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紫茎泽兰作为一种有毒有害杂草,将其水解为还原糖(Total Reducing Sugars,“TRS”)应用于工业乙醇生产和医药食品方面,这一研究将是紫茎泽兰资源化利用的一个新途径。本文首先开展油浴加热-磁力搅拌辅助水解反应和超声波-微波辅助水解反应对紫茎泽兰水解制取还原糖的催化剂筛选和水解条件的研究;然后以响应面分析法优化超声波-微波辅助分子筛催化紫茎泽兰水解制取还原糖的最佳工艺条件,并建立分子筛催化紫茎泽兰制取还原糖的反应动力学模型。通过研究,获得以下主要结论:(1)在油浴加热-磁力搅拌辅助水解反应中,采用无机酸(硫酸、磷酸、盐酸)、有机酸(对甲苯磺酸、马来酸、柠檬酸)、分子筛(ZSM-5、MCM-41、Hβ)九种催化剂催化紫茎泽兰水解制取还原糖。试验表明,无机酸中硫酸催化的效果较佳,较佳的水解条件为:反应温度94℃、硫酸浓度20%、液固比40:1和反应时间7h,还原糖得率获得最大值为23.71%;有机酸中马来酸的催化效果较佳,较佳的水解条件为:反应温度95℃、催化剂浓度2.5%、液固比50:1和反应时间5h,还原糖得率获得最大值为25.33%;分子筛中ZSM-5催化的效果较佳,较佳的水解条件为:液固比160:1、催化剂用量1:1.4、反应温度90℃和反应时间3h,还原糖得率获得最大值为34.26%。(2)在超声波-微波辅助水解反应中,采用有机酸(对甲苯磺酸、马来酸、柠檬酸)、分子筛(ZSM-5、MCM-41、Hβ)六种催化剂催化紫茎泽兰水解制取还原糖。试验结果表明,有机酸中对甲苯磺酸催化效果较佳,较佳的水解条件为:反应温度70℃、催化剂浓度2%、液固比70:1、微波功率500w、超声波功率比55%和反应时间25min,TRS得率获得最大值为35.71%;分子筛中ZSM-5催化效果较佳,其较佳的水解条件为:液固比160:1、反应温度60℃、催化剂用量1:0.6、微波功率400w、超声波功率比50%和反应时间15min,TRS得率获得最大值为30.67%。与油浴加热-磁力搅拌辅助水解反应相比,超声波-微波辅助水解反应所需的温度低、所用时间缩短1~3h。(3)超声波-微波辅助分子筛催化紫茎泽兰水解制取还原糖的响应面优化试验表明,以ZSM-5为催化剂时,最佳的工艺条件为:液固比175:1、超声波功率比60%、反应时间26min、反应温度60℃、催化剂用量1:0.6和微波功率400w,还原糖得率获得最大值为31.01%;MCM-41为催化剂时,最佳工艺条件为液固比154:1、催化剂用量1:1、微波功率615w、反应温度70℃,超声波功率比50%和反应时间25min,还原糖得率获得最大值为23.58%;Hβ为催化剂时,最佳工艺条件优化为液固比142.5:1、微波功率634w、催化剂用量1:1.6、反应温度60℃、超声波功率比60%和反应时间15min,还原糖得率获得最大值为22.42%。(4)采用一阶动力学模型对超声波-微波辅助ZSM-5催化紫茎泽兰水解制取还原糖的反应动力学进行研究,得到反应动力学模型为:x=1-0)-(0.0003T-0.0045)t,通过试验及相关计算可得反应活化能Ea为25.01 k J·mol-1,频率因子A为119.85 min-1。通过对超声波-微波辅助紫茎泽兰水解反应的研究,分子筛作为一种可分离的固体酸,超声波-微波作为一种理想的工艺方式,有望应用于工业生产中优化生产工艺提高还原糖得率。