木质纤维原料碱法预处理系统中重要过程因素的多变量分析方法研究

The pretreatment of lignocelluloses is a vital step for the production of bioenergy and biochemicals, while the high cost of pretreatment is the main barrier of the commercial bioconversion of lignocellusic biomass. Recently, a great deal of effort has been done on the development of pretreatment methods, the corresponding mechanism study and the techno-economic analysis. Alkali-based pretreatment, which is one of the most studied methods, has been considered as a promising pretreatment approach with high potential of commercial application, because it has relatively good pretreatment effectiveness with simple processes, and it can utilize the equipment and chemical recovery system well developed in pulp and paper industry. However, biomass pretreatment is a multivariate system (the change in one factor may also lead to changes in the others). Also, it is unclear that how the key factors in alkali-based pretreatment system are associated with each other. Therefore, in this project, multivariate analysis (Principle Component Analysis and Partial Least Square) of the key factors of alkali-based pretreatment will be carried out, to identify the relationship of the key variables, reveal and quantify the comprehensive impact of the key variables on the pretreatment effectiveness. Based on multivariate analysis, the alkali-based pretreatment will be optimized and the rapid prediction of pretreatment effectiveness will be performed as well. These studies will be of crucial importance for the improvement of economic efficiency of the bioconversion of lignocellulosic biomass, as well as the better control and process adjustment of the future industrial application of biomass pretreatment.

木质纤维原料的预处理过程是生产生物基能源和化学品的重要一环，其成本过高是木质纤维原料生物转化工业化生产的关键技术瓶颈。近年来，人们对生物质预处理的方法、相关机理和经济性的评价等做了大量研究工作。其中，碱法预处理是一种研究较多、处理效果较好、具有很好发展前景的预处理方法。然而，生物质预处理系统是一个众多变量相互影响的复杂系统（其中一个变量的变化会导致其他变量的变化），其中重要因素间的关联性和相互作用的机制尚不清楚。因此，本项目拟针对碱法预处理这一特定的预处理系统，利用多变量分析法（主成分分析法和偏最小二乘法）对该系统中重要过程因素的相互关系进行研究，揭示和量化过程因素对预处理效果的综合影响和作用机理，在此基础上实现对碱法预处理系统工艺过程的优化和预处理效果的快速评价。项目的完成将对木质纤维原料生物转化效率和经济性的改善，以及未来工业化生产的过程控制和工艺调整具有重要的指导意义。

木质纤维原料的预处理过程是生产生物基能源和化学品的重要一环，其成本过高是木质纤维原料转化工业化生产的关键技术瓶颈。近年来，人们对生物质预处理的方法、相关机理和经济性的评价等做了大量研究工作。其中，碱法预处理是一种研究较多、处理效果较好、具有很好发展前景的预处理方法。然而，生物质预处理系统是一个众多变量相互影响的复杂系统（其中一个变量的变化会导致其他变量的变化），其中重要因素间的关联性和相互作用的机制尚不清楚。因此，本项目针对碱法预处理（特别是过氧化氢辅助的碳酸钠预处理）这一特定的预处理系统，利用多变量分析法（主成分分析法和偏最小二乘法）对该系统中重要过程因素的相互关系进行研究，揭示和量化了主要过程因素对预处理效果的综合影响和作用机理，在此基础上利用所建立的模型实现了对碱法预处理系统工艺过程的优化和预处理效果的快速评价。此外，研究还发现PFI磨浆的打浆度值与酶水解效率和总糖得率之间有很好的线性关系，从而建立了一种通过测量磨浆后物料的打浆度来快速预测预处理秸秆酶水解转化率和总糖得率的方法。该方法的建立，可以应用于未来生物质预处理工业化生产的在线过程检测和控制。本项目的完成将对木质纤维原料生物转化效率和经济性的改善，以及未来工业化生产的过程控制和工艺调整具有重要的指导意义。