CN110085285A - 一种基于木质纤维素连续反应转化低聚木糖的动力学模型 - Google Patents
一种基于木质纤维素连续反应转化低聚木糖的动力学模型 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110085285A CN110085285A CN201910349225.0A CN201910349225A CN110085285A CN 110085285 A CN110085285 A CN 110085285A CN 201910349225 A CN201910349225 A CN 201910349225A CN 110085285 A CN110085285 A CN 110085285A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- lignocellulosic
- oligosaccharide
- xylo
- kinetic model
- reaction
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C10/00—Computational theoretical chemistry, i.e. ICT specially adapted for theoretical aspects of quantum chemistry, molecular mechanics, molecular dynamics or the like
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
- G16C20/10—Analysis or design of chemical reactions, syntheses or processes
Landscapes
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Saccharide Compounds (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于木质纤维素连续反应转化低聚木糖的动力学模型。该新型模型在传统拟均相动力学模型的基础上,引入了传质系数、木质纤维素颗粒物理参数(表面积和体积)以及反应***物理参数(流速、反应器高度和半径)。本发明的动力学模型可以有效精确描述利用木质纤维素原料中半纤维素连续反应生产低聚木糖的过程,从而使生产过程更易控制,生产过程反应参数得到优化。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于木质纤维素连续反应转化低聚木糖的动力学模型,属于生化反应技术领域。
背景技术
木质纤维素生物质转化低聚木糖是利用生物、化学、物理的手段或上述几种方法相结合的方法,使得木质纤维素生物质原料的三种主要成份纤维素、木质素、半纤维素分离开。同时使得半纤维素(绝大部分为木聚糖)得以水解,切断其中的β-O-4糖苷键得到聚合度为2-7的低聚木糖。为了更好的,特别是在工业化角度控制反应的进行,优化反应参数,优化低聚木糖产率,并使生产更平稳,节省操作成本,动力学模型被引入使用。现在普遍使用的反应动力学模型是基于Saeman所提出的拟均相一级反应动力学模型。这个模型假设半纤维素转化为低聚木糖均是在均相的环境下完成的。其模型图及公式如下表示:
dXn/dt=-k1Xn (1)
dXOS/dt=k1Xn-k2XOS (2)
式中,Xn, XOS分别表示半纤维素和低聚木糖,k为反应速率常数(min-1)
虽然随后有对这个模型进行改进,比如把半纤维素分为快速降解与慢速降解两部分来进行动力学模拟,如下图及公式表示。
dHf/dt= -k1fHf (3)
dHs/dt= -k1sHs (4)
dXOS/dt= k1fHf + k1sHs-k2XOS (5)
Hf, Hs, XOS 分别代表半纤维素快速水解部分,慢速水解部分,低聚木糖,k是水解速率常数(min-1)。
但这些改进模型还只是停留在均相反应层面,因此并不能准确的描述半纤维素水解为低聚木糖过程,从而不能实现对生产过程的有效控制及参数优化。
事实上,木质纤维素原料以及其中的半纤维素并不溶于水相体系,其转化为低聚木糖的过程是一个非均相过程,在此过程中,木质纤维原料(如玉米芯)的颗粒比表面积、体积,以及反应器结构形状等,都会影响其水解转化低聚木糖效率。因此,迫切需要引入一种新型的动力学模型来描述木质纤维素原料中半纤维素水解转化低聚木糖的过程,从而使整个生产过程合理可控,参数得到优化。
发明内容
本发明的目的在于针对现有半纤维素连续反应转化低聚木糖反应动力学模型的不足,提供一种可以有效精确描述利用木质纤维素原料中半纤维素生产低聚木糖的新型动力学模型,从而使生产过程更易控制,生产过程反应参数得到优化。
本发明是通过以下技术方案来实现的:
一种可精确描述半纤维素转化低聚木糖水解连续反应动力学模型。该模型与以往的均相或拟均相模型不同,是一种非均相动力学模型,可真实描绘半纤维素(木聚糖)转化低聚木糖水解反应。该动力学模型如下图所示:
(1)
(2)
式中,Xn, XOS分别表示半纤维素和低聚木糖,k2为反应速率常数(min-1), kM 为传质系数(cm/min),As 为木质纤维素原料颗粒的比表面积(cm2/g), Vc为颗粒的体积(cm3/g),F为流速 (L/min), r 为反应器半径(cm), z 为反应器的高度 (cm)。
此新型动力学模型中,除了生化反应常规使用的反应速率常数k外,还引入了许多物理参数,包括:
木质纤维素颗粒物理参数
木质纤维素原料颗粒的比表面积AS(cm2/g)以及颗粒体积Vc(cm3/g)是影响其水解效率及传质速率的重要因素。比表面积越大,催化剂与原料特别是β-O-4糖苷键接触的几率也就越大,水解效率就越高。颗粒体积越大,催化剂(包括绿色催化剂、酶等)与原料接触阻力就越大,其水解效率就越低。因此,体积小而比表面积大的颗粒是有利于反应的进行的。因此,引入颗粒的比表面积AS(cm2/g)和颗粒体积Vc(cm3/g)就把颗粒对水解反应效率的影响因素量化了,可更精准的获得最佳反应参数。
反应***物理参数
反应***的物理参数如形状,长径比(高度和半径),连续反应体系的流速等也会对木质纤维素水解的传热效率及传质系数产生影响,进而影响其水解生成低聚木糖的效率。 反应器长径比过小,传热效率差,目标温度很难到达反应中心从而影响反应的进行;长径比过大,传质效率差,从而也会影响反应的进行。此外,在连续反应***中,反应液流速也会对传质效果产生影响,合理的流速是优化反应传质的保证。因此,引入反应器半径r(cm), 反应器的高度z(cm), 以及连续反应中的重要参数流速F (L/min)就把反应***的参数都量化了,从而更精确的控制反应的进行。
传质系数kM
木质纤维素原料在水相中的水解生成低聚木糖的反应是通过催化剂与木质纤维素原料中的半纤维素上的β-O-4糖苷键接触,切断β-O-4糖苷键,使其部分水解,随后得到聚合度为2-7的低聚木糖。但是木质纤维素原料不溶于水,其在水相中的水解反应属于非均相反应,因此导致催化剂催化剂无法与β-O-4糖苷键充分接触,水解效率并没有理想状态那么好,因此这个反应不能被单纯的认为是水解反应,还包括一个催化剂从水相中逐渐渗透到木质纤维素原料内部,并与半纤维素上的β-O-4糖苷键接触从而促使其水解的过程,这个过程即为质量传递过程,其传递速度快慢即可通过传质系数kM(cm/min)来表示。kM(cm/min)与木纤维素颗粒的大小,反应器设计与构型、以及反应参数都有关系,其值越大,说明越接近理想反应状态,其非均相反应特征可降为最小。可以说,kM(cm/min)即传质系数是木质纤维素颗粒物理参数、反应***物理参数以及反应参数的综合体现,其值如反应速率常数k一样可根据半纤维素浓度及反应获得的低聚木糖浓度等数据通过模型公式和软件(如MATALAB等)拟合获得。
本发明所达到的有益效果:
本发明的动力学模型可以有效精确描述利用木质纤维素原料中半纤维素转化生产低聚木糖的过程,从而使生产过程更易控制,生产过程反应参数得到优化。
附图说明
图1为本发明的非均相动力学模型及传统的拟均相的动力学模型MATALAB拟合图。
其中,实线为本发明的非均相动力学模型,虚线为拟均相的动力学模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
玉米芯风干粉碎至10-20目左右后,混入1.3%的马来酸和乙二醇复配绿色催化剂的水溶液,在流速为50L/min的连续反应体系180oC下进行反应。在反应时间2min, 4min, 6min,8min的时候,短链低聚木糖(DP 2-7)的产率为50.3%、52.2%、55.8%、58.6%,长链低聚木糖(DP>7)的产率为30.5%、34.7%、37.8%、40.5%。
基于此数据,本发明的新型非均相动力学模型与传统的拟均相的动力学模型进行了对比。传统的拟均相模型在描绘低聚木糖产出的时候常有偏差,因此依据此模型对反应参数进行精确调控从而优化产率。而本发明的非均相动力学控制模型在描绘、调控和预测低聚木糖的产出时比拟均相动力学模型要精准很多。数据显示,新型非均相动力学模型可精确拟合此反应条件下的短链低聚木糖(DP 2-7)的产率和长链低聚木糖(DP>7)产率,其决定系数(R2)达到0.97;而传统的拟均相动力学模型拟合效果不理想,其决定系数(R2)仅为0.47。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于木质纤维素连续反应转化低聚木糖动力学模型,其特征在于,在传统拟均相动力学模型的基础上,引入了传质系数、木质纤维素颗粒物理参数以及反应***物理参数,建立模型如下所示:
(1)
(2)
式中,Xn, XOS分别表示半纤维素和低聚木糖,k2为反应速率常数(min-1), kM 为传质系数(cm/min),As 为木质纤维素原料颗粒的比表面积(cm2/g),Vc为木质纤维素原料颗粒的体积(cm3/g),F为流速 (L/min),r 为反应器半径(cm),z 为反应器的高度 (cm)。
2.根据权利要求1所述的动力学模型,其特征在于,所述木质纤维素是通过以下反应转化为低聚木糖的:将木质纤维素与催化剂溶液混合后得到浆料,将所述浆料置于反应器中进行连续反应,所述连续反应是将浆料不断加入至反应器中,同时,不断将反应器中的反应液抽出。
3.根据权利要求2所述的动力学模型,其特征在于,所述的催化剂为质量分数为0.01%~10%的柠檬酸、苹果酸、乙醇、草酸、马来酸、乙二醇、醋酸、丙二醇、甘油或戊二醇中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的动力学模型,其特征在于,木质纤维素与催化剂溶液的质量比为1:5~20。
5.根据权利要求2所述的动力学模型,其特征在于,木质纤维素的原料包括玉米芯、玉米秸秆、麦秸秆、麦草、稻壳、稻草、甘蔗渣或柳枝稷。
6.根据权利要求5所述的动力学模型,其特征在于,所述木质纤维素的原料粒径大小为10目-1000目。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910349225.0A CN110085285A (zh) | 2019-04-28 | 2019-04-28 | 一种基于木质纤维素连续反应转化低聚木糖的动力学模型 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910349225.0A CN110085285A (zh) | 2019-04-28 | 2019-04-28 | 一种基于木质纤维素连续反应转化低聚木糖的动力学模型 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN110085285A true CN110085285A (zh) | 2019-08-02 |
Family
ID=67417304
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201910349225.0A Pending CN110085285A (zh) | 2019-04-28 | 2019-04-28 | 一种基于木质纤维素连续反应转化低聚木糖的动力学模型 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN110085285A (zh) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111063402A (zh) * | 2019-12-11 | 2020-04-24 | 上海交通大学 | 纤维增强复合材料细观尺度几何重构方法 |
CN111101394A (zh) * | 2020-01-20 | 2020-05-05 | 中国农业大学 | 一步法从木质纤维原料中分离纤维素的方法 |
CN113505518A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-10-15 | 同济大学 | 用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料制备过程的模拟方法 |
CN114317838A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-04-12 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种木质纤维素水解液的脱毒方法和脱毒装置 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101811692A (zh) * | 2010-05-05 | 2010-08-25 | 吉林大学 | 一种秸秆资源化综合利用的新方法 |
CN102766730A (zh) * | 2012-06-25 | 2012-11-07 | 攀钢集团研究院有限公司 | 一种在线预测循环真空脱气法中钢水总脱碳量的方法 |
-
2019
- 2019-04-28 CN CN201910349225.0A patent/CN110085285A/zh active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101811692A (zh) * | 2010-05-05 | 2010-08-25 | 吉林大学 | 一种秸秆资源化综合利用的新方法 |
CN102766730A (zh) * | 2012-06-25 | 2012-11-07 | 攀钢集团研究院有限公司 | 一种在线预测循环真空脱气法中钢水总脱碳量的方法 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
路贵民 等: "《铝合金熔炼理论与工艺》", 31 January 1999 * |
阮文彬: "《高温蒸煮法生产低聚糖工艺优化》", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)工程科技Ⅰ辑》 * |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111063402A (zh) * | 2019-12-11 | 2020-04-24 | 上海交通大学 | 纤维增强复合材料细观尺度几何重构方法 |
CN111063402B (zh) * | 2019-12-11 | 2021-12-03 | 上海交通大学 | 纤维增强复合材料细观尺度几何重构方法 |
CN111101394A (zh) * | 2020-01-20 | 2020-05-05 | 中国农业大学 | 一步法从木质纤维原料中分离纤维素的方法 |
CN111101394B (zh) * | 2020-01-20 | 2021-01-26 | 中国农业大学 | 一步法从木质纤维原料中分离纤维素的方法 |
CN113505518A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-10-15 | 同济大学 | 用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料制备过程的模拟方法 |
CN113505518B (zh) * | 2021-06-30 | 2022-10-25 | 同济大学 | 用于质子交换膜燃料电池催化剂浆料制备过程的模拟方法 |
CN114317838A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-04-12 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种木质纤维素水解液的脱毒方法和脱毒装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110085285A (zh) | 一种基于木质纤维素连续反应转化低聚木糖的动力学模型 | |
Brethauer et al. | Continuous hydrolysis and fermentation for cellulosic ethanol production | |
Kumar et al. | Recent advances in production of bioethanol from lignocellulosic biomass | |
KR101247245B1 (ko) | 해조류를 이용한 바이오연료의 제조 방법 | |
Zhang et al. | Simultaneous saccharification and ethanol fermentation at high corn stover solids loading in a helical stirring bioreactor | |
US20100304455A1 (en) | Ethanol producing process and apparatus | |
Yuan et al. | Densifying lignocellulosic biomass with sulfuric acid provides a durable feedstock with high digestibility and high fermentability for cellulosic ethanol production | |
WO2010059796A2 (en) | Process for producing a sugar solution by combined chemical and enzymatic saccharification of polysaccharide enriched biomass | |
Jiang et al. | Gluconic acid production from potato waste by Gluconobacter oxidans using sequential hydrolysis and fermentation | |
CN101736631A (zh) | 一种高效预处理木质纤维素的工艺 | |
CN105777674B (zh) | 一种利用微通道反应装置制备糠醛、羟甲基糠醛、乙酰丙酸的方法 | |
Marton et al. | Evaluation of the activated charcoals and adsorption conditions used in the treatment of sugarcane bagasse hydrolysate for xylitol production | |
Qing et al. | Dilute oxalic acid pretreatment for high total sugar recovery in pretreatment and subsequent enzymatic hydrolysis | |
KR101070824B1 (ko) | 바이오매스의 분별 당화 공정 및 그 장치 | |
CN104395478A (zh) | 处理生物质以生产可用于生物燃料的材料的连续或半连续方法 | |
CN101333777A (zh) | 一种在离子液体中高效水解木质纤维原料的方法 | |
CN101255479A (zh) | 一种将木质纤维素高效糖化的预处理方法 | |
CN102174594A (zh) | 一种木质纤维素类生物质高效酶水解的方法 | |
Shen et al. | High titer cellulosic ethanol production from sugarcane bagasse via DLCA pretreatment and process development without washing/detoxifying pretreated biomass | |
Dai et al. | Toward green production of xylooligosaccharides and glucose from sorghum straw biowaste by sequential acidic and enzymatic hydrolysis | |
US9976161B2 (en) | Reactor for continuous saccharification of high-solid biomass | |
CN103627735A (zh) | 一种纤维素燃料乙醇联产多种糖酸的方法 | |
Zhang et al. | Non-digesting strategy for efficient bioconversion of cassava to bioethanol via mechanical activation and metal salts pretreatment | |
CN101787086B (zh) | 一种利用发酵柠檬酸废水水解植物半纤维素的装置和方法 | |
CN104073533A (zh) | 一种低耗能的热水解生物质预处理方法及其装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20201229 Address after: 239000 No.1 Tongling West Road, Langya District, Chuzhou City, Anhui Province Applicant after: Chuzhou run Microbial Technology Co.,Ltd. Address before: Shimen Town Industrial Zone, Yuyao City, Ningbo City, Zhejiang Province Applicant before: NINGBO XINGLONG JUCHUANG ELECTROMECHANICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
TA01 | Transfer of patent application right |