[发明专利]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

说明书

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）以及反应系统物理参数（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。

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。

dH_f/dt= -k_1fH_f (3)

dH_s/dt= -k_1sH_s (4)

dXOS/dt= k_1fH_f + k_1sH_s-k₂XOS (5)

H_f, H_s, 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。