文摘
果糖转换成呋喃醛是一个快速发展的概念考虑更换fossil-derived组件的紧急情况biomass-derived绿色前兆。5-hydroxymethyl糠醛(羟甲基糠醛)和乙酰丙酸(LA)是最重要的两个bio-precursors扩大下游利用现代工业。从biomass-derived糖生产是一个复杂的反应由于竞争反应的副产品。因此,他们的模拟优化流程优化的一个重要工具,它可以帮助经济的方法。在本文中,我们开发了一个数学解果糖转换,羟甲基糠醛生产,乙酰丙酸(LA)在反应环境中形成。开发模型的准确性进一步通过实验验证,发现满意的精度高。因此,开发模型可以用来模拟反应环境和产品优化给定的条件下。
1。介绍
全球变暖的担忧的现象和环境污染迫使个人将生产过程从fossil-derived C-neutral原料(1- - - - - -3]。因此,这一引人注目的问题阐述了木质生物质作为一种高效的使用和绿色替代(4- - - - - -6]。木质生物质,在这方面,是一个丰富的自然资源,碳水化合物,广泛作为森林残留物,形式的农业废弃物,宏/微藻(7,8]。这一转变了木质生物质综合溶解和分离的多糖、单糖进一步转换成不同的下游权宜之计通用化学品(9- - - - - -11]。
果糖是最简单的C6糖由纤维素的水解,得到的主要成分木质生物质(6,12]。果糖是多功能平台糖由于其生物降解性,扩展了利用环境友好特点以及丰富的可用性在本质上(13,14]。长期不同的生化药剂可以从果糖生产采用多个催化路线(15,16]。广泛的实验工作已经完成在催化果糖转化5-hydroxymethyl糠醛(羟甲基糠醛)和乙酰丙酸(LA) [15- - - - - -17]。在我们之前的研究中,这是通过实验得出结论,果糖的反应步骤转换(i)的果糖脱水5-hydroxymethyl糠醛和羟甲基糠醛生产(ii)补液洛杉矶和甲酸(FA)消耗两个H2O分子质子的环境下,如计划所示1(18]。然而,羟甲基糠醛和LA / FA的形成很大程度上取决于反应环境。质子浓度(H+尤其是],扮演着重要的角色,并有很强的温度依赖性。
实验研究是耗时,需要广泛的金融支持(19- - - - - -21]。应对这样的挑战,反应环境可以使用人工智能优化通过开发一个类似的计算环境(22- - - - - -26]。计算分析是一种经济高效的方法来解决许多耗时的问题(27- - - - - -30.]。优化参数实现计算调查期间可用于实验工作的性能(31日,32]。一个可靠的平衡计算和实验结果将有助于开发流程以更少的能源和金融痛苦(13,33- - - - - -35]。然而,计算研究需要详细的动力学数据和数学模型建立一个反应环境类似于实验条件(23,36]。羟甲基糠醛和洛杉矶是最重要的两个bioprecursor组件(37,38]。这些可以催化下的C6糖脱水产生的质子的环境(计划1)。虽然进行了大量的实验工作的转换果糖羟甲基糠醛和LA / FA,然而,商业生产羟甲基糠醛尚未意识到的39- - - - - -41]。数学建模和动力学数据评估将有助于建立一个计算反应的环境转换羟甲基糠醛和LA / FA的果糖。
基于这个动机方面,我们已经开发出一种综合动力学模型草图反应过程基于我们的实验工作18]。详细数学模型考虑了反应序列和化学计量学的反应。采用动力学数学建模,反应物种的理论解了这将帮助建立一个真正的反应环境中计算框架。开发模型将有助于优化脱水转化木质纤维素的biomass-derived糖平台化学品。这个模型可以用来作为基础工具来开发一个为其他糖反应网络模型,最终将有助于木质生物质转化为平台的化学物质。更换原料与其他糖,果糖同一个模型可以用来阐述转换的反应环境的各种C5、C6糖。
2。动力学建模
已经观察到的转换果糖进行脱水的果糖,羟甲基糠醛其次是补液LA / FA如计划所示1(18]。删除一个机械的步骤发生的水分子在每一步一个质子的环境如计划所示2。
因此,第一步是脱水的果糖羟甲基糠醛。
因此,这种转换的果糖羟甲基糠醛不进行单步但接着通过三个基本反应与一个水分子的去除在每个步骤如下: 而第二步是羟甲基糠醛的水化LA和足总消费的两个水分子。
再一次,两个水分子的消费转换的羟甲基糠醛LA / FA不进行单步所示方案2。相反,补液进行通过以下基本步骤:
除此之外主要路线,果糖会通过一些副反应降低收益率unproportioned产品。同样的,新兴的羟甲基糠醛也退化有时通过二聚或其他非化学计量反应。所有这些产品都是概括为腐殖质(42,43]。因此,腐殖质的形成从果糖和羟甲基糠醛可以表示如下:
Espenson定义的基本反应原理和o . Levenspiel [44,45),果糖转化为羟甲基糠醛的机械的基本反应方程所示(1)。羟甲基糠醛转换到洛杉矶/ FA见方程(3从果糖)和腐殖质的形成以及新产生的羟甲基糠醛可以概括为方程所示(7)(10)。(40,46]。 在哪里C代表的摩尔浓度,F是果糖,H是腐殖质,5-hydroxymethyl糠醛和羟甲基糠醛。k1,k2,k3,k4代表速率常数如计划所示1。
3所示。数学建模
果糖浓度随时间反应所得。果糖可以计算的瞬时浓度与速率方程对集成的时间”t“(44,45,47]。因此,从方程(7),
整合从一开始的反应时间间隔”t”,即。,betweent= 0t=t,
因此,方程(12)代表果糖浓度的解析解。果糖的浓度在任何时间(t)可以使用这个方程计算(12)。在这里,CF (t)是果糖的浓度一次“t”,CF (0)是初始果糖浓度时t= 0,k1和k2速率常数所示方案吗1,“t”反应的时间。
同样,可以计算羟甲基糠醛的瞬时浓度方程的解析解(8果糖)暗示时间限制类似于方程(7)。因此,从方程(8),
让 。
因此,
在这里,
将C的价值F从方程(12), 方程(16对羟甲基糠醛产量浓度)代表了分析解释。羟甲基糠醛浓度方程可以计算使用在任何时间间隔(t在一个反应)。通过方程(12)和(16)、反应物的浓度配置文件(果糖)和产品(羟甲基糠醛)可以通过模拟开发。在这些模型中,我们有以下假设:(一)这个过程是acid-catalysed和[H+)是不变时的反应(b)假设反应继续在一个固定的温度(c)所有的unproportioned产品概括为腐殖质(H)
4所示。实验进化
基于这些模型开发,控制实验是在实验室里进行。草酸被选为弱有机酸和p亚苄基酸(pTSA)作为强大的有机酸。水被选为反应溶剂由于其优秀的糖溶解能力和识别作为普遍的溶剂;因此,有选择地采用作为有机反应的溶剂。反应进行了足够的时间来确定反应参数精度高。实验数据被用来计算动力学参数采用发达MATLAB2016a模型,提出了在桌子上1。的帮助下这些预测值,这个过程的动态模拟。因此获得的结果与实验结果比较图1和图2对草酸的acid-catalysed和反应p分别对TSA催化反应。在这里,线条显示模拟值和符号代表实验结果。
图1阐明了实验结果和模型预测价值之间的良好关系。简单地说,是有区别的模型预测的值和实验结果对果糖转换和腐殖质的形成在第一个120分钟。这是因为中间形成(如计划所示2)。在这里,所有的行踪不明的物种形成通过不同的副反应(缩合、聚合和退化)称为腐殖质和计算质量的区别48]。因此,所有的中间体,是否想要的或者不想要的,被解释为腐殖质的区别。前两个小时后,一个良好的关系存在果糖转化以及腐殖质的形成。然而,对羟甲基糠醛和洛杉矶的形成,可以观察到一个令人满意的平衡图1这证明了模型的准确性和适用性。此外,线性的比较实验结果与模型预测值显示高商品的适合所有的R2值> 0.9(表1)。因此,它可以验证开发模式适合果糖转化反应受到弱酸。
它可以看到从图2有很高的实验值和模型预测结果之间的差异在第一个小时的反应,这在第二个小时迅速减少。两个小时后,两个值一致和显示精度高。然而,实验结果和模型的重叠值可以观察羟甲基糠醛生产和LA形成整个反应类似于草酸的acid-catalysed过程(图1)。这证明了开发模型精度相对强劲的酸(pTSA)催化果糖转化反应。因此,它可以验证发达也同样适用于对强酸以及弱acid-catalysed糖转化反应。动态调查羟甲基糠醛蔗糖转换的解决方案采用同质催化剂是由Abdilla-Santes et al。49]。的水解蔗糖产量克分子数相等的浓度的葡萄糖和果糖。这些糖脱水羟甲基糠醛。因此,蔗糖转换数据逻辑与本研究比较,因为果糖是一种常见的脱水反应原料。数据分析过程中观察到,大多数的实验数据与建模数据相当。只有微小的例外是观察羟甲基糠醛形成在第一个小时的反应49]。这种反常现象可以解释,因为采用的催化剂是无机酸(H2所以4),更无功在180°C的反应温度反应的初始阶段。总体来说,测试模型是准确的高兼容性实验证明,基于数据的建模平价阴谋。郭所呈现的结果等。29日)所示一样准确研究;然而,再次使用的催化剂H2所以4和无机酸作为催化剂的使用有严重的环境问题(50]。大多数情况下,使用环境友好型催化剂是主要的选择,可以实现使用有机酸催化剂或可恢复的异构催化剂(51,52]。因此,本研究旨在使用有机酸催化剂代替无机酸作为一个同质的催化剂。
它可以观察到,大多数的模型预测数据与实验数据(令人满意的平衡数据1和2)。此外,线性对比实验浓度与模型预测的值非常高的准确性的R2值> 0.9(表1)。因此,一个良好的关系与高R2证明了该模型的准确性。出于这个原因,该模型可以用来预测实验结果的准确率相对较高的强酸和弱酸催化反应。
5。结论
果糖转化前可以用一个数学模型优化试验研究。本文的解析解的瞬时浓度反应果糖和羟甲基糠醛产品开发使用动能和数学建模。这些开发的关系可以用来确定一个质子的反应的程度(H+)环境在任何时候(t)和计算环境中浓度的发展概况。开发模型进一步验证采用草酸和一个详细的实验p运输安全管理局作为催化剂。结果阐明。(我)反应物的瞬时浓度果糖理论上可以计算使用 。(2)产品的瞬时浓度羟甲基糠醛理论上可以计算使用 。(3)实验数据与模型预测值的对比分析阐明开发模型是准确预测浓度,因为所有的值R2> 0.9。因此,它可以验证所开发的解决方案是一个很好的工具来预测反应的结果。(iv)这个模型可以用来展示实际的计算环境和反应行为在果糖转换方案。(v)这个模型可以用作基线来开发新的特定模型精化的木质纤维素的biomass-derived糖(C5、C6)及其衍生物有用平台化学品。这些模型的进一步扩展将有助于展示的计算环境biomass-derived双糖和多糖。此外,该模型可以扩展到复杂的反应温度的影响反应物浓度资料,中间体和产品。
数据可用性
所需的数据包括在手稿。
的利益冲突
作者宣称他们没有利益冲突的报告对于本研究。
作者的贡献
默罕默德Sajid、Apu Chowdhury Riaz Ahmad概念化。穆罕默德Sajid, Ghulam对于和伊卜拉欣-汗开发方法。穆罕默德•Sajid阴郭亮,Riaz Ahmad负责形式分析。穆罕默德•Sajid Waqar艾哈迈德,Apu Chowdhury调查研究。默罕默德Sajid、阴郭亮和Ghulam对于负责数据管理。Riaz艾哈迈德穆罕默德Sajid,穆罕默德汗Farooq Saleem准备初稿。穆罕默德Sajid,艾莎m . Alqahtani, Md。努尔阿拉姆审查和编辑的手稿。Md。努尔阿拉姆,Muhammad Saleem汗Farooq和伊卜拉欣-汗监督研究。艾莎m . Alqahtani伊卜拉欣-汗负责项目管理。Md。努尔阿拉姆和艾莎m . Alqahtani负责融资收购。 All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.
确认
作者承认材料与化学工程学院,宜宾大学和工业生物催化重点实验室,应用化学研究所化学工程系,清华大学和公主Nourah少女阿大学研究人员支持项目数量(PNURSP2022R52),公主Nourah少女阿大学,利雅得,沙特阿拉伯提供支持来完成这个研究。