纤维素水解:一个尚未解决的问题

摘要

就像今天，几乎整个世界都依赖于化石燃料作为能量的来源。随着世界人口的增加，人们越来越担心化石燃料资源的减少，全球变暖和环境污染；因此，有必要寻找可再生资源，以弥补能源和化学品供需之间的差距。在生物燃料的生产方面，生物质是唯一广泛、丰富、廉价和可持续的资源，可以作为化石资源的理想替代品。第一代生物燃料主要是生物乙醇或生物柴油，由玉米、甘蔗、大豆、小麦、植物油等作物生产，这些作物可以用常规技术很容易地提取。这些作物主要含有淀粉，这是一种具有α-1,4-糖苷键的d -葡萄糖聚合物，可溶于水。利用淀粉来生产燃料和化学品已经引起了足够的重视。但是人们一直在争论这些作物是应该用于满足粮食需求还是用于生物燃料生产。因此，第二代生物燃料的想法出现了。第二代生物燃料也被称为先进生物燃料，可以以可持续的、可负担的方式提供更大比例的全球燃料供应，并具有更大的环境效益。第二代生物燃料工艺的目标是通过使用由木质纤维素生物质组成的生物质来扩大可可持续生产的生物燃料的数量。 What separates them from first generation biofuels is the fact that feedstock used in producing second generation biofuels are generally not food crops.

到今天为止，几乎整个世界都依赖化石燃料能源来源．随着世界人口的增加，越来越多的人担心减少化石燃料资源，全球变暖?而且环境污染；因此就有了搜索的需要可再生资源弥合能源和化学品的供需缺口。在这方面的生物燃料生产，生物质是唯一广泛的，丰富的，廉价的和可持续的资源这是化石资源的理想替代品。第一代生物燃料主要是生物乙醇或生物柴油，由玉米、甘蔗、大豆、小麦、植物油等作物生产，这些作物可以用常规技术很容易地提取。这些作物主要含有淀粉，这是一种具有α-1,4-糖苷键的d -葡萄糖聚合物，可溶于水。利用淀粉来生产燃料和化学品已经引起了足够的重视。但是人们一直在争论这些作物是应该用于满足粮食需求还是用于生物燃料生产。因此，第二代生物燃料的想法出现了。第二代生物燃料也被称为先进生物燃料，可以以可持续的、可负担的方式提供更大比例的全球燃料供应，并具有更大的环境效益。第二代生物燃料工艺的目标是通过使用由木质纤维素生物质组成的生物质来扩大可可持续生产的生物燃料的数量。它们与第一代生物燃料的区别在于，用于生产第二代生物燃料的原料通常不是粮食作物。

木质生物质主要由30-50%纤维素、15-30%半纤维素和15-30%木质素组成。第二代生物燃料工艺所要解决的问题是从木质或纤维质的生物质中提取有用的原料，其中有用的糖被锁定在纤维素、半纤维素和木质素中。由于纤维素是木质纤维素生物质的主要成分，研究人员现在将注意力集中在纤维素水解用于生物燃料生产上。纤维素是一种线性聚合物，由β-1,4-糖苷键连接的葡萄糖单元组成。在木质纤维素聚合物中，纤维素具有最高的聚合度。在一条聚合物链中，葡萄糖单位的数量可以达到10,000或更高。在异构碳上的β构型产生了拉伸链构象，氢键将这些链连接成平板。线性构象使大量纤维素束包装成结晶纤维，从而使结构坚固。纤维素的高分子量，其聚合物链的低灵活性，分子间和分子内氢键，疏水的平面顶部和底部表面使薄片之间的范德华相互作用，允许纤维素的紧密和有序包装，使其不溶于水和大多数有机溶剂。纤维素因此不能被人类消化，因此纤维素的使用仅限于纺织品，纸张，塑料等。因此，关键问题是如何有效和选择性地降解这种持久性聚合物以获得还原糖，因为还原糖可以转化为一系列工业上重要的化学品，包括乙醇、5-羟甲基糠醛、液体燃料和许多增值化学品。因此，这些天更多的注意力集中在从纤维素中获得燃料和增值化学品[1］．

迄今为止，用于纤维素水解的方法很少，如酶水解[2]，酸水解[3.),水热降解［4]，超临界水水解[4]、非均相固体酸催化剂[5]还有一些[6，7]，但所开发的方法都不具有成本效益，也不能用于大规模应用。酶解存在酶成本高、反应速率低、酶控制严格、难以从反应混合物中回收等缺点。酸水解不仅操作成本高，还会造成各种环境污染。热液处理需要很高的温度和压力。超临界水水解需要在极短的时间(秒)内进行，以避免产物进一步分解。多相固体酸催化剂效果较好，但水解效果差，产率低。近年来，离子液体也被用于纤维素水解，但成本高、粘度大阻碍了离子液体的商业化应用[8］．纤维素水解成还原糖需要广泛的高压和高反应温度，这些糖在这种苛刻的条件下很容易分解。

一种简单、廉价、高产和高选择性的绿色水解纤维素技术用于商业规模生产生物燃料和增值化学品仍然是一个尚未解决的问题，对该领域的研究人员来说确实是一个挑战。

参考文献

1. Binder JB, Raines rt。木质纤维素生物质转化为燃料和化学品呋喃的简单化学转化。美国化学学会2009;131: 1979 - 1985。
2. Philippidis GP, Smith TK, Wyman CE。同时糖化和发酵工艺酶解纤维素生产燃料乙醇的研究。生物技术&Bioeng2004;41: 846 - 853。
3. Mascal M,Nikitin EB。纤维素直接高效转化为生物燃料。Angew化学国际教育2008;47: 7924 - 7926。
4. 王志刚，王志刚，王志刚，等。一罐法制备小分子多糖的研究。合成2011;11: 1649 - 1677。
5. Suganuma S, NakajimaK，北野M，山口D，加藤H等。含so3h, COOH和OH基团的无定形碳对纤维素的水解。JAm化学Soc 2008;130: 12787 - 12793。
6. JadhavV, Pedersen CM, bolm。一种水解纤维素的研究——具有1C4构象残基的纤维素结构更容易水解吗?Org Biomol Chem 2011;9:7525-7534。
7. 张强，张志强，张志强，张志强。微晶纤维素在CO2基可切换体系中的活化。ChemSusChem.2013;6: 593 - 596。
8. 郭志刚，刘志刚，刘志刚。离子液体降解木质纤维素生物质的研究进展。绿色Chemistry2013;15: 550 - 583。