木质纤维素生物质炼制和多级资源化利用技术

木质纤维素生物质高值化利用的主要途径是当前的生物质炼制及多级资源化利用模式,即生物质各组分分别转化为材料或化学品,最终实现生物质组分的高值化利用。概述了当前生物质转化为材料和化学品的主要思路,即基于"生物质原始结构解译-组分选择分离-分离组分的结构解析及高值转化"的模式,该模式对于木质纤维素资源高效利用具有重要的指导意义。     

生物质生物预处理研究进展与展望

木质纤维素生物质分布广、产量大、可再生,用于制备生物基能源、生物基材料和生物基化学品。木质纤维素生物质组成复杂,包含纤维素、半纤维素和木质素等,木质素与半纤维素通过共价键、氢键交联形成独特的“包裹结构”,纤维素含有复杂的分子内与分子间氢键,上述因素制约着其资源化利用。生物预处理以其独特优越性成为生物质研究的重要方面。系统阐述了生物预处理过程中木质素降解和基团修饰对纤维素酶解的影响,纤维素含量及结晶区变化,半纤维素五碳糖利用,微观物理结构的改变。进一步提出了以生物预处理为核心的组合预处理、基于不同功能的多酶协同催化体系、木质纤维素组分分级利用和新型高效细菌预处理工艺是生物预处理未来发展的重要趋势。     

木质纤维生物质资源高效利用分子技术的开发

木质纤维生物质是地球上最丰富的可再生生物质资源,可为造纸、化工、纺织和生物能源等工业提供重要的原材料。木质纤维生物质主要包括木质素、纤维素和半纤维素三种生物多聚物成分。如何利用分子手段改造这些生物聚合物,提高它们的工业利用率是目前高度关注的问题。综述了近年来木质纤维多聚物在生物合成与改造方面的研究进展,展望了利用分子技术改造植物木质纤维生物质实现其高效利用的前景。     

木质素的微生物解聚与高值转化

木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源。我国每年产生约9亿吨农业秸秆,因得不到有效利用,不仅造成资源浪费,也产生了诸多严峻的环境问题。缺少木质素的高效降解和资源化利用技术是限制木质纤维素产业化的主要瓶颈之一。虽然木质素的降解与转化多年来一直都受到关注,但是由于木质素结构的复杂性及异质性,使其高效利用受限。近年来,微生物具有的“生物漏斗”式转化特性为木质素的高值转化和利用提供了新方向。本文就生物质利用研究以来,微生物在木质素解聚与转化方面的研究历程与最新进展进行了简要的回顾与总结,并初步讨论了目前木质素高值转化面临的机遇与挑战。     

木质纤维素生物炼制的研究进展

木质纤维素是一种广泛存在的可再生生物质资源,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。如何更有效地综合利用木质纤维素是当前面临的世界性难题。本文中,笔者梳理了木质纤维素生物化学法转化生产以燃料乙醇为代表的生物基产品,特别是转化过程中关键技术环节的研究现状及难点,深入探讨了木质素的生物转化利用趋势,并综述了合成生物学在这些领域的研究趋势和最新成果。本文力图描绘出木质纤维素生物炼制研究全景,为后续研究提供潜在思路。     

生物质原料预处理、组分分离到结构选择性拆分——生物质原料工程学的发展

在石化资源日益匮乏的严峻形势下,生物质将成为未来新一代生物及化工产业的最理想的替代原料.因此,如何使生物质资源成为生物基能源、生物基化学品和生物基材料的通用原料,成为目前世界各国共同关注的焦点和热点.从生物炼制及生物质科学与工程的发展可以看出,原料预处理是实现生物质高效转化的必要手段,而组分分离-定向转化是原料预处理的进一步提升,它可以实现纤维素、半纤维素和木质素的分别转化,但是仍然存在着原子利用率不高、能耗高、工艺路线复杂等问题.鉴于生物质是一个功能大分子体,要使其成为通用原料,应该根据原料结构特点和产物要求,发展结构化功能高值拆分的转化过程,即原料的选择性结构拆分思路.从原料预处理到组分分离,再到选择性结构拆分,实现了原料工程学的发展与逐步成熟,其最终目的是要真正建立以生物质为通用原料的新型工业技术体系和研究平台.     

运动发酵单胞菌在生物炼制中的研究进展

以木质纤维素生物质为原料的生物炼制技术已成为全球研发的热点和难点。欧盟国家和美国的中长期生物质能源发展路线图中均将木质纤维素生物炼制技术作为重要目标,但是目前整体水平尚处于中试阶段。我国的纤维素类生物质原料非常丰富,将其转化成燃料乙醇及生物基础化学品等具有较大的潜力,但当前要想实现商业化生产,还面临着很多瓶颈问题亟待解决。缺乏能够同时高效利用纤维素类水解物的发酵菌株,已成为纤维素生物质高效与高值转化的关键制约因素。运动发酵单胞菌是目前唯一一种通过ED途径兼性厌氧发酵葡萄糖的微生物,其独特的代谢途径使其成为构建产乙醇工程菌的优选宿主之一;同时由于该菌具有较高的糖利用效率等优点,也是其他生物基化学品生产的重要候选平台微生物,如山梨醇、葡萄糖酸、丁二酸和异丁醇等。本文从该菌的研究历程、分子生物学基础、菌种改良及该菌在生物能源及生物基化学品等生物炼制体系中的应用研究角度进行了综述,并提出该菌可作为纤维素生物质生物炼制系统的新的重要平台微生物。     

β-木糖苷酶及其在纤维素乙醇生产中的应用研究进展

将木质纤维素类生物质生物转化生产液体燃料,如纤维素乙醇和大宗化学品,对缓解当前人类社会面临的能源和资源危机以及保护环境具有重要意义。半纤维素是木质纤维素类生物质的主要组成成分之一,它的生物降解转化对实现木质纤维素生物炼制意义重大。由于半纤维素糖种类的多样性和半纤维素结构的复杂性,需要一个复杂的半纤维素酶系才能完成对半纤维素的有效降解。除了木聚糖酶等以外,β-木糖苷酶也是半纤维素酶系的主要组分。在半纤维素降解过程中,β-木糖苷酶将木聚糖酶的水解产物木寡糖和木二糖水解为木糖,不仅在木聚糖的彻底降解过程中起着重要作用,而且可以缓解木寡糖对木聚糖酶和纤维素酶的抑制作用。该文综述了目前在β-木糖苷酶方面的研究进展,包括β-木糖苷酶的分类、酶学性质、酶结构及其催化机制、基因的克隆与表达等,并对β-木糖苷酶在纤维素乙醇生产中的应用情况进行了简述。     

木质纤维素资源生物精炼技术研究进展

开发利用可再生性的木质纤维素资源来生产液体燃料和大宗化学品,对于解决人类发展面临的资源与环境危机具有重要的意义。然而,作为其代表性工艺的纤维素乙醇生产却因为经济上无法过关而迟迟不能真正实现产业化。采用生物精炼技术,充分利用木质纤维素材料中各种组分,生产包括部分高值产品的多种产品,是克服其转化技术产业化经济可行性问题的有效措施。综述了木质纤维素原料生物精炼技术的研究发展现状,着重阐述了玉米芯的生物精炼技术产业化进展,并对木质纤维素的生物精炼前景进行了展望。     

木质纤维素的自然生物转化系统及其过程特征与仿生利用

规模化和产业化开发利用木质纤维素类生物质面临着许多科学和技术上的挑战,这些挑战的核心是如何实现木质纤维素生物质的高效分离与有效转化。然而,在自然界中,不同生物系统分别进化出了其独特的木质纤维素降解与转化的生物过程机制,通过采用不同的策略与途径来克服生物质的抗降解屏障。综述了不同自然生物转化系统在降解生物质过程中的策略与过程特征,并着重分析了食木白蚁肠道消化系统在生物质降解过程中高效转化与利用的独特系统特点。向白蚁生物系统学习,利用自然生物系统的启迪及其相关基因与酶资源,结合生物仿生技术可望建立新型的生物质降解工艺,逐渐实现生物质的低能耗、低污染、高效率、全值化利用。     

2014生物质炼制专刊序言

生物质是自然界最丰富的含碳有机大分子功能体,它有望通过"生物炼制"实现"石油炼制"的辉煌。但是由于生物质资源本身及其转化过程的复杂性,生物质产业虽备受关注,却被认为是遥远的未来产业。传统的生物质资源化利用思路都是先耗费一定的能量破坏生物质结构,然后再进行转化,不仅没有考虑到产品的功能需求,而且过程的原子经济性不高。如何实现化学键更加复杂的固相木质纤维素生物质炼制是实现生物质产业的关键和难点。理想的生物质炼制的目的是以最大得率分离木质纤维原料中各个组分,以尽可能地保持分子的完整性,最大可能地优化利用和最终实现最大价值。这就要求生物质炼制应当是基于原料结构、过程转化和产品特点三者的关联,面向原料、面向过程、面向产品的炼制过程。本期专刊报道了我国生物质炼制技术领域专家学者在原料炼制、炼制技术、组分转化等领域取得的最新研究进展。     

微生物降解木质纤维素类生物质固废的研究进展

自然界中的细菌、真菌、放线菌及某些病毒是降解木质纤维素的主要微生物,它们在生物质固废能源的转化和利用上起桥梁作用,能变废为宝,实现生物质固废的资源化利用。根据生物质固废相关处理技术及生物质固废资源化成果转化,总结微生物降解生物质固废的有关处理技术及应用。在综合国内外现有研究成果的基础上,以木质纤维素类生物质固废为例,从微生物种类和生物质固废资源化成果转化两个方面对微生物降解木质纤维素类生物质固废有关技术进行分析,提出每项技术存在的问题,并展望每项技术的发展前景。     

生物质催化转化制备呋喃基化学品和酚类化合物

生物质转化制备精细化学品是解决石油能源危机的重要途径之一。其中,纤维素及半纤维素转化合成呋喃基化学品与木质素转化制酚类化合物是主要的反应路线,特别是借助催化技术加速生物质转化更是当今化学领域的研究重点;依据催化反应体系的不同,对近年来用于生物质催化转化的反应媒介以及催化剂研究进展进行了综述,并对未来生物质催化转化研究方向的发展前景进行了展望。     

木质素复合水凝胶性能及应用的研究进展北大核心CSCD

木质素是自然界中储量仅次于纤维素的木质纤维素资源,也是唯一的天然芳香族聚合物,其衍生的高值化产品可以应用于多个领域。木质素的高效高值高质生产是木质纤维素生物炼制的关键所在,但木质素大分子结构复杂多变、反应的活性差、官能团冗杂,制备出性能稳定的高分子材料有一定的难度。随着木质素改性的研究越来越深入,木质素复合水凝胶的应用也受到了极大的关注。本文从木质素的基本结构组成与反应特性出发,简要概括了木质素复合水凝胶的制备方法;具体介绍了木质素复合水凝胶的应用现状,包括生物传感器、控制释放材料、环境响应材料、吸附材料、电极材料以及其他材料的应用;综述了木质素复合水凝胶的最新研究与应用进展,并对木质素制备复合水凝胶的发展前景进行了评述。     

固体碱活性氧蒸煮用于木质生物质预处理和组分分离

随着环境问题的日益突出和化石资源的逐渐枯竭,对可持续生物质资源的开发利用越来越引起人们的重视。由于木质生物质具有天然的抗降解屏障,有效预处理和组分分离被认为是实现生物质高值化利用的必要步骤,也是难点所在。近年来,基于生物质资源全组分、多元化综合利用的"生物精炼"理念兴起。基于生物精炼理念和绿色化学原则,笔者团队开发了一种新型的固体碱活性氧蒸煮预处理体系,并最终发展形成了系统的各组分高值化利用工艺路线。固体碱活性氧蒸煮工艺避免使用传统工艺常用到的水溶性强碱和含硫化合物,并以廉价的水为溶剂,成本低廉,环境友好,有很好的产业化利用前景。围绕固体碱活性氧作用机制、蒸煮工艺优化和各分离组分性质进行了概括总结,以期为该工艺的深入研究和木质生物质精炼技术的发展提供经验与参考。     

玉米芯综合利用研究进展

玉米芯主要由纤维素、半纤维素和木质素构成,便于收集、易加工处理,已被广泛应用于生产食品、饲料和化工产品中,但目前仍存在原料利用率低、能耗大、成本高等问题。本文对农业废弃物玉米芯工业化综合利用相关的工艺进行探讨,通过论述玉米芯中半纤维素、纤维素和木质素三大组分的高值化利用方式,阐述了玉米芯综合利用的产业化途径。     

木质纤维素预处理及高值化技术研究进展

木质纤维素生物质是地球上最丰富的可再生生物资源。随着化石能源的消耗及环境的污染,以取代石化燃料为目标的由生物质向生物燃料的转化受到了广泛的关注。木质纤维素有很强的天然抗降解屏障,需先通过物理、化学及微生物等手段进行预处理,进而以更低的成本和更高的效率转化为生物燃料及其他高附加值产品。本文在总结酸碱等传统预处理方法优缺点的基础上,综述了各种组合预处理对这些传统预处理方法的改进,以及γ-戊内酯预处理、低共熔溶剂预处理、微生物联合体生态位预处理这些新型预处理技术的研究进展,总结了木质素高值化过程中木质素的保护、解聚、改性的新方法,指出了预处理方法在工业生产中的应用及不足,以期为木质纤维素生物质转化的研究提供参考。     

木质素降解酶及相关基因研究进展

生物质的高效综合利用已成为全球关注的热点问题。生物质的主要成分是木质素、纤维素和半纤维素,其利用的关键是如何去除木质素,从而提高纤维素和半纤维素的得率。其中利用真菌的生物预处理方法因条件温和、无二次污染等优点符合全球经济可持续发展需要,受到研究者的普遍关注。综述了近年国内外真菌分泌的主要木质素降解酶,包括木质素过氧化物酶(Li P)、锰过氧化物酶(Mn P)、漆酶(laccase)和多功能过氧化物酶(VP)的主要特点,总结了木质素降解相关酶的基因工程、基因组学的研究成果,并对其发展前景进行了展望。     

纤维素乙醇工业化的必由之路——组合生物精炼

虽然历经无数科技人员数十年的艰苦研发,秸秆类木质纤维素资源转化燃料乙醇的生产技术至今未能真正实现大规模的工业化。究其原因,除在一些关键核心技术方面仍需要取得突破外,还需要实现跨学科、跨领域的集成创新,通过集成构建原料收储运系统、绿色预处理无害化分离原料组分、就地高效生产专用高性能酶系、高值化利用生物质各组分、整合一代二代乙醇工艺和设施等,开发出无缝连接的组合型生物质精炼成套工艺、成熟装备和整体工业化方案,加上国家对新兴绿色循环经济产业的稳定扶植,才能使纤维素乙醇工业真正具有经济上的竞争力,并逐步发展成产品多样的可再生生物质资源集成精炼的大型产业。     

秸秆分层多级转化液体燃料新工艺的研究进展

目前,秸秆主要作为性质单一组分的纤维素原料而采用生物转化法或快速热解法加以利用。生物转化法主要利用纤维素,而利用木质素和半纤维素较困难;快速热解生物质又使部分组分低值利用,而且得到的生物油品质低。为解决单一的生物或热转化方式存在的问题,提出秸秆分层多级转化液体燃料的新构思,即以秸秆“组分分离、分级定向转化”为核心,将生物转化和热转化有机结合多级转化生产燃料酒精与生物油。研究结果表明,秸秆经过汽爆处理后,采用高浓度发酵一分离乙醇耦合系统,可降低纤维素酶用量,提高了纤维素酶解效率,而且简化操作过程,使蒸馏前乙醇浓度达到60％以上。发酵乙醇剩余物再经热解后,不但热解温度较原秸秆明显降低,而且所得生物油品质有了明显改观。