谭天伟等提出一体化生物炼制策略

木质素是自然界中仅次于纤维素的第二大生物聚合物，也是地球上可直接提供芳香环结构的丰富可再生资源。不过，由于结构复杂、性质不均一等，目前木质素的开发利用程度还相对滞后。因此，木质素高值转化对实现生物炼制规模化生产、提高经济性和资源利用率具有重要意义。

近日，来自北京化工大学的研究团队提出了一种将还原催化分馏（RCF）工艺和发酵过程级联的策略——一体化生物炼制策略（ integrated biorefinery strategy），该策略可将杨木锯末有效转化为木质素油（lignin oil）和生物乙醇。研究结果显示，基于这种一体化生物炼制工艺，1 kg 杨木锯末可生产出 206.5 g 木质素油和 104.4 g 生物乙醇。

（来源：Biotechnology for Biofuels and Bioproducts）

这项研究已经发表在Biotechnology for Biofuels and Bioproducts上 。论文的主要作者之一是中国工程院院士谭天伟，通讯作者是北京化工大学生命科学与技术学院副教授蔡的（Di Cai）。他的重点研究领域是生物/化学催化制备生物基燃料及化学品、新型生化分离技术开发与应用以及生物炼制系统开发与集成。

还原催化分馏是近年来一种新兴的木质素优先生物炼制技术，可将生物质分馏与木质素解聚相结合。其核心是多相催化的整合，克服了木质素重新聚合的趋势。这种方法通过溶剂促进木质素从生物质基质中解聚溶出，随后在氧化还原催化剂和氢源的作用下原位氢解，制备高得率的木质素芳香单体。既可以生产半纤维素产品，还可以生产富含功能化酚类物质的木质素生物油。

先前领域内已经对还原催化分馏技术应用于木质素生物炼制进行了大量研究分析，这些研究表明如果要提高还原催化分馏工艺的适用性，需要通过改进工艺持续强化还原催化分馏生产生物乙醇的能力。

在这项研究中，为了使木质素和碳水化合物组分增值，该团队将还原催化分馏和发酵过程相结合，为从杨木锯末生产木质素油和生物乙醇提供了经济可行的策略。

在试验中，该团队以雷尼镍（Raney Ni）作为加氢催化剂，以 2-PrOH 作为氢供体和溶剂，2-PrOH-H2O 为初始溶液，对杨木锯末进行早期氢转移分馏得到木质素油和木浆。研究团队研究了 2-PrOH 与 H2O 比例对生产木质素油和木浆的影响，研究表明木质素油的产率和化学组成受 2-PrOH 比例的影响，且初始液体中 2-PrOH 比例增加会促进木质素油产量增加。

▲图 | RCF 纸木浆分馏中不同比例 2-PrOH:H2O 的组分分析（来源：上述论文）

然后，该团队研究分析了初始液中 2-PrOH 比例对 RCF 工艺还原反应的影响，并对木质素油中的木质素单体含量进行了定量分析。结果显示，木质素油样品中的主要单体类型是 S/G 型单体。随着初始液中 2-PrOH 比例增加，RCF 过程中的去甲基化会增强。

随后，测定了 RCF 纸浆的化学成分，并进一步研究了 RCF 木浆的糖化作用。结果表明，无论固体负载量如何，糖产率都保持在相当高的水平。

接下来，研究团队构建了工程酿酒酵母菌株作为底盘细胞，以 RCF 木浆水解产物中的有效成分为底物，成功将水解产物中的单糖转化为生物乙醇。经过对比，菌株 YL23-1 能够更好促进细胞生长速率，更适合作为底盘细胞。紧接着，研究团队分析了该菌株的发酵性能，相比之下，2-PrOH:H2O 比例为 5:5（v/v）组溶液生产的乙醇浓度最高，达到了 25.49±1.02 g/L，产率为 0.423±0.017 g/g。

最后，该团队利用质量平衡方法计算了基于一体化生物炼制工艺生产木质素油和生物乙醇的产量。在溶液中 2-PrOH:H2O 的比例为 2-7:3 （v/v）时，RCF 木浆中固相回收率较高，从 1 kg 杨木锯末中回收 579.6 g RCF 木浆，生产乙醇的产率高达 104.4 g，还可以生成 206.5 g 木质素油。

质量平衡计算能够将反应过程中未知或难以计量的物质质量做出定量，最基础核心的概念其实就是质量守恒定律。

（来源：上述论文）

“这项工作为有效分馏和利用杨木锯末的三种主要成分即纤维素、半纤维素和木质素提供了一种经济可行的方法，也显示出经济化和规模化生产第二代生物乙醇的潜力。”

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