本論文以木質纖維素的高值利用為目標，選擇小分子單糖、玉米芯和中藥渣為研究對象，將生物法與化學法結合，確定關鍵轉化途徑，構建相關生物質能源與生物基化學品的轉化工藝，并對其生物煉制過程中涉及的核心技術和理論問題進行較系統(tǒng)研究。 （1）雙相體系中甲酸催化果糖制備5-羥甲基糠醛（HMF）的研究：提出了以副產物甲酸為催化劑催化果糖制備HMF，以水/正丁醇為反應體系，考察了不同因素對果糖轉化率和HMF收率的影響，最佳HMF收率為69.2%；有機弱酸甲酸作為反應副產物之一，可減少酸性催化劑對設備的腐蝕，降低下游產品的分離成本，提高了該體系的工業(yè)應用價值。 （2）雙相體系中鹽酸催化果糖制備HMF的過程強化研究：提出了攪拌速率對水/正丁醇體系中果糖制備HMF的影響機制，經優(yōu)化得到HMF最佳收率81.7%；由動力學分析可知，相同鹽酸濃度條件下，較低的反應速率常數(shù)更有利于HMF的生成；采用高濃果糖補料方法，實現(xiàn)了提高HMF收率和降低副產物收率的雙重目標，保證了果糖制備HMF過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性，最佳HMF收率為83.3%。 （3）含Sn陶瓷催化劑/無機酸催化葡萄糖制備HMF的研究：設計新型含Sn4+陶瓷催化劑，組合鹽酸共催化葡萄糖制得HMF；考察了不同因素對制備HMF過程的影響，最佳HMF收率為63.9%；含Sn陶瓷催化劑合成時間短，僅為1~2天，重復使用5次后，HMF收率仍保持在53.7%以上；通過選取淀粉、蔗糖等不同原料進行實驗，拓寬了該催化體系的適用范圍。 （4）Cr2O3納米顆粒負載的陶瓷催化劑/無機酸催化葡萄糖制備HMF的研究：合成了Cr2O3納米顆粒，并負載于陶瓷催化劑上；組合稀硫酸共催化葡萄糖制得HMF，考察了多種因素對制備HMF過程的影響，最佳HMF收率為63.2%；該催化體系可催化淀粉、蔗糖等糖類化合物制備HMF，但對纖維素和纖維二糖催化效率較低；與（3）中催化劑相比，以陶瓷表面負載活性金屬元素的策略替代陶瓷與活性金屬共混、焙燒的方法，將活性位點充分暴露，在保有高催化活性的同時，可將催化劑表面有毒活性金屬含量由0.94%降至0.11%，并將最優(yōu)反應時間由4h縮短至1h30min。 （5）構建玉米芯全組分轉化利用同時制備多種生物基化學品的工藝：通過對玉米芯進行稀硫酸/氨水耦合預處理，獲得堿木質素、半纖維素水解液與纖維素；由半纖維素水解糖制備糠醛，糠醛收率（基于半纖維素水解液中的木糖含量計算）可達79.1%；由纖維素酶解液制備HMF，考察了不同酸濃度對含緩沖鹽體系反應的影響情況，HMF收率（基于酶解液中的葡萄糖含量計算）可達42.0%。 （6）中藥渣同步糖化發(fā)酵制備燃料乙醇的可行性分析：提出了一種以輕工業(yè)廢棄物（中藥渣）為原料通過同步糖化發(fā)酵生成燃料乙醇的方法；僅使用糖化酶時，北沙參藥渣、薏苡仁藥渣和百合藥渣三種淀粉類藥渣經同步糖化發(fā)酵過程可產醇45.9g/L；通過糖化酶與GC220多酶復配，丹參藥渣經分批補料的同步糖化發(fā)酵過程（最終底物濃度30%）可產醇33.8g/L。
【學位單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2014
【中圖分類】：TK6;TQ352.79
【部分圖文】：

圖 1-1 2009 年美國能源消耗來源[4]Figure 1-1 Sources of energy consumption in the USA during 2009[4].質纖維素結構特點

木質纖維素主要由約40~50 %的纖維素、15~30%的半纖維素以及 15~30 %的木質素三種化學物質[4]（圖1-2）組成。因其含量豐富、價格低廉，木質纖維素被稱為地球上最有應用前景的可再生碳源[4]。三種組分以類似圖 1-2 中所示的形式構成植物的支架結構。其中，纖維素聚集成管束狀纖絲、且排列規(guī)律；半纖維素和木質素相互交錯，充滿在纖維素的纖絲狀結構中；此外，還含有如蛋白質、果膠、灰分和提取物等物質。1.1.2.1 纖維素纖維素一種 β-D-吡喃型葡萄糖組成的均聚物，通過 β-1,4 糖苷鍵其單體 D-葡萄糖以線狀形式聯(lián)結在一起。其分子的聚合度（DP 值）可達 102~ 2 ×104，纖維二糖苷是其重復單元。通過分子間、分子內氫鍵和范德華力聯(lián)結成一個整體。其中，氫鍵作用使纖維素分子鏈具有具有較大張力，并導致其很難溶于包括水在內的大部分的溶劑中。進一步，相鄰纖維素分子組成更為復雜的基元纖維、微纖維等纖維素聚合物。其中，一部分相鄰的纖維素分子聯(lián)結形成具有定向結構、排列規(guī)則、整齊的晶體區(qū)結構。此部分結構具有明顯的 XRD 圖譜，且密度較大。此

圖 1-2 木質纖維素的結構組成（纖維素、半纖維素和木質素）[ture of lignocellulose with cellulose, hemicellulose, and lignin repre
【參考文獻】

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2 胡磊;孫勇;林鹿;;葡萄糖脫水制備5-羥甲基糠醛的研究進展[J];化工進展;2011年08期

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本文編號：2885604