MCC與纖維素乙醇耦合聯(lián)產(chǎn)技術(shù)與機(jī)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(jī)械協(xié)同處理方式對(duì)纖維素原料無定形區(qū)進(jìn)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(shí)，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(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)纖維素資源全結(jié)構(gòu)和多元化利用。
　　本論文針對(duì)纖維素結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(duì)纖維素選擇性酸水解協(xié)同作用機(jī)制的研究；酸

3、水解廢液循環(huán)累積作用對(duì)纖維素選擇性酸水解的影響；累積作用對(duì)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(duì)纖維素?zé)o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(jìn)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(shí)間。當(dāng)預(yù)處理功率為300W處理時(shí)間為20min時(shí)，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(zhǎng)度由49μm降低至37μm。同時(shí)利用正交實(shí)驗(yàn)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(shí)間50 min。最佳協(xié)同處理?xiàng)l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(zhǎng)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(shí)間。另外，對(duì)超聲波協(xié)同金屬離子助催化纖維素選擇性酸水解動(dòng)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(jí)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(duì)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(jìn)一步從縱向?qū)Ρ妊芯苛顺曁幚磉^程不同時(shí)間點(diǎn)水解纖維素的微觀形貌、結(jié)晶度、氫鍵模式與強(qiáng)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(duì)纖維素選擇性酸水解的協(xié)同作用機(jī)理。
　　為了充分利用纖維素選擇性酸水解廢液，本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)水解廢液補(bǔ)充反應(yīng)試劑后進(jìn)行多次循環(huán)水解，研究水解廢液循環(huán)累積作用對(duì)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(duì)水解纖維素性能基本沒有影響，適當(dāng)?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(shí)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