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慧正資訊，近日，來自北京化工大學的研究團隊提出了一種將還原催化分餾（RCF）工藝和發酵過程級聯的策略——一體化生物煉制策略（ integrated biorefinery strategy），該策略可將楊木鋸末有效轉化為木質素油（lignin oil）和生物乙醇。研究結果顯示，基于這種一體化生物煉制工藝，1 kg 楊木鋸末可生產出 206.5 g 木質素油和 104.4 g 生物乙醇。
木質素是自然界中僅次于纖維素的第二大生物聚合物，也是地球上可直接提供芳香環結構的豐富可再生資源。不過，由于結構復雜、性質不均一等，目前木質素的開發利用程度還相對滯后。因此，木質素高值轉化對實現生物煉制規模化生產、提高經濟性和資源利用率具有重要意義。
這項研究已經發表在 Biotechnology for Biofuels and Bioproducts 上 。論文的主要作者之一是中國工程院院士譚天偉，通訊作者是北京化工大學生命科學與技術學院副教授蔡的（Di Cai）。他的重點研究領域是生物/化學催化制備生物基燃料及化學品、新型生化分離技術開發與應用以及生物煉制系統開發與集成。
還原催化分餾是近年來一種新興的木質素優先生物煉制技術，可將生物質分餾與木質素解聚相結合。其核心是多相催化的整合，克服了木質素重新聚合的趨勢。這種方法通過溶劑促進木質素從生物質基質中解聚溶出，隨后在氧化還原催化劑和氫源的作用下原位氫解，制備高得率的木質素芳香單體。既可以生產半纖維素產品，還可以生產富含功能化酚類物質的木質素生物油。
先前領域內已經對還原催化分餾技術應用于木質素生物煉制進行了大量研究分析，這些研究表明如果要提高還原催化分餾工藝的適用性，需要通過改進工藝持續強化還原催化分餾生產生物乙醇的能力。
在這項研究中，為了使木質素和碳水化合物組分增值，該團隊將還原催化分餾和發酵過程相結合，為從楊木鋸末生產木質素油和生物乙醇提供了經濟可行的策略。
在試驗中，該團隊以雷尼鎳（Raney Ni）作為加氫催化劑，以 2-PrOH 作為氫供體和溶劑，2-PrOH-H2O 為初始溶液，對楊木鋸末進行早期氫轉移分餾得到木質素油和木漿。研究團隊研究了 2-PrOH 與 H2O 比例對生產木質素油和木漿的影響，研究表明木質素油的產率和化學組成受 2-PrOH 比例的影響，且初始液體中 2-PrOH 比例增加會促進木質素油產量增加。
然后，該團隊研究分析了初始液中 2-PrOH 比例對 RCF 工藝還原反應的影響，并對木質素油中的木質素單體含量進行了定量分析。結果顯示，木質素油樣品中的主要單體類型是 S/G 型單體。隨著初始液中 2-PrOH 比例增加，RCF 過程中的去甲基化會增強。
隨后，測定了 RCF 紙漿的化學成分，并進一步研究了 RCF 木漿的糖化作用。結果表明，無論固體負載量如何，糖產率都保持在相當高的水平。
接下來，研究團隊構建了工程釀酒酵母菌株作為底盤細胞，以 RCF 木漿水解產物中的有效成分為底物，成功將水解產物中的單糖轉化為生物乙醇。經過對比，菌株 YL23-1 能夠更好促進細胞生長速率，更適合作為底盤細胞。緊接著，研究團隊分析了該菌株的發酵性能，相比之下，2-PrOH:H2O 比例為 5:5（v/v）組溶液生產的乙醇濃度最高，達到了 25.49±1.02 g/L，產率為 0.423±0.017 g/g。
最后，該團隊利用質量平衡方法計算了基于一體化生物煉制工藝生產木質素油和生物乙醇的產量。在溶液中 2-PrOH:H2O 的比例為 2-7:3 （v/v）時，RCF 木漿中固相回收率較高，從 1 kg 楊木鋸末中回收 579.6 g RCF 木漿，生產乙醇的產率高達 104.4 g，還可以生成 206.5 g 木質素油。
質量平衡計算能夠將反應過程中未知或難以計量的物質質量做出定量，最基礎核心的概念其實就是質量守恒定律。
“這項工作為有效分餾和利用楊木鋸末的三種主要成分即纖維素、半纖維素和木質素提供了一種經濟可行的方法，也顯示出經濟化和規模化生產第二代生物乙醇的潛力。”
參考資料：
1.https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13068-024-02459-8
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