MCC與纖維素乙醇耦合聯(lián)產(chǎn)技術(shù)與機理.pdf

1、木質(zhì)纖維素資源的全組分高值化利用是現(xiàn)在生物質(zhì)能源利用的主要內(nèi)容。目前，木質(zhì)纖維素全組分轉(zhuǎn)化為燃料乙醇還存在原料預(yù)處理成本高、污染大、木質(zhì)素分離效果差，纖維素結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)致密，纖維素酶降解反應(yīng)速度慢、效率低等問題。微晶纖維素是天然纖維素通過酸水解及后續(xù)處理得到的具有高附加值的纖維素類功能材料。如何有效減少纖維素水解過程中結(jié)晶區(qū)的降解是保證微晶纖維素產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。采用金屬離子以及超聲等機械協(xié)同處理方式對纖維素原料無定形區(qū)進行選擇性水解，可以

2、最大限度保留結(jié)晶區(qū)固體組分制備微晶纖維素。同時，有效利用無定形區(qū)酸水解廢液中的還原糖發(fā)酵制備纖維素乙醇，提高了纖維素利用效率，減少了酸水解廢液對環(huán)境的污染，實現(xiàn)纖維素資源全結(jié)構(gòu)和多元化利用。
　　本論文針對纖維素結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)的結(jié)構(gòu)特點與性能區(qū)別，采取不同處理、分別利用的思路，研究纖維素定向酸水解制備微晶纖維素與纖維素乙醇耦合聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。包括超聲波助催化纖維素選擇性酸水解技術(shù)的研究；超聲波對纖維素選擇性酸水解協(xié)同作用機制的研究；酸

3、水解廢液循環(huán)累積作用對纖維素選擇性酸水解的影響；累積作用對纖維素酸水解糖化發(fā)酵乙醇的影響。
　　采用超聲波預(yù)處理和超聲協(xié)同水解兩種方式助催化纖維素選擇性酸水解兩種工藝，目的在于提高水解試劑對纖維素無定形區(qū)的選擇性降解。結(jié)果表明，在 FeCl3-HCl體系中，超聲波預(yù)處理原料以及超聲協(xié)同均可以有效地促進纖維素的選擇性酸水解，提高無定型區(qū)的定向酸水解速率，縮短水解時間。當預(yù)處理功率為300W處理時間為20min時，與未預(yù)處理相比，結(jié)晶

4、度由69.69％增加為78.92%，水解纖維素平均長度由49μm降低至37μm。同時利用正交實驗優(yōu)化獲得的超聲波協(xié)同金屬離子催化纖維素酸水解最佳工藝為：Fe3+濃度0.3 mol/L， HCl濃度2.5 mol/L，溫度80℃，反應(yīng)時間50 min。最佳協(xié)同處理條件下，水解纖維素產(chǎn)物結(jié)晶度與未協(xié)同處理相比增加至79.58%，水解纖維素平均長度降至29μm；與預(yù)處理方式相比超聲波協(xié)同水解能在保證相同水解纖維素產(chǎn)品質(zhì)量性能的前提下明顯縮短反

5、應(yīng)時間。另外，對超聲波協(xié)同金屬離子助催化纖維素選擇性酸水解動力學(xué)初步研究發(fā)現(xiàn)，纖維素選擇性酸水解是一系列一級反應(yīng)，高溫水解有利于活化能較大的低聚糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖等的反應(yīng)，但不利于纖維素水解制備水解纖維素。
　　在橫向分析對比超聲作用與單純選擇性酸水解過程中水解纖維素的結(jié)晶度、得率、聚合度等差異的基礎(chǔ)上，進一步從縱向?qū)Ρ妊芯苛顺曁幚磉^程不同時間點水解纖維素的微觀形貌、結(jié)晶度、氫鍵模式與強度、晶型、晶胞參數(shù)、化學(xué)結(jié)構(gòu)、比表面積、分子量

6、分布等的變化歷程。從而揭示超聲波對纖維素選擇性酸水解的協(xié)同作用機理。
　　為了充分利用纖維素選擇性酸水解廢液，本實驗通過對水解廢液補充反應(yīng)試劑后進行多次循環(huán)水解，研究水解廢液循環(huán)累積作用對纖維素選擇性酸水解制備微晶纖維素的影響。結(jié)果表明，全循環(huán)次數(shù)和部分回流對水解纖維素性能基本沒有影響，適當?shù)难h(huán)累積可以在一定程度上提高水解纖維素的結(jié)晶度。同時水解廢液中還原糖的累積有利于水解液后續(xù)發(fā)酵纖維素乙醇，充分提高了纖維素資源的利用率。最終