青島能源所建立了熔鹽水合物非溶解預處理纖維素技術

  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十分重要,也可助力“雙碳”目標的實現。青島能源所崔球研究員帶領的代謝物組學研究組與浙江理工大學唐艷軍教授合作,創新性的建立了低能耗、綠色高效的熔鹽水合物非溶解預處理纖維素技術(中國發明專利202010818370.1、202010818371.6),相關研究結果發表在Carbohydr. Polym《碳水化合物聚合物》上,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。  
  由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。所以,作為天然可再生的碳負資源,纖維素的利用前景廣闊。但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,已被用于纖維素的溶解、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°C),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。如果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,會更加有利于固液分離和溶劑的回收與回用。但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,之前的文獻中尚未有報道。為此,研究人員通過系統的研究發現,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,可以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。隨后,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,這有利于預處理后的固液分離和溶劑的回收與回用。研究人員也證實了LBTH幾乎可以完全回收,而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。
  論文第一作者是聯合培養研究生黃仲雷,通訊作者是青島能源所李濱研究員和浙江理工大學唐艷軍教授。相關系列研究得到了國家自然科學基金、中科院戰略性先導專項、山東省自然科學杰出青年基金和研究所自主部署基金等項目的支持。(文/圖 李濱 黃仲雷)

  Zhonglei Huang, Guang Yu, Chao Liu, Meiyan Wu, Yanjun Tang*, Bin Li*, Hui Peng. Ultrafast improvement of cellulose accessibility via non-dissolving pretreatment with LiBr·3H2O under room temperature. Carbohydrate Polymers, 2022, 284, 119180.
 

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