【文献解读】Renew Sust Energ Rev:间歇式球磨强化木质纤维素酶水解制备葡萄糖

背景介绍

木质纤维素生物质经预处理、纤维素酶水解（酶解）制备葡萄糖、再经生物发酵制备乙醇是生物质精炼的关键反应路径，提高木质纤维素酶解效率和葡萄糖收率对提升生物质精炼的整体效率十分重要。传统的木质纤维素酶解（液相反应）存在的一个主要问题是木质纤维素的固含量较低（约2%），低固酶解存在葡萄糖收率低、反应时间较长、设备利用率低、能耗较大等问题。采用高固酶解（通常>15%）能大大提高木质纤维素的底物含量，从而提高葡萄糖得率，但高固酶解浆的含水量较低，这导致纤维素酶（均水溶）分散不均匀，酶解效率下降。机械搅拌能够均匀分散纤维素酶，但会导致高固酶解浆（类非牛顿流体）粘度增大、有效传质降低。球磨能够大大减小木质纤维素的粒径、提高纤维素酶对纤维素的可及性，但连续球磨时间长、能耗高。针对以上问题，来自南京林业大学的夏常磊教授、韩国汉阳大学的Ki-Hyun Kim教授和美国北德克萨斯大学的Sheldon Q. Shi教授采用间歇式球磨（球磨5 min，酶解55 min）处理木质纤维素酶解浆，该法大大缩短了酶解反应时间、减小了能耗，酶解24 h的葡萄糖得率达66.5%，接近US DOE设置的72 h葡萄糖得率（80%）。

图文导读

1. 间歇球磨对微晶纤维素高固酶解的影响

作者首先研究了一轮间歇式球磨（5 min球磨，55 min酶解，总时长1 h）对不同固含量的微晶纤维素（Avicel）酶解的影响（图2）。间歇球磨酶解反应的葡萄糖得率随Avicel固含量的增大而提高，高固含量时的酶解效率（5.25%）相比于传统低固酶解（LS-EH）更高，这主要是因为间歇球磨有利于纤维素酶均匀分散至高固底物中，提高了酶解反应效率。然后作者研究了球磨时间对Avicel高固酶解的影响（图3）。未球磨时，延长酶解反应时间对提高葡萄糖得率影响甚微（图3b），但经球磨5 min后，葡萄糖得率随反应时间的延长明显提高（图3a）。作者认为，未经球磨时纤维素酶呈游离状态，因此延长反应时间无益于提高酶解效率。短时间的球磨能使游离的纤维素酶吸附于纤维素底物表面上，再延长反应时间就能大幅提高酶解效率。

2. 间歇球磨对木质纤维素高固酶解的影响

作者研究了间歇球磨对木质纤维素（不同温度下稀酸预处理的杨木，AS-DP 150-180）高固酶解的影响（图4，表4）。图4(a)表明，间歇球磨高固酶解反应的葡萄糖得率随着酶解时间的延长而增大，升高稀酸预处理温度有利于提高酶解效率。图4(b)表明，间歇球磨高固酶解24 h后的葡萄糖得率明显高于传统的低固酶解（图4b），酶解效果与传统低固酶解72 h后的得率相当（表4），这表明间歇球磨能缩短酶解反应时间，减少反应能耗，同时减少酶解缓冲液的用量。当间歇球磨用于酶解脱木质素的杨木时，其酶解效率进一步升高（表4）。作者还对比了纤维素酶在微晶纤维素、稀酸预处理的杨木和脱木质素的杨木的吸附行为（图5）。结果表明，纤维素酶在各底物上的吸附量随着其浓度增大而逐渐增大，纤维素酶在脱木质素的杨木上的吸附量最大，其次是微晶纤维素，最后是稀酸预处理的杨木，这与各纤维素底物在间歇球磨高固酶解反应时的结果是一致的。

结论

本文开发了间歇球磨处理木质纤维素的高固酶解液的新方法，该法通过短时间球磨使纤维素酶均匀分散于木质纤维素底物上，再通过长时间的静态酶解使高固的木质纤维素高效转化为葡萄糖。该方法能够大大缩短酶解反应时间，显著降低反应能耗，并减少酶解液的用量，对提高木质纤维素生物炼制的整体效率、减少反应过程成本具有重要的指导意义。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110442

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