复合离子液体高固载量预处理生物质工艺及机理研究

Efficiency and safe pretreatment is considered to be one of the major challenges for the lignocellusic biomass conversion. Most pretreatment currently are difficult to industrial due to the problem of high cost and the chemical recycling. We built a novel and efficient cooperative ionic liquid system for the biomass pretreatment at high solid loading in this project, which will increase the productivity at lower production cost. The cooperative ionic liquid pairs are constructed through the combination of protic ionic liquid (PIL) and aprotic ionic liquid (AIL). The PIL could selective dissolve lignin from biomass and the cellulose and hemicellulose solubility of AIL could promote the lignin dissolution in the cooperative system. The action of cooperative ionic liquid on plant cell walls in real time is visualized with the use of a multimodal microscopy during pretreatment; the mechanism of biomass recalcitrance will be analyzed by combining results of the physical and chemical change of biomass after pretreatment; the effect of cooperative ionic liquid on lignin reconstruction will be investigated, the lignin is isolated from the pretreated samples by two-step enzymatic hydrolysis. All the mechanism study results are meant to provide specific guidance for the pretreatment conditions optimization and make way for biofuel industry.

发展经济、高效的预处理技术是木质纤维素类生物质资源高效转化的关键瓶颈之一。目前预处理方法存在成本高、试剂回收困难，难以工业化放大等难题。本项目拟复合对木质素具有良好溶解性能的质子型离子液体与对纤维素、半纤维素具有部分溶解性能的非质子型离子液体，构建一种高固载量生物质预处理方法，达到提高预处理效率，降低预处理成本的目的。项目中以原生生物质为研究对象进行离子液体预处理过程的机理性探讨。利用显微成像技术原位观测预处理过程中细胞壁的变化，深入纳米级别探讨生物质细胞壁解聚过程和机理；结合预处理后生物质物理化学结构变化，探讨生物质抗降解屏障的形成原因；采用酶法分离预处理后生物质中木素，讨论离子液体对木素的重构作用，揭示离子液体降解生物质过程机理。研究结果反馈指导预处理条件的优化，为生物质高效利用提供理论基础。

在中国科学院大连化物所期间，项目提出了复合离子液体预处理生物质的方法。预处理过程中，质子型离子液体溶解木质素，非质子型离子液体溶解部分纤维素，二者复合作用，打断了木素、碳水化合物之间的化学键连接，破除了生物质的抗降解屏障。经过比例优化和预处理条件优化后，复合离子液体相对于单一离子液体，在去除生物质抗降解屏障，降低预处理成本方面具有明显优势。.在北京航空航天大学期间，本研究首先针对自养藻油脂含量低和混生的特点，考察了美拉德反应对微拟球藻和螺旋藻共水热的影响。相比与单独藻种水热，混合藻种水热会降低生物粗油产率。过高的蛋白含量对水热过程中脂肪酸的回收具有一定的负面影响。通过葡萄糖的添加，使其与蛋白发生美拉德反应，可以抵消蛋白的负面作用，从而提高水热粗油得率。在低油脂藻水热过程中，通过调节碳水化合物和蛋白之间的比例可以达到提高水热粗油收率和油品质的目的。.通过水热过程中美拉德反应机理研究发现水热过程中的固体残渣主要是由于碳水化合物发生的脱水缩合反应生成，因此高碳水化合含量的藻类在水热过程中存在较高的固体残渣收率。固体残渣收率与反应过程中各部分产物的氢碳比存在一定关系。蛋白与碳水化合物在优化比例下进行的反应可以抑制固体残渣的生成，同时消除蛋白的负面影响，从而提高水热粗油收率和油品质。 .对于异养小球藻而言，油脂提取的最大屏障是细胞抗性的存在。通过对异养小球藻细胞壁物理化学结构的表征分析，以及不同有机溶剂的萃取效果对比，研究中探讨了形成异养小球藻细胞壁抗性的主要因素。并提出了酸法预处理提高油脂萃取率的方法。当采用H2SO4 为化学试剂，在酸浓度为0.5M, 反应温度120°C ，处理时间为1小时，微藻固含量为 10% (wt)的条件下可以取得最优处理效果，此时异养小球藻的油脂提取率可以达到41.41%，固体残渣收率为11.88%(基于微藻干重)。