离子液体溶解和降解稻秆纤维素制备还原糖的研究

论文摘要

有限的化石燃料储备和全球气候的变化使得人们日益关注利用可再生生物原料进行能源生产。稻秆纤维素是地球上最为丰富的天然可降解物质,其水解产物之一为可发酵还原糖,可进一步转化成乙醇等重要能源。但是稻秆具有高度的结晶结构并在分子间和分子内存在大量的氢键,使得水解纤维素仍面临较大的挑战,因而需对稻秆进行预处理以提高其利用率。本文合成了两种离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯（[AMIM]Cl）和1-丁基-3-甲基咪唑氯（[BMIM]Cl）,利用红外光谱仪（FT-IR）和氢核磁共振仪（1HNMR）对其进行结构鉴定,并分别在传统和微波加热两种方式对稻秆进行溶解预处理,经过再生和酶解过程后计算所得还原糖产量及转化率,确定了较好的溶解工艺。经传统加热和微波加热条件下[BMIM]Cl处理后所得还原糖转化率分别由未处理的30.9%上升至86.44%和86.95%;[AMIM]Cl处理后所得还原糖转化率分别94.55%和96.21%。采用FT-IR、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、高效液相色谱（HPLC）等对再生稻秆、溶解液、酶解液等进行了表征分析,结果表明:与未处理稻秆相比,再生稻秆的基团结构未发生变化,表明溶剂作用没有使稻秆发生衍生化反应,纤维素仍呈Ⅰ型结晶结构,但结晶程度均下降,无定型区增大;再生稻秆表面的微观形貌失去原有杆状骨架结构,变得空洞破碎并伴有不规则空洞和凹槽。在微波辅助的作用下,再生稻秆的结晶程度降低更多,无定型区域更大,稻秆表面遭到更大程度的破坏。正是稻秆结构变得松散,表面积增大,与酶的可及度增加,因而处理后稻秆酶解所得还原糖产量较高,HPLC测试表明糖液中主要成分为木糖和葡萄糖。本文还初步探讨了[BMIM]Cl及[AMIM]Cl溶解稻秆的作用机理。对用过的[BMIM]Cl和[AMIM]Cl进行回收及再利用,两者的回收率分别达82.5%和85.82%,且纯度均在90%以上,回收后两种离子液体的化学结构未发生变化,保持了原有的溶解能力,可重复利用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 纤维素溶剂体系
• 1.2.1 酸体系
• 1.2.2 碱体系
• 1.2.3 硫脲/水体系或碱/尿素
• 1.2.4 LiCl/（DMF，DMAc，DMI，DMSO）体系
• 1.2.5 叔胺N-氧化物体系
• 1.3 离子液体体系
• 1.3.1 离子液体的物化性质
• 1.3.2 离子液体溶解纤维素的国内外发展概况
• 1.4 微波技术简介
• 1.5 本论文的研究内容
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验原料及所用仪器
• 2.1.1 实验原料及试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 离子液体的合成反应
• 2.2.2 纤维素的溶解
• 2.2.3 纤维素的再生
• 2.2.4 纤维素的酶解
• 2.3 测试及表征
• 2.3.1 红外光谱
• 2.3.2 氢核磁共振波谱
• 2.3.3 DNS 法测定还原糖
• 2.3.4 高效液相色谱
• 2.3.5 结晶性能表征
• 2.3.6 微观形貌
• 2.3.7 回收离子液体的测试
• 2.4 本章小结
• 第3章 离子液体的表征及对稻秆纤维素的溶解
• 3.1 离子液体的表征
• 3.1.1 [AMIM]Cl 表征及分析
• 3.1.2 [BMIM]Cl 表征及分析
• 3.2 传统加热条件下[BMIM]Cl 对稻秆的溶解
• 3.2.1 固液比的影响
• 3.2.2 溶解时间的影响
• 3.2.3 溶解温度的影响
• 3.3 传统加热条件下[AMIM]Cl 对稻秆的溶解
• 3.4 微波条件下离子液体对稻秆纤维素的溶解
• 3.4.1 微波-[BMIM]Cl 法对稻秆的溶解
• 3.4.2 微波-[AMIM]Cl 法对稻秆的溶解
• 3.5 离子液体溶解稻秆机理探讨
• 3.6 本章小结
• 第4章 实验结果分析及离子液体回收
• 4.1 再生稻秆纤维素FT-IR 分析
• 4.2 再生稻秆纤维素XRD 分析
• 4.3 再生稻秆纤维素SEM 分析
• 4.4 酶解液的HPLC 分析
• 4.5 溶解液的FT-IR 分析
• 4.6 酶解残渣的表征分析
• 4.7 离子液体的回收及再利用
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢