纤维素生物质预处理机制的多尺度原位研究

Biomass recalcitrance to enzymatic hydrolysis is a multi-length scale problem. Some pretreatment techniques are able to mitigate biomass recalcitrance to a certain degree. However, mechanistic understandings of pretreatment on the nano/micro scale are not clear. In this project, techniques including synchrotron x-ray scattering, small angle neutron scattering, laser and Raman confocal microscopy will be implemented to investigate nano/microscopic structural changes of plant cell walls during pretreatment. This study will reveal the impact of several pretreatment techniques, including ionic liquid, sodium hydroxide and phosphoric acid, on cellulose microfibrils and the organization and redistribution of cellulose, hemicelluloses and lignin in plant cell walls, to further our understandings of biomass pretreatment.

纤维素生物质在酶解时表现出的抗降解屏障是一个多尺度问题。一些预处理技术能够不同程度的减弱生物质抗降解屏障, 但是它们对生物质细胞壁微纳米结构的作用机制还不明确。通过使用同步辐射x 射线和小角中子散射，激光和拉曼共聚焦显微镜观察几种典型木质纤维素生物质在离子液体，NaOH和磷酸作用下的微纳米结构的变化，揭示预处理对于纤维素基元纤丝的影响以及对于纤维素，木质素和半纤维素在空间分布的改变，进一步阐明预处理对生物质抗降解屏障的消弥机理。

有效的将纤维素生物质解构成为单糖在很大程度上取决于先进的预处理技术的发展。由于纤维素生物质的非均相的微纳米结构，对于生物质预处理和生物质的抗降解屏障之间的关系仍然缺乏理解。最近的研究表明，有必要对于细胞壁的结构变化进行多尺度额度表征，使用多种仪器。小角散射和广角散射可以跨越埃米到微米的尺度，我们提出使用它们来研究预处理时纤维素生物质细胞壁的物理结构变化。 通过使用小角中子散射，X 射线粉末衍射，二维核磁，氮气吸附等表征手段，主要研究了离子液体，蒸汽爆破和碱预处理时几种纤维素生物质的结构变化，将纤维素晶体结构变化，孔隙率变化以及木质素含量的变化和纤维素糖化率相关联。我们发现，纤维素生物质的孔隙率对于糖化的贡献有限，纤维素晶体结构起着决定性作用。离子液体预处理后孔隙率的增加主要是来自于大孔的贡献。 木质素含量的减少有利于糖化。..纤维素生物质糖化后剩余的木质素的高值化利用是实现整个转化过程盈利的关键。木质素由于其化学结构的复杂性，目前并没有很好的得到充分利用。我们提出将木质素制备成纳米颗粒以实现其高值化利用。通过文献调研，我们对于木质素纳米颗粒的制备进行了综述，总结了制备原理和方法，并提出木质素溶液结构是制约可控纳米颗粒制备的一个因素。接着，我们使用小角中子散射和NMR 研究了三种来源的木质素在溶剂里的溶液结构。我们发现，木质素的分子间氢键和π-π相互作用是阻碍其溶解的主要作用力。脂肪族羟基的含量和木质素在DMSO里的聚集度成正比 因为脂肪族羟基间的氢键强度比其它的羟基间的大。这暗示脂肪族羟基含量少的木质素的溶解更容易。..该项目的执行推动了小角散射在纤维素生物质结构表征方面的应用，加深了人们对于纤维素生物质预处理机理的理解。