纤维素是一种重要的天然聚合物，是木质纤维素生物质中最丰富的化合物。

纤维素目前主要用于造纸和化工工业，随着葡萄糖可以转化为各种燃料和化学物质，纤维素作为生物基经济的重要碳源的兴趣正在显著增加。

目前以化石燃料储备为基础的全球能源经济缺乏可持续性，它正在导致对其未来的一系列环境、经济和地缘政治影响。

因此，诸如燃料需求的增加、气候变化和化石燃料价格的不稳定等问题，正在推动经济向生物基经济的转变。

生物经济被认为是实现能源独立，以及环境问题可持续发展和管理的最有希望的方式，为了利用纤维素生产燃料、化学品和/或材料，需要从木质纤维素基质中回收/获取纤维素。

然而，尽管高糖/淀粉含量的原料，如甘蔗和玉米很容易被水解，但纤维素需要更广泛的处理，以破坏其连接并释放葡萄糖单位。

使用水在亚临界条件下的木质纤维素生物质分馏，作为一个环境友好的过程，由于不需要额外的催化剂，快速处理和操作简单，和有限的腐蚀问题通常遇到的超临界和酸处理。

亚临界条件下的水具有与环境条件不同的有趣特性，如较高的离子常数、较低的粘度和较高的有机物种溶解度。

此外，亚临界水同时作为水解反应的溶剂和催化剂，因为其自电离产生催化水解的水合氢离子，中和步骤不是必要的，因为H+离子是温度的函数，因此，当温度下降时，自然会降低。

SBW作为潜在的溶剂正在被广泛研究，以支持生物质分馏预处理，并修饰纤维素，使其更容易水解。

后续纤维素水解，然而，通常是由无机酸或酶过程中有显著的缺点，如反应所需的长时间，腐蚀和酸的问题处理/回收、成本和酶的酶抑制在预处理。

评估使用SBW作为一种“绿色”溶剂的纤维素水解成葡萄糖，使用预处理的MxG纤维在一个生物炼制的概念。

此外，目标是开发一个理解化学反应发生在纤维素水解SBW条件下，以及评估纤维素结构在水解的作用，除了开发理解MxG的影响直接和顺序，提取葡萄糖释放和形成发酵抑制剂。

亚临界水（SBW）水解

使用的反应器采用不锈钢管和不锈钢帽建造，反应器尺寸为内径1.5cm，体长11.4cm，总体积20 mL。

蒸馏水15 mL在反应前被预热至50℃，根据加载条件，将预热后的蒸馏水与0.5-6.4%的生物量混合，并放入反应器中。

GC烤箱与普通烤箱相比，由于快速的温度上升速度和更容易的温度控制，被用来进行反应。为了减少加热时间，一旦反应器被放入烤箱，烤箱就被设置为其最高温度325℃。

然后，一旦达到目标温度190-320℃，就将烤箱设定回目标温度，这样，无论目标温度如何，所有的实验都认为温度升高的斜坡是相同的。

在每次实验中，一个只含有蒸馏水的反应器被放在烤箱中，并连接到一个热电偶，用于温度分布和控制，由于本研究中的生物质负荷较低，因此我们认为仅含水的反应器和含生物质悬浮液的反应器具有相同的温度分布。

当反应器中达到目标温度时，反应保持时间为零，在分析停留时间时，没有考虑加热时间，在停留时间完成后，反应器被放置在一个冰浴中以停止反应。

反应堆冷却时间很快，不到一分钟就能达到50-60℃，冷却反应器后，打开样品，2900g离心20 分钟。

实验设计

采用中央复合设计进行响应面法，以评估自变量的影响，优化SBW水解纤维素为葡萄糖，DoE是一种常用的数学和统计方法，用于分析依赖于几个因素的过程，并优化过程。

所使用的DoE模型包括3个因素，2个水平，在中心点和轴向点的6次重复，使用设计专家7.0.0进行统计分析和建模，评估的因素与所使用的范围相同，所使用的水平如表所示。

由于物理条件不可能运行，即-0.36 %的生物质负荷和-13分钟的停留时间，以及由于烘箱最高温度，一些点发生了变化，物品将-13分的时间改为0 ，将340℃的温度改为320℃，将-0.36%的负荷改为0.5%。

实验结果采用多项式二次方程进行分析，评价各变量的影响及其相互作用，并采用方差分析方法检验模型的显著性。

该模型通过确定的r平方系数和调整后的r平方系数，以及根据方差分析评估其显著性和缺乏拟合。

由DoE分析的反应是产生葡萄糖和HMF，以及被水解成可溶性产物的固体的量，这里命名为水解百分比，此外，还分析了每次能源部的果糖浓度、糠醛和葡萄糖产量。

一旦第一个DoE完成并进行分析，所选择的参数范围就被确定为不正确的，特别是对于温度，因此，我们进行了第二次实验设计，使用了与之前相同的变量和不同的温度水平。

再一次，一些条件被改变了： res，将-13分钟的加载时间更改为0 ，将-0.36%的加载时间更改为0.5%。

在两个DoE中进行的20个条件，包括8个析因子条件和6个轴向条件，以及在中心点的6次重复。

标记的参数值*是更改的，对Avicel、SEQ和DEL三种纤维均进行了DoE和DOE-2实验，实验在两个能源部中都以随机的顺序进行。

小间歇式反应器的加热时间

在本工作研究的温度范围内190-320℃，20 mL分批式反应器的平均加热时间见表，用连接到反应器的热电偶测量数值，在每个设定的温度下可以观察到高达1分钟的变化。

使用分批反应器的缺点之一是加热时间，因而采用小型反应器来减少加热时间对结果的影响。

将之前生物质提取用的500 mL反应器的加热时间进行比较，可以看出，20 mL反应器的加热时间要小得多。

例如，当使用20 mL反应器时，达到200℃所需的时间，从500 mL中的27分钟下降到7 min，因此，生物质能在反应器内停留的总时间减少，这可能会减少葡萄糖的进一步分解。

葡萄糖测定法： HPAEC vs葡萄糖酶测定法

HPAEC直到这个研究项目的后半部分才开始使用，为了在范围实验中评价SBW的水解，我们采用酶测定法测定葡萄糖测定。

显示了Avicel、DEL和SEQ纤维，在1%的生物量负荷和0-40分钟水解后，通过HPAEC和酶分析分析的葡萄糖含量可以看出。

在某些情况下，葡萄糖浓度与HPAEC的相关性良好，主要是当葡萄糖浓度小于0.3g/L时，对于较高的浓度值，酶促程序似乎低估了样品中的葡萄糖含量。

采用方差分析来确定HPAEC和酶测定得到的差值是否有显著性差异，计算出的Avicel、DEL和SEQ样品的p值分别为1.2.10-5、3.8.10-2和7.10-3，因此，使用95%的置信区间，两种定量方法所呈现的差异对所有三种生物量都是显著的。

酶测定中的葡萄糖定量是葡萄糖反应使用己糖激酶和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶生成NADPH的结果，NADPH与葡萄糖含量成正比，可通过吸光度进行定量。

葡萄糖含量高达0.8 g/L的样品可以在不稀释的情况下进行分析，因此，使用必要的稀释因子重新分析了具有较高葡萄糖含量的样品，这样，就可以保证，被低估的值不是样本过度集中的结果。

彩色样品和酸性样品可能会干扰酶，高停留时间的样品为深褐色和高酸性，这可以解释一些干扰。

然而，观察停留时间=40分钟的结果，在0-40分钟的停留时间中呈现出最暗的颜色，两种方法之间没有显著差异，因此，可以得出结论，颜色对结果没有很大的干扰。

酸性样品也会干扰分析，虽然SBW水解产生的样品的pH范围为2.1-4.7，但在添加实验过程中使用的缓冲液后，样品被中和，我们得出结论，pH不是结果中的一个问题。

虽然酶测定不是木质纤维素水解后葡萄糖测定的常用方法之一，但很少有报道描述该技术用于这一目的。

使用相同的酶分析方法，来定量氨纤维对玉米秸秆进行膨胀预处理和酶水解后的葡萄糖，也使用同样的酶分析来定量，石灰预解处理的甘蔗甘蔗渣和玉米秸秆中的葡萄糖。

然而，由于没有使用其他方法进行结果比较，因此没有办法知道这些研究中提出的结果是否受到潜在抑制物质的影响。

研究一些化合物的抑制作用的可能性，包括本研究样本中存在的糖，如果糖，报告说，果糖可以解释对葡萄糖的高估，因为果糖可以作为酶的底物进行竞争，然而，当果糖以较高的浓度呈现时，果糖可作为HK/G-6-PDH酶的抑制剂。

此外，研究糠醛对氧化酵母和发酵酵母代谢的影响，报告说，低浓度糠醛的存在通过抑制G-6-PDH对发酵酵母产生负面影响。

因此，有一种可能是，样品中存在的一种或多种物质对用于葡萄糖定量的一种或两种酶都有抑制作用，酶分析不适用于SBW水解中产生的样品的复杂混合物，决定仅使用HPAEC获得的结果对所有样品进行评价。

结论

对MxG直接和顺序处理获得的纤维使用亚临界水水解葡萄糖，并与纯纤维素纤维进行了比较。

SBW水解通过实验范围和实验设计进行了研究，温度和驻留时间等参数在葡萄糖的产生、进一步分解、和总水解率中起主要作用，生物量负荷在评价范围内对该过程没有显著影响。

实验的设计CCD没有显著描述反应，因此，RSM的应用和评价是不可能的。

这一结果可能是由于广泛的参数评估以及在设计中应用的修改，然而，对DoE数据的分析可以了解SBW的水解过程及其反应。

非催化的SBW水解能够解聚纤维素纤维并释放葡萄糖单体，在高温和短停留时间的条件下，达到了葡萄糖生产的最佳条件。

虽然产生了大量的葡萄糖，表明水解率高，但大部分糖进一步分解为果糖、HMF、糠醛和其他有机酸。

此外，这种分解主要是由于反应器配置，需要大量的时间来达到最佳温度，不允许在产生葡萄糖分离。

从MxG中获得的DEL和SEQ纤维进行了葡萄糖生产的评价，尽管两种芒草纤维在纤维素、木质素和半纤维素方面的组成非常相似，但SEQ纤维被证明是生产葡萄糖的最佳选择，这可能是因为在这些纤维中应用的顺序处理更容易获得纤维素纤维。

然而，与DEL相比，在SEQ纤维中也发现了更多的发酵抑制剂，如HMF和糠醛，将两种芒草纤维与纯纤维素进行比较，可以证实木质纤维素结构的纤维素即使在进行预处理后仍存在更高的水解困难。

Avicel的葡萄糖产量和抑制剂的形成量都更高，这表明纯纤维素比SEQ和DEL纤维具有更容易获得的纤维。

FTIR和PCA用于评价SBW水解对剩余纤维素纤维的影响，并证明水解条件的严重程度不仅影响可溶性产物，以及通过改变其结构和/或组成而产生的非水解纤维。

结果表明，可以应用一个综合过程，以产生主要木质纤维素成分的纯化流，同时使纤维素纤维可用于SBW水解和葡萄糖生产。

此外，SBW被发现是一种潜在有趣的替代常见的酸/酶水解过程，虽然需要改进以提高每个步骤的效率，但本工作中展示的综合过程表明，生物炼制是一个很有前途的概念来接近第二代生物乙醇生产。