木质纤维素预处理技术研究进展
木质纤维素化学方法预处理
木质纤维素化学方法预处理木质纤维素是一种重要的生物质资源，具有丰富的可再生特性和广泛的应用前景。
然而，由于其独特的结构和复杂的化学成分，木质纤维素在直接利用前需要进行预处理，以提高其可转化性和降低生产成本。
在本文中，我们将介绍常见的木质纤维素化学方法预处理技术，并讨论其优点和应用领域。
木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。
纤维素是最主要的组分，占据了40%至50%的木质纤维素总质量。
半纤维素和木质素的含量较低，但对木质纤维素的结构和特性有着重要的影响。
因此，木质纤维素的化学方法预处理通常包括对纤维素、半纤维素和木质素进行分离和降解。
最常用的木质纤维素化学方法预处理技术之一是酸处理。
酸处理可以将纤维素酸解为可溶性纤维素和不溶性纤维素，从而降低木质纤维素的结晶度和分子量，提高其可转化性。
酸处理通常使用硫酸或盐酸作为催化剂，同时加热反应系统以促进反应进行。
酸处理的优点是操作简单、成本低廉，但其缺点是产生大量废水和酸性气体，对环境造成污染。
另一种常见的木质纤维素化学方法预处理技术是氧化处理。
氧化处理可以通过氧化剂的作用将木质纤维素部分降解为低聚糖和酚类化合物，从而降低木质纤维素的结晶度和分子量。
氧化处理通常使用过氧化氢、臭氧或高锰酸钾作为氧化剂，反应条件一般较温和。
氧化处理的优点是对环境友好，但其缺点是操作复杂、成本较高。
此外，还有其他木质纤维素化学方法预处理技术，如碱处理、酶处理和有机溶剂处理等。
碱处理可以将木质纤维素中的半纤维素部分水解为低聚糖，从而降低木质纤维素的结晶度和分子量。
酶处理可以利用纤维素酶或半纤维素酶将木质纤维素部分水解为可溶性纤维素和低聚糖，从而提高其可转化性。
有机溶剂处理可以利用有机溶剂将木质纤维素溶解或脱除，从而提高其可转化性。
这些木质纤维素化学方法预处理技术具有各自的优点和适用范围，可以根据具体情况选择合适的方法。
总之，木质纤维素化学方法预处理是提高木质纤维素可转化性和降低生产成本的重要步骤。
《纤维素-木质素衍生硬碳负极材料的制备及其储钠性能研究》范文
《纤维素-木质素衍生硬碳负极材料的制备及其储钠性能研究》篇一纤维素-木质素衍生硬碳负极材料的制备及其储钠性能研究一、引言随着能源危机与环境污染问题日益严峻，可充电电池在能量储存和能源转化方面得到了广泛的关注。
硬碳材料作为负极材料，具有稳定的结构和优良的电化学性能，是锂离子电池和钠离子电池领域的重要研究对象。
本篇论文以纤维素/木质素为原料，通过热解法合成硬碳负极材料，并对其储钠性能进行深入研究。
二、材料制备1. 材料选择与预处理本实验选择纤维素和木质素作为原料。
首先对原料进行清洗、干燥和粉碎处理，以提高其反应活性。
2. 硬碳材料的制备将预处理后的纤维素和木质素按一定比例混合，在惰性气氛下进行热解反应，制备硬碳材料。
反应温度、时间和气氛等因素对最终产品的性能有重要影响。
三、结构与性能表征1. 结构分析利用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱和扫描电子显微镜（SEM）等手段，对硬碳材料的晶体结构、微观形貌和元素组成进行表征。
2. 电化学性能测试采用恒流充放电测试、循环伏安测试（CV）和电化学阻抗谱（EIS）等方法，评估硬碳材料的储钠性能。
包括比容量、充放电效率、循环稳定性和倍率性能等方面。
四、储钠性能研究1. 硬碳材料的储钠机制硬碳材料在储钠过程中，主要通过吸附和插入两种机制实现储能。
通过对电化学性能测试数据的分析，揭示了硬碳材料在储钠过程中的反应机理。
2. 影响因素分析反应温度、时间和原料比例等因素对硬碳材料的储钠性能有显著影响。
通过优化制备条件，可以提高硬碳材料的电化学性能。
此外，通过对比不同原料配比下的硬碳材料性能，发现木质素的引入有助于提高材料的比容量和循环稳定性。
五、结论与展望本实验以纤维素/木质素为原料，通过热解法制备了硬碳负极材料，并对其储钠性能进行了深入研究。
结果表明，优化后的硬碳材料具有较高的比容量、良好的循环稳定性和倍率性能。
此外，木质素的引入有助于进一步提高材料的电化学性能。
这为硬碳材料在钠离子电池领域的应用提供了新的思路。
木质纤维素原料生物转化生产纤维素乙醇过程的关键技术研究
在最新的研究中，研究者们通过优化蒸汽爆破参数，如温度、压力和时间等， 实现了更高效的木质纤维素预处理。此外，他们还研究了不同类型木质纤维素原 料的蒸汽爆破效果，为优化预处理条件提供了参考。
木质纤维素生物转化的研究进展
生物转化是一种利用微生物或酶将木质纤维素降解为有用物质的过程。近年 来，木质纤维素的生物转化研究取得了显著进展。研究者们致力于提高转化效率、 优化转化条件以及发掘新型转化方法。
2、纤维素乙醇的制备方法
制备纤维素乙醇的方法主要包括酶解法、酸催化法和生物法等。其中，酶解 法具有反应条件温和、产物纯净等优点，但酶解效率较低，成本较高。酸催化法 虽然反应速度快，但需要使用大量酸碱，对环境造成污染。生物法具有环保性和 可持续性，但发酵时间较长，需要经过多次迭代。各种方法各有利弊，需要根据 实际应用场景选择合适的制备方法。
3、反应器设计
反应器设计是木质纤维素生物转化生产纤维素乙醇过程中的重要环节。合理 的设计可以保证反应的效率、产物质量和产量。反应器设计需遵循的原则包括： 设备选型要满足生产规模和工艺要求；反应环境应有利于微生物的生长和代谢； 还需考虑设备的材质、耐高温高压性能等。同时，反应器设计还需结合实验数据 进行优化，以实现最佳效果。
未来展望
木质纤维素原料生物转化生产纤维素乙醇过程的关键技术研究对于实现能源 可持续发展具有重要意义。未来，随着科学技术的不断进步，以下几个方面可能 成为研究重点：
1、高性能酶的开发：通过基因工程等技术手段，开发具有高活性和稳定性 的酶制剂，以提高木质纤维素的酶解效率。
2、高效转化技术的研发：进一步优化生物转化技术，提高木质纤维素的转 化率和产量，降低成本。
关键词：木质纤维素，蒸汽爆破 预处理，生物转化，研究进展
木质纤维素的酶解技术研究
木质纤维素的酶解技术研究木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源之一，主要来源于农业废弃物（如秸秆）、林业废弃物（如木屑）以及工业废弃物（如造纸浆渣）等。
将木质纤维素转化为有用的产品，如生物燃料、生物化学品和生物材料，对于解决能源危机、环境保护和可持续发展具有重要意义。
酶解技术作为一种绿色、高效的方法，在木质纤维素的转化中发挥着关键作用。
一、木质纤维素的组成与结构木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。
纤维素是由葡萄糖通过β-1,4-糖苷键连接而成的线性聚合物，具有较高的结晶度和分子取向性。
半纤维素是由多种不同的糖单元组成的支链聚合物，其结构较为复杂。
木质素则是一种无定形的芳香族聚合物，填充在纤维素和半纤维素之间，形成复杂的网络结构，为植物提供机械强度和抗微生物侵蚀的能力。
由于木质纤维素的复杂结构，其直接利用存在诸多困难。
纤维素的结晶区难以被水解，半纤维素的复杂结构需要特定的酶来分解，而木质素则会阻碍酶与纤维素和半纤维素的接触。
因此，在进行酶解之前，通常需要对木质纤维素进行预处理，以破坏其结构，提高酶解效率。
二、木质纤维素的预处理方法预处理的目的是降低木质纤维素的结晶度、去除木质素、增加孔隙率和表面积，从而提高酶对底物的可及性。
常见的预处理方法包括物理法、化学法和生物法。
物理法主要包括机械粉碎、微波处理和超声波处理等。
机械粉碎可以减小木质纤维素的颗粒尺寸，增加表面积，但能耗较高。
微波和超声波处理可以通过产生热效应和空化效应，破坏木质纤维素的结构，但设备成本较高。
化学法包括酸处理、碱处理和有机溶剂处理等。
酸处理可以有效地水解半纤维素，但可能会导致糖的降解和设备腐蚀。
碱处理可以去除木质素，但会产生大量的废水。
有机溶剂处理可以选择性地溶解木质素，但有机溶剂的回收和处理较为困难。
生物法主要是利用微生物或其产生的酶来分解木质素。
例如，白腐菌可以分泌木质素降解酶，对木质素进行分解，但处理周期较长。
三、酶解过程中涉及的酶酶解木质纤维素主要涉及纤维素酶、半纤维素酶和木质素降解酶。
木质纤维素原料预处理技术研究近况
业 ２０ ０５级硕士研究生 ， 主要从 事木质纤维素原料预处理 技术的研究 。
（ 如尺寸缩减）和后续 （ 酶解和发酵）处理所需的 费用 影 响很 大 ，例如效 果好 的预处 理可 以减 少 昂贵 的酶的使用Ｈ 。碱性 Ｈ Ｏ 、臭 氧、有机溶剂 （ Ｊ 在 乙醇溶液中添加路易斯酸、ＦＣ， 、甘油、二氧杂 ｅ１ ） 环己烷 、苯酚和乙二醇都是可 以破坏木质纤维素结 构 、促进水解 的溶剂 ，但是这 些太 昂贵不适 于应 用 Ｊ 以下介 绍 的 大 多 是 相 对 可 行 及 国 内 尚无 报 。 道用于木质纤维素原料预处理的方法 ，如 Ａ Ｐ 、键
词 ：木质素 ；半 纤维 素；纤维素 ；预处理
文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０ １ ６ ４ ２０ ０ －１３０ １０ － ４ （０７）４０ １ － ３ ６
中图分类号 ： ７ ５ Ｘ ０
Ｓａｕ ｏｏ ｅｅ ｒｈｏ ｒｔｅｔ ｎ ｆＬｇ ｏｅ ｕｏｅ ｔｔｓＱｕ ｆＲ ｓａ ｃ ｎＰ ｅ ａｍｅ ｔ ｉｎ ｃｌ ｌｓ ｒ ｏ ｌ
维普资讯
第 ２ 卷第 ４期 ６
２０ ０ ７年
・
四
川
环
境
Ｖｏ ６， ． Ｌ ２ Ｎｏ ４ Ａｕ ｕ ｔ２ ０ ｇｓ ０７
８月
ＳＣＨＵＡＮ Ｉ ＥＮＶＩ Ｒ０ＮＭＥ ＮＴ
综
述 ・
木 质 纤 维 素原 料 预 处理 技 术研 究近 况
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｔ ｅｓｒｃｕｅｏ ｉｎ ｃ ｌ ｅｅｍａ ｅ ｔｈ ｒ ｏ ｂ ｅｒｄ ｄ ｈ ｅ ｅ ｉｎ ｙ ｏ ｕ ｓｑ ｅ ｔ ｒｃ ｓ ａ ｅｇｅ ｔ ｔ ａ ｔ ｈ ｔ ｔｒ ｆｌ ｏｅｈｌ ｋ ｓｉ ａｄ ｔ ｅ ｄ ｇａ ｅ ．Ｔ ｍｃｅ ｃ ｆｓ ｂ ｅ ｕ ｎ ｏｅ ｓｃ ｌｂ ｒａ ｙ ｕ ｇ ｓ ｐ ｌ ｌ
酶法水解木质纤维素预处理工艺进展
２ Ａ ａ ａＤａｍｉ Ｒ ｎｗ ｂｅ ｎｒｙ ｅｅｒｈＩｓｔｔ，Ｔ ｒｅＧ ｒ ｓ ｎｖｒ ｔ，Ｙｃａ ｇ ｕ ｅ４ ３ ０ ，Ｃ ｉａ ． ｌ Ｍ ｃ ｉ ｄ ｅ ｅ ａｌ Ｅ ｅｇ ｓａｃ ｔｕｅ ｈｅ ｏ ｅ ｉ ｓｙ ｉ ｎ ，Ｈ ｂ ｉ ０ ２ ｈｎ） ｎ ｒ Ｒ ｎｉ ｇ Ｕ ｅｉ ｈ
Ｎｏ２ ． Ｆ ｂ ．
文章编号 ：１７ — ６ ６（ ０ ８ ０ — ０ ５ ０ ６ １９４ ２０ ）２ ０５—４
酶法水解 木质纤维素预 处理 工艺进展
李德莹 ，龚大春 ，
（． １三峡大学 化学与生命科学学院 ，湖北 宜 昌 ４３０ ： ４０２ ２ 三峡大学 艾伦． ． 麦克德尔米德再生 能源研究 所 ，湖北 宜 昌 ４ ３ ０ ） ４ ０ ２
叶 、龙 须 草等 。 木 质 生物 质 主要成 分 为纤 维素 、半纤 维 素 和木质 素等。纤维素是 由 Ｂ、Ｄ 葡萄糖基通过 ｌ 一 一 ，４ 糖苷
常用的植物纤维原料有 ３ ：针 叶材 、阔叶材 、 类 禾本科材 ，其 中针叶材又称软木 ，如 ，杉和松 ；阔叶 材又称硬木 ，如柳 、杨和桦等 ；禾本科材 如竹 、芦 苇、蔗渣 、稻草 、麦草和高粱秆等 ；其他韧皮纤维原 料 ，如构皮 、桑皮麻类 ，以及叶部纤维原料 ，如甘蔗
１ ） ｏｄ￣ｌ ｎｃｌ ｌ ｅ ｅｌ ａｅ ｒｔ ａｍ ｎ （ ｒ ｌｇ ｉ ｏｅ ｕｏ ；ｃｌ ｌｓ；ｐｅ ｅｔ ｅｔ ｅ － ｗ ｇ ｌ ｓ ｕ ｒ
低共熔溶剂在木质纤维素预处理中的应用
Vol.36，No.1，2021中国造纸学报Transactions of China Pulp and Paper低共熔溶剂在木质纤维素预处理中的应用刘苏玲张莉莉王志国*（南京林业大学轻工与食品学院，江苏南京，210037）摘要：低共熔溶剂（DES ）在木质纤维素预处理中已得到了广泛应用，取得了重要的研究进展。
本文主要介绍了DES 的物理性质及其对木质纤维素的作用机理，综述了DES 在木质纤维素预处理领域（木质素的分离，纤维素的纳米分散、衍生化及其溶解，半纤维素降解转化）的应用研究进展，总结并展望DES 在木质纤维素预处理应用中面临的机遇和挑战。
关键词：低共熔溶剂；木质纤维素；预处理中图分类号：TS721；O645.4文献标识码：ADOI ：10.11981/j.issn.1000⁃6842.2021.01.71新型绿色溶剂——低共熔溶剂（DES ）是由两种或多种不同熔点的固体、液体化合物按一定比例混合后形成的均匀混合物［1］。
不同化合物之间存在范德华力、氢键和π-π作用力等，使得化合物晶格能下降，晶格结构破坏，化合物的熔点降低而发生共熔现象，形成熔点低于其任一组分的DES 。
DES 通常由氢键供体（HBD ）和氢键受体（HBA ）组成，氯化胆碱是使用最广泛的HBA ，可从生物质中提取，其可与羧酸、酰胺、多元醇等HBD 混合形成DES ［2-3］。
DES 表现出较多类离子液体的特性，如低熔点、高溶解性、高稳定性等；但离子液体是离子化合物，DES 是离子混合物；同时，DES 成本更低、制备方法简单、无毒可降解，是更具发展前景的新型绿色溶剂［4-6］。
木质纤维素是地球上最丰富的生物质资源，主要由木质素、纤维素和半纤维素组成。
木质纤维素及其各组分可被转化为生物燃料、化学品及其他衍生产品而被应用于不同领域。
由于木质纤维素生物质在水和多数有机溶剂中溶解性较差，因此，相对于糖基生物质，木质纤维素生物质更难于被加工改造，加工技术相对落后［7］。
稀盐酸预处理木质纤维素研究
（ ｃ ｏ ｌｏ ｖｒ ｎ ｎ ｎ ｏｎ ｉ ｅｒｎ Ｌｉｏ ｉｇ Ｓ ｉ ｕ ｉｅ ｓｔ Ｆｕ ｈ ｎＬｉｏ ｉｇ １ ３ ０ ， Ｒ． ｈ ｎ ． Ｓ ｈ ｏ ｆ Ｅｎ ｉｏ ｍｅ ｔａ ｄ Ｂｉｅ ｇ ｎ ｅ ｉｇ， ａ ｎ ｎ ｈ ｈ ａ Ｕｎ ｖ ｒｉｙ， ｓ ｕ ａ ｎ ｎ １ ０ １ Ｐ． Ｃ ｉａ ）
ｍ ｅｈ ｄ ｏ ａ ｋ ｔ － Ｂ ｒ ｎ ｄ ｓｇ ． Ｆ ｎ ｌ ，ｔ ｅ ｐ ｅ ｅ ｒ ｄ ｐ ｅ ｒ ａ ｍｅ ｔｃ ｎ ｉ ｏ ｓａ ｅ ｆ ｕ ｄ ａ ｏ ｌ ｗｓ 一 １ ｈ 一 １ ５ ℃ ， ｔ ｏ ｆＰｌｃ ｅ ｔ ｕ ｍａ ｅ ｉｎ ｉａｌ ｙ ｈ ｒ ｆ ｒｅ ｒ ｔ ｅ ｔ ｎ ｏ ｄ ｔ ｎ ｒ ｏ ｎ ｓ ｆ ｌ ｉ ｏ ：￡ ， １ Ｃ
稀 盐 酸 预 处 理 木 质 纤 维 素 研 究
姚 秀 清 ，杨 翔 华
（ 宁石 油 化 工 大 学 环 境 与 生物 工程 学 院 ， 宁 抚 顺 １ ３ ０ ） 辽 辽 １０ １ 摘 要 ： 研 究 了稀 盐 酸 处 理 木 质 纤维 素 ， 用 Ｐａｋｔ－ Ｂ ｒ ｎ设 计 的 实 验 方 法 考 察 了反 应 时 间 （） 反 应 温 应 ｌｃｅｔ ｕｍａ ｔ、
Ｐｒ ｔ ｅ ｔ ｅ ｔＰｒ ｃ ｓ ｏ ｇ ０ ｅ１ ｏ ｅ ｅ ｒ ａ ｍ ｎ ｏ ｅ ｓｆ ｒ Ｌｉ ｎ ｃ １ｕ１ ｓ ｂ ｌ ｔ ｖ ｒ ｃ ｏｒｃ Ａ ｃｄ ｙ Ｄｉｕ ｅ Ｈ ｄ ｏ ｈｌ ｉ ｉ
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木质纤维素预处理技术研究进展朱跃钊1,卢定强2,万红贵2,贾红华2Ξ(1 南京工业大学 机械与动力工程学院,南京 210009;2 南京工业大学 制药与生命科学学院,南京 210009)摘 要:详细评述了木质纤维素的预处理工艺研究进展,特别是浓酸低温水解-酸回收工艺、稀酸二阶段水解工艺、金属离子在稀酸水解过程中的助催化作用以及水蒸汽爆裂、氨纤维爆裂、C O 2爆裂、酶催化水解等方法的研究进展情况。
木质纤维素原料预处理技术发展为发酵生产乙醇技术的研究开发奠定了坚实基础。
关键词:木质纤维素;乙醇;水解;发酵中图分类号: Q539+13 文献标识码:A 文章编号:167223678(2004)0420011206Progresses on treatment of lignocellulosic materialZHU Y ue 2zhao 1,LU Ding 2qiang 2,WAN H ong 2gui 2,J I A H ong 2hua 2(1 C ollege of Mechanical and P ower Engineering ,Nanjing University of T echnology ,Nanjing 210009,China ;2 C ollege of Life Science and Pharmacy ,Nanjing University of T echnology ,Nanjing 210009,China)Abstract :Progress of study on technology of pre 2treatment of lignocellulose is reviewed in this paper.With the exhaustion of oil and rising price of oil ,studies on ethanol production from lignocellulosic material were attra 2tive 1Cellulose and hemicellulose in lignocellulosic material can be converted to sugar via s ome suitable treat 2ments ,and then can be used in the production of ethanol by fermentation further 1The progresses on technology of pre 2treatment of lignocellulosic material were reviewed and commented ,especially the hydrolysis processes via concentrated acid ,tw o 2stage diluted acid ,and catalysis of metal ion in diluted acid 1Several different pre 2treatment methods for cellulase hydrolysis ,such as steam explosion ,aminonia fiber explosion ,C O 2explosion ,acid treatment and enzymatic hydrolysis method ,were reviewed 1The advanced pre 2treatments of lignocellulosic material has laid a concrete basis for ethanol production at a large commercial scale 1K ey w ords :lignocellulose ;ethanol ;hydrolysis ;fermentation 随着现代工业的发展和世界人口的激增,能源危机日趋加剧。
专家估计,可开采石油储量仅还可供人类使用大约50年,天然气还可用75年,而煤炭则为200～300年[1]。
目前,世界各国纷纷展开新能源,特别是可再生生物能源的研究与开发。
生物能源主要有生物乙醇、生物柴油、沼气、氢气和燃料电池等,其中以生物乙醇的研究与生产最引人注目。
生物法生产的乙醇在一些国家和地区正广泛使用。
巴西每年以甘蔗作为原料,生产1100万t 燃料乙醇。
美国则每年大约生产550万t 以上的燃料乙醇。
目前我国乙醇年产量为300多万t ,仅次于巴西、美国,列世界第三[2]。
其中发酵法乙醇占绝对优势,80%左右的乙醇Ξ收稿日期:2004211201基金项目:国家重大基础研究项目(2003C B71600)作者简介:朱跃钊,男,副研,研究方向:热能工程。
联系人:卢定强,男,副研,研究方向:生物化工。
第2卷第4期2004年11月生物加工过程Chinese Journal of Bioprocess EngineeringNov.2004・11 ・用淀粉质原料,10%的乙醇用废糖蜜生产,而以纤维素原料生产的乙醇约占2%左右。
近年,中国开始推广使用车用乙醇汽油。
预计到2005年将需要1000万t 无水乙醇,今后的需求更大。
与发酵法生产乙醇相关的木质纤维素的转化技术的研究随之成为国内外关注的热点之一,包括将秸秆、蔗渣、废纸、垃圾纤维等木质纤维素类物质高效地转化为糖,进一步发酵成乙醇的相关技术研究内容,其研究成果对开发新能源和新材料,保护环境具有非常重要的现实意义(见图1)。
图1 木质纤维素发酵生产乙醇的路线Fig 11 The process of ethanol production from lignocellulosic material1 木质纤维素的性质木质纤维素的资源量非常丰富。
木质纤维素构成了植物的细胞壁,对细胞起着保护作用。
它主要由纤维素、半纤维素和木质素三部分组成,约占生物质干重的70%～75%(见表1)。
植物每年通过光合作用能产生高达1164×1011t 木质纤维素类物质,其中纤维素、半纤维素的总量为850亿t ,是生产乙醇的最丰富资源。
表1 几种重要生物质的组成[3]T able 1 The components of major biomasses纤维素(%)半纤维素(%)木质素(%)硬木402418软木452525玉米秸秆412417麦秸秆402523稻秸秆352512甘蔗渣402425木质纤维素的结构较复杂。
细胞壁中的半纤维素和木质素通过共价键联结成网络结构,纤维素镶嵌其中。
木质纤维素的结构示意图如图2所示。
图2 木质纤维素结构示意图Fig 12 The structure of lignocellulose纤维素是由葡萄糖通过β21,4糖苷键联接而成的线性长链高分子聚合物。
纤维素大约由500到10000个葡萄糖单元组成。
纤维素分子中的羟基易于和分子内或相邻的纤维素分子上的含氧基团之间形成氢键,这些氢键使很多纤维素分子共同组成结晶结构,并进而组成复杂的微纤维、结晶区和无定形区等纤维素聚合物。
X 2射线衍射的实验结果显示,纤维素大分子的聚集,一部分排列比较整齐、有规则,呈现清晰的X 2射线衍射图,这部分称之为结晶区;另一部分的分子链排列不整齐、较松弛,但其取向大致与纤维主轴平行,这部分称之为无定形区。
结晶结构使纤维素聚合物显示出刚性和高度水不溶性。
因此高效利用纤维素的关键在于破坏纤维素的结晶结构,使纤维素结构松散,使得酶水解或化学水解更容易进行。
半纤维素在结构和组成上变化很大,一般由较短高度分枝的杂多糖链组成。
组成半纤维素的结构单元主要有:木糖、甘露糖、葡萄糖、阿拉伯糖,半乳糖等。
各种糖所占比例随原料而变化,一般木糖占一半以上。
半纤维素排列松散,无晶体结构,故比较容易被稀酸水解成单糖。
木质素是由苯基丙烷结构单元通过碳碳键连接而成的高分子化合物。
木质素不能水解为单糖,在纤维素周围形成保护层,影响纤维素水解。
木质素中氧含量低,碳含量较高,其能量密度(27M J/kg )较高,水解中留下的木质素残渣可作为燃料。
・12 ・生物加工过程第2卷第4期2 木质纤维素的水解工艺木质纤维素原料具有较复杂的结构特点,需要将其水解成单糖,才能被微生物发酵利用生产乙醇。
针对不同木质纤维素原料特性,需要采用不同的水解工艺,一般分为酸水解工艺和酶水解工艺。
211 酸水解工艺酸水解又分为浓酸水解和稀酸水解法。
2.1.1 浓酸水解工艺浓酸水解在19世纪即已提出,它的原理是结晶纤维素在较低的温度下可完全溶解于72%的硫酸、42%的盐酸和77%～83%的磷酸中,导致纤维素的均相水解。
浓硫酸水解为最常用方法,其主要优点是糖的回收率高,大约有90%的半纤维素和纤维素转化的糖被回收。
William A Farone等[4]提出的浓酸水解工艺:生物质原料干燥至含水10%左右,并粉碎到约3～5mm。
把该原料和70%～77%的硫酸混合,以破坏纤维素的晶体结构,最佳酸液和固体质量比为1125∶1,糖的水解收率达到90%左右。
浓酸对水解反应器的腐蚀作用是一个重要问题。
近年来在浓酸水解反应器中利用加衬耐酸的高分子材料或陶瓷材料解决了浓酸对设备的腐蚀问题。
浓硫酸法糖化率高,约有80%～90%纤维素能被糖化,糖液浓度高,但采用了大量硫酸,需要回收重复利用。
一种方法是利用阴离子交换膜透析回收,硫酸回收率约80%,浓度20%～25%,浓缩后重复使用。
该方法操作稳定,适于大规模生产,但投资巨大,耗电量高,膜易被有机物污染。
1998年W oo2 ley等[5]提出了9段模拟移动床(S M B)连续分离酸液和糖液的方法,总糖(葡萄糖和木糖)的回收率88%,纯度100%。
酸的回收率大于95%。
该S M B 系统由两个偶联的二元S M B组成,其切换时间同步(见图3)。
第一个S M B由5段组成,硫酸(快速移动组分)作为萃余(raffinate)部分回收,醋酸(慢速移动组分)作为萃取(extract)部分回收,两糖混合物(中速移动组分)和剩余醋酸在旁路中回收。
第二个S M B 由4段组成,糖作为萃余(raffinate)部分回收,醋酸作为萃取(Extract)部分回收。
该法不但能有效地分离硫酸和糖液,还能把水解副产物醋酸分离除去,便于糖液后续处理。
浓盐酸水解工艺主要采用盐酸气催化水解。
主要工艺:将木材片磨碎,用少量3%～5%的硫酸处理除去半纤维素,水洗、干燥、38%盐酸浸泡,通入盐酸气,在40%盐酸中水解。
盐酸经过蒸馏回收。