热压电解水的反应特性及其降解木质纤维素的机理研究

纤维生物质主要由半纤维素、纤维素和木质素三大成分组成，通过预处理技术将这三大成分高效率、低成本地分离纯化成标准化工业品是其规模化开发利用的关键。本项目在客观分析电解水和生物质自身特性及其在组分分离转化过程中所蕴含的科学基础上，凝练出三个关键性问题开展研究。以电解水为基础，通过研究其生成机制和活性成分，探讨其在常温及高温高压下的反应特性，阐明在适当条件下将生物质组分中半纤维素、木质素分别分离的断裂、解离机制，并结合现代结构化学分析手段，揭示电解水在生物质分子结构与超微结构上的作用机理，掌握介质环境与条件因子选择性定向转化目标产物的有效调控方法，构建电解水流动式预处理生物质的反应模式，完善流动相介质"削层理论"假说的实质反应机理，解决生物质预处理技术的三大瓶颈问题，创新绿色环保的连续化生物质加工技术，为生物质的规模化开发利用提供理论基础。

本论文尝试将清洁环保的电解水应用于玉米秸秆预处理过程中，对强电解水的制备条件进行了系统的优化；考察了强酸性电解水静态预处理和流动预处理玉米秸秆的效果及对秸秆中主要成分半纤维素、纤维素、木质素的降解规律；采用强酸性电解水和强碱性电解水两步法预处理玉米秸秆，考察了两步法预处理过程中三大组分的分离效果及秸秆结构变化和酶解效果。论文主要结论如下：自行设计槽式电解水制备装置，并对电解水制备条件进行了优化，最终确定最佳的电解条件为：极板距离为20 cm，隔膜选用阴离子交换膜，电解时阳极室NaCl浓度为0.1%，阴极室NaCl浓度为1%。通过酸性电解水和碱性电解水两步法组合预处理玉米秸秆，可以实现秸秆半纤维素、木质素和纤维素的有效分离。经第一步酸性电解水处理后，95%以上的的半纤维素得到了去除和回收，第二步碱性电解水处理，80%的木质素去除，最终在纤维素酶活用量30 FPU/g纤维素，酶解72 h后，纤维素的酶解率可达100%。