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。     

木质纤维素资源化主要途径及半纤维素优先资源化利用策略

木质纤维生物质是地球上最丰富的可再生资源,可转化为能源、化学品和材料,开发木质纤维生物质有利于废弃物的高值化利用和缓解目前面临的环境污染等问题。木质纤维素主要包括纤维素、半纤维素和木质素,将其主要组分进行高效分离,是实现多元化、高值化生物精炼的基础。基于此,笔者简要总结了目前主要的木质纤维素资源化途径,如基于纤维素资源化、基于半纤维素资源化、基于木质素资源化、基于碳水化合物资源化以及全组分资源化的研究策略。依据半纤维素在植物细胞壁中承担的角色,结合前期的研究基础,提出半纤维素优先原位催化转化的木质纤维素生物炼制新策略,实现半纤维素的高选择性溶出和高效转化,保留结构完整的纤维素和木质素分级转化为小分子化学品和材料,最终实现资源生物量全利用,多元化产品联产的目的。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

螺杆挤压技术在生物质预处理中的机遇与挑战

随着化石资源的日益枯竭和生态环境的不断恶化,可再生资源的开发和利用受到越来越多的重视。木质纤维素作为地球上最丰富的可再生生物质资源,具有广阔的开发利用前景。预处理技术作为木质纤维素类生物质资源利用的前提和关键,应当受到足够重视。主要介绍螺杆挤压技术在木质纤维素类生物质资源预处理领域的研究进展,分析影响螺杆预处理效果的因素,总结其预处理的主要原理,并对其今后的发展趋势进行了探讨。     

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。     

一种经济高效温和的生物质预处理新方法--动态挤压法

目前阻碍木质纤维原料生化转化为能源、材料或高附加值化学品的关键瓶颈问题是缺乏经济高效的生物质预处理及组分分离技术.本研究利用自行设计的动态挤压设备协同廉价化学药剂共作用处理玉米秸秆,通过挤压机对秸秆纤维的剪切、撕裂作用及化学脱木质素行为,解决传统单一物理或化学预处理方法能耗高、效率低及组分分离困难等问题,提高了纤维质生物转化的活性,降低预处理及组分分离过程的成本.与传统预处理工艺相比,整个过程用水量少、条件温和、能耗低,对后续生物转化过程有抑制作用的副产物生成量少,设备简单、易维护、易放大,具有良好的工业化前景.     

生物炼制过程中木质素高值转化研究进展

木质素高值转化对于提升生物炼制经济性,促进社会经济绿色发展具有重要意义。然而,木质素结构复杂且不均一,其高值化利用仍存在技术壁垒,使得木质素应用尚未形成规模。文中首先综述了当前生物炼制过程中木质素高值转化面临的主要挑战。然后通过比较不同预处理技术对木质素分离、性质及其利用的主要影响,详细阐述了基于生物炼制理念发展的新型组合预处理技术。其次,针对木质素本征结构特性导致其利用效率低等问题,进一步详述了溶剂分级、膜分级、梯度沉淀分级等分级利用策略对克服木质素不均一性,改善其可加工性能的重要影响。再次,针对木质素利用策略,系统比较了木质素热化学转化和生物转化,结合生物质预处理及木质素分级,阐述了以生物炼制理念进行木质素高值转化的新策略。最后,总结了木质素利用过程中存在的挑战性问题,展望了木质素高效分离、分级及转化过程发展的新策略和新趋势。     

发酵工业原料炼制技术体系

要建立节粮、节水、节能和环保的发酵工业,首先面临的是发酵原料的炼制问题。本文通过深入分析发酵工业原料炼制的共性问题,结合多年生物质原料高值化炼制研究基础,提出“发酵工业原料炼制”的理念,根据发酵原料的结构特点和目标产物的要求,将发酵原料预处理——组分分离提升到依据产品功能要求的选择性结构拆分过程,并建立了以汽爆为核心的原料炼制技术平台以及针对淀粉类、糖类、木质纤维素类、生物质水解酸化生产的有机酸、醇类等典型发酵原料的多组分分层多级炼制技术体系范例,为实现资源节约、环境友好的发酵工业提供理论基础与技术支撑。     

利用木质纤维素生产丁醇的研究进展

随着化石燃料的逐年减少,以生物质为原料的生物能源研究近年来成为能源领域的研究热点,充分利用可再生生物质为发展经济的生物燃料生产工艺提供了一个极好的机会。与燃料乙醇和生物柴油相比,生物丁醇更具有优越性,以可再生木质纤维素生物质为原料进行发酵生产丁醇在近年来被广泛的研究。对于利用可再生生物质为原料生产丁醇,需要解决原料的选择、产品收率低、抑制物对生产菌株毒性等问题。本文对以木质纤维素生物质为原料进行生物丁醇发酵过程中的原料预处理、抑制物对丁醇生产菌的影响,以及水解液的脱毒和耐抑制物菌株的选育等方面进行综述,并对以木质纤维素生产燃料丁醇所面临的机遇与问题进行了简要评述。     

生物转化能源草制取纤维素乙醇的研究进展

随着化石燃料的日益枯竭和环境污染的日益加剧,寻找一种绿色能源以代替化石能源成为当今世界迫在眉睫的任务。清洁燃料当中的生物乙醇具有车用价值,可作为化石能源的替代品而受到研究学者的广泛关注。而草本能源植物的生物转化被认为是生物质能源产业化发展的最有效途径之一。能源草作为木质纤维素原料之一,由于其具有生长快,产量高,抗性强等优势而备受瞩目。详细论述了近期国内外以能源草为底物进行纤维素乙醇的生物转化研究进展,从纤维素原料预处理到乙醇发酵工艺等各方面的进展及存在的问题,并对木质纤维素制取生物质能源的生物转化效率,以及全纤维素组分的多级利用进行了简单阐述,以期找出一条产业化生产纤维素乙醇的最优生产模式。     

木质纤维素预处理抑制物产生及脱除方法的研究进展

利用纤维素酶将木质纤维素降解成可发酵性糖,然后发酵生产氢气、乙醇、丁醇等生物燃料及高附加值产品,是当今全球研究的热点。预处理是生物质转化过程中至关重要的步骤,而预处理过程中产生的抑制物对木质纤维素后续的酶解和发酵微生物有负面影响。因此了解预处理方法及其过程中产生的抑制物及脱除方法是能否高效转化生物质的基础。文中首先介绍了木质纤维素常用的两类预处理方法即化学法和物理化学法。随后阐述了不同抑制物的产生及其抑制机制,并重点介绍了多种脱毒方法。最后展望了脱除木质纤维素预处理抑制物的研究趋势:应用交联聚乙烯亚胺和金属有机骨架化合物等新型材料脱除抑制物或通过基因工程、代谢工程技术等构建抑制物耐受性菌株等。     

生物油选择性温和加氢制备含氧液体燃料

生物质热化学转化制备生物油作为化石燃料的替代品具有重要的研究价值。与生物质相比,生物油具有更高的能量密度和热值,而且便于运输和储存。但生物油作为高品质燃料使用前的改质过程也存在耗氢量大、改质油产率低和催化剂失活快等共性问题。介绍了生物油选择性温和加氢制备含氧液体燃料的工艺,结合生物油不同化学组成的理化特性及含氧量高的特点,提出首先将生物油分成重质组分和轻质组分,对重质组分采用化学链制氢提供"氢源",对轻质组分进行分级加氢,实现了"氢源自给"和生物油全组分利用模式,并对其今后的发展进行了展望。     

大肠杆菌对木质纤维素水解液抑制物的胁迫耐受性

木质纤维素类生物质是前景广阔的化石原料替代品，其生物炼制可生产生物能源、生物基化学品和生物材料等多种产品，可降低碳排放，有助于实现“双碳”目标，因此受到越来越多的关注。然而，木质纤维素生物炼制需要经过预处理、微生物发酵和产物纯化等多个步骤，其中，预处理过程产生的多种化合物抑制微生物的细胞生长和发酵性能，是制约生物转化效率的瓶颈之一。大肠杆菌是木质纤维素生物炼制常用的宿主，被广泛应用于多种化合物的生产，研究其对木质纤维素水解液中抑制物的耐受性，对于提高木质纤维素生物炼制效率具有重要意义。本文首先介绍了木质纤维素的主要成分和基本结构，对木质纤维素的预处理方法以及预处理后水解液中的主要抑制物种类进行了简单阐述；随后，总结了木质纤维素水解液中几类主要抑制物呋喃类、羧酸类和酚类对大肠杆菌细胞的毒性，以及大肠杆菌对上述抑制物的胁迫响应机制和基于机制的菌株改造靶点；最后，综述了提高大肠杆菌对上述抑制物的胁迫耐受性的菌株改造策略，包括随机突变、实验室适应性进化和组学辅助的理性设计等，为利用代谢工程构建用于木质纤维素生物炼制的高效大肠杆菌菌株提供参考。     

微生物利用木质纤维素的研究进展

木质纤维素原料是世界上最为丰富的资源之一,可用作微生物发酵生产高附加值生物化学品的原料。与传统用于微生物发酵的可食用生物质原料相比,目前微生物利用木质纤维素还存在以下几个关键问题:开发经济有效的木质纤维素预处理工艺、提高微生物对木质纤维素水解液中第二大单糖木糖的有效利用水平、增强微生物对木质纤维素水解液中混糖的综合利用能力以及提高微生物对木质纤维素水解液中糠醛、乙酸等发酵抑制物的耐受能力。综述了近年来国内外针对这几个关键问题的最新研究成果。为今后微生物大规模利用木质纤维素进行商业生产提出了展望和建议。     

自然生物系统在生物质高效转化利用中的科学价值与应用前景

<正>开发利用可再生的生物质资源对于解决人类发展面临的资源与环境危机具有重要意义。在自然界中,很多生物系统能够有效地克服生物质抗降解屏障,研究和利用自然高效生物转化系统是解决生物质高效转化这一重大科学问题最具潜力的有效途径之一。文章综述了自然生物转化系统的生物预处理机制及其