壳聚糖水力空化降解的研究

壳聚糖降解是糖化学领域近年来的研究热点之一。超声空化对壳聚糖具有明显的降解作用，但由于超声空化具有方向性和局部性，能量转化率低，难以实现工业化。而水力空化通过简单的水力条件形成，可在大范围内形成一个比较均匀的空化强化场，具有简便易行、能耗低、效率高等特点，以及大规模应用的优势。本项目研究壳聚糖溶液水力空化效应特性、不同结构的水力空化发生器中壳聚糖的水力空化效应特性、壳聚糖水力空化降解作用及其降解机制，考察壳聚糖分子量、脱乙酰度、浓度、温度、pH值、空化器类型及结构参数、上游进口压力、下游恢复压力、流体流动速度、降解时间、空化气体及其含量、氧化剂及其用量、氧化条件等对空化效应、降解作用和降解动力学影响，并结合计算流体力学模拟和分子模拟，建立壳聚糖水力空化模型、降解动力学模型等相关模型，为空化装置的选择及其结构优化、壳聚糖水力空化降解条件的优化、充分利用水力空化对壳聚糖的降解作用提供理论依据。

壳聚糖降解制备低聚壳聚糖是糖化学领域的研究热点之一，且水力空化降解壳聚糖的研究仍处于理论空白。本项目研究了壳聚糖溶液性质对其水力空化效应特性的影响、不同水力空化装置对空化效应特性的影响、水力空化降解效果及降解机制、壳聚糖降解动力学、水力空化场和空泡动力学数值模拟，并建立相应的数学模型。.研究结果表明，在相同水力空化装置下，低的壳聚糖溶液浓度、溶液pH值、较高的溶液温度、上游进口压力、进口流速、低的下游恢复压力和适当长的降解时间有利于水力空化效应降解壳聚糖。几何孔板、文丘里管和涡流三种空化场模拟、空泡动力学模拟的数值结果与实验结果相一致。.几何孔板空化降解有利条件：溶液浓度0.3-2.0 g/L内越低、pH 4.0-4.4，孔板α越小，βo越大降解效果越好，且多孔板比单孔板降解效果好。文丘里管空化降解优化条件：溶液浓度3 g/L，pH 4.4，温度40 oC，降解2 h，入口压力0.4 MPa，管入口角度60°，管出口角度76°，喉部长度10 mm，喉部直径4 mm。涡流空化降解优化条件：溶液浓度1 g/L，pH 4.4，压力0.2 MPa，温度60 oC，降解4 h，壳聚糖的粘均分子量由9.73×105 降解到1.53×105。.撞击流-文丘里管协同降解率比文丘里管降解率提高59.1%。气体-涡流协同降解的强弱次序O2 >空气> N2，其中O2、空气对降解有强化作用，而N2对降解起抑制作用。H2O2-水力空化协同降解效果优于仅H2O2、水力空化降解效果。三种水力空化和三种协同强化降解机制主要发生在β-(1-4)糖苷键上，脱乙酰度没有明显变化，结构单元和基本官能的化学结构没有破坏，产物结晶度下降；分子量分布变窄，分散度由6.96下降到3.87。水力空化降解过程满足六集总动力学模型，反应速率常数k1，k6，k10，k13，k15与温度呈良好线性关系，其他反应速率常数与温度的线性关系较差；除A集总外，其他集总的实验值与计算值较吻合，模型方程具有较好的拟合性。.这一系列研究结果表明，水力空化能有效实现降解壳聚糖，并揭示壳聚糖水力空化降解的规律，同时提供了基础理论依据。.