杨木水解液中有机物的生物酶调控与活性炭协同分离纯化机制

Hot water pre-extraction is an effective method to dissolve hemicellulose from poplar wood, which can be used to produce high-value product while reducing the chemical consumption in the sub-sequential pulping process. The main components in the pre-hydrolysis liquor (PHL) are xylo-oligosaccharide, low molecular weight of lignin, acetic acid and furfural. The PHL was selected as started material in this proposal, and the enzymatic controlling and physical adsorption was employed to modify the characteristic of dissolved organics for its downstream separation and purification. The mechanism of enzyme controlling and activated carbon adsorption on the particle size of organics and different components in the PHL was revealed based on modern analysis technologies, including FTIR, HPIC, HPLC, NMR, LCMS, UV-Vis and particle size analyzer. Finally, the xylose solution with high yield and high purity could be obtained. The achievement of this study could build a new technology of synergy of physical, chemical and biology for separation and purification of the hemicellulose, and its theoretical system of the bio-refinery winn be enriched.

对杨木片进行高温热水解预处理的目的在于溶出木糖等半纤维素，用其制备高附加值产品，提高半纤维素的利用价值，同时降低后续制浆过程化学药剂用量。杨木水解液中溶解有机物主要为低聚木糖/木糖，其次为小分子木素以及少量的乙酸、糠醛。本项目以杨木水解液为研究对象，利用生物酶调控和物理吸附协同处理手段来改善水解液中有机物的特性，使其易于分离纯化。借助FTIR、HPIC、HPLC、NMR、LCMS、UV-Vis、粒度分析仪等现代仪器分析手段，了解生物酶对水解液中有机物分子的调控作用，揭示不同粒径和吸附值活性炭对木素和糠醛的选择性吸附特性，阐明生物酶调控协同活性炭吸附改善水解液中有机物高效分离纯化的作用机制，以期获得高得率和高纯度的木糖溶液。研究结果可构建一种新型物理化学协同生物途径分离纯化半纤维素的技术，丰富生物质精炼过程中物理化学法协同生物途径分离纯化半纤维素的理论体系。

杨木/桉木等阔叶木材富含聚木糖类半纤维素，常采用高温热水解处理的方法来降解溶出部分低聚木糖以制备高附加值产品，从而实现木质纤维组分的高效分离和高值化利用，但热水解过程同时能溶出部分小分子木素，产生少量乙酸和糠醛，这些非糖类溶解有机物的存在不利于低聚木糖的功能化利用，需要对其进行脱除分离以提高低聚木糖/木糖的纯度。项目以杨木/桉木水解液为研究对象，采用生物酶调控协同活性炭及超声波组合处理方法改善了水解液中溶解有机物的性能，提高了水解液的分离纯化效率。借助现代分析仪器，明晰了生物酶对水解液中有机物的调控机制，揭示了活性炭选择性吸附木质素和糠醛的作用机制，弄清了生物酶调控协同活性炭吸附组合处理过程因素对水解液中有机物分离纯化效率的影响机制。采用单因素分析和响应面法建立小分子木质素脱除数学模型，分析评价了组合处理过程各工序对水解液分离纯化效率的改善效果，优化确定了组合处理工艺条件，明确了生物酶调控协同活性炭吸附组合处理对水解液中溶解有机物的分离纯化机制，建立了杨木/桉木水解液低聚木糖的纯化方法，获得了高得率和高纯度的低聚木糖溶液，研究构建了一种新型生物途径协同物理方法组合分离纯化半纤维素的技术，丰富了生物质精炼过程木质纤维半纤维素组分清洁高效分离纯化及高值化利用的理论体系。项目研究成果获教育部科技进步一等奖1项，山东省科技进步二等奖1项；授权发明专利7项，申请发明专利5项；在国内外学术期刊上发表研究论文16篇，其中SCI收录文章9篇，中文核心期刊7篇；培养了博士和硕士研究生11名；组织22人次参加了国内外学术会议。