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新技術:熔鹽水合物非溶解預處理纖維素技術

2022/6/13 16:33:00 來源: 評論(0)0

纖維素技術

 開發綠色高效的預處理技術來打破纖維素天然的抗降解屏障,對纖維素資源的有效利用頗為重要,并可助力“雙碳”目標實現。、

 

  中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員崔球帶領的代謝物組學研究組,與浙江理工大學教授唐艷軍合作,創新性地建立了低能耗、綠色高效的熔鹽水合物非溶解預處理纖維素技術。該技術可在室溫下高效解纖,為纖維素的進一步糖化和功能性利用奠定基礎。

  綠色植物光合作用產生的纖維素可被轉化為生物燃料、生物基材料或生物基化學品。作為天然可再生的碳負資源,纖維素的應用前景廣闊。而天然纖維素具有高結晶的超分子結構,其高比例的有序且致密的纖維素I型結晶結構,使其水解和功能性改性的效率較低,限制了纖維素的有效利用。

  為此,需要開發清潔性、低能耗的高效預處理技術來打破纖維素的致密結構,增加其轉化和利用效率。相比于高能耗的物理法預處理和時效性相對較低的生物法預處理,化學法預處理更加高效,特別是可循環利用的綠色溶劑體系的使用。

  熔鹽水合物(MSH)是一種綠色高效的纖維素溶劑,已用于纖維素的溶解、催化糖化和轉化等。其中,三水合溴化鋰(LBTH)溶解纖維素往往需要較高的溫度(>100 oC),且溫度越高越容易導致纖維素的降解,這會增加LBTH的回收和提純成本,增加工藝過程的復雜性。若能在避免纖維素降解和溶解的情況下實現對纖維素的高效解構,將更利于固液分離和溶劑的回收與回用。然而,LBTH是否能在溫和的條件下解離纖維素的結晶結構以及解離到什么程度,以往文獻未有報道。

  研究發現,LBTH室溫處理微晶纖維素5分鐘,即可使其原來致密的纖維素I型結晶結構轉變為結構較為松散無序的無定形結構,結晶度降低為原來的1/4。室溫處理30分鐘,可完全解離微晶纖維素的結晶結構,其BET比表面積增加了60倍。

  LBTH預處理后纖維素的可及性用酶水解動力學做了詳細評估。實驗發現,在酶用量僅為2.5 毫克蛋白/克纖維素、酶水解24小時的條件下,LBTH處理30分鐘后的纖維素酶水解轉化率接近100%,而相同條件下未經預處理的纖維素酶解轉化率僅為16.7%。

  此外,系統表征證實,LBTH可在室溫下快速高效的解離微晶纖維素結構,且不溶解纖維素,這利于預處理后的固液分離和溶劑的回收與回用。研究也證實了LBTH幾乎可以完全回收,且由于沒有纖維素的降解,溶劑回用無需復雜的提純,回用效果也不受回用次數的影響,整體工藝過程清潔、高效。

  相關研究成果發表在《碳水化合物聚合物》(Carbohydrate Polymers)上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、山東省自然科學杰出青年基金和青島能源所自主部署基金等的支持。

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