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随着社会和经济的发展,越来越多的国家开始认识到寻求清洁能源和可再生能源的紧迫性,中国是仅次于巴西和美国的世界第三大生物乙醇生产和消费国。木质纤维素是地球上最丰富、且易得的可再生资源,通过预处理、酶解糖化和发酵,可将其中的纤维素转化为生物乙醇。我国是农业大国,每年会产生大量的农作物秸秆等天然木质纤维素,但难以得到有效地资源化利用。在天然木质纤维素中,纤维素被半纤维素和木质素包裹着,自身也有很强的结晶度,预处理可以打断纤维素与其他组分之间的连接键,去除木质素和半纤维素,极大地促进纤维素的酶解糖化,提高生物乙醇的产量。因此,预处理是木质纤维素转化为燃料乙醇的关键步骤。近年来,天然深度共熔溶剂(natural deep eutectic solvent,NADES)由于其绿色环保、廉价易得,被研究人员广泛关注并应用于木质纤维素的预处理。然而目前的研究结果表明NADES预处理普遍存在效率不高的缺点,针对这一的不足,本论文开发了一种NADES与碱/尿素相结合预处理技术,使得酶解糖化效率得到大幅提升。在此基础上,进一步合成了新型的NADES应用于木质纤维素的预处理,并对其预处理的作用机制开展了系统的研究。通过本论文研究,取得主要成果和结论如下:(1)选取了氯化胆碱/丙三醇(CC/GL),氯化胆碱/脯氨酸(CC/PL),氯化胆碱/苹果酸(CC/MA)和氯化胆碱/柠檬酸(CC/CA)四种NADES对水稻秸秆进行了预处理,其中CC/CA预处理效果最好,糖化率达到43.9%。进一步将CC/CA(温度130℃,摩尔比1:5,预处理时间4 h)与碱/尿素(浓度4%/6%,温度20℃,预处理时间4 h)结合对水稻秸秆进行联合预处理,糖化率得到显著提高,达到86%,分别是CC/CA和碱/尿素单独预处理的1.95倍和2.49倍。CC/CA与碱/尿素的联合预处理中,第一步的NADES CC/CA预处理降低了后续碱/尿素预处理的条件,表明CC/CA与碱/尿素联合预处理发生了协同效应。(2)采用Hildebrand溶解度参数理论,对NADES溶解木质素的性能进行了理论计算,并基于计算结果合成了4种新型的NADES,其中氯化胆碱/柠檬酸/丙三醇(CC/CA/GL)表现出了最高的木质素去除率和最佳的水稻秸秆预处理效果。实验结果表明,在摩尔比为1:0.5:1.5、温度130℃、预处理4 h的条件下,经CC/CA/GL预处理后,糖化率高达91.6%。与CC/CA与碱/尿素联合预处理相比,CC/CA/GL预处理具有操作简单、效率高、绿色环保等优点。(3)系统研究了CC/CA/GL预处理水稻秸秆的作用机制。SEM、AFM和BET测定结果表明,新型NADES严重破坏了水稻秸秆的超微结构,大量去除了水稻秸秆的半纤维素和木质素,增加了水稻秸秆的孔隙体积和比表面积,提高了纤维素与纤维素酶的可及表面和纤维素酶的吸附率促进水稻秸秆的酶解糖化。FTIR、XRD和TG结果表明,CC/CA/GL预处理能够破坏水稻秸秆中纤维素,半纤维素和木质素之间的连接键,也包括木质素苯环结构中C=O的破坏,并改变水稻秸秆的结晶度,最终使酶解反应更易进行。