複合離子液體高固載量預處理生物質工藝及機理研究

《複合離子液體高固載量預處理生物質工藝及機理研究》是依託北京航空航天大學，由張超擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：複合離子液體高固載量預處理生物質工藝及機理研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：張超
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

發展經濟、高效的預處理技術是木質纖維素類生物質資源高效轉化的關鍵瓶頸之一。目前預處理方法存在成本高、試劑回收困難，難以工業化放大等難題。本項目擬複合對木質素具有良好溶解性能的質子型離子液體與對纖維素、半纖維素具有部分溶解性能的非質子型離子液體，構建一種高固載量生物質預處理方法，達到提高預處理效率，降低預處理成本的目的。項目中以原生生物質為研究對象進行離子液體預處理過程的機理性探討。利用顯微成像技術原位觀測預處理過程中細胞壁的變化，深入納米級別探討生物質細胞壁解聚過程和機理；結合預處理後生物質物理化學結構變化，探討生物質抗降解屏障的形成原因；採用酶法分離預處理後生物質中木素，討論離子液體對木素的重構作用，揭示離子液體降解生物質過程機理。研究結果反饋指導預處理條件的最佳化，為生物質高效利用提供理論基礎。

結題摘要

在中國科學院大連化物所期間，項目提出了複合離子液體預處理生物質的方法。預處理過程中，質子型離子液體溶解木質素，非質子型離子液體溶解部分纖維素，二者複合作用，打斷了木素、碳水化合物之間的化學鍵連線，破除了生物質的抗降解屏障。經過比例最佳化和預處理條件最佳化後，複合離子液體相對於單一離子液體，在去除生物質抗降解屏障，降低預處理成本方面具有明顯優勢。 在北京航空航天大學期間，本研究首先針對自養藻油脂含量低和混生的特點，考察了美拉德反應對微擬球藻和螺旋藻共水熱的影響。相比與單獨藻種水熱，混合藻種水熱會降低生物粗油產率。過高的蛋白含量對水熱過程中脂肪酸的回收具有一定的負面影響。通過葡萄糖的添加，使其與蛋白發生美拉德反應，可以抵消蛋白的負面作用，從而提高水熱粗油得率。在低油脂藻水熱過程中，通過調節碳水化合物和蛋白之間的比例可以達到提高水熱粗油收率和油品質的目的。 通過水熱過程中美拉德反應機理研究發現水熱過程中的固體殘渣主要是由於碳水化合物發生的脫水縮合反應生成，因此高碳水化合含量的藻類在水熱過程中存在較高的固體殘渣收率。固體殘渣收率與反應過程中各部分產物的氫碳比存在一定關係。蛋白與碳水化合物在最佳化比例下進行的反應可以抑制固體殘渣的生成，同時消除蛋白的負面影響，從而提高水熱粗油收率和油品質。 對於異養小球藻而言，油脂提取的最大屏障是細胞抗性的存在。通過對異養小球藻細胞壁物理化學結構的表征分析，以及不同有機溶劑的萃取效果對比，研究中探討了形成異養小球藻細胞壁抗性的主要因素。並提出了酸法預處理提高油脂萃取率的方法。當採用H2SO4 為化學試劑，在酸濃度為0.5M, 反應溫度120°C ，處理時間為1小時，微藻固含量為 10% (wt)的條件下可以取得最優處理效果，此時異養小球藻的油脂提取率可以達到41.41%，固體殘渣收率為11.88%(基於微藻乾重)。