【文献解读】EES重磅：木质优先降解法指导手册

木质素优先降解法作为木质素催化降解方法中最为高效便捷的转化方法最近几年收到了生物质转化领域的广泛关注。这一方法经过多年的发展如今已经愈发成熟，各种催化体系层出不穷，然而由于这一转化过程涉及催化剂制备与表征，生物质利用与成分分析，反应器设计以及反应过程的工艺优化等很多方面，相关文献报道往往难以面面俱到。特别是很多报道在数据处理和反应后处理工艺中所采用的方法并不相同，照成了各种催化体系横向对比十分困难。

介于此，来自木质素催化转化领域的十位顶级专家齐聚一堂，共同在Energy & Environmental Science 上发表了一篇关于木质素优先降解法的指导手册，以此来提醒之后的研究学者如何更加规范地操作和报道这一转化方法的最新研究成果。

这一指导手册从原材料的选取与表征，反应器设计，催化剂评价，质量平衡与产率的计算以及这一领域的未来展望等几个方面进行阐述，下面小编就为大家选取每一部分的核心议题进行翻译与解读，并希望更多的人能够加入到这一领域中来，早日实现木质素到高附加值化学品的产业化利用。

首先，针对原料的选用和处理，作者给出了发表论文的最低要求和建议的报道原则：

最低要求：原料的来源地与种类；用于反应研究的生物质原料的尺寸大小；含水量，提取物和灰分的含量以及定量方法应当列出

同时，作者还建议列出更加细化的原材料参数，例如所使用的原材料的具体所属部位，生长地点和收割时间，原材料干燥，粉碎和储存的具体操作步骤

由于所用的原材料往往成分差异很大，作者还对成分分析部分提出了建议

对于碳水化合物部分，纤维素和半纤维素的定量分析要至少进行三次的重复试验

对于木质素部分的含量分析，也要至少进行三次的重复试验。

基于碳水化合物和木质素的含量分析，原材料的各组分含量和质量平衡应当列出。

另外，对于木质素的表征，作者还特别建议了分析木质素中S,G,H型结构单元的具体比例。

目前，木质素优先降解法主要在高压釜和固定床两种反应器中进行，针对不同的反应器，作者提出了具体的建议与要求。

对于釜式反应器，作者认为在文献报道过程中应特别注意报道各种细节的报道，例如试剂，催化剂和溶剂的用量；容器的几何参数，材料，搅拌类型和速率；加热和冷却以及加压的具体操作过程；取样的质量的频率；反应时间的定义

同时，作者还指出对于反应动力学的研究，应注意报道初始反应速率和整个反应的时间变化历程而不是单单报道单一时间的产率。

最后，作者还特别建议反应操作中的一些细节，例如取样的总体积不应超过反应液体积的5-10%。反应容器的体积最好超过50ml，特别是固体含量较高的反应。如果固体含量超过10%，则应使用机械搅拌。反应釜应当使用哈氏合金或者外加内衬以防止反应过程中釜体金属的流失影响反应结果。

对于可以连续操作的流动性反应器，作者也提出了详细的指导，例如试剂，催化剂和溶剂的种类与数量，系统的详细参数，气体和液体流速，系统压力与温度，催化剂颗粒尺寸，固体稀释剂的种类。

同时作者还建议报道过程中尽量详细描述反应器的详细参数，产品的收集和后处理方法，以及原料与催化剂的预处理过程。

最后，作者也提出了操作过程中一些实用的注意事项：
反应过程中的压力需要进行动态监测；在催化剂床层前后的压力变化应当被详细记录以确定适当的流体流动和混合状态；并强烈建议安装减压阀以防止压力过载；建议使用止回阀来减少堵塞期间的回流问题；安装背压阀以确保压力能够得到控制；

采用适宜的催化剂填埋过程以避免数据差异；使用流量剖面并控制理想的流速使其形成湍流。

对于反应过程中的质量和热传递过程，作者也提出了相应的建议，例如在评价质量和热传递限制时要遵循以下原则：对于外部和内部的热量和质量运输，应尽量遵循魏兹-普拉特，米尔斯和安德森标准；在两种不同的温度下进行Madon-Boudart测试；确认气体负荷或气体流量不受限制，除非有意为之。

同时，作者还建议通过评估气体向液体传递的最大速率来排除气液传质限制。

对催化剂进行评价时，也应当遵循一些基本的原则，例如：催化剂用量，催化剂与原料的比例，反应过程中是否使用了其他捕获试剂。催化剂的性质，组成以及制备方法。当使用新催化剂时，空白实验（例如不加催化剂或者不加活性金属）必须要做。

同时，作者还建议在进行催化剂评价时进行以下研究：
催化剂的稳定性实验和回收实验；催化效率的计算：生成的苯酚类单体的摩尔量/(总催化剂质量*时间)；对于较为成熟的催化剂可以报道其TOF值；催化剂反应前后的结构和组成必须进行表征。

作者还指出对于整个反应体系的物料平衡，必须在文献中进行报道，包括生物质各组分的整体物料平衡和木质素的分离产率。作者还建议将整个过程中所使用的的溶剂，催化剂及其他添加剂的总体物料平衡进行评估，同时对生物质原料在整个转化过程中的碳平衡进行展示。

特别的，作者建议对于反应过程中添加了捕获试剂的体系，一定要考虑官能团的变化带着来质量变化；对于木质素来说，适当的控制实验来监测萃取过程的质量平衡也是必须的。

对于木质素降解产物的分析，作者指出木质素单体的产率以及检测分析方法必须进行详细说明。同时，还要根据理论产率计算木质素的脱除效率和单一化合物分子的产率，GPC数据表征产物的分子量分布，二维核磁来表征降解产物混合物的总体组成；对于产物的定量要依据气相色谱的相应系数。作者还特别强调，木质素降级产物的产率计算必须依据原料的总质量或者木质素的总含量而不是依据提取出来的木质素的质量。

对于反应之后产生的固体剩余物的表征，作者也提出，文献中必须报道收集的固体剩余物的质量，碳水化合物和木质素含量以及降解后单糖的产率。同时，作者建议对所有固体剩余物进行酶解实验并计算糖的产率并对所用的酶的种类及用量进行详细描述。

最后，作者对木质素优先降解法的现状进行了总结并对其未来进行了展望。作者提出，目前的木质素优先降解法还只停留在实验室阶段，能量的消耗以及成本的估算还很难进行。在未来，如果要实现这一过程的工业化，必须对这些宏观的数据进行详细的预测。

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee02870c#!divAbstract