CC BY
2СО РАН), julja.gismatulinadog rambler.ru, ул. Социалистическая, 1, Бийск, 659322, Россия. Тел. (3854) 30-59-85.
Золотухин Владимир Николаевич, старший научный сотрудник лаборатории биоконверсии, кандидат технических наук Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), ул. Социалистическая, 1, Бийск, 659322, Россия. Тел. (3854) 30-15-28.
Роговой Марк Семенович, директор по развитию Закрытого акционерного общества «СЭУС», пр. Ленина, д. 156-а, а/я 2170, г. Барнаул, 656037, тел. (3852) 50-03-01, факс (3852) 3351-80.
Мельников Алексей Витальевич, генеральный директор, кандидат технических наук Закрытого акционерного общества «СЭУС», пр. Ленина, д. 156-а, а/я 2170, г. Барнаул, 656037,. тел. (3852) 50-03-01, факс (3852) 33-51-80.
УДК 661.728.7:577.152.3
ИССЛЕДОВАНИЕ КИСЛОТНОГО И ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА ПЕЛЛЕТ ИЗ РАПСОВОЙ СОЛОМЫ
В.В. Будаева1, Е.И. Макарова1, Е.А. Скиба1, Г.В. Сакович1, В.В. Симирский2, Д.Л. Лисовский2, О.А. Ивашкевич3
Исследован кислотный и ферментативный гидролиз различными ферментными препаратами и их композициями пеллетированной формы рапсовой соломы. Установлено, что пел-леты могут быть успешно переведены в глюкозо-пентозный гидролизат с преимуществом глюкозы посредством как кислотного, так и ферментативного гидролиза с выходом редуцирующих веществ до 31 % в пересчете на массу сырья или до 58 % в пересчете на массу гидролизуемых компонентов. Определены оптимальные условия кислотного гидролиза и наиболее эффективная мультиэнзимная композиция для ферментативного гидролиза пеллет. Показано, что избыток ферментных препаратов способствует росту выхода редуцирующих веществ.
Ключевые слова: рапсовая солома, пеллеты, кислотный гидролиз, ферментативный гидролиз, ферментные препараты, мультиэнзимные композиции, редуцирующие вещества, ксилоза.
ВВЕДЕНИЕ
Из-за высокой прочности клеточной стенки преобразование лигноцеллюлозной биомассы в жидкие биотоплива является сложным процессом и, следовательно, объектом многих исследований [1-3]. Более простым техническим решением является прессование измельченного рыхлого растительного сырья в твердое топливо с плотностью 0,8-1,2 кг/м3 [4] с целью подготовки для сжигания в традиционных печах или котлах особой конструкции. Эти два пути переработки лигноцеллюлозного сырья не являются взаимоисключающими.
В Республике Беларусь отходы переработки злаковых и масличных культур являются самыми распространенными видами недревесного сырья. Сотрудниками НИИ ФХП БГУ разработана технология получения твердого топлива (топливные гранулы - пеллеты) на основе биомассы рапса и соломы злаковых культур. В соответствии с действующей в Республике Беларусь государственной программой «Биоэнергетика» средняя мощность
отдельных предприятий по брикетированию сырья достигла 10000 т гранул в год.
Следует отметить, что исследования гидролиза прессованных форм растительного сырья практически отсутствуют в литературе, за исключением результатов химического гидролиза брикетированных отходов переработки злаков и мискантуса [5, 6].
Ранее нами было показано, что гидроли-заты с преимуществом глюкозы можно получать при ферментации технических целлюлоз недревесного сырья на примере плодовых оболочек овса и российского мискантуса [7-9].
Целью данной работы являлось исследование химического и ферментативного гидролиза пеллет из рапсовой соломы.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Объектом исследования являлась пелле-тированная форма рапсовой соломы, предоставленная сотрудниками Белорусского государственного университета в 2011 году.
Анализ пеллет (зольности, массовой доли
(м.д.) кислотонерастворимого лигнина, м.д. жировосковой фракции (ЖВФ), м.д. целлюлозы по Кюршнеру, м.д. пентозанов (в пересчете на абсолютно сухое вещество) проводили по стандартным методикам [10].
Определение м.д. аминокислот в пелле-тах проводили методом капиллярного электрофореза детектированием фенилтиокарбо-нильных производных в УФ-области спектра при длине волны 254 нм на приборе «КАПЕЛЬ 105 М». По полученным результатам рассчитывали м.д. сырого протеина.
Исследование химического гидролиза проводили в кислой среде с использованием различных катализаторов с варьирующейся концентрацией в автоклаве объемом 60 см3 при температурах 150-240 °С при гидромодуле 8,5-10,0. Нагревание автоклава проводили в муфельной печи SNOL 6,7/1300.
По окончании химического гидролиза пеллет гидролизат отделяли от лигноцеллю-лозного остатка посредством фильтрования, после чего определяли концентрацию редуцирующих веществ (РВ) эбулиостатическим методом [11].
Исследование ферментативного гидролиза проводили с использованием ферментных препаратов (ФП) и их композиций следующим образом: в колбу емкостью 500 мл помещали пеллеты массой 5 г в пересчете на абсолютно сухое вещество, 150 мл ацетатного буфера (pH 4,7) и индивидуальный или смесь ФП; гидролиз проводили при температуре (50±2) °C, в течение 72 ч при постоянном перемешивании на платформе ПЭ-6410 М с частотой колебания 150 мин-1.
Перечень индивидуальных ФП: «Брю-займ BGX» (производитель «Polfa Tarchomin Pharmaceutical Works S.A.», Польша, для компании «Diadic International Inc.», США), «Целлолюкс-А» (производитель ООО ПО «Сиббиофарм», Россия, г. Бердск), «Рапида-за CR» (производитель «DSM Food Specialties B.V. Beverage Ingredients», Нидерланды).
В соответствии с паспортом «Брюзайм BGX» является «грибной гемицеллюлазой,
препарат содержит высокий уровень кси-ланазы, необходимой для разрушения ара-биноксиланов, дополнительную активность р-глюканазы, необходимой для разрушения глюканов, и целлюлазы для гидролиза целлюлозы зерна». В соответствии с информацией завода производителя ПО «Сиббиофарм» (г. Бердск Новосибирской обл.) «ЦеллоЛюкс-А» содержит в своем составе комплекс ферментов целлюлазно-глюконазно-ксиланазного действия. Информация о составе ФП «Рапи-даза CR» ограничена следующим: «препарат является высокоактивным комплексом пекто-литических и гемицеллюлазных ферментов».
Отбор проб суспензии осуществляли периодически для определения концентрации РВ в пересчете на глюкозу спектрофотометри-ческим методом с использованием динитроса-лицилового реактива на приборе «UNICO UV-2804» (США).
По окончании гидролиза суспензию фильтровали и в фильтрате определяли концентрацию РВ вышеуказанным методом и концентрацию пентоз железоорсиновым способом [10].
Выход РВ рассчитывали с учетом коэффициента 0,9 от массы субстрата и от массы гидролизуемых компонентов. Выход ксилозы в гидролизате через 72 ч ферментации рассчитывали с учетом коэффициента 0,9 от м.д. пентозанов в пеллетах.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Химический состав пеллет рапсовой соломы (внешний вид - рисунок 1) представлен в таблице 1.
Рисунок 1 - Фото пеллет рапсовой соломы Республики Беларусь
Таблица 1 - Химический состав пеллет рапсовой соломы (анализ ИПХЭТ СО РАН и НИИ ФХП
БГУ) и рапсовой соломы [12]
Наименование субстрата Массовая доля (а.с.с.), %
зола лигнин целлюлоза по Кюршнеру пентозаны ЖВФ
Пеллеты 3,9** 27,4 45,6 16,5 4,6
Рапсовая солома 4,3** 18,5* 39,3* (по Гуго-Мюллеру) 20,2* -
Примечание: а.с.с. - в пересчете на абсолютно сухое сырье; * - результаты статьи [12], ** -результаты анализа НИИ ФХП БГУ
Сравнение химического состава пеллет с литературными данными для рапсовой соломы [12] показало, что данные пеллеты характеризуются повышенным значением м.д. лигнина (27,4 % против 18,5 %), а также пониженным содержанием пентозанов (16,5 % против 20,2 %). Негидролизуемые примеси (зола, кислотонерастворимый лигнин и ЖВФ) пеллет составили в сумме 36 %. Сумма м.д. целлюлозы (определенной по Кюршнеру) и м.д. пентозанов - гидролизуемых компонентов - 62 %.
Дополнительно были определены м.д. сырого протеина (4,5 %) и аминокислотный состав в пеллетах (таблица 2), что подтверждает сложность химического состава такого вида субстрата: кроме целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина присутствуют липиды (ЖВФ - 4,6 %) и белки (4,5 %).
52,9 % от массы гидролизуемых компонентов) при концентрации 1,5 масс. % и оставался практически неизменным или даже несколько снижался при дальнейшем увеличении концентрации серной кислоты в растворе.
22 20 18 16 as 14 m
о- 12
ч
о 10
X
2 8 m
6 4
2
Таблица 2 - Аминокислотный состав пеллет
Аминокислота Массовая доля, %
Сырой протеин 4,5
Аргинин (Arg) 0,30
Лизин (Lys) 0,14
Тирозин (Tyr) 0,11
Фенилаланин(Phe) 0,15
Гистидин (His) 0,14
Лейцин и Изолейцин суммарно (Leu+Ile) 0,38
Метионин (Met) 0,07
Bалин (Val) 0,19
Пролин (Pro) 0,26
Треонин (Thr) 0,20
Серин (Ser) 0,24
Аланин (Ala) 0,25
Глицин (Gly) 0,19
Pисунок 2 - Зависимость выхода PB от температуры (в среде 2 %-ной H2SO4 при 240 "С)
КИСЛОТНЫМ ГИДРОЛИЗ
Исследование зависимости выхода РВ от температуры проводили в кислой среде при концентрации серной кислоты 2 масс. % в течение 1 ч. Было обнаружено, что с ростом температуры выход РВ увеличивался и достигал максимального значения 21,0 % к массе сырья (рисунок 2) или 55,7 % к массе гидролизуемых компонентов при 240 °С.
Было изучено влияние концентрации серной кислоты на выход РВ при температуре гидролиза 240 °С. Результаты опытов представлены в виде графика зависимости выхода РВ от концентрации Н^04 (рисунок 3). При этом установлено, что в диапазоне концентраций кислоты 0,25-5,0 масс. %; выход РВ достигал своего максимума (21,2 % от массы сырья или
с, масс. %
Рисунок 3 - Зависимость выхода РВ от концентрации серной кислоты в растворе (при 240 °С в течение 1 ч)
Изучение временной зависимости выхода РВ показало, что при температурах гидролиза 210-240 °С выход РВ достигал своего максимального значения при продолжительности гидролиза 60 мин при 240 °С и 90 мин при 210230 °С. При увеличении продолжительности гидролиза содержание РВ уменьшалось, что связано с деструкцией сахаров. При снижении температуры гидролиза до 160 °С выход РВ значительно уменьшался. Так, при использовании 1,5 %-ной серной кислоты за 60 мин гидролиза выход РВ составлял лишь 0,4 %, тогда как за 120 мин - уже 10,3 %. Использование кислоты более высоких концентраций (5,0%) позволяло достигать приемлемого выхода РВ (20,0 %) за 120 мин гидролиза (таблица 3).
Таблица 3 - Выход РВ к массе сырья в различных условиях гидролиза
Температура, оС ' Концентрация н^о4, % Время гидролиза, ч
0 0,25 0,5 0,75 1 1,5 2 3
Выход РВ к массе сырья, %
210 2 0 0,2 1,5 5,2 15,7 19,6 13,5 -
230 2 0 0,2 4,1 10,3 12,4 16,6 11,5 -
240 2 0 0,1 3,8 14,4 21,0 12,8 9,9 -
160 1,5 - - - 0,2 0,4 - 10,3 12,4
160 5 - - - 4,1 - 20,0 23,5
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ ГИДРОЛИЗ
Ранее на примере необработанного ми-скантуса нами было показано, что наиболее успешной для ферментативного гидролиза полисахаридов сырьевых субстратов, представляющих матрицу из трех полимеров (целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина), является мультиэнзимная композиция (МЭК № 3), состоящая из смеси трех ФП: «Брюзайм BGX», «Целлолюкс-А», «Рапидаза CR» [13].
Рапсовая солома отличается от мискан-туса более сложным химическим составом, поскольку представляет собой отходы переработки масличного сырья в процессе отделения зерна от стеблей. Данный вид сырья может содержать и «осколки» семян рапса, а это дополнительно 35-50 % жира, 18-31 % сбалан-
Опыты №№ 1-2 проведены с индивидуальным ФП «Брюзайм BGX» и МЭК в количествах, рекомендуемых паспортами индивидуальных ФП. Известно, что при ферментативном гидролизе ферменты могут необратимо связаться с лигнином через гидрофобные взаимодействия, которые вызывают потерю их активности. Предполагается, что такое непродуктивное связывание ферментов с лигнином отвечает за потребность в большем количестве ФП [2]. Поэтому опыты №№
сированного по аминокислотам белка, 5-7 % целлюлозы на каждую единицу массы зерна. В процессе брикетирования такого неоднородного сырья образуются прочные, очень твердые на ощупь пеллеты с гладкой блестящей поверхностью.
Следует отметить повышенное содержание кислотонерастворимого лигнина в пелле-тах рапсовой соломы в сравнении с пеллетами мискантуса или плодовых оболочек овса [5, 6].
В связи с вышеизложенным исследование ферментативного гидролиза проводили с использованием различных индивидуальных ФП, их композиций, кроме того, с разными концентрациями этих ФП или их смесей. В таблице 4 приведены условия ферментативного гидролиза.
3-6 проведены с ФП, добавленными в избытке.
Результаты ферментативного гидролиза пеллет приведены в виде зависимостей концентрации РВ от продолжительности процесса на рисунке 4 (макрокинетические кривые расположены в порядке увеличения выхода РВ). Конечные (через 72 ч) концентрация РВ, выход РВ к массе субстрата и гидролизуемых компонентов, а также концентрация и выход ксилозы (за исключением опытов 1 и 2) приведены в таблице 5.
Таблица 4 - Условия ферментативного гидролиза пеллет рапсовой соломы
№ Название ФП или МЭК Количество ФП или МЭК Примечание
1 «Брюзайм BGX» 0,02 мл 0,02 г - норма
2 «Брюзайм BGX»+«Целлолюкс-А»+«Рапидаза CR» 0,02 мл+0,02 г+0,05 мл 0,09 г - норма
3 «Брюзайм BGX» 2 мл 2,0 г - избыток
4 «Брюзайм»+«Целлолюкс-А» 0,8 мл+0,8 г 1,6 г - избыток
5 «Брюзайм»+«Целлолюкс-А» 2 мл+2г 4,0 г - избыток
6 «Брюзайм BGX»+«Целлолюкс-А»+«Рапидаза CR» 2 мл+2 г+0,5 мл 4,5 г - избыток
О 3 16 24 32 40 48 56 64 72
Продолжительность, ч
—м— норма "Брюзайм ВОХ", 0,02 г;
—■— норма "Брюзайм ВОХ"+иЦе]шошокс-А"+"Раш1даза 0,09 г;
—"Брюзайм ВСгХ", 2,0 г;
—А— "БрюзаймВОХ"+"Цешолюкс-А", 1,6 г;
♦ "Брюзайм ВОХ"+"Цешолюкс-А", 4,0 г;
♦ "БрюзаймВОХ"+"Цешолюкс-А"+"Рат1дазаСР", 4,5 г
Рисунок 4 - Зависимость концентрации РВ в пересчете на глюкозу от продолжительности ферментации пеллет различными ФП и МЭК
Самые низкие результаты получены с использованием индивидуального ФП «Брюзайм BGX» (0,02 г): концентрация РВ возросла в
первые 8 ч до 1,0 г/л и далее медленно нарастала к 32 ч до 1,8 г/л, следующие 40 ч увеличилась всего на 0,2 г/л., т.е. спустя 72 ч достигла 2,0 г/л. Выход РВ к массе гидролизуемых компонентов составил всего 10 %.
Использование МЭК (опыт № 2) в концентрации, рекомендуемой паспортами индивидуальных «Брюзайм BGX», «Целлолюкс-А», «Рапидаза CR» (сумма ФП составила 0,09 г), позволило ускорить процесс: концентрация РВ через 8 ч достигла 1,6 г/л, через 32 ч - 3,0 г/л, кинетическая кривая практически вышла на плато. Выход РВ через 72 ч в 1,5 раза больше, чем в опыте с индивидуальным ферментом, 15 %.
Увеличение концентрации ФП «Брюзайм BGX» в 10 раз (2,0 г) значительно ускорило гидролиз. После резкого подъема концентрации РВ за первые 16 ч до 3,7 г/л зависимость концентрации от времени продолжала расти до 64 ч, достигнув 5,8 г/л, затем вышла на плато, конверсия гидролизуемых компонентов составила 29 %.
Таблица 5 - Результаты ферментативного гидролиза пеллет через 72 ч
Концентрация РВ, г/л Выход РВ к массе,% Ксилоза
№ опыта субстрата гидролизуемых компонентов
Концентрация, г/л Выход,%
1 2,00 5,4 10,0 - -
2 3,05 8,2 15,2 - -
3 5,80 15,7 29,1 0,93 15,2
4 7,50 20,3 37,7 1,08 17,7
5 11,05 29,8 55,3 0,88 14,4
6 11,60 31,3 58,1 0,97 15,8
Добавление к «Брюзайму BGX» ФП «Целлолюкс-А» (опыт № 4) позволили провести ферментный гидролиз более успешно, хотя масса суммы ФП меньше, чем масса индивидуального ФП в опыте № 3: 1,6 г против 2,0 г. Концентрация РВ уже через 8 ч превысила 3,5 г/л, затем при продолжительности 48 ч достигла 7,0 г/л, к концу процесса - 7,5 г/л, что соответствовало выходу РВ в пересчете на ги-дролизуемые компоненты 38 %.
Сравнение опытов с применением избытка смеси «Брюзайм BGX»+«Целлолюкс-А» между собой (№ 4 и № 5) показывает превосходство большего количества смеси ФП, а именно: разница в концентрациях РВ 3,0 г/л, установившаяся через 24 ч с начала процесса, достигла 3,5 г/л в финале (выход РВ опыта № 5 в 1,4 раза выше 55 % против 38 %).
Еще более успешные результаты гидролиза были получены с использованием МЭК (опыт № 6): первые 16 ч почти прямой отрезок зависимости концентрации РВ от времени реакции от 0 до 9,6 г/л, затем быстрый выход на плато при продолжительности 32 ч с достижением концентрации РВ 11,2 г/л. Другими словами, спустя уже 32 ч был достигнут высокий выход РВ от гидролизуемых компонентов -49 %, 72 ч - 58 %.
Сравнение конечных выходов РВ в опытах №№ 3-6 с результатами опытов №№ 1-2 (таблица 5) демонстрирует преимущество использования МЭК и добавления их в избытке: выход повышается в 2-4 раза (29-58 %) по сравнению с выходом РВ в опытах с нормой ФП (10-15 %).
Следует обратить внимание на низкую
концентрацию ксилозы в конечных гидроли-затах для всех опытов №№ 3-6, а именно: в пределах 0,93-1,08 г/л (таблица 5). По нашим представлениям в опытах с использованием гемицеллюлаз легкогидролизуемый компонент - пентозаны - должны были обеспечить максимальный вклад в выход РВ (до 26 % от концентрации РВ). Но по факту выход ксилозы в пересчете на пентозы составил всего 1418 %, что позволило полученные гидролизаты охарактеризовать глюкозно-пентозными с преимуществом глюкозы.
ВЫВОДЫ
В результате проведенных исследований установлено, что брикетированная форма отходов переработки масличного сырья (на примере рапсовой соломы) может быть успешно конвертирована в глюкозо-пентозный гидро-лизат с преимуществом глюкозы посредством как кислотного, так и ферментативного гидролиза с выходом РВ до 31 % в пересчете на массу сырья или до 58 % в пересчете на массу гидролизуемых компонентов.
Определены оптимальные условия кислотного гидролиза и наиболее производительные смеси доступных ферментных препаратов для гидролиза пеллет рапсовой соломы: «Брюзайм BGX»+«Целлолюкс-А» и «Брюзайм BGX»+«Целлолюкс-А»+«Рапидаза CR».
Показано, что избыток биокатализаторов способствует гидролизу с повышением выхода РВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Будаева В.В., Митрофанов Р.Ю., Золотухин В.Н. Исследование ферментативного гидролиза отходов переработки злаков // Ползуновский вестник.
- 2008. - № 3. - С. 322-327.
2. Hu F., Ragauskas A.J. Pretreatment and lignocellulosic chemistry // Bioenerg. Res. - 2012. - 5.
- Р 1043-1066.
3. Jordan D., Borman M.J., Braker J.D. et al. Plant cell walls to ethanol // Biochemical Journal. -2012 -442. - Р 241-252.
4. Сакович Г.В., Ильясов С.Г., Василишин М.С., Будаева В.В., Егоров В.Ю. Результаты комплексной переработки биомассы // Ползуновский вестник. -2008. - № 3. - С. 259-266.
5. Будаева В.В., Гора А.А., Митрофанов Р.Ю., Василишин М.С., Егоров В.Ю. Химический гидролиз брикетированной шелухи овса / Химия XXI век: новые технологии, новые продукты: материалы XII науч.-практ. конф., г Кемерово, 21-24 апреля 2009 года. - Кемерово: КузГТУ, 2009 - С. 24-27.
6. Гора А.А., Будаева В.В., Митрофанов РЮ. Химический гидролиз недревесного целлюлозо-содержащего сырья / Технологии и оборудование
химической, биологической и пищевой промышленности: материалы 2-й Всеросс. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, г Бийск, 14-15 мая 2009 года. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-т, 2009. - С 139-145.
7. Скиба Е.А., Будаева В.В., Павлов И.Н., Макарова Е.И., Золотухин В.Н., Сакович ПВ. Получение ферментативных гидролизатов технических целлюлоз мискантуса и их спиртовое брожение // Биотехнология. - 2012. - № 6. - С. 42-52.
8. Макарова Е.И. Результаты ферментации целлюлозы мискантуса в ацетатном буфере и водной среде // Химия в интересах устойчивого развития. - 2013. - Т. 21, № 2. - С. 219-225.
9. Макарова Е.И., Будаева В.В., Скиба Е.А. Ферментативный гидролиз целлюлоз из плодовых оболочек овса при различных концентрациях субстрата // Химия растительного сырья. - 2013. - № 2. - С. 43-50.
10. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леоно-вич А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. - М.: Экология, 1991. - С. 73-74, 106108, 176-179, 184-187.
11. Вешняков В.А., Хабаров Ю.П., Камакина Н.Д. Сравнение методов определения редуцирующих веществ: метод Бертрана, эбулиостатический и фотометрический методы // Химия растительного сырья. - 2008. - № 4. - С. 47-50.
12. Торгашев В.И., Перт Е.В., Зубец О.В., Ка-пуцкий Ф.Н. Сравнительное исследование условий выделения, морфологии и свойств целлюлозы из стеблей злаковых и масличных культур // Химия растительного сырья. - 2009. - № 4. - С. 45-54.
13. Макарова Е.И., Будаева В.В., Митрофанов РЮ. Использование мультиэнзимных композиций для гидролиза нетрадиционного целлюлозосодер-жащего сырья // Ползуновский вестник. - 2010. - № 4-1. - С. 192-198.
Будаева Вера Владимировна, заведующая лабораторией биоконверсии, кандидат химических наук, доцент Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), budaeva@ipcet.ru, ул. Социалистическая, 1, Бийск, 659322, Россия. Тел. (3854) 30-59-85, факс (3854) 30-17-25.
Макарова Екатерина Ивановна, младший научный сотрудник лаборатории биоконверсии, аспирант Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), massl@mail.ru, ул. Социалистическая, 1, Бийск, 659322, Россия. Тел. (3854) 30-59-85, факс (3854) 30-17-25.
Скиба Екатерина Анатольевна, старший научный сотрудник лаборатории биоконверсии, кандидат технических наук, доцент Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических техно-
логий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), eas08988@mail.ru, ул. Социалистическая, 1, Бийск, 659322, Россия. Тел. (3854) 30-15-28.
Сакович Геннадий Викторович, научный руководитель ИПХЭТ СО РАН, советник РАН, академик РАН Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), ул. Социалистическая, 1, Бийск, 659322, Россия. Тел. (3854) 30-59-55, факс (3854) 31-70-70.
Симирский Владимир Викторович, заместитель директора по научной работе, кандидат химических наук учреждения Белорусского государственного университета «Научно-исследовательский
УДК 676.166.7
институт физико-химических проблем», simirski@ bsu.by, 220030, Республика Беларусь, г. Минск, ул. Ленинградская, 14. Тел. (375-17) 226-55-67.
Лисовский Дмитрий Леонидович, младший научный сотрудник сектора альтернативных видов топлив, магистр учреждения Белорусского государственного университета «Научно-исследовательский институт физико-химических проблем», fhp.avt@ gmail.com, 220030, Республика Беларусь, г Минск, ул. Ленинградская, 14. Тел. (375-17) 209-53-02.
Ивашкевич Олег Анатольевич, проректор по научной работе, доктор химических наук, академик НАН Беларуси Белорусского государственного университета, nauka@bsu.by, 220030, Республика Беларусь, г. Минск, пр. Независимости, 4. Тел. (37517) 209-52-11.
ГИДРОТРОПНЫИ СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
М.Н. Денисова, В.В. Будаева, С.Г. Ильясов, В.А. Черкашин, Г. В. Сакович
Проведена гидротропная переработка мискантуса с получением двух полимеров. Приведены условия выделения и основные характеристики лигноцеллюлоз и технических целлюлоз. Установлен состав гидротропного лигнина, спектральными методами анализа охарактеризована его структура. Исследовано экстрагирование лигнина разными растворителями. Ключевые слова: мискантус, гидротропная варка, техническая целлюлоза, лигнин.
ВВЕДЕНИЕ
Среди способов получения целлюлозы из недревесного целлюлозосодержащего сырья (ЦСС), разрабатываемых в ИПХЭТ СО РАН, наибольший интерес представляет гидротроп-ный. Исследования гидротропного способа переработки растительного сырья направлены на возможность получения одновременно двух продуктов: целлюлозы и лигнина.
Целью данной работы являлось проведение комплексной переработки мискантуса в целлюлозу и лигнин методом гидротропной варки.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве сырья для получения целлюлозы и лигнина использовался мискантус китайский (Веерник китайский Miscanthus sinensis - Anders), урожая 2008 г., выращенный на плантациях Института цитологии и генетики СО РАН в Новосибирской области [1]. Перед началом работы сырье измельчали в сечку размером 10-15 мм.
Химический состав: массовая доля (м.д.) кислотонерастворимого лигнина составляет
19,1 % (в пересчете на абсолютно сухое сырье - а.с.с.), м.д. целлюлозы по Кюршнеру (а.с.с.) - 57,4 %, м.д. золы (а.с.с.) - 3,9 %, м.д. пентозанов (а.с.с.) - 23,3 %.
Предгидролиз проведен без выдержки по времени при температурах 140 °С, 160 °С и 180 °С, модуль 1:8. Полученную лигно-целлю-лозу (ЛЦ) промыли дистиллированной водой до обесцвечивания промывных вод, отжали, высушили и передали на стадию гидротроп-ной варки.
Гидротропная варка полученной лигно-целлюлозы проводилась с 30 %-ным раствором бензоата натрия при 160 °С в течение 3 ч, модуль 1:15. Техническая целлюлоза (ТЦ) была промыта сначала порцией гидротропно-го раствора, затем дистиллированной водой, отжата и высушена для определения характеристик.
М.д. кислотонерастворимого лигнина (а.с.с.), золы (а.с.с) определяли в исходном сырье, ЛЦ и ТЦ по стандартным методикам анализа [2].
Подробное описание способа и схема по-стадийного проведения процесса приведены
