一套可行的生物炼制方案关乎未来生物炼制经济的发展。文献报道中总会提到生物炼制的关键点是1.通过高效的预处理解聚技术促使生物质在酶解过程中最大化水解成可用糖；2.将木质素高效率转化为燃料和化学品的技术。事实上，生物质处理中还有其它关键因素是需要考虑的，如一个可将生物燃料碳足迹降到最低的生物质储存和处理稳定平台。
针对上述问题，美国密歇根州立大学的Leonardo da Costa Sousa教授团队将一种新型的氨基预处理方式应用于致密木质纤维素生物质上，从而减少氨使用量并与可行的生物质物流方案相结合。他们在100℃下使用循环氨预处理致密生物质（COBRA），促使在降低酶负载量的情况下，超过95%的蔗渣碳水化合物转化为可溶性单体和低聚糖（葡萄糖和木糖）。COBRA预处理的同时木质素脱除，从而使后续酿酒酵母424A(LNH-ST)的新陈代谢率从89%提高至97.5%，乙醇产率达71.6%。与ADEX、蒸汽爆破等现行成熟技术相比，COBRA预处理后发酵乙醇最低价格能达1.45美元每加仑乙醇。将该COBRA预处理技术应用于多年生牧草、硬木等植物，也能获得超过80%的总糖得率。
本文首次报道“循环氨预处理致密生物质”（COBRA）这一新型高效预处理技术。该系统充分考虑原料的可及性及多样性、原料物流运输和对经济可持续性大型精炼厂的需求（Fig.1A）。COBRA在100℃下对低水分含量的致密原料预处理，固液比仅需1:1即可将样品浸没，从而最大程度实现碳水化合物的转化及木质素的回收（Fig. 1B）。
Fig. 1 (A) Feedstock logistics model with distributed processing depots for production of stable densified biomass prior to transportation and biorefining at a very large scale. (B) Biorefinery concept describing the COBRA pretreatment (with lignin extraction – LE).根据Fig.2A和B可知，COBRA温和条件下预处理的样品酶解葡聚糖转化率大于88%，木聚糖大于85%，每100kg甘蔗渣可获得63kg可发酵糖。不同预处理样品在高负载酶的糖转化率相差不大，但是同一预处理条件的糖化显著受酶负载率影响，特别是低温预处理的样品变化尤为显著。此外，高负载酶水解的样品释放更多的低聚葡萄糖和低聚木糖，占可溶性糖10-15%。Fig. 2 Influence of COBRA and COBRA-LE pretreatment conditions on sugarcane bagasse enzymatic hydrolysis conversion and yields, performed at high solid loading under various enzyme loadings.研究人员还将COBRA和COBRA-LE在最适条件下的预处理与EA、AFEX、StEx等先进的预处理技术进行对比。EA的预处理原理与COBRA-LE相似，均是提取木质素并将纤维素晶体修饰成Ⅱ型。AFEX也是种氨基预处理技术，但是并不会形成Ⅱ型晶体和脱除木质素。StEx被认为是一种适应性较强的工业相关预处理技术。Fig.3结果表明，新一代氨处理技术更有利于释放可发酵糖，乙醇转化率最高可达97.5%。Fig. 3 Comparison of COBRA, COBRA-LE, EA, AFEX and steam explosion (StEx) pretreatments in terms of sugar and ethanol (EtOH) yields.为明晰COBRA预处理方法是否具有普适性，是否对不同形貌特征及分子组成的生物质均具有高效预处理效果，研究人员探究了COBRA对玉米秸秆、蔗渣、芒草、草原线草和杨木预处理后的酶解糖化效果。如图所示，除玉米秸秆，酶负载量增加均会显著提高生物质总糖得率。此外，通过对比复配酶的比例可知，COBRA预处理后确实可以提高酶可及性，若能根据生物质结构组成不同，针对性调整糖化酶配比更能最大化获得可发酵糖。Fig. 4 Comparison of combined sugar yield in CS, SCB, Miscanthus x giganteus, prairie grass, and poplar resulting from COBRA pretreatment performed at 100 °C for 6 h and with 1 : 1 NH3 : BM loading followed by 96 h of enzymatic hydrolysis.图5展示了本研究所用预处理技术可获得的理论最低乙醇销售价（minimum ethanol selling price，MESP）。如图所示，经预处理技术COBRA-LE生产的乙醇每加仑仅需1.45美元。这是因为通过COBRA-LE预处理后可获得更高的乙醇产率，且酶负载量可减少40%。COBRA预处理能实现超过90%的碳水化合物转化，因此COBRA基生物炼制生产乙醇最低销售价可至1.15美元/加仑。
Fig. 5 Average MESP ($ per gallon ethanol) calculated for mega-biorefinery systems based on various pretreatment technologies, implemented in the State of Sao Paulo, Brazil.本文主要侧重于研究巴西圣保罗州COBRA基生物炼制的应用情况。对于生物质分布较分散的地区，如何降低生物质运输成本显著影响生物炼制的可行性。而生物质致密化便是非常好的解决方式。通过集中的设施对致密化原料进行预处理将有利于与其它生物炼制整合，如燃烧木质素产生电能和热能。该方案有利于生物量可得性较低的地区最大化利用生物质资源生产生物燃料和生物基化学品，提高能源、交通和化工产业的可持续性发展。https://doi.org/10.1039/d2gc00488g
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