基于木质素原位修饰的水热-碱联合预处理落叶松的研究文献综述

 2022-04-28 22:50:56

1前言

众所周知，当前我国的资源短缺、环境污染等问题已经严重制约了经济社会的可持续发展，成为亟待解决的问题。利用来源丰富、可再生的生物质资源，特别是非粮的木质纤维素资源，生产人类社会发展所需要的液体燃料和大宗化学品，以部分替代日益紧缺的不可再生的石油等一次性化石资源，是解决上述问题的重要途径之一，也是当前国内外研究的热点。木质纤维素资源转化成液体燃料的过程称之为“生物炼制”，生物炼制是利用农业废弃物、植物基淀粉、木质纤维素等生物基原料，生产各种化学品、燃料和生物基材料的过程。未来的生物炼制将是生物转化技术和化学裂解技术的组合，包括改进的木质纤维素分级和预处理方法、可再生原料转化的反应器优化设计、合成、生物催化剂及催化工艺的改进。由木质素纤维制工业乙醇的生物炼厂正在开发上述技术，乙醇将成为高级生物炼制的主产品。

我国木质纤维素生物质资源丰富，仅秸秆生物质年产量就超过7亿吨，是造纸、化工、纺织和生物能源等工业领域的主要原材料。同时，我国木质纤维素生物质产品消耗量巨大，需求量仍在急剧增长[1]。木质纤维素生物质作为一种重要的绿色、价廉、可再生资源越来越受到世界各国的重视。木质纤维素生物质主要组分包括纤维素、半纤维素和木质素，它们会形成复杂的化学和空间结构。纤维素本身具有特殊的晶区结构，木质素和纤维素及半纤维素间通过醚键、苯基糖苷键等化学键联接，形成木质素-碳水化合物复合体（LCC）。这些特殊化学与空间结构对木质纤维素生物质转化为生物质基燃料、生物质基材料和生物质基化学品具有很强的顽抗性，是木质纤维素生物质高效、综合利用的主要障碍。为此，对其进行预处理，破坏这些结构减小顽抗性，成为木质纤维素生物质炼制的重要技术环节[2]。目前，木质纤维原料的预处理有许多不同的方法，可分为四大类物理法，化学法，物理化学法和生物发。本实验将分别运用了这几种方法对落叶松进行了预处理，并分析了几种方法对落叶松成分的影响。

2木质纤维素的组成

木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，可转化为能源、化学品和材料等。通常，木质纤维素类生物质主要由纤维素（45%～50%）、半纤维素（10%～30%）和木质素（20%～30%）以及少量提取物组成[3]。表2-1为各种木质纤维原料中纤维素、半纤维素和木质素含量。

表2-1 木质纤维原料中纤维素、半纤维素和木质素的含量

木质纤维素的主要组成为纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素含量最高。纤维素（cellulose）是由葡萄糖通过beta;-(1，4)糖苷键组成的大分子多糖，不溶于水及一般有机溶剂，是植物细胞壁的主要成分。纤维素的化学结构式比较简单，葡萄糖结构中羟基含量比较多，每个葡萄糖单元中有 3 个羟基。这些羟基与邻近的氧会在纤维素大分子的分子内和分子间形成氢键，构成氢键网格。纤维素的大分子由结晶区和无定形区的两相结构组成，结晶区的分子排列紧致且有规则性，反应性能较低；无定形区纤维素分子链排列零乱无规则，氢键数量少且分布不集中，反应性能较高。从结晶区逐步过渡到无定形区，没有明显的分界。氢键网格的构建、晶体结构的致密，导致纤维素的化学性能比较稳定，使得纤维素在常温下，既不溶于水，也不溶于一般的有机溶剂[4]。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上，其纤维到纳米纤维的剖面图如下所示。

图2-1 纤维剖面图

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