离子液体在纤维素生物质预处理中的应用及回收研究

摘要

目前，纤维素生物质在生化转化过程中必须经过预处理来降低其抗降解性。某些离子液体能够溶解纤维素，这是离子液体预处理技术的基础。研究经过预处理纤维素生物质发生的化学和物理结构变化是人们研究的重点。早期大量的研究主要集中在低固料（生物质的重量百分比为3到5）含量的离子液体溶液里处理纤维素生物质。但是，要降低预处理成本必须提高预处理时生物质原料在离子液体中的比例。然而，离子液体浓度的变化对于预处理的效果（酶水解效率）以及生物质的结构和组分的影响尚不明确。本文研究了白杨、桉木、高粱和柳枝稷四种生物质在不同浓度离子液体（1-乙基-3甲基咪唑醋酸盐）中的预处理。生物质浓度变化范围是5-25wt.％，预处理温度是110℃，反应时间是3h，对预处理后的生物质进行了结构表征和酶解。酶解结果表明预处理时使用高的生物质含量是可行的，糖化率可以达到60-80％。
　　离子液体预处理对于纤维素生物质的物理结构的改变使用了X射线衍射(XRD)，小角中子散射(SANS)和氮气吸附装置。XRD测量生物质中纤维素的晶体结构，SANS和氮气吸附装置研究生物质的孔隙度和比表面积。在对于白杨和桉木的实验里，SANS检测到了生物质里半径为25到625埃米的孔，结果表明生物质经过预处理后孔隙度增加，小孔对于孔隙度增加的贡献没有大孔多。白杨和桉木在离子液体预处理后的糖转化率随着固料含量的变化趋势有明显的不同，发现纤维素结晶结构的变化起决定性作用，而非孔隙率的变化。
　　在研究松木时，首次将SANS测得的松木样品的孔隙度的相对变化与氮气吸附装置所得的结果进行了比较，并用XRD测定了生物质的晶体结构。孔隙度和XRD数据表明在预处理过程中，松木样品在较高的固料含量下预处理效果比低固料含量下更好，这个反常的结果是因为松木中存在的松脂酸。固料含量高时松脂酸的浓度也高，对于离子液体预处理起到催化的作用。
　　离子液体的回收是一项十分重要的研究。本课题提出一个新的对离子液体回收再利用的方法，使用蒸馏装置回收和重新使用离子液体进行预处理:对于预处理后回收的离子液体溶液并不将其中的水分离出来，而是直接将回收液用于生物质预处理。在蒸馏装置里将预处理和水蒸发结合起来，离子液体的浓度随时间而动态增加。一共进行了三个循环的回收和再利用，发现糖转化率随着循环次数而减少，从80-90％下降到50-60％。认为工艺的优化可以进一步提高糖转化率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 木质纤维素

1．2．1 木质纤维索的组成结构

1．2．2 木质纤维素生物质的预处理方法

1．2．3 纤维素的晶体结构

1．3 离子液体预处理生物质

1．3．1 离子液体简介

1．3．2 离子液体溶解纤维素机制

1．4 检测木质纤维素结构表征的方法

1．4．1 紫外吸收光谱(UV-Vis)

1．4．2 高效液相色谱(HPLC)

1．4．3 二硝基水杨酸法(DNS)测还原糖

1．4．4 X射线衍射(XRD)

1．4．5 小角中子散射(SANS)

1．5 离子液体预处理生物质的研究现状

1．6 本课题研究的目的意义和主要内容

1．6．1 本课题研究的目的及意义

1．6．2 本课题研究的主要内容

第二章 不同固料含量下的离子液体预处理对生物质酶解的影响

2．1 引言

2．2 实验材料与实验仪器

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验仪器

2．3 实验方法

2．3．1 生物质在预处理前做的抽提准备

2．3．2 离子液体预处理四种生物质

2．3．3 四种生物质的木质素含量测定

2．3．4 HPLC测定四种生物质的糖组分

2．3．5 四种生物质的酶解测定

2．4 实验结果与讨论

2．4．1 白杨、桉木、高粱和柳枝稷预处理后的收率

2．4．2 白杨、桉木、高梁和柳枝稷预处理后的组分分析

2．4．3 预处理效果评估——酶解效率测定

2．5 本章小结

第三章 用X射线衍射和小角中子散射研究离子液体预处理后白杨和桉木的结构变化

3．1 引言

3．2 实验材料与实验仪器

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验仪器

3．3 实验方法

3．3．1 白杨和桉木在预处理前的抽提准备

3．3．2 离子液体预处理白杨和桉木生物质

3．3．3 预处理白杨和桉木的木质素含量测定

3．3．4 预处理白杨和桉木的糖组分分析

3．3．5 预处理白杨和桉木的酶解测定

3．3．6 白杨和桉木样品的结晶度测定

3．3．7 SANS测量白杨和桉木样品

3．4 实验结果与讨论

3．4．1 离子液体预处理后白杨和桉木的收率和组分分析

3．4．2 XRD对离子液体预处理后白杨和桉木生物质晶体结构的研究

3．4．3 SANS对离子液体预处理后白杨和桉木生物质表征的研究

3．4．4 离子液体预处理白杨和桉木的糖转化率

3．5 本章小结

第四章 不同固料含量离子液体预处理对松木孔隙度的影响

4．1 引言

4．2 实验材料与实验仪器

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验仪器

4．3 实验方法

4．3．2 离子液体顸处理松木样品

4．3．3 预处理松木的糖组分分析

4．3．4 预处理松木的酶解测定

4．3．5 松木样品的结晶度测定

4．3．6 SANS测量松木样品的孔隙度

4．3．7 N2吸附法测量松木的表面积和孔隙度

4．4 实验结果与讨论

4．4．1 用SANS和N2吸附分析离子液体预处理对松木孔隙度的影响

4．4．2 用XRD分析离子液体预处理及松脂酸对松木预处理的影响

4．5 本章小结

第五章 离子液体水溶液对生物质预处理及离子液体回收的影响

5．1 引言

5．2 实验材料与实验仪器

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验仪器

5．3 实验方法

5．3．1 离子液体预处理生物质前的准备

5．3．2 用蒸馏装置预处理生物质

5．3．3 预处理生物质的木质素含量测定

5．3．4 预处理生物质的糖组分测定

5．3．5 生物质样品的酶解测定

5．3．6 生物质样品的结晶度测试

5．4 实验结果与讨论

5．4．1 用预处理回收滤液和加水的离子液体预处理白杨样品

5．4．2 离子液体的回收和再利用

5．4．3 滤液重复回收对桉木、高梁和柳枝稷预处理的组分分析

5．4．4 滤液重复回收对桉木、高粱和柳枝稷预处理的糖转化率

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 实验结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

研究成果及发表的学术论文

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