纤维素三相水解机理的研究

Cellulose is the most abundant natural polymer in the world. The successful hydrolysis of cellulosic material is of great importance to sloving our future energy and environmental issues. However, the existing hydrolysis technology has the disadvantage of either inhibited by hydrolyzates or over-reaction. In this study, a novel process for cellulose hydrolysis that combines hydrolysis and sugar separation is proposed, which is based on the principles of extraction and thermodynamic equilibrium. The process tries to form a three-phase system that contains non-polar, polar liquid phase and solid phase, so that the aforementioned inhibition and over-reaction problems can be avoided. The crystalline of the solid reactants, chemical composition, degree of crystallinity, and characterized changes of microstructure in the three-phase hydrolysis process will be investigated by employing a variety of analytical tools. The transformation regularity of natural cellulose to amorphous shape and cellooligosaccharide can be better understood by measuring the molecular weight distribution and composition. The reaction mechanism of the catalytic system to reduce the activation energy in hydrolysis process will be focused in this work by the analysis of endo- and exo- avtivity of cutting the glycosidic bond through modeling. The variaton of activation energy with the progress of cellulose hydrolysis to oligosaccharides, glucose and 5-HMF will be explored based on the reaction kinetics in the three -phase system. This work could will provide a theoretical basis for scientific understanding of the process and build a new three-phase system of cellulose hydrolysis to acceive high glucose yields.

纤维素是世界上最丰富的生物质资源，纤维素水解技术对于解决能源问题、开发可再生资源具有重要的现实意义，但传统技术存在着产物抑制和过度反应的问题。纤维素三相水解技术将水解反应和产物分离耦合起来，利用萃取原理和热力学平衡原理建立包含非极性相、极性相和固相的三相体系克服了上述问题，但相关机理有待研究。本研究将考察三相水解过程中固体反应物的晶型、化学成分、结晶度、微观结构特征变化，总结天然纤维素向无定形态转化的规律，通过测定纤维寡糖分子量分布和聚合度来探讨水解机理，衡量该催化体系降低水解反应活化能的能力，针对内切和外切糖苷键机理建模分析，基于反应动力学原理总结纤维素逐级水解为纤维寡糖、葡萄糖和5-HMF过程中反应活化能的变化规律，剖析纤维素在三相体系中实现可控水解的原因，从而科学地认识该过程，为构建高产葡萄糖的新型纤维素三相水解体系提供理论依据。

纤维素是世界上最丰富的生物质资源，纤维素水解技术对于解决能源问题、开发可再生资源具有重要的现实意义，但传统技术存在着产物抑制和过度反应的问题。本研究组开发了相界面反应体系，一方面发挥酸催化低成本、高效率优势，一方面克服现有技术的缺陷，避免葡萄糖作为中间产物的积累，以防止副反应发生。本研究组利用弱极性酸催化剂不溶于水和糖易溶于水的性质，将反应和糖分离过程耦合起来，弱极性酸催化剂主要富集在非极性相（液体石蜡，或脂肪酸甘油酯）中，产物（葡萄糖）溶解在水中，在线分离水相中产物。该工艺可以改善反应热力学条件，提高纤维素水解速度，采用萃取的形式避免了糖酸分离成本，通过不断分离葡萄糖来避免其积累引起的过度反应和反馈抑制，并探讨了纤维素三相水解的机理，研究了水解过程中的纤维素结构特征变化和糖苷键断裂规律，剖析了纤维素在三相体系中实现可控水解的原因，从而科学地认识该过程，解决传统技术存在的反馈抑制和过度反应生成副产物5-HMF的问题。研究从反应动力学角度评价了由高效催化剂和溶剂组合的三相催化反应体系，探讨了该体系降低水解反应活化能的能力，为构建高效产葡萄糖的新型纤维素三相水解体系提供理论依据。研究筛选了溶剂和催化剂，获得了良好的转化率，且开发了相关检测方法，申请了6项专利并已获得2项授权，发表了12篇论文，其中7篇被SCI收录。本研究考察了三相水解过程中固体反应物的晶型、化学成分、结晶度、微观结构特征变化，总结天然纤维素向无定形态转化的规律，通过测定纤维寡糖分子量分布和聚合度来探讨水解机理，衡量该催化体系降低水解反应活化能的能力，针对内切和外切糖苷键机理建模分析，基于反应动力学原理总结纤维素逐级水解为纤维寡糖、葡萄糖和5-HMF过程中反应活化能的变化规律，剖析纤维素在三相体系中实现可控水解的原因，从而科学地认识该过程，为构建高产葡萄糖的新型纤维素三相水解体系提供理论依据。