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[博士论文] 赵峥
化学工程与技术 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:随着化石能源枯竭和环境污染双重问题的日益严重,可再生能源的开发及应用得到了研究者的广泛关注。麦秸作为木质纤维素类非粮农作物废弃物,价格低廉、产量大、分布广泛,从而成为了生物质能源的首选原料之一。由于麦秸的结构复杂,难以被水解,因此需要进行预处理。近年来,离子液体预处理麦秸得到了广泛的认可,但所用离子液体降解木聚糖较多、合成步骤复杂、成本高,限制了此技术的工业化发展。
  本文通过以下两条途径解决离子液体存在的上述问题:第一,开发离子液体-共溶剂混合物,用于麦秸预处理的研究,通过降低离子液体用量,进而降低离子液体的成本、减少多聚糖损失;第二,开发一系列与离子液体性质相似的低共熔溶剂,用于麦秸预处理的研究,进一步降低溶剂成本。
  本文首先以[Bmim][Cl]为溶剂、以3类酸性溶剂(N-甲基-2-吡咯烷酮类酸性离子液体、酸性低共熔溶剂、72%H2SO4)为催化剂预处理微晶纤维素,分别考察了酸性溶剂的种类、温度和时间对还原糖产率的影响。第二,采用酸性、中性低共熔溶剂预处理麦秸,分别考察了低共熔溶剂种类、预处理温度和时间、溶剂pH和粘度对木质素去除率和多聚糖转化率的影响,并研究酸性低共熔溶剂预处理麦秸的机理。第三,开发了一系列碱性乙醇胺类低共熔溶剂预处理麦秸,考察了低共熔溶剂种类、溶剂的pH值和粘度、预处理温度和时间对木质素去除率和聚糖转化率的影响。第四,开发了一种新型的胆碱氨基酸类离子液体([Ch][AA])-甘油混合物作为麦秸预处理的溶剂,考察了离子液体含量、溶剂pH、预处理温度、预处理时间对木质素去除率、酶水解效果的影响。主要研究结果如下:
  纤维素预处理研究表明,以[Bmim][Cl]为溶剂、以[Hnmp][FeCl4]为催化剂对纤维素预处理的能力最强,在水解温度为100℃、水解时间为1h的条件下,[Hnmp][FeCl4]水解纤维素最大还原糖产率可达97.9%;与文献中其他酸性离子液体水解纤维素所得最大还原糖产率相似,但[Hnmp][FeCl4]的预估成本更低;氯化胆碱∶乳酸(C∶L,摩尔比1∶2)水解纤维素的能力比[Hnmp][FeCl4]更温和,适合用于真实原料的预处理。
  酸性、中性低共熔溶剂预处理麦秸研究表明,采用C∶L对麦秸的预处理效果最佳,在预处理温度为90℃、时间为12h、液固质量比为20∶1的预处理条件下,木质素去除率和木聚糖损失率分别为49.0%和80.4%,预处理残渣酶水解72h后纤维素和木聚糖转化率分别为93.9%和69.0%。预处理后麦秸的XRD、FT-IR和SEM表征结果证明了此预处理过程中木聚糖和木质素的去除提高了酶水解效果。
  碱性乙醇胺类低共熔溶剂预处理麦秸研究表明,采用氯化胆碱∶单乙醇胺(摩尔比1∶6,C∶M)对麦秸的预处理效果最佳。在预处理温度为70℃、预处理时间为9h、液固质量比为20∶1的条件下,木质素去除率达71.4%、纤维素保存率达93.7%;预处理残渣酶水解72h后纤维素转化率达89.8%、木聚糖转化率达62.0%。C∶M的预处理能力与其他溶剂相似,并且C∶M具有原料价格低廉、合成步骤简单、预处理条件温和、降解多聚糖较少等优点。溶剂的pH值对其预处理能力有很大影响;碱性越强,木质素去除率越大,酶水解效果越好。预处理后麦秸的XRD、FT-IR和SEM表征结果证明了此预处理过程中木聚糖和木质素的去除提高了酶水解效果。
  [Ch][AA]-甘油混合物预处理麦秸研究表明,采用50%[胆碱][丙氨酸]-甘油(50%[Ch][Ala]-甘油)预处理麦秸效果较好,在预处理温度为90℃、预处理时间为6h和液固质量比为20∶1的条件下,预处理残渣的木质素去除率达67.6%、纤维素保存率达95.2%,水解后纤维素转化率达89.7%、木聚糖转化率达70.9%。[Ch][AA]不仅能够去除木质素,并且能够溶胀但不溶解纤维素。预处理残渣酶水解72h后,50%[Ch][Ala]-甘油预处理效果与其他溶剂相近,但此混合溶剂生物相容性好、甘油的加入降低了[Ch][Ala]的成本、此混合溶剂预处理麦秸(<100℃)降低了纯甘油的预处理温度(>200℃)、降低了多聚糖的损失。
摘要:本文合成了N-甲基吡咯烷酮类、吡啶类两类双酸性离子液体,以1-丁基-3-甲基咪唑氯盐为溶剂、双酸性离子液体为催化剂,进行了催化水解纤维素的研究,采用DNS 法测定总还原糖产率.考察了不同离子液体对纤维素水解效果的影响:[HSO3-bpy][HSO4] 、[HSO3-bpy]Cl 、[HSO3-bpy]Cl/ZnCl2 的最大还原糖产率分别为72.0%、70.6%和70.1%,其中[HSO3-bpy][HSO4]催化效果最佳;[Hnmp]Cl/FeCl3 作为催化剂时,最大还原糖产率可达98.8%.结果表明:N-甲基吡咯烷酮类酸性离子液体催化水解纤维素的能力远远优于吡啶类酸性离子液体.同时,考察了两类酸性离子液体作为催化剂时,纤维素聚合度、反应温度、反应时间、催化剂用量、离子液体中金属氯化物含量等因素对还原糖产率的影响,最佳反应条件:温度为100℃、酸性离子液体用量为0.2g、x[Hnmp]Cl/yZnCl2 中x:y= 1:1.结果表明:纤维素聚合度对催化水解有一定影响;金属氯化物的加入有利于催化水解纤维素,[Hnmp]Cl/FeCl3 可以同时催化纤维素水解成单糖能力强,但单糖累积到一定量时,易发生降解;[Hnmp]Cl/ZnCl2 催化过程温和,最大还原糖产率可达71.5%,所得还原糖不易降解.
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