木质纤维素基生物质中碳水化合物的含量约为75%,这些碳水化合物可以经过酸直接水解或酸—纤维素酶两步法水解为可发酵糖,从而能够为大宗化工产品如生物燃料(生物柴油、生物丁醇和沼气等)和化学品(如乙酸、苹果酸、丙酮和乳酸等)的生产提供丰富廉价的原料,是石油原料的绝佳替代品。在生产工艺和设备得到极大改善的前提下,低成本木质纤维素基生物质的大量供给,将为经糖或合成气生产平台合成大宗液体燃料和生物基化学品提供保证。据统计,把世界上所有作物残渣完全转化为生物乙醇,将会替代全球汽油消耗量的32%。预计到2030年,世界生物燃料产量将以每年6.7%的增速,达到年产2.7×106桶石油当量的燃料产品。其中,预处理和水解技术是实现纤维素燃料商业化的关键。目前常用的均相催化工艺中的化学预处理和水解技术在传质和反应效率上具有较大的优势,但这些方法具有非常多的缺点如产品分离困难、对反应器和设备腐蚀性强、催化剂无法回收重复使用和废液排放多等,从而导致许多催化工艺无法实现商业化。固体催化剂具有活性高、选择性好、寿命长、易回收和重复使用的优点,在替代传统液体酸(如硫酸、盐酸、磷酸等)用于木质纤维素的预处理、水解及高效转化生产生物燃料中具有极大的潜力。

版纳园生物能源组郭峰博士和方真研究员,完成一篇关于固体酸介导生物质水解的综述文章。在综述中介绍了生物质常规预处理(酸碱预处理、化学试剂预处理和离子液体预处理)和水解技术(直接水解、酶水解和水解辅助技术),着重讨论了五类固体酸催化剂(分子筛、过渡金属氧化物、离子交换树脂、负载固体酸和杂多酸化合物)催化生物质水解的特征。比较了这五类固体酸催化剂在纤维素水解中的活性,其中炭质固体酸催化剂的活性位点-SO3H能够吸附纤维素,并与纤维素中的β-1,4糖苷键具有较好的接触,被认为是纤维素水解最具潜力的固体酸。该催化剂在150 oC水解24 h,葡萄糖得率和选择性可达75%和80%。尽管固体催化剂有很多优点,但仍然存在水解反应结束后难分离回收和活性下降的问题。作者在综述中分别针对五类固体酸催化剂的特点给出了合理建议以实现催化剂的改性,提高催化剂的活性,实现其回收和重复使用。在文中还特别介绍了能够提高催化效率和反应选择性的辅助技术如微波、超声和纳米技术等。最后,突出强调了目前最新用作纤维素水解的功能性磁性纳米粒固体酸,并在本课题组前期研究基础上提出了可行性的工艺路线。最终,对该领域的未来发展趋势做了合理的分析。

应著名国际能源期刊《Progress in Energy and Combustion Science》主编对方真研究员的特邀,该综述文章(Feng Guo, Zhen Fang*, C. Charles Xu, Richard L. Smith Jr. Solid Acid Mediated Hydrolysis of Biomass for Producing Biofuels)已经被接收,在线发表(http://dx.doi.org/10.1016/j.pecs.2012.04.001)。方真研究员带领的生物能源组在生物质水解及相关课题已经发表Q1区SCI论文10余篇,研究成果获得国际同行的认可。

Hydrolysis of cellulosic material into soluble sugars by paramagnetic nanoparticle solid acid catalysts

Progress in Energy and Combustion SciencePECS)简介:

2011年PECS 影响因子为10.362。PECS仅邀请和发表在国际上获得公认的作者(internationally recognized authors)的文章,分为四个专题:Energy & Fuels; Engineering, Chemical; Engineering, Mechanical; Thermodynamics。该杂志的各个专题分类均在相关领域中排名第一,是能源与机械领域影响因子最高的期刊,全年仅发表25-28篇综述文章,目前中国大陆研究人员在PECS发表论文10篇左右。详情见下表(摘自ISI Web of Knowledge, Journal citation reports)。

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