机械活化-金属盐协同解构木质纤维素的高效降解转化体系构建

Based on the comprehensive analysis of current common pretreatment methods of lignocellulose and the previous research results of our research group, this project proposes a new mechanical activation-metal salt pretreatment method for synergistic deconstruction of lignocellulose. In addition, the comprehensive promotion for the degradation and transformation of lignocellulose into sugar platform compounds is also studied. With sugarcane bagasse, pine fiber, and eucalyptus wood fiber as the lignocellulosic materials with different structure characteristics, different kinds of metal salts as pretreatment reagents, and self-designed high-efficiency stirring ball mill as mechanical activation equipment, the effects of three pretreatment methods, mechanical activation, metal salt, and mechanical activation-metal salt, on the influence law of multi-level microstructures, enzymatic reaction performance and selectivity of different lignocellulosic biomass and the effects of changes in structure and characteristics of lignin on changing the enzyme adsorption of lignin and improving the enzymatic reaction activity of lignocellulose are comparatively studied. Integrated these studies and the research results of cellulose, the mode and effect of synergistic action of mechanical activation and metal salts on the deconstruction of lignocellulose are investigated, revealing the mechanism of synergistic effect and constructing the highly-efficient degradation and transformation system based on the deconstruction of lignocellulose by synergistic interaction of mechanical activation and metal salts. The results can provide environmentally friendly and efficient pretreatment technology and theory foundation for the effective use of lignocellulosic biomass resources, which have not only significant academic value, but also important social and economic benefits.

基于对木质纤维素常用预处理方法的综合分析并在课题组前期研究成果的基础上，本项目提出机械活化-金属盐协同解构木质纤维素的新型预处理法，并研究其在木质纤维素降解转化为糖平台化合物过程中的多方位促进作用。分别以不同结构特性的甘蔗渣、松木纤维、桉木纤维为木质纤维原料，不同类型的金属盐为预处理试剂，自主研发的高能效搅拌球磨机为机械活化设备，通过对比研究机械活化、金属盐、机械活化-金属盐三种预处理方法对木质纤维素多层次微观结构、酶解反应性能和选择性的影响规律，以及木质素结构性能变化对改变其酶吸附性和改善木质纤维物料酶解活性的效果，综合纤维素的研究结果，探讨机械活化协同金属盐解构木质纤维素的作用效果和方式，揭示协同作用机制，构建机械活化-金属盐协同解构木质纤维素的高效降解转化体系。研究结果可为木质纤维生物质资源的有效利用提供环保高效的预处理技术和理论依据，具有很高的学术价值以及重要的社会和经济效益。

基于对木质纤维素常用预处理方法的综合分析并在课题组前期研究成果的基础上，本项目主要开展了机械活化-金属盐协同预处理法解构木质纤维素以促进其高效降解转化为糖平台化合物的研究。分别开展了机械活化-金属盐协同解构木质纤维素并促进其高效酶解、机械活化-金属盐协同解构木薯及其免液化直接糖化发酵制乙醇、机械活化作用下金属盐催化木质纤维素各组分酯化反应的性能、机械活化固相反应法对木质纤维素和纤维素的改性及其改性产物的应用、木质素的机械活化固相法酯化改性及其应用性能、基于机械活化作用制备系列天然高聚物基功能性产品等方面的研究。通过研究，获得机械活化-金属盐组合作用对解构木质纤维素的协同作用效果和方式，有效破解木质纤维素高效转化过程中的主要屏障，提出了机械活化协同金属盐解构木质纤维素的基础理论；开发出机械活化协同金属盐预处理技术，构建了机械活化-金属盐协同解构木质纤维素、木薯的高效降解转化体系，促进木质纤维素的酶解糖化以及木薯免液化直接糖化发酵制乙醇技术；机械活化-金属盐协同效应应用于提高木质纤维素、纤维素的反应活性和应用性能，获得金属盐对木质纤维素各主要组分在机械活化固相反应体系中酯化反应性能差异、酯化物形成历程、产物结构与性能的关系；基于机械活化-金属盐协同效应进一步完善机械活化固相反应法，对纤维素、木质素、木质纤维素以及其它天然高聚物进行改性，获得系列功能性产品，应用作为催化剂、吸附剂、润滑油添加剂、缓蚀阻垢剂、药物控缓释放微囊（球）的壁材、PVC材料的热稳定剂和阻燃剂等。研究结果可为木质纤维素等天然高聚物的有效利用提供环保高效的预处理和改性技术以及理论依据，有效促进生物质资源的高值化、资源化利用。