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两步法纤维素水解变糖的过程设计
随着石化资源的日益减少和环境问题不断恶化，生物质因其可再生性、二氧化碳零排放等良好环境效应成为全球关注的焦点。纤维素作为非粮食作物，广泛存在于农林废弃物(如玉米秸秆、甘蔗渣以及废弃木屑等)，是地球上最丰富的生物质资源，每年产量超过1000亿吨。将纤维素通过化学或者生物法水解制备葡萄糖，进而生产乙醇、糠醛、乙酰丙酸等燃料或者化学品，从而改变传统能源结构，为人类提供绿色能源与化学品成为了可能。
纤维素是由葡萄糖分子以β-1,4-糖苷键连接而成的直链大分子，分子链内、链间形成大量氢键，使得纤维素性质很稳定，不熔融并且不溶于普通溶剂。因此，纤维素的水解往往需要高温高压的苛刻条件，纤维素水解的同时造成了水解产物葡萄糖的分解，从而造成了葡萄糖的产率低，选择性差。中国科学院宁波材料技术与工程研究所生物基高分子材料团队在朱锦研究员和那海宁副研究员的带领下，运用“去除结晶-平稳水解的两步法”技术成功实现了纤维素在温和条件下的高效、高转化率水解变为葡萄糖(见图1)。结果表明，通过有效控制打破纤维素的结晶结构，经两步法水解得到葡萄糖的产率是一步法的4倍。并且通过引入微波辐射，进一步降低水解条件，160℃下水解5 min即可得到73.3 %葡萄糖，并且全部还原糖中葡萄糖占95.8 %。相关研究结果在国际期刊Biresource Technology 发表研究论文两篇(Bioresour. Technol. 2013, 137, 106-110. & 2014, 167, 69-73. )。该项技术先后申请国家发明专利2项(申请号：201210163175.5, 201310300731.3)，并已获其中授权1项。
在两步法水解技术中，纤维素水解反应活性的提高受控于纤维素结晶度的降低和聚合度的下降。研究团队通过调控水解条件得到相同聚合度而结晶结构不同的再生纤维素RC11-13（见图2a），利用温和水解条件下多次循环水解实验，详细探索了再生纤维素在微波条件下的水解响应行为。如图2所示，再生纤维素结晶结构的调控明显提升了纤维素的水解响应活性，提高起始纤维素的水解速率，最终明显促进了纤维素水解为葡萄糖的效率及产率的提升。
上述研究工作依托研究所“一三五”项目，并得到了国家自然科学基金(21274160，21304104)的支持。
