木質(zhì)纖維素預(yù)處理工藝及高溫液態(tài)水條件下的水解反應(yīng)研究.pdf

1、近年來，日益凸顯的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)使得人們開始致力于開發(fā)綠色可再生能源，以木質(zhì)纖維素為代表的生物質(zhì)能因其儲(chǔ)量巨大來源廣泛而受到人們的重視。對(duì)木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的利用主要通過對(duì)其水解得可發(fā)酵糖，然后制取燃料乙醇的方式來實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)有水解條件的基礎(chǔ)上，探索綠色高效的木質(zhì)纖維素水解轉(zhuǎn)化途徑，并獲得高的可發(fā)酵糖產(chǎn)率是當(dāng)前的工作重點(diǎn)所在。高溫液態(tài)水(LHW)和超臨界二氧化碳(scCO2)作為綠色溶劑的代表，因其優(yōu)良的溶劑特性和傳質(zhì)特性而受到國(guó)內(nèi)外

2、學(xué)術(shù)界的廣泛重視，對(duì)高溫液態(tài)水和scCO2用于化學(xué)反應(yīng)一直是研究的熱點(diǎn)，本文的實(shí)驗(yàn)研究主要是基于這兩種綠色溶劑進(jìn)行的木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化技術(shù)。
　　本文主要進(jìn)行了兩方面的工作:一方面采用高溫液態(tài)水耦合馬來酸對(duì)木質(zhì)纖維素進(jìn)行兩步法水解以獲得高的還原糖產(chǎn)率，另一方面考察超聲/scCO2及其耦合預(yù)處理對(duì)于木質(zhì)纖維素水解的強(qiáng)化，并通過X射線衍射(XRD)，高效液相色譜(HPLC)，掃描電子顯微鏡(SEM)等表征結(jié)果和熱力學(xué)計(jì)算闡明預(yù)處理作用的機(jī)

3、理，得到結(jié)果如下:
　　1.采用高溫液態(tài)水耦合馬來酸兩步法水解玉米芯和玉米稈，實(shí)驗(yàn)證明在第一步水解中，高溫液態(tài)水能夠有效去除半纖維素，在第二步水解中考察反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)溫度，馬來酸濃度，反應(yīng)壓力對(duì)玉米稈和玉米芯糖產(chǎn)率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明選擇合適的反應(yīng)壓力能夠?qū)崿F(xiàn)高纖維素轉(zhuǎn)化率和葡萄糖選擇性的統(tǒng)一，采用兩步法最佳工藝條件下對(duì)應(yīng)的玉米芯的總糖產(chǎn)率為48.3％，玉米稈兩步法總糖產(chǎn)率為36.3％;相對(duì)于一步法最佳工藝條件下對(duì)應(yīng)的玉米芯和玉米

4、稈分別為30％和11％的總糖產(chǎn)率有明顯提升，對(duì)玉米芯第二步采用CO2耦合馬來酸催化纖維素水解時(shí)，最佳工藝下對(duì)應(yīng)兩步法總糖產(chǎn)率為51.3％，說明加入CO2能夠?qū)w維素的水解起到促進(jìn)作用。
　　2.以玉米稈和玉米芯為原料，考察超聲/scCO2及其耦合預(yù)處理中預(yù)處理溫度，預(yù)處理壓力，超聲時(shí)間等對(duì)預(yù)處理效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)玉米芯采用scCO2預(yù)處理和超聲/scCO2耦合預(yù)處理均收到顯著效果，最佳工藝條件對(duì)應(yīng)的糖產(chǎn)率分別為63％和87

5、％，比空白樣分別提高了51％和65％，通過比較糖產(chǎn)率和樣品SEM表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理過程對(duì)玉米芯的效果要優(yōu)于玉米稈，說明對(duì)于不同類別的原料，還需進(jìn)一步探討具有針對(duì)性的預(yù)處理方法。
　　3.以玉米芯為原料，采用高溫液態(tài)水耦合scCO2進(jìn)行預(yù)處理，考察預(yù)處理溫度，預(yù)處理壓力，含水量和預(yù)處理時(shí)間對(duì)預(yù)處理效果的影響，并采用馬來酸進(jìn)行水解評(píng)價(jià)，SEM表征結(jié)果證明通過高溫液態(tài)水去除半纖維素后再采用CO2爆破對(duì)玉米芯結(jié)構(gòu)破壞顯著，最佳預(yù)處理?xiàng)l件

6、下對(duì)應(yīng)的糖產(chǎn)率為28.7％，與未經(jīng)scCO2預(yù)處理的高溫液態(tài)水水解殘?jiān)瞻讟酉啾?，相?duì)增加量為35.5％，通過實(shí)驗(yàn)說明，采用馬來酸對(duì)預(yù)處理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)是完全可行的，為預(yù)處理效果評(píng)價(jià)提供了新的選擇。
　　4.采用狀態(tài)方程-活度法計(jì)算了CO2-H2O二元體系的相平衡常數(shù)，進(jìn)一步通過平衡常數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了CO2-H2O體系的pH值，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值誤差在1％以內(nèi)。通過以上理論計(jì)算，能夠很好的解釋還原糖產(chǎn)率的變化，為探索預(yù)處理、高溫液態(tài)水