木质纤维原料组分清洁高效分离及其机理的研究

Components separation in lignocellulosic materials means bio-refinery. Lignocellulosic materials are not regarded as not only a cellulose resource, but also a multi-component material. It is also a new requirement of the concept of biomass full utilization to separate Lignocellulosic materials into each component with a certain purity and hope them being processed into valuable products and giving its new philosophy of thinking. The project is based on China's situation and requirements and characteristics of lignocellulosic materials (such as wood, agricultural and forestry wastes, etc.), and accord with the guiding principles of the process clean, efficient separation. Ways of chemical, physical (as well as physical and chemistry) and other organic combination as the main line were incorporated taken out. Based on the use of steam explosion and ethanol extraction method combined with wheat fractionation results, an economically practical way for lignocellulosic material's component separation process will be proposed and take deeply understanding of steam explosion separated the component interface in the process of separation processes and the functional group transformation mechanism. To further improve and solve clean and efficient separation of lignocellulosic materials(cellulose, hemicellulose and lignin), a better understanding of lignocellulosic biomass in micro deep-seated, clean and efficient the separation mechanism has proceeded.

木质纤维原料组分分离意味着木质纤维原料的精制，不是把木质纤维原料仅作为纤维素资源看待，而是把它视为一种多组分物料，将木质纤维原料精制成为具有一定纯度的各种组分，并希望这些组分分别加工成有价值的产品，这也是全新的生物量全利用理念对于木质纤维原料组分分离提出的新要求，赋予其新的哲理思想。本课题就根据我国的现状和需求，以及木质纤维原料（如木材、农林废弃物等）的特点，按照"过程清洁、高效分离"的指导原则，采用化学、物理（以及物理化学）等手段有机相结合作为研究主线，根据利用汽爆和乙醇萃取法联合对麦草组分分离的研究结果，提出一条经济可行的木质纤维资源组分分离的工艺过程，认识汽爆分离过程中组分界面分离过程和官能团转化机制，进一步完善和解决木质纤维原料主要组分（纤维素、半纤维素和木素）清洁高效分离的难题，并在此基础上对纤维素生物质在微观深层次有更深入的了解，对清洁高效分离机制有更清楚的认识。

本研究以麦草为原料就纤维素、半纤维素及木质素的分离进行了探究，研究了蒸汽爆破和乙醇两步处理对麦草三大组分进行分离的技术，其中对硫酸预浸渍蒸汽爆破、蒸汽爆破以及后续乙醇处理条件进行了讨论。在一定的蒸汽爆破和乙醇处理条件下，对获得的半纤维素、木质素及纤维素组分的化学结构变化进行了研究。最后对两步处理过程中物料物理结构的变化进行了研究。.通过响应曲面法实验对麦草原料的硫酸预浸渍蒸汽爆破过程进行了讨论，可以发现酸浸渍浓度、蒸汽爆破压力、维压时间以及这些因素交互作用对预处理结果有显著的影响。但是酸预浸渍麦草过程中物料的损失率较高，而且对后续木质素的溶出也有不利的影响。.在压力和时间两个因素影响下蒸汽爆破处理麦草，在所选压力范围（1.2-2.0MPa）内半纤维素的分离率在75.79%-94.53%，在所选时间条件（2-7min）下半纤维素的分离率在86.05%-91.05%。蒸汽爆破处理后物料在1.75MPa和3.5min时的结晶度能达到最大值70.90%。.通过响应曲面法对乙醇处理爆破物料以达到进一步分离木质素的过程进行了讨论。保证乙醇处理后物料高纤维素含量的前提下尽可能降低半纤维素和木质素含量，得到乙醇处理后物料中纤维素含量62.30%、半纤维素含量1.14%、木质素含量13.40%。通过实验发现温度是乙醇处理爆破物料过程中最主要的影响因素。.在压力1.75MPa、时间3.5min的蒸汽爆破和乙醇浓度55%、温度170℃、时间30min、液比1:5的乙醇处理爆破物料的两步处理麦草实验条件下可以发现半纤维素、木糖及阿拉伯糖分离率非常高，达到89%左右，说明蒸汽爆破对半纤维素的降解有非常明显的效果。木质素溶出率随着两步处理过程逐渐升高，最终能达到42.16 %。纤维素及葡萄糖的回收率很高，达到83.79%。通过分析可以发现经过两步处理后的物料中组分化学结构都发生了明显变化，木质素结构变化主要发生在乙醇处理过程；纤维素在整个两步处理过程中结构变化不明显，在物料中组成保持稳定。而整个两步处理的过程的目的在于保持纤维素结构稳定的前提下尽可能的分离半纤维素和木质素，说明两步处理的方式是合适的。