离子液体预处理纤维素及再生纤维素水解研究

摘要

随着石油等传统资源大量消耗及环境污染问题的日益加重,生物能源的开发与利用迫在眉睫。因此如何高效绿色地开发利用以纤维素为主的可再生资源生成生物乙醇已成为当今世界可持续发展战略的重要议题。本课题利用离子液体预处理纤维素得到的再生纤维素具有低结晶度、高比表面积等优点,从而大大提高纤维素的水解速率。
　　 本课题通过均相体系合成了N-甲基-N-甲基咪唑二甲基磷酸酯盐([MMIM]DMP)。通过合成[MMIM]DMP反应的响应面模型,对其工艺条件进行了优化,得到最优工艺条件为:反应温度100℃,反应物磷酸三甲酯与N-甲基咪唑的摩尔比1.2:1,反应时间9h。合成[MMIM]DMP产率达到99.58％,此结果为反应器设计提供了一定的数据参考。
　　 通过离子液体预处理纤维素的研究,证实离子液体预处理纤维素是必要。在50℃、24h纤维素酶水解条件下,预处理后的纤维素水解得到总还原性糖的产率为96.4%,较之同样条件下未预处理的纤维素水解总还原性糖产率46.8%有飞跃性提升。通过红外、X-射线衍射、比表面积测试仪等手段考察了离子液体预处理对纤维素结构和形貌的影响,结果表明:[MMIM]DMP预处理后,纤维素结晶度明显下降、结晶型态由纤维素Ⅰ型转变为纤维素Ⅱ型、比表面积明显增加,由此再生纤维素酶解速率大幅提高。同时,本文针对离子液体溶解纤维素的作用机理,通过预处理过程得到还原性糖的浓度与纤维素Ⅰ预处理前后结晶度的差的线性关联,得到离子液体预处理过程中主要作用于纤维素Ⅰ。
　　 利用响应面分析方法对再生纤维素水解的动力学模型进行研究。选取反应时间、纤维素酶的量、底物浓度为三因素,在单因素实验的基础上选取三水平,以再生纤维素水解产物-总还原性糖(TRS)和葡萄糖的产率为响应值,得到水解生成TRS的最佳工艺参数;反应时间8.17h、纤维素酶的量0.05g、底物浓度为20g/L,产率可达到100%;生成葡萄糖的最佳工艺参数:反应时间9小时、纤维素酶的量0.02g、底物浓度为20g/L,产率可达到47.4%。并拟合出水解动力学方程,通过验证性实验的验证,其模型预测值与真实值的相对误差较小,具有较好的实际应用价值。