料醋酸催化制取低聚木糖及其纤维素酶水解

作者：张红玉南京林业大学

学位级别：硕士

本文采用温和、易回收的醋酸作为催化剂定向催化木聚糖及其相关原料以制取低聚木糖,分别建立了醋酸催化黏胶纤维生产废弃物木聚糖、玉米芯碱抽提木聚糖、玉米芯、玉米秸秆及小麦秸秆原料制取低聚木糖的最适工艺条件。在此基础上,研究了... 详细信息

本文采用温和、易回收的醋酸作为催化剂定向催化木聚糖及其相关原料以制取低聚木糖,分别建立了醋酸催化黏胶纤维生产废弃物木聚糖、玉米芯碱抽提木聚糖、玉米芯、玉米秸秆及小麦秸秆原料制取低聚木糖的最适工艺条件。在此基础上,研究了醋酸预处理对玉米芯原料纤维素酶水解性能的影响及其酶水解技术,并探索了醋酸催化制取低聚木糖液的减压蒸发及纳滤分离与纯化技术,以实现农业秸秆木质纤维资源的聚糖组分的清洁、高效和全质化利用。主要研究结果如下:以33.77 g/L黏胶纤维生产废弃木聚糖为底物,在20%醋酸浓度和140℃条件下处理20min,低聚木糖得率达到45.86%。以30 g/L的玉米芯木聚糖为底物,在醋酸添加量10%和140℃条件下处理30 min,低聚木糖的得率可达到39.70%。在醋酸催化两种来源木聚糖制取低聚木糖的各个工艺条件因素中,对低聚木糖得率的影响强度顺序为:反应温度>反应时间>醋酸浓度。在固液比1:3.5-7的范围内,以20%醋酸溶液在150℃条件下直接催化1 kg玉米芯原料30 min,低聚木糖得率均超过42%木聚糖,原料产率达到12%以上,且副产物少,产品得率指标为当前本领域的最高技术水平。在相同工艺条件下,醋酸直接催化小麦秸秆原料的低聚木糖得率为36.60%木聚糖,原料产率达8.78%,而以玉米秸秆为原料的低聚木糖得率仅为25.08%木聚糖,原料产率为5.85%,且副产物相对较高。基于HPAEC-PAD对低聚木糖成分组成的分析结果显示,与酶法制备产物主要生成木二和木三糖的降解特征不同,醋酸催化木聚糖及上述富含木聚糖的原料会同时生成木二糖至木八糖组分,其中木二糖、木三糖和木四糖的含量较高,其次是木五糖和木六糖,同时还含有少量的木七糖和木八糖组分。在相同的酸度条件下,采用醋酸催化玉米芯原料的低聚木糖得率显著高于盐酸或者硫酸催化剂,并且能够极显著地提高玉米芯的纤维素酶水解性能。电子扫描电镜观察结果显示,相比于盐酸和硫酸催化剂,醋酸预处理会使玉米芯纤维表面产生了更大的比表面积和更多的微孔以有利于纤维素酶水解,采用20 FPU纤维素酶/g纤维素水解20%醋酸预处理玉米芯72 h,纤维素酶水解得率即可高达91%,酶水解生产效率为纤维素酶水解领域的最高水平。采用醋酸催化和纤维素酶水解集成技术可以实现农业秸秆木质纤维原料中的半纤维素和纤维素的高效生物转化,实现低聚木糖和可发酵性葡萄糖的联产。1 kg玉米芯原料经20%醋酸于150℃条件下处理30 min可制得139.8 g低聚木糖;固体渣再经过15 FPU/g纤维素酶水解72 h后可制得328.1 g葡萄糖、25.1 g纤维二糖和73.1 g木糖。原料中纤维素和半纤维素制得可发酵性糖和低聚木糖的产率分别达到96.1%和45.9%。在真空度为0.01 MPa和70℃的减压蒸发条件下,浓缩低聚木糖液10倍回收97.3%醋酸催化剂,再采用纳滤技术即可实现100%醋酸催化剂回收,同时充分脱除甲酸、糠醛和羟甲基糠醛杂质,木糖脱除率超过75.0%。

关键词：醋酸催化低聚木糖纤维素酶水解木质纤维原料技术集成

木质纤维原料生物炼制制备糖类和功能材料的研究

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木质纤维原料生物炼制制备糖类和功能材料的研究

作者：杨娈南京林业大学

学位级别：硕士

发展木质纤维原料生物炼制制备清洁能源和高附加值化学品是实现“双碳”目标的重要途径。目前生物炼制技术工业化利用仍存在原料预处理成本高、纤维素酶解糖化效率低以及反应残渣未有效利用等问题,亟需寻求新的破解途径。本文提出以金... 详细信息

发展木质纤维原料生物炼制制备清洁能源和高附加值化学品是实现“双碳”目标的重要途径。目前生物炼制技术工业化利用仍存在原料预处理成本高、纤维素酶解糖化效率低以及反应残渣未有效利用等问题,亟需寻求新的破解途径。本文提出以金属有机框架(MOFs)材料辅助和强化酶水解的新思路,研究了MOFs对不同来源和预处理方式的木质纤维原料(玉米芯残渣和马尾松)酶水解的增效机制,并将酶解残渣进一步转化为功能材料,实现了木质纤维原料的全组分利用;借助预处理调控玉米芯中的木质素含量并将其进一步转化为功能性水凝胶,实现了农林废弃物的高值化利用。主要结论如下:(1)选取制备成本相对较低、酸稳定性较好的Ui O-66系列MOFs作为新型的酶解助剂用于降低木质素对酶水解的抑制作用。对比分析了Ui O-66和Ui O-66-NH对高温酸解去除半纤维素的玉米芯的酶水解的增强作用。研究发现,将玉米芯残渣(20 wt%)在5 FPU/g-葡聚糖的酶用量下进行酶水解,在添加4 g/L的Ui O-66和Ui O-66-NH后,葡萄糖的水解得率从空白样品的42.3%分别提升至60.6%和71.5%。在10 FPU/g-葡聚糖的酶用量下添加4 g/L的Ui O-66-NH后,葡萄糖的水解得率和浓度分别达到90.1%和84.9 g/L。此外,酶解反应72 h后体系中的游离酶蛋白浓度和酶活性分析表明,Ui O-66-NH可以提升游离酶蛋白浓度和酶的活性,降低纤维素酶在木质素上的非生产性吸附,从而提高酶解效果。(2)选用低共熔溶剂(氯化胆碱/乳酸)对马尾松进行预处理,考察不同预处理条件对马尾松化学组成的影响,并通过添加MOFs来进一步强化酶水解,同时将预处理再生的木质素制备成功能性膜材料,实现马尾松的全组分利用。实验结果表明,当氯化胆碱/乳酸比例为1:10、反应温度为130℃、反应时间为4 h时,纤维素保留率、木质素脱除率和木质素纯度分别为91.6%、81.2%和92.5%。当复合纤维素酶用量为5 FPU/g-葡聚糖时,加入Ui O-66-NH后水解得率能够从42.1%提升至52.8%。基于再生木质素的紫外屏蔽膜的性能测试表明,当木质素的添加量为0.06 g时,制备的薄膜能屏蔽将近86.0%的紫外线,同时保持79.1%的透过率。(3)借助不同温度(80-130℃)的低共熔溶剂(氯化胆碱/乳酸)预处理来调控玉米芯中的木质素含量,将不同化学成分的预处理物料溶于绿色环保的Zn Cl/Ca Cl溶剂体系,制备出具有电化学应用潜力的木质纤维素基水凝胶(LCHs)。研究发现,基于120℃预处理物料(木质素含量3.8%)的LCHs机械强度最佳(抗拉强度144.4 k Pa、抗压强度401.4k Pa)。物料中木质素含量过高会降低水凝胶的机械强度,而适量的木质素能够较好地分散和填充在水凝胶的网络结构中,从而改善水凝胶的力学性能。由于LCHs柔韧性较好且含有大量的金属离子,因此将其组装成电容器。电化学分析数据表明,120℃预处理物料制备的水凝胶组装的电容器,其功率密度为495.0 W/kg时能量密度为110.2 Wh/kg。本研究为LCHs的制备提供了一种较为简单的方法,同时为玉米芯的高值化利用提供了一条新的途径。

关键词：木质纤维原料低共熔溶剂酶水解金属有机框架功能材料

低共熔溶剂选择性溶解木质纤维原料的研究进展

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中国造纸学报 2021年第2期36卷 79-86页

作者：汪心娉余璟朱瑞琦倪柳芳林嫦妹马晓娟福建农林大学材料工程学院福建福州350108 福建工程学院生态环境与城市建设学院福建福州350108

综述了近年来低共熔溶剂(DES)在木质纤维原料预处理过程中选择性溶解木质素、纤维素和半纤维素的相关研究进展,分析了DES类型、组成和处理条件对木质素、半纤维素及纤维素的选择性溶解差异,总结了DES溶解木质纤维原料过程的规律和机理,... 详细信息

综述了近年来低共熔溶剂(DES)在木质纤维原料预处理过程中选择性溶解木质素、纤维素和半纤维素的相关研究进展,分析了DES类型、组成和处理条件对木质素、半纤维素及纤维素的选择性溶解差异,总结了DES溶解木质纤维原料过程的规律和机理,为高效预处理木质纤维原料的新型绿色DES的理论设计提供依据。

关键词：低共熔溶剂木质纤维原料纤维素半纤维素木质素

膜分离技术在木质纤维原料生物炼制领域的应用研究进展

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生物质化学工程 2018年第1期52卷 69-74页

作者：李云蒋进元杨秀山白璐中国环境科学研究院环境工程设计研究中心北京100012 首都师范大学生命科学学院北京100048

膜分离技术是一种高效、环保、易放大的新技术,在水处理工业中占有重要地位。近十年来膜技术也开始被应用到木质纤维原料生物炼制领域,受到越来越多的关注。该综述简要介绍了超滤、纳滤、反渗透、膜蒸馏、渗透气化、电渗析和电超滤等分... 详细信息

膜分离技术是一种高效、环保、易放大的新技术,在水处理工业中占有重要地位。近十年来膜技术也开始被应用到木质纤维原料生物炼制领域,受到越来越多的关注。该综述简要介绍了超滤、纳滤、反渗透、膜蒸馏、渗透气化、电渗析和电超滤等分离技术的基本原理及特点,重点介绍了超滤、纳滤和反渗透在木质纤维原料生物炼制(预处理水解液、酶解液和发酵液)中的应用研究,主要是抑制剂的分离和高附加值成分的浓缩等,并提出了今后膜分离技术的研究方向。

关键词：膜分离木质纤维原料生物炼制

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用木质纤维原料生产乙醇的预处理工艺

酿酒科技 2005年第8期 42-47页

作者：罗鹏刘忠天津科技大学材料学院天津300222

预处理是利用木质生物资源生产乙醇的一个重要环节,纤维细胞的空隙度、纤维本身的结晶度、预处理温度、反应时间、pH值、纤维质原料的浓度对预处理产生影响,目前的预处理技术对木质生物资源的3种主要组分分离不完全且纤维素降解程度较... 详细信息

预处理是利用木质生物资源生产乙醇的一个重要环节,纤维细胞的空隙度、纤维本身的结晶度、预处理温度、反应时间、pH值、纤维质原料的浓度对预处理产生影响,目前的预处理技术对木质生物资源的3种主要组分分离不完全且纤维素降解程度较高。今后对预处理的研究方向:有效分离出活性纤维,同时使半纤维素免遭破坏并充分利用,尽量减少对纤维素酶起抑制作用的降解产物的形成,减少能量消耗,降低成本,生产出高附加值的木素产品。

关键词：木质纤维原料乙醇预处理

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木质纤维原料组分分离的研究

纤维素科学与技术 2003年第4期11卷 31-40页

作者：陈洪章李佐虎中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室北京100080

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... 详细信息

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。

关键词：木质纤维原料组分分离麦草工艺过程生物量全利用造纸工业