木质纤维原料自水解液中过程杂质物质的形成机制及其消减策略研究

Autohydrolysis liquor (AHL) is the hemicellulose rich hydrolyzate derived from the hydrothermal pretreatment of lignocellulose. Although hydrothermal pretreatment without any addition of chemicals is a green treatment process, except for the low concentration of hemicellulose, the issues of the complex composition of hydrolyzate and a small amount of lignin conjugates sedimentation are hindering its practical application. This kind of sediments cannot be easily cleaned, and the long time period sedimentation can cause the blocking of equipment (e.g. pipelines), thus affecting the stability of the practical production. Therefore, in this project, the autohydrolysis liquor of corncob will be the research object. Firstly, the generation mechanism of process substances in AHL will be illuminated by the real-time monitoring of the generation of process substances and the corresponding reaction kinetics, as well as the comprehensive characterization of the composition and properties of AHL components. By this way, all process substances will be identified, and the source of process impurities can be revealed. Secondly, the inter-relationship of process substances in AHL will be elucidated by multivariate analysis. On this basis, the formation mechanism of the sediments will be further explored with the combination of the structure analyses of the lignin-combined sediments. At last, based on the above study, the reduction strategy of the process impurities in AHL can be proposed, and thus the issues of sedimentation formed by process impurities can be addressed by further process optimization and better process control. In this case, the process stability of hydrothermal pretreatment can be significantly improved, and the cost of downstream treatment can be lowered. The successful implementation of this project can provide the strong theoretical and technical support for the commercial application of hydrothermal pretreatment.

自水解液是木质纤维原料经水热预处理产生的富含半纤维素的水解液。虽然水热预处理是一种绿色的处理过程，但所产生的自水解液除了半纤维素浓度低之外，其成分复杂，少量木质素结合物易于沉积，长时间的沉积会对管道等设备形成堵塞且不易清除，这是阻碍水热预处理实际应用的关键所在。因此，本项目将以玉米芯自水解液为研究对象，通过对各过程物质生成的实时监测和反应动力学研究，及自水解液成分组成和性质的全面表征，揭示自水解液中过程物质的形成机制，明确各过程杂质物质的来源；其次，借助多变量分析手段，阐明自水解液中各过程物质的相互关联性，并结合对木质素复合沉积物的结构解析，深入揭示沉积物的生成机理；最后，在此基础上，针对性地提出自水解液中过程杂质物质的消减技术，并通过工艺优化和过程控制，解决过程杂质物质易形成沉淀和沉积的实际问题。这可显著提高水热预处理过程稳定性，降低下游处理成本，并为其产业化应用提供理论和技术支撑。

木质纤维原料的水热预处理是一种不添加任何化学试剂的绿色的处理方法，其处理过程产生的自水解液是富含半纤维素的水解液。该自水解液除了半纤维素浓度低之外，其成分复杂，少量木质素结合物易于沉积，长时间的沉积会对管道等设备形成堵塞且不易清除，这是阻碍水热预处理实际应用的关键所在。因此，本项目以秸秆为原料进行水热预处理，通过对各过程物质生成的实时监测和反应动力学研究，及自水解液成分组成和性质的全面表征，揭示了自水解液中过程物质的形成机制，明确各过程杂质物质的来源；其次，借助多变量分析手段，阐明了自水解液中各过程物质的相互关联性，并结合对木质素复合沉积物的结构解析，深入揭示了沉积物的生成机理；最后，在此基础上，研究了水热预处理与碱性预处理和磺化预处理的匹配性，完成了相关中试放大验证，并针对性地提出了自水解液中过程杂质物质的消减技术，包括原料的筛选、清洗、预浸渍，并通过工艺优化和过程控制，可以有效解决过程杂质物质易形成沉淀和沉积的实际问题。本项目研究的主要结论包括：（1）水热预处理自水解液中沉积物的主要成分为木质素碳水化合物复合体，以及剧烈处理条件下生成的少量木质素缩合物和假木质素；（2）秸秆原料清洗和热水预浸渍可脱除60%以上的抽出物和40%以上的灰分，显著降低自水解液中过程杂质物和沉积物的生成，从而可以使半纤维素的脱除率提高10%以上，半纤维素转化率最高可提高50%，并可显著降低糖液纯化成本；（3）在同样的半纤维素脱除率下，少量乙酸的加入可以降低水热预处理的能耗，且较温和的水热预处理可以减少木质素的迁移、缩合和假木质素的生成；（4）秸秆原料筛分、清洗，热水预浸渍，以及采用少量乙酸辅助和较温和的水热预处理温度是降低自水解液中杂质物和沉积物的有效途径。本项目所取得的研究成果可显著提高水热预处理过程稳定性，降低下游处理成本，可为其产业化应用提供理论和技术支撑。