美开发快速溶解植物纤维新工艺 可在正常环境下进行

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1月14日,美国一研究团队开发出一种基于氨:铵盐溶剂的预处理工艺,可以更快速地溶解植物纤维,从而大大降低利用植物生产生物燃料的成本。相关研究论文发表在最新一期的《绿色化学》杂志上。

美开发快速溶解植物纤维新工艺 可在正常环境下进行

秸秆、柳枝、树叶等植物废料中,具有紧密堆积的结晶纤维素,这种纤维素很难被酶或微生物分解,让植物性物质转化为生物燃料或生化物质变得更困难。在过去的100多年里,科学家研究出了几种可以分解纤维素结晶的溶剂,但这些溶剂要么十分昂贵,要么需要在极端压力或温度下才有效。


此次,由罗格斯大学、密歇根州立大学、橡树岭国家实验室等机构研究人员组成的研究小组开发出基于氨:铵盐溶剂的新工艺,可以将纤维素结晶快速溶解,并最终在接近正常环境条件下生产出无定形的纤维素。这种再生无定形纤维素经水解可转化为可溶性糖,所需的纤维素分解酶用量要比天然纤维素结晶变体I少约50倍。这意味着可以大大降低生物燃料的生产成本,因为在利用生物质生产乙醇等生物燃料的总成本中,分解酶占了15%—20%的份额。


此外,概念验证结果表明,新型氨:铵盐溶剂在预处理和分馏像玉米秸秆这样的木质纤维素生物质的同时,可选择性地提取约80%—85%的木质素。木质素是一种广泛存在于植物体中的芳香性高聚物,可用于生产高价值的酚类化合物。


新型预处理工艺可在接近正常环境条件下运行,大大降低了对木质纤维素进行有效预处理所需的压力/温度要求。研究人员指出,与传统工艺相比,新工艺更具优势,对工作环境要求不高,能在超低酶负荷下快速生产可溶性糖,有效降低乙醇等生物燃料的生产成本。


据了解,植物纤维广泛分布在种子植物中的一种厚壁组织。它的细胞细长,两端尖锐,具有较厚的次生壁,壁上常有单纹孔,成熟时一般没有活的原生质体。植物纤维在植物体中主要起机械支持作用。


在植物茎秆中,如苎麻、大麻、亚麻和黄麻的草本茎,具特别发达的韧皮纤维束,可用制各种纺织品。这些纤维没有或很少木质化,称软纤维。在有些植物的木本茎中,韧皮纤维也很发达,它们是制造特种纸张的优良原料,如桑树、构树、青檀等。叶子纤维主要存在于单子叶植物的叶脉中,细胞壁木质化程度较高,质地坚硬,称为硬纤维。这类纤维拉力大,耐腐力强,主要用制绳索,或作粗纺之用,如剑麻、蕉麻等。


根中纤维一般较少,但有的植物根内纤维也可利用,如马蔺。此外,有些植物果实的果皮中含有纤维,如椰子,或者生长有特殊用途的纤维毛,如吉贝。种子表面生长表皮毛的突出例子是棉花纤维,其他如木棉、杨柳等种子表面也都有纤维。根据纤维在植物体中分布位置的不同,大致可分为木质部外纤维与木质部纤维两大类。


初生纤维在器官延伸之前便已发生,在周围的细胞仍在分裂的时候,它们还能继续引伸到相当的长度。苎麻的纤维停止伸长以后,在发生次生壁的沉积时,纤维的基部可能也有厚的次生壁。但顶端仍有生活的内容物和薄的细胞壁,因此,细胞顶端还可以继续伸长。


棉纤维是棉花胚珠上表皮细胞伸长的部分。它的发育过程是:当棉花胚珠受精以后,胚珠表皮层上产生纤维的生毛细胞迅速伸长。此后,细胞壁也逐渐增厚,即在初生壁里面不断沉积含纤维素的次生壁。接近种子成熟时,原来成管状的纤维细胞,干瘪变扁,并发生扭曲,细胞壁内残留的原生质体也变干沉积。棉铃开裂以后,纤维细胞死亡,成为银白色的棉纤维。


文章来源: 科技日报

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