杨木预水解过程中木质素的聚集与沉积机制及其对组分分离的影响

Effectively separation of chemical composition is the fundamental to realize comprehensive utilization of all components of lignocellulose. Prehydrolysis is the main method to selective extract hemicelluloses from raw materials before pulping. However, lignin will undergo phase transformation, degradation/condensation, dissolution, and reaggregation under high temperature and acidic condition, which affect the subsequent chemical and enzymolysis process or/and interfere with the separation and purification of oligosaccharides. Therefore, the reaggregation behavior of lignin during prehydrolysis process is crucial for the separation efficiency of lignocellulose components. In the present work, the root and conditions of the lignin reaggregation that takes places during prehydrolysis of aspen will be investigated. The relation between the reaggregation behaviour of lignin and its structure modification and interface energy change will be estimated. The reinforcement mechanism of hemicellulose remove to the reaggregation of residual lignin in the cell wall will be interpretated. The variation rule of chemical bond between lignin and carbohydrate will be illustrated. The synergetic mechanism for reaggregation and redeposition of colloidal and dissloved lignin with sugar will be discovered. In addition, the influence of reaggregation of residual lignin on accessibility of fiber and penetration rate of cooking liquor to aspen chips and also the effect of reaggregation and redeposition of dissloved lignin to extract efficiency of oligosaccharides will be investigated. This study will provide theoretical support for the cleanly and effective separation of lignocellulosic components.

木质纤维素化学组分的有效分离是实现全组分综合利用的前提。预水解是制浆前选择性提取半纤维素的有效措施。然而，在高温酸性条件下，木质素经历相转变、降解/缩合、溶解，降温时发生聚集，影响后续化学处理或酶解过程，妨碍低聚糖的分离纯化。因此，木质素在预水解中的聚集行为是关乎组分分离效率的重要问题。项目从分析杨木预水解过程中木质素发生聚集的根源和条件入手，探讨木质素结构改性和表面自由能变化与其聚集行为的关系，诠释半纤维素选择性移除促发木片中残留木质素聚集的机理，明确木质素与糖类间化学键合关系的演变规律，揭示溶解与胶体木质素与糖类协同聚集及沉积机理。在此基础上，研究残留木质素的聚集对纤维可及性和药液渗透的影响，研究溶解和胶体木质素的聚集与沉积对低聚糖提取效率的影响，揭示木质素的聚集与沉积行为影响后续组分分离的作用机制，为实现木质纤维素化学组分的清洁、高效分离奠定理论研究基础。

木质纤维素原料三大组分的有效分离是实现全组分综合利用的前提。预水解是制浆前选择性提取半纤维素的重要措施，与后续制浆相结合，可实现半纤维素、纤维素和木素依次分离并转化利用。然而，预水解过程中半纤维素和木质素的降解溶出导致水解木片的微观结构、表面形貌、化学组分微区分布发生改变，尤其是木质素作为细胞壁最顽抗组分，在预水解中历经相转变、解聚/缩合、迁移、溶解、重新聚集和沉积等复杂的固液相转变过程，进入液相的木质素会干扰水解液中低聚糖的分离纯化，而残留在木片中的木质素将对后续制浆时药液的渗透和组分反应可及性产生影响。.项目首先研究了杨木预水解过程中半纤维素、木质素的迁移机制以及细胞壁化学组分微区分布变化规律，明晰了水解木片中残留木质素的富集区域特征；研究了氢离子浓度以及温度、时间等因素对木片中木质素聚集体存在形式及分布特征的影响，研究了溶解和胶体木质素的聚集行为与水解液化学环境的关系，研究了水解液中低聚糖及降解物在木质素-聚糖聚集体形成中的作用，明确了木质素与聚糖在液相中聚集及其在固液界面吸附和沉积规律，深入分析了木质素发生聚结融合的根源、条件与机制；继而研究了预水解影响液体对木片渗透的规律，研究了细胞壁超微结构变化、化学组分重新分布以及木质素聚集与沉积对木片残余组分反应可及性的影响。结果表明，水解木片中木质素的聚集与微区重新分布不会妨碍后续制浆过程，而高温酸性水解条件下，木质素的缩合是影响制浆过程脱木质素效率的根源，预水解过程中半纤维素和木质素迁移导致的纤维素反应可及性增强是导致纤维强度降低的主要原因。项目阐明了水解液中溶解和胶体木质素与聚糖的协同聚集机理及其在固相表面沉积的机制，揭示了木质素的聚集和沉积影响后续组分反应可及性以及组分分离效率的机理；为建立清洁有效、切实可行的预处理技术以及优化后续组分分离工艺奠定了理论基础。.