【文献解读】ACS Sustain Chem Eng: 木质生物质在质子和非质子离子液体预处理后解构生成乙醇

-背景介绍-

离子液体（ionic liquid, ILs）由于其能够有效地分解和分离生物质，已成为木质纤维素原料转化为燃料和化学品的重要溶剂。然而，ILs成本较高、回收困难和生物质相容性较差等问题仍然是限制其大规模使用的瓶颈。为了克服成本和生物相容性问题，胆碱基非质子ILs（如[Ch][Lys]）已被证明与酶和微生物相容，且实现了高纤维素转化为葡萄糖产率。质子ILs（protic ILs, PILs）是由可逆质子（离子）转移形成，而非质子ILs是由共价键的形成和断裂形成的，PILs的发展加速了非质子ILs的发展。然而，由于较弱的氢键碱度，PILs还不能实现对木质纤维素完全溶解。而某些PILs（如[EOA][OAc]）由于容易合成和高效的糖转化率等优点而受到广泛关注。

木质生物质原料由于其容易获得、生长速度快、适应性强等特点，而被认为是一种具有广阔应用前景的生物质原料。此外，木质生物质比禾本科植物具有更高碳水化合物含量，使其在生物燃料转化方面更具吸引力。然而，木质生物质原料由于木质素含量高，纤维素结晶度高和存在有毒提取物等缺点，给生物质预处理带来了巨大挑战。因此，为了最大限度地开发针叶材和阔叶材价值，通过绿色和可持续的过程对其成分进行有效的分离是必不可少的。

近年来，美国桑迪亚国家实验室John M. Gladden课题组在工艺优化和放大规模中研究了两种ILs预处理方法：（1）纯ILs预处理，即100 wt% [EOA][OAc]；（2）ILs水溶液预处理，即10 wt% [Ch][Lys]。后者可以在生物过程中实现，所有的预处理、水解和发酵步骤都组合在一个容器中，称为“一锅法”。此外，作者深入研究了处理温度、固体负载、酶含量、反应时间和颗粒大小等因素对葡萄糖和果糖产率的影响。之后，进行了放大规模和发酵生产乙醇实验。

- 图文解读-

生物质组成和提取物：表1分析了各种生物质中提取物、多糖和木质素含量。结果表明，杏仁、松树、冷杉和核桃壳的总提取物含量分别是38.4，17.5，34.3和34.0%，而木质素含量分别是20.0，27.4，23.4和20.0%。然而，高木质素含量会导致生物质难以分解成发酵糖。木质生物质（松树和冷杉）的提取物是由游离糖、萜类、脂肪酸和多酚组成。游离酚类物质往往是萃取物的主要成分，由于其潜在的生物活性，如抗氧化和抗紫外性，具有很大的吸引力。图1展示了用乙醇和水从生物质中回收酚类提取物的组成。总之，木质生物质是生产生物燃料和平台化学品的重要原料；但是，组成的差异导致在过程设计和性能以及生产的产品都多变。

Figure 1. Extractive composition (phenolic content) for four woody biomasses using water (W) and 80% (v/v) ethanol (E).

发酵糖产率：为了提高发酵糖产率，分别用[Ch][Lys]和[EOA][OAc]处理所有生物质，并探讨了温度、时间和酶含量对其影响（图2和3）。结果表明，[Ch][Lys]和[EOA][OAc]预处理对生物质释放发酵糖是有效的，并且最佳反应条件是160℃，3小时和30 mg蛋白/g生物酶。在最佳条件下，这两种ILs都能够使杏仁和核桃壳释放最高的糖阈值，而松树和冷杉的总糖产量很少或没有变化。

Figure 2. Glucose and xylose yield from enzymatic hydrolysis of [Ch][Lys]-pretreated samples: (A) 140 °C, 3 h, and 20 mg of protein/g of biomass of enzyme; (B) 160 °C, 3 h, and 20 mg of protein/g of biomass of enzyme; and (C) 160 °C, 3 h, and 30 mg of protein/g of biomass of enzyme.

Figure 3. Glucose and xylose yield after enzymatic hydrolysis of [EOA][OAc]-pretreated samples: (A) 140 °C, 3 h, and 20 mg of protein/g of biomass of enzyme; (B) 160 °C, 3 h, and 20 mg of protein/g of biomass of enzyme; and (C) 160 °C, 3 h, and 30 mg of protein/g of biomass of enzyme.

优化松树和冷杉的糖释放量：以松木和杉木为原料，通过严重程度因素（SF）、酶载量和粒径对发酵过程进行进一步优化，以促进可发酵糖的释放。结果表明，提高SF导致两种针叶材的平均糖产率减少，这是由于糖和多聚糖在更剧烈预处理条件下发生降解。虽然生物质预处理后通过使用高酶载量可以实现高产，但从商业和经济的角度来看，必须使用尽可能少的酶来最大化可发酵糖的释放。减小粒径能显著增加两种生物质的平均糖产率，这是因为减小粒径能提高传质效率和允许ILs穿透生物质细胞壁，破坏木质素碳水化合物复合体，但是生物质粉碎是一种能源密集型的策略，在更大范围内是不现实的。总之，减小粒径在解构生物质，降低阻抗性和提高糖产率是有效的，而SF和酶含量的提高不能促进发酵糖释放。

混合生物质（MB）：通过改变杏仁(A)、核桃(W)、松树(P)和冷杉(F)的重量分数，研究了三种不同的MBs的糖产率（图4）。结果表明，两种ILs对杏仁、核桃、松树和杉木的混合物均有较好的预处理效果。在最佳的预处理条件下，20%的松木和40%的杏仁和核桃混合的生物质可发酵糖释放量最高。大规模（30g, 图4C）MB的平均产糖量比小规模（2g, 图4A）的提高了62%。与混合生物质相比，使用松木时水解效率的下降可能是由于松木有较高木质素含量和更高比例的C-C连接键。

Figure 4. Glucose and xylose yield from enzymatic hydrolysis of 2 mm-particle sized MB (weight fraction of almond/walnut/pine/fir is listed in the figure as A/W/F/P) of 160 °C, 3 h, and 30 mg of protein/g of biomass of enzyme for (A) [Ch][Lys]- and (B) [EOA][OAc]-pretreated samples. (C) Larger scale Parr reactor (30 g scale) via [Ch][Lys]. 

MB发酵：在最佳的预处理条件下，比较松木和2/2/1 A/W/P混合生物质的糖释放量和转化率（图5）。结果表明，与单生物质条件相比，原料混合在规模上产生了更高的糖释放量和转化率。因此，接下来研究了生物质负载对一锅ILs预处理和糖化过程的影响。结果表明，高负载不仅会降低水解产率和糖浓度，而且导致发酵抑制物的浓度增加，包括乙酸和酚木质素降解产物，这阻碍了生物质转化性能（图6）。为此，选择固体负载量为15%的水解产物对松木和混合料水解产物进行发酵试验。由于分离残留木质素价格昂贵，特别是针对大规模处理过程，因此我们选择使用未经过滤的水解产物发酵。结果表明，在所有条件下，葡萄糖的利用都是完全的，而在混合原料条件下，水解产物在发酵6天后未消耗大约50%的木糖（图7）。较高的初始糖浓度提高了乙醇浓度（7.9 g/L）。

Figure 5. Sugars released (A) and sugar conversion (B) during enzymatic hydrolysis of pine and pine/almond/walnut with [Ch][Lys] pretreated biomass at 15% solid loading. Enzyme loading: 30 mg/g biomass; temp: 50 °C; and pH: 5.

Figure 6. Glucan and xylan conversion during enzymatic hydrolysis of MB (pine/almond/walnut) at 15 and 25% solid loading. Enzyme loading: 30 mg/g biomass; temp: 50 °C; and pH: 5. 

Figure 7. Batch ethanol fermentation of pine and pine/almond/ walnut hydrolysates pretreated with [Ch][Lys]. Temp: 30 °C; pH: 5; and S. cerevisiae NS 22202. 

- 结论 -

本研究首次证明了使用ILs [Ch][Lys]和[EOA][OAc]预处理木质生物质(松树、冷杉、核桃和杏仁)能够有效地将这些原料及其混合物转化为乙醇。在最佳条件下（160 oC，3 h，30 mg蛋白/g生物酶），杏仁和核桃的葡萄糖产率大于80%，而松树和冷杉产率较低。为了转化难以降解的原料，各种生物质混合物通过ILs和在最佳条件下进行预处理，2/2/1(杏仁:核桃:松树)混合物获得>90%的发酵糖产量。混合水解产物的发酵导致乙醇浓度为17.9 g/L，发酵效率为60.8%。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c07925

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