秸秆的无催化水解制备可发酵糖过程中的若干基础问题研究

分别研究醇-水混合溶剂在亚/超临界条件下（半）纤维素水解和葡萄糖的降解过程及醇-水混合溶剂对水解过程的协同作用规律。通过调节醇水比及操作条件达到（半）纤维素水解率高，可发酵糖的收率高的目的。研究(半)纤维素的结晶度、聚合度对(半)纤维素无催化水解过程中的传质及反应特性的影响，探索混合溶剂作用下的反应机理并建立相关的无催化水解集总动力学模型。研究稻草秸秆的结构特征，有机显微组分性质以及（半）纤维素和木质素含量，在此基础上研究稻草秸秆的结构与组成对无催化水解过程中的传质、反应特征的影响及其组分间的交互作用，并根据水解产物中含碳数目分段进行集总，建立秸秆在混合溶剂亚/超临界条件下无催化水解的集总动力学模型。本项目的研究成果可以丰富超临界流体反应的基本理论，同时为秸秆的资源化利用提供科学依据。

随着化石燃料的日益枯竭以及人类对能源需求的日益增加，开发可替代能源引起了人们极大的兴趣。以木质纤维素为原料制备的生物乙醇是一种非常有希望的化石燃料的替代能源。生物乙醇的制备包括两个过程：木质纤维素水解制备可发酵糖以及可发酵糖发酵制备生物乙醇。其中，木质纤维素的高效水解是制备生物乙醇的关键。. 本课题在研究葡萄糖超/亚临界醇-水二元混合体系中降解过程的基础上，先以微晶纤维素为研究对象，考察其在超/亚临界醇-水二元混合体系中的水解过程；其次以木质纤维素（农用秸秆）为研究对象，研究其在不同反应器（高压搅拌釜、（∅6 mm和∅16 mm的固定床管式反应器）中超/亚临界醇-水二元混合体系下的水解过程，并探讨秸秆的结构性质及组分性质对秸秆在超/亚临界醇-水二元混合体系中水解过程的影响；然后以集总的思想建立起农用秸秆在超/亚临界醇-水二元混合体系中水解的水解动力学模型；最后，通过膜分离技术实现对秸秆超/亚临界水解的水解液中发酵抑制物乙酸的有效分离以及水解液用于微藻的实验室培养。本项目得到的结论如下：. 1. 获得了葡萄糖在超/亚临界乙醇-水溶液中降解最小化的最优参数。. 2. 获得了微晶纤维素在超/亚临界乙醇-水溶液中水解的最优参数。. 3. 通过使农作物秸秆中纤维素和半纤维在秸秆的超/亚临界乙醇-水溶液中水解最大化，同时使还原糖降解最小化，获得了高的还原糖收率。. 4. 通过分析秸秆的水解液和水解残渣，综合评价了秸秆在醇-水混合溶剂和酸-水混合溶剂中超/亚临界水解的水解效率。. 5. 以纤维素、还原糖以及糖的分解产物为三个集总，确定了集总反应网络，建立了反应动力学模型，并利用实验法结合数学模型，确定了水解动力学模型。. 6. 以五碳糖和六碳糖为目的产物，小分子化合物为反应副产物，建立了农作物秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的水解动力学模型，并通过对实验值和模型模拟值的对比分析了该模型的可靠性。. 7. 获取了合适的可实现水解液中抑制物的分离及糖的同步浓缩的膜和操作参数。. 8. 获得了以秸秆超/亚临界水解液高密度培养高油脂含量微藻的条件。