两步法糖化纤维素及其机理研究

The convertion of cellulose to glucose is the key step to utilize cellulose as a renewable material for making chemicals. At present, although there are many methods to hydrolyze cellulose into glucose, these methods are all poor due to high energy consumption, high by-products and difficult separation. According to the issues incurred,we propose a two-step method to achieve efficient saccharifi- cation of cellulose and effective separation. The first step is to convert cellulose into celloluse oligomer, which is easy to separate. The second step is to convert cellulose oligomer into glucose at mild condition in water using solid acid as a catalyst. At such mild condition, no further hydrolysis of cellulose would occur. The resulted glucose/water solution can be directly used for further reaction.

纤维素转化为葡萄糖是实现纤维素作为化工原材料来源的最关键步骤。目前，尽管实现纤维素的水解的方法有很多种，但是都存在高能耗、副产物多、难分离等问题。如何实现纤维素高效低成本的转化为葡萄糖是目前面临的最大挑战。根据目前纤维素转化葡萄糖存在的问题，我们提出了"两步法"的思路，使纤维素的高效糖化与有效分离成为可能。第一步，将纤维素转化为无定形的纤维素低聚物。该纤维素低聚物可以通过过滤或离心有效分离；第二步以水为介质，采用固体酸为催化剂，在较低温度下实现纤维素低聚物的高效转化，避免了葡萄糖的进一步水解。催化剂可通过分离后重复使用。最终产物是高浓度的葡萄糖水溶液，无需进一步浓缩即可作为产品或提供下一步反应的原料。

本项目围绕“两步法”纤维素水解转化为葡萄糖的技术思路及路线（即先将高结晶度纤维素转化为无定形低聚物，再在催化剂作用下温和条件中将其水解成糖），深入研究了纤维素的可控水解机理与影响因素。最终找出了纤维素低聚物温和条件下水解转变为葡萄糖的条件方法，构建了绿色、温和、高效的纤维素水解成糖技术路线。在充分掌握纤维素去结晶控制原理、纤维素低聚物水解响应机理、微波驱动水解机制等技术理论的基础上，简便有效地实现了纤维素的去结晶及预水解，得到了无定性纤维素低聚物。通过系统研究，发现了纤维素低聚物在水解过程中发生再次结晶这一抑制其进一步水解成糖的不利现象，并针对性地通过优化水解环境，在微波辐照驱动下克服了再次结晶对水解的制约，有效将其水解成糖。利用“两步法”纤维素水解路线，在实验室小试水平上实现纤维素转化率超过95%，葡萄糖产率高达76.5%，经过简单提纯即可得到纯度较好的葡萄糖固体产物。本研究为未来构建纤维素高效快速水解成糖的大型工程化技术奠定了重要基础理论技术基础。