CN111576071A - 一种木质纤维低共熔溶剂预处理机理的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种木质纤维低共熔溶剂预处理机理的分析方法。采用大数据多变量分析方法揭示低共熔溶剂预处理系统关键变量之间存在的深层次内在联系。采用多元回归分析法、主成分分析法、偏最小二乘法、聚类分析法、因子分析法、贝叶斯分析等方法，对低共熔溶剂的物化性质、结构参数、预处理条件、木质纤维素生物质原料特性、预处理效果等多种过程变量进行分析。经过多变量分析，获得低共熔溶剂预处理过程关键变量间的因果关系，揭示预处理机理。本发明步骤简单、操作方便、实用性强，对揭示低共熔溶剂预处理机理提供了技术指导，具有良好的木质纤维低共熔溶剂预处理应用前景。
Description
技术领域
本发明属于木质纤维素类生物质炼制技术领域，特别涉及一种低共熔溶剂木质纤维预处理机理的分析方法。
背景技术
随着能源需求的显着增长，可再生能源，尤其是生物质能源的开发，一直备受关注。生物燃料，例如生物乙醇，成为最有前途的替代不可再生的化石能源的可再生燃料。从环境保护和可持续发展的角度，基于木质纤维素的生物燃料被认为是未来重要能源。木质纤维素生物质转化中生物燃料的生产过程可以概括为以下步骤：预处理、酶促水解、发酵和纯化。其中，预处理是必不可少的环节，可以降低生物质的顽固性，打破木质素和碳水化合物之间的链接并增加纤维素的酶可及性。因此，建立绿色高效的木质纤维预处理方法迫在眉睫。
目前，基于新型绿色溶剂的低共熔溶剂预处理成为研究热点。低共熔溶剂是由氢键受体和氢键供体按照一定配比组成的低温共熔溶剂。低共熔溶剂在木质纤维预处理领域展示出良好效果，其具有诸多显著优点，如低熔点、低成本、易合成、可生物降解、易回收等。但是，由于新兴的低共熔溶剂预处理仍处于早期研究阶段，低共熔溶剂预处理的机理仍不清楚，预处理过程中各变量之间的关系不明确，严重制约了低共熔溶剂在预处理方面的应用。
由于低共熔溶剂的制备受到氢键供体氢键受体不同组分及其两种组分比例的双重影响，可制备成千上万种不同的低共熔溶剂，但是并非所有的低共熔溶剂都适用于木质纤维素预处理领域。研究低共熔溶剂和预处理效果的关系至关重要。低共熔溶剂的最终特性受到各组分的综合影响。此外，低共熔溶剂预处理是一个具有诸多变量的复杂系统，例如低共熔溶剂物化性质变量、预处理反应条件变量和预处理效果变量等。因此，全面分析整个过程中不同变量之间的内在联系可揭示低共熔溶剂预处理的机理。综上，有必要进行多变量分析方法以进一步了解相互作用低共熔溶剂预处理中关键参数之间的作用机理系统。到目前为止，低共熔溶剂预处理领域基于变量间关系分析的机理研究暂未见报道。通过交互作用的多变量数据来分析预处理反应机理是亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供木质纤维低共熔溶剂预处理机理的分析方法，是可用于发现低共熔溶剂预处理作用机制的普适性研究策略；本方法采用多变量分析技术确定体系多变量之间的相关性，该方法简单易操作，揭示低共熔溶剂预处理机理，为开展更为广泛的低共熔溶剂预处理机理基础研究提供技术支持。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
1)采集低共熔溶剂的各项物化性质相关参数，记为数据集D1；
优选的，所述低共熔溶剂为二元或者三元低共熔溶剂。
更优选的，所述二元或三元低共熔溶剂的氢键受体为基于氯化胆碱或者甜菜碱。
进一步优选的，所述的二元或三元低共熔溶剂的氢键供体为酸、醇、胺、多糖等。
2)采集低共熔溶剂预处理所用木质纤维原料的特性相关参数，记为数据集 D2。
优选的，所述木质纤维原料为农业、林业、和食品加工业的木质纤维素类生物质废弃物。
3)采集低共熔溶剂预处理反应条件相关参数，记为数据集D3。
优选的，所述反应条件为对木质素、纤维素、半纤维素具有显著影响的反应温度、反应时间、反应剧烈程度、固液比等关键反应条件参数。
更优选的，所述的反应条件中的反应温度范围为50℃-220℃；反应时间范围为20min-1200min；固液比范围为1:1-1:80。
4)采集低共熔溶剂预处理后木质纤维的特性相关参数，记为数据集D4。
优选的，所述相关参数为木质素、纤维素、半纤维素相关的预处理后木质纤维参数。
5)采集低共熔溶剂预处理效果相关参数，记为数据集D5。
优选的，所述相关参数为木质素、纤维素、半纤维素相关的预处理效果参数。
6)基于大数据分析，找出关键变量之间的内在因果关系，揭示低共熔溶剂预处理机理。
优选的，所述的大数据分析为主成分分析、偏最小二乘法分析、聚类分析、贝叶斯分析、人工神经网络分析、智能反演等。
本发明的有益效果在于：
(1)采用大数据分析揭示了低共熔溶剂木质纤维预处理机理。
(2)根据多变量之间作用关系的剖析，可实现根据低共熔溶剂的物化性质和生物质原料特性实现对低共熔溶剂预处理效果的精准预测。
(3)操作方法简单，具有普适性，能够指导基于低共熔溶剂预处理的生物质能源的大规模生产。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的说明，但本发明并不限于此。
实施例1
采用美国国家可再生能源实验室(NREL)标准程序分析收集木质纤维素类生物质原料性质参数，比如收集玉米秸秆、小麦秸秆、玉米芯、水稻秸秆、柳枝稷、芒草等源于农业的的木质纤维废弃物参数。
具有相同的氢键受体(氯化胆碱或甜菜碱)和不同的氢键供体(包括丁二醇、甘油、乙二醇、尿素、葡萄糖、甲酸、丁酸、草酸、乳酸、冰醋酸、苹果酸、柠檬酸、咪唑等)摩尔比为1:2-1:10制备一系列不同的低共熔溶剂。收集这些低共熔溶剂的分子结构参数和物化性质参数，比如相互作用能、空隙尺寸、氢键形成的焓、自扩散系数、电导率、密度、表面张力、粘度、对碳水化合物的溶解度、pH、分子量、沸点、熔点、偏心因子、氢键酸度、氢键碱度、极化率和总能量等等。
采用低共熔溶剂对木质纤维原料进行预处理。预处理温度为范围从60℃ -200℃，预处理时间从1小时-25小时，固液比为1:6-1:30。低共熔溶剂预处理效果相关参数为预处理后的木质纤维物料的主要成分含量、固体回收率、葡聚糖回收率、木聚糖回收率、木质素脱除率等。
通过对以上各数据进行大数据多变量分析得出低共熔溶剂木质纤维预处理反应机理。随着预处理反应严重程度的增加，预处理的木质素率脱除率提高，葡聚糖的回收率提高，木质纤维总的碳水化合物的回收率下降。预处理温度为与总木质素脱除率、酸溶木素脱除率、酸不溶木素脱除率呈正相关，与葡聚糖和木聚糖的回收率呈现负相关的关系。原料粒度较小的生物质经过低共熔溶剂预处理之后的木质素脱除比率更大。低共熔溶剂的理化性质依赖于官能团，并且官能团中羟基对该系统的影响最大。氢键供体中更多的羟基结构可以使低共熔溶剂形成更多的氢键，羟基的含量与葡聚糖的回收率呈正相关；氢键供体中分子链的链长较长的氢键供体形成的低共熔溶剂的预处理效果更佳。酸性的低共熔溶剂展示了更好的木质素脱除率和葡聚糖回收率。氢键供体的酸度系数越高对木质素的去除产生更积极的影响。具有较低的粘度的低共熔溶剂具有更好的脱木素效率。
实施例2
重复实施例1所述的步骤，只是源于农业的的木质纤维废弃物换成源于林业的木质纤维素原料：白杨树木浆、杉树木浆、竹子竹浆、柳树木浆、棕榈树木浆、桉木木浆。
实施例3
重复实施例1所述的步骤，只是源于农业的的木质纤维废弃物换成源于食品工业的木质纤维素原料：苹果皮、橙子皮、甘蔗渣、土豆皮、桃子皮、核桃皮。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种木质纤维低共熔溶剂预处理机理的分析方法，其特征在于，基于大数据多变量关系分析的低共熔溶剂预处理的机理研究，包括：
采集低共熔溶剂的各项物化性质相关参数；采集低共熔溶剂预处理所用木质纤维原料的特性相关参数；采集低共熔溶剂预处理反应条件相关参数；采集低共熔溶剂预处理后木质纤维的特性相关参数；采集低共熔溶剂预处理效果相关参数；基于大数据分析，找出关键变量之间的内在因果关系，揭示低共熔溶剂预处理机理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低共熔溶剂的氢键受体是氯化胆碱或甜菜碱；氢键供体是醇、酸、胺、多糖的一种或多种。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低共熔溶剂的氢键供体和氢键受体的摩尔比范围是10:1-1:50。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低共熔溶剂为二元或者三元低共熔溶剂。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木质纤维为农业、林业、食品加工业中的木质纤维素类生物质原料。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低共熔溶剂预处理反应条件相关参数为反应时间、反应温度、反应剧烈程度、固液比。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预处理后木质纤维的特性相关参数和低共熔溶剂预处理效果为木质素脱除率、葡聚糖回收率、木聚糖回收率、固体回收率、木质素含量、葡聚糖含量、木聚糖含量。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大数据多变量关系分析为主成分分析、偏最小二乘法分析、聚类分析、贝叶斯分析、人工神经网络分析、智能反演分析。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机理研究为低共熔溶剂参数、木质纤维原料参数、预处理条件参数与低共熔溶剂预处理效果参数之间的定性定量关系。
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