纤维素结构表征方法..
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An evaluation of dilute acid and ammonia fiber explosion pretreatment for cellulosic ethanol production
——Bioresource Technology (2015) 对硫酸和氨纤维爆破法预处理纤维素生成乙醇的效益评估
03
阻碍酶在纤维素表面流动
AFEX and DA pretreatment of corn stover
7、 Cellulosic ethanol production （乙醇产品） 生物乙醇产品的成本是石油燃料的2-3倍；
（原料清洗、营养供给、解毒等单元操作） DA 预处理反应器 产品价格(每升汽油) 底物利用率 $22.5 $1.36 低 AFEX $9.15 $1.32 无糖水化合物损耗
Abstract
目的 方法
Dilute acid(DA), Ammonia fiber explosion (AFEX)
手段
评估 标准
底物：组成、 结晶度、形 态、结构变 化 酶：相对酶 活、酶吸附 量
降低纤维 素转化为 乙醇产品 的成本
预处理玉 米秸秆， 克服其顽 抗性
Introduction
木质纤维素
预处理
生物燃料
发酵
纤维素 聚合度高 结晶度高 顽抗性强 亲和性低 酶解效率低
酶解
葡萄糖
预处理方法：DA，AFEX
AFEX and DA pretreatment of corn stover
1、 Compositional difference （组成差异）
葡萄糖 木聚糖 阿拉伯聚糖 乙酰基 酸不溶木质素 杂质 乙醇提取物
3、Surface roughness and morphological changes （表面粗糙 度和形态变化）
表征参数
形态改变 纤维素纤维宽度（nm） 表面粗糙度 半纤维素域（245-290℃） 失重峰 纤维素域（290-350℃）失 重峰
Untreated
__ __ __ 有 有
AFEX
否 685-119 增加 有 有
DA：53 mg/g lignin AFEX： 38.7 mg/g lignin 131 mg/g cellulose 270 mg/g cellulose
木质素限制纤维素酶酶解效率：
策略：
积累酶量、 改变相邻纤维素链表面化学性质
推动木质素液滴
01
酶非生产性吸附
02
木质素限制纤维素可及性
消除木质素抑制水解过程
DA
是 209-34 增加 无 有
DA：纤维素纤维生成纳米晶体（未断裂的纤维片段）；半纤维素移除。
AFEX：热重分析半纤维素域降解温度升高，纤维素域降低； 推测纤维素分解为小分子纤维素或cellulose Iβ转化为cellulose III
AFEX and DA pretreatment of corn stover
目的
纤维素链间和链中氢键
植物细胞壁
酶解速率：amorphous cellulose ≥ cellulose III ≥ cellulose II ≥ cellulose I
评价手段
结晶度：DA：20% 38% 移除无定型半纤维素和部分木质素 AFEX：无明显变化 破坏纤维素结晶结构域，推测cellulose Iβ转 化为cellulose III
AFEX and DA pretreatment of corn stover
3、Surface roughness and morphological changes （表面粗糙 度和形态变化）
仪器
共焦荧光显微镜
原理
利用激光束经照明针孔形成点 光源对标本内焦平面的每一点 扫描，标本上的被照射点，在 探测针孔处成像，由光电倍增 管或冷电耦器件逐点或逐线接 收后在显示器上形成荧光图像。 利用原子之间的范德华力作用 来呈现样品的表面特性。 利用低散射角处弹性中子散射 研究不同物质内部介观尺度 （1至数百纳米）结构。 在程序控制温度下测量待测样 品的质量与温度变化关系的一 种热分析技术，用来研究材料 的热稳定性和组份。
5、 enzymatic hydrolysis（酶解）
木质纤维素底物特性 影响酶解效率的原因 酶特性
移除木质素、木聚糖， 切断木质素-纤维素连接链 酶吸附量、不同酶协同
产物抑制
低聚纤维素、低聚木质素
AFEX and DA pretreatment of corn stover
6、 Enzyme adsorption （吸附）
AFEX：增加表面亲和能力； 破坏结晶结构域、生物质纤维； 切断木质素与纤维素连接链 移除乙酰基 通过降低疏水作用力增强酶解能力
多糖产物降解后再聚合， 木质素聚合形成伪木质素 （含C=O、脂肪族结构）
AFEX and DA pretreatment of corn stover
2、crystallinity(结晶度)
表征参数
morphological changes （形态变化）
原子力显微镜（AFM） 小角中子散射（SANS）
对样品进行纳米区域的物 理性质包括形貌进行探测 Surface roughness （表面粗糙度） 纤维素区域、半纤维素区 域变化表征
热重分析（TGA）
AFEX and DA pretreatment of corn stover
4、Structural changes to lignin（木质素结构变化）
β芳香醚、 联苯醚、 联苯连接
木质素单体结构
芳香环
Fra Baidu bibliotek
木质素
酯键醚键
木质素
半纤维素
HSQC NMR spectra分析（核磁共振） DA： β芳香醚减少60 AFEX：β芳香醚减少20%
AFEX and DA pretreatment of corn stover
温室气体排放
高
低
Conclusion
预处理方法：AFEX优于DA AFEX：酶用量低，碳源损失最小，较少清洗、解毒等单元操作
——Bioresource Technology (2015) 对硫酸和氨纤维爆破法预处理纤维素生成乙醇的效益评估
03
阻碍酶在纤维素表面流动
AFEX and DA pretreatment of corn stover
7、 Cellulosic ethanol production （乙醇产品） 生物乙醇产品的成本是石油燃料的2-3倍；
（原料清洗、营养供给、解毒等单元操作） DA 预处理反应器 产品价格(每升汽油) 底物利用率 $22.5 $1.36 低 AFEX $9.15 $1.32 无糖水化合物损耗
Abstract
目的 方法
Dilute acid(DA), Ammonia fiber explosion (AFEX)
手段
评估 标准
底物：组成、 结晶度、形 态、结构变 化 酶：相对酶 活、酶吸附 量
降低纤维 素转化为 乙醇产品 的成本
预处理玉 米秸秆， 克服其顽 抗性
Introduction
木质纤维素
预处理
生物燃料
发酵
纤维素 聚合度高 结晶度高 顽抗性强 亲和性低 酶解效率低
酶解
葡萄糖
预处理方法：DA，AFEX
AFEX and DA pretreatment of corn stover
1、 Compositional difference （组成差异）
葡萄糖 木聚糖 阿拉伯聚糖 乙酰基 酸不溶木质素 杂质 乙醇提取物
3、Surface roughness and morphological changes （表面粗糙 度和形态变化）
表征参数
形态改变 纤维素纤维宽度（nm） 表面粗糙度 半纤维素域（245-290℃） 失重峰 纤维素域（290-350℃）失 重峰
Untreated
__ __ __ 有 有
AFEX
否 685-119 增加 有 有
DA：53 mg/g lignin AFEX： 38.7 mg/g lignin 131 mg/g cellulose 270 mg/g cellulose
木质素限制纤维素酶酶解效率：
策略：
积累酶量、 改变相邻纤维素链表面化学性质
推动木质素液滴
01
酶非生产性吸附
02
木质素限制纤维素可及性
消除木质素抑制水解过程
DA
是 209-34 增加 无 有
DA：纤维素纤维生成纳米晶体（未断裂的纤维片段）；半纤维素移除。
AFEX：热重分析半纤维素域降解温度升高，纤维素域降低； 推测纤维素分解为小分子纤维素或cellulose Iβ转化为cellulose III
AFEX and DA pretreatment of corn stover
目的
纤维素链间和链中氢键
植物细胞壁
酶解速率：amorphous cellulose ≥ cellulose III ≥ cellulose II ≥ cellulose I
评价手段
结晶度：DA：20% 38% 移除无定型半纤维素和部分木质素 AFEX：无明显变化 破坏纤维素结晶结构域，推测cellulose Iβ转 化为cellulose III
AFEX and DA pretreatment of corn stover
3、Surface roughness and morphological changes （表面粗糙 度和形态变化）
仪器
共焦荧光显微镜
原理
利用激光束经照明针孔形成点 光源对标本内焦平面的每一点 扫描，标本上的被照射点，在 探测针孔处成像，由光电倍增 管或冷电耦器件逐点或逐线接 收后在显示器上形成荧光图像。 利用原子之间的范德华力作用 来呈现样品的表面特性。 利用低散射角处弹性中子散射 研究不同物质内部介观尺度 （1至数百纳米）结构。 在程序控制温度下测量待测样 品的质量与温度变化关系的一 种热分析技术，用来研究材料 的热稳定性和组份。
5、 enzymatic hydrolysis（酶解）
木质纤维素底物特性 影响酶解效率的原因 酶特性
移除木质素、木聚糖， 切断木质素-纤维素连接链 酶吸附量、不同酶协同
产物抑制
低聚纤维素、低聚木质素
AFEX and DA pretreatment of corn stover
6、 Enzyme adsorption （吸附）
AFEX：增加表面亲和能力； 破坏结晶结构域、生物质纤维； 切断木质素与纤维素连接链 移除乙酰基 通过降低疏水作用力增强酶解能力
多糖产物降解后再聚合， 木质素聚合形成伪木质素 （含C=O、脂肪族结构）
AFEX and DA pretreatment of corn stover
2、crystallinity(结晶度)
表征参数
morphological changes （形态变化）
原子力显微镜（AFM） 小角中子散射（SANS）
对样品进行纳米区域的物 理性质包括形貌进行探测 Surface roughness （表面粗糙度） 纤维素区域、半纤维素区 域变化表征
热重分析（TGA）
AFEX and DA pretreatment of corn stover
4、Structural changes to lignin（木质素结构变化）
β芳香醚、 联苯醚、 联苯连接
木质素单体结构
芳香环
Fra Baidu bibliotek
木质素
酯键醚键
木质素
半纤维素
HSQC NMR spectra分析（核磁共振） DA： β芳香醚减少60 AFEX：β芳香醚减少20%
AFEX and DA pretreatment of corn stover
温室气体排放
高
低
Conclusion
预处理方法：AFEX优于DA AFEX：酶用量低，碳源损失最小，较少清洗、解毒等单元操作