CC BY
56
УДК 662.73
ИЗУЧЕНИЕ ПОВЕДЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ СОЛОМЫ ПШЕНИЦЫ В УСЛОВИЯХ СУБКРИТИЧЕСКОГО АВТОГИДРОЛИЗА
Е.В. Чечикова, С.Н. Евстафьев, Н.В. Зорина
Иркутский государственный технический университет, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, [email protected].
Выполнено исследование поведения компонентов соломы пшеницы при экстракции водой в субкритических условиях, в интервале температур 140-330 оС, давления 10-30 МПа. Установлено, что повышение температуры, давления и продолжительности обработки приводит к увеличению выхода жидких продуктов до 76,2% на а.с.м. соломы. В условиях субкритического автогидролиза основным процессом является гидролиз полисахаридов. При 200 оС степень гидролиза пентозанов близка к 100%, а целлюлозы лишь 10,5%. Максимальная степень гидролиза целлюлозы получена при 260 оС. В этих условиях выход сахаров составил 270,7 г/кг соломы. В интервале температур 200-260 оС из биомассы соломы извлекается более 30% лигнина. Таким образом, полученные твердые остатки соломы обогащены целлюлозой, которую можно эффективно ферментативно гидролизовать. Ил. 3. Табл. 2. Библиограф. 6 назв.
Ключевые слова: субкритический автогидролиз; солома пшеницы; целлюлоза; лигни; пентозы; гексо-зы.
WHEAT STRAW COMPONENTS BEHAVIOUR UNDER SUBCRITICAL AUTOHYDROLYSIS CONDITIONS
E.V. Chechikova, S.N. Evstafev, N.V. Zorina
Irkutsk State Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074 Russia, [email protected].
Wheat straw components behavior was studied during subcritical water extraction in the range of temperature 140-330 °C and pressure of 10-30 MPa. Temperature, pressure and duration of process are the major factors that cause the increase of liquid products yield up to 76,2% on a.d.m. of straw. Degradation of polysaccharides is the main process taking place under subcritical autohydrolysis condition. The pentosanes degradation was found to be close to 100% at 200 °C while cellulose degradation was only 10,5%. The maximal cellulose degradation was registered at 260 °C. The yield of sugars was found to be 270,7 g/kg of straw under this temperature. In addition more than 30% of a lignin was extracted from the straw biomass at 200-260 °C. Thereby sub-critical autohydrolysis straw residue is enriched with cellulose suitable for enzymatic conversion. 3 figures. 2 tables. 6 sources.
Keywords: subcritical autohydrolysis; wheat straw; cellulose; lignin; pentose; hexose. ВВЕДЕНИЕ
В промышленных масштабах жидкое био- как Бразилия, США, Канада, Франция, Германия, топливо (биодизельное топливо, биоэтанол, био- Италия, Австрия, Польша, Бельгия, Чехия, Ма-газ, биометанол) уже производят такие страны лайзия и т.д. [1]. Российские же ученые пока за-
нимаются накоплением практических и теоретических знаний в данной области.
Основным этапом получения биотоплива из лигноцеллюлозного сырья является предподго-товка для последующего ферментолиза. Одним из перспективных и экологичных методов пред-подготовки является субкритическая экстракция различными растворителями, в том числе водой.
Вода в субкритических условиях (перегретая вода под давлением, обеспечивающим жидкое состояние при температурах от 100 до 374 оС) проявляет кислотные свойства [2], а, следовательно, является не только экстрагентом, но и катализатором гидролиза основных компонентов лигноцеллюлозы. При этом вода - более доступный и экономичный растворитель по сравнению с другими.
В процессе экстракции веществ из сырья растительного происхождения субкритической водой участвуют десятки, а иногда и сотни различных индивидуальных соединений, в связи с чем возникает вопрос о влиянии тех или иных компонентов исходного сырья на выход жидких продуктов и их компонентный состав.
Цель работы - исследование автогидролиза соломы пшеницы водой в субкритических условиях, изучение влияния условий обработки на процессы фрагментации полисахаридов и лигнина соломы пшеницы.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Работа выполнена с образцами соломы пшеницы крупностью 1-5 мм, предварительно высушенной в сушильном шкафу при температуре 60 оС. Компонентный состав соломы, в % на а.с.м.: целлюлоза - 37,9; лигнин - 25,8; пентоза-ны - 8,64.
Субкритический автогидролиз проводили на полунепрерывной, лабораторной установке [3] в интервале температур 140-330 оС, при давлении 10-30 МПа и продолжительности 10, 30 и 45 мин. Объем реактора 250 см3. Плотность навески соломы, загруженной в металлический сетчатый контейнер, составляла 0,1-0,15 г/см3.
Экстракцию соломы водой проводили в течение 6 ч при температуре 98 оС и давлении 0,1 МПа.
Жидкие продукты автогидролиза после отгона воды под вакуумом, экстрагировали гекса-ном для извлечения экстрактивных веществ соломы и низкомолекулярных продуктов фрагментации полисахаридов и лигнина (ГЭ), а затем этанолом. Нерастворимая в этаноле часть жидких продуктов - высокомолекулярные водорастворимые соединения (ВВР). Концентрированный этанольный экстракт смешивали с дистиллированной водой в соотношении 1:3. Из водно-спиртовой смеси центрифугированием выделяли этаноллигнин (ЭЛ). Остаток после отгона этанола исчерпывающе экстрагировали дистиллиро-
ванной водой при 98 оС с получением низкомолекулярных водорастворимых компонентов (НВР).
Твердый продукт анализировали на содержание основных компонентов: целлюлозы методом Кюршнера, лигнина сернокислотным методом в модификации Комарова, пентозанов бро-мид-броматным полумикрометодом по стандартным методикам [4]. Элементный анализ выполнен на анализаторе «VarioMicro CUBE».
Кислотный гидролиз фракций НВР и ВВР осуществляли 2 М раствором трифторуксусной кислоты [5].
Состав ГЭ и гидролизатов анализировали методом ГХ-МС на газовом хроматографе 7820 А с селективным масс-спектрометрическим детектором НР 5975 фирмы «Agilent Technologies». Энергия ионизации - 70 эВ. Температура сепаратора - 280 оС, ионного источника -230 оС. Кварцевая колонка 30000 х 0,25 мм со стационарной фазой (95% диметил- 5% дифе-нилполисилоксан). Условия анализа ГЭ: 3 мин изотермы при 50 оС с последующим подъемом температуры до 250 оС со скоростью 6 оС в мин с выдержкой в течение 40 мин при 250 оС. Условия анализа моносахаридов: 3 минуты изотермы при 125 оС с последующим подъемом температуры до 250 оС со скоростью 6 градусов в мин с выдержкой в течение 10 мин при 250 оС. В качестве внутреннего стандарта использовали ксилит. Анализировали образцы после силилирования смесью триметилхлорсилана и гексаметилдиси-лазана в среде пиридина [6]. Идентификация компонентов осуществлена с использованием библиотеки масс-спектров «NIST 11». Относительное количественное содержание компонентов во фракции вычислено методом внутренней нормализации по площадям пиков без корректирующих коэффициентов чувствительности.
Глубину протекания автогидролиза контролировали по выходу твердого продукта, выраженному в процентах к массе навески соломы, степени делигнификации - отношение массы лигнина, удаленного при обработке, к массе лигнина в исходной навеске, выраженное в процентах, степени гидролиза целлюлозы - отношение массы целлюлозы, удаленной при обработке, к массе целлюлозы исходной навески, выраженное в процентах.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
При постоянном давлении и продолжительности повышение температуры автогидролиза сопровождается увеличением выхода жидких продуктов, степени делигнификации соломы и степени гидролиза целлюлозы. Выход жидких продуктов при 140 оС лишь на 2% выше выхода водорастворимых соединений, полученных экстракцией водой при 98 оС и давлении 0,1 МПа (рис.1). При повышении температуры до 330 оС
Рис.1. Зависимость выхода жидких продуктов от температуры автогидролиза при 30 МПа и продолжительности 10 мин
выход жидких продуктов возрастает до 76,2% на а.с.м. соломы. Наиболее заметен прирост их выхода в интервале 170-260 оС, т.е. в условиях, когда вода наиболее активна как кислотный катализатор [2].
Влияние продолжительности и давления автогидролиза на выход жидких продуктов выражено слабо. Так, при 190 оС при изменении продолжительности обработки соломы субкритической водой с 10 до 45 мин выход жидких продуктов увеличился на 5%, а при повышении давления с 10 до 30 МПа - лишь на 2-3%.
Согласно полученным данным в условиях субкритического автогидролиза основным процессом является гидролиз полисахаридов. Как следствие, выход низко- и высокомолекулярных водорастворимых соединений, в которых сконцентрирована большая часть продуктов фраг-
ментации пентозанов и целлюлозы, является преобладающим. Их суммарное содержание колеблется от 88 до 95,46% на экстракт или от 13 до 67,2% на а.с.м. соломы.
Суммарный выход водорастворимых соединений, полученный экстракцией при атмосферном давлении, составил 15,1% на а.с.м., при этом преобладающей в них является фракция ВВР. В субкритических условиях ее преобладание сохраняется до 170 оС (рис. 2). При повышении температуры доля фракции снижается при одновременном повышении доли фракции НВР, что является следствием протекания процесса гидролиза.
Основным источником водорастворимых соединений в условиях автогидролиза до 260 оС являются пентозаны, которые при 170 оС гидро-лизуются на 84%, а при 260 оС - практически
Рис. 2. Зависимость выхода водорастворимых соединений от температуры автогидролиза
Состав моносахаридов гидролизатов фракций водорастворимых соединений
Таблица 1
Температура, оС Ara Xyl Man Gal Glc Fru Rha
170 1,8/1,1 16,3/22,1 0,06/0,17 1,01/1,39 9,0/20,0 0,5/0,8 0,2/0,4
200 5,7/3,0 43,7/36,9 0,09/0,16 1,85/2,83 13,8/25,3 сл сл
260 8,5/9,3 23,6/39,3 0,16/0,15 2,17/3,47 15,7/15,8 0,9/1,8 0,6/0,5
300 сл** 4,4/17,8 0,04/0,04 0,46/0,76 11,4/8,4 сл сл
330 0,5/0,2 0,9/1,4 0,02/0,01 0,24/0,08 3,3/3,4 0,5/0,1 1,6/0,2
*- в числителе в % на НВР, в знаменателе в % на ВВР; **- присутствуют в следовом количестве.
полностью.
Основными моносахаридами гидролизатов НВР и ВВР являются ксилоза, (табл. 1) что обусловлено относительно высоким содержанием ксиланов в биомассе соломы пшеницы, и глюкоза. В заметных количествах присутствуют ара-биноза и галактоза, в минорных - манноза, фруктоза и рамноза. Преобладающее суммарное содержание пентоз, образующихся при гидролизе гемицеллюлоз, наблюдается в интервале температур 140-260 оС (рис. 3), а максимальный их выход (18,3% на а.с.м. соломы) получен при 260 оС.
Целлюлоза более устойчива в условиях субкритического автогидролиза. До 200 оС она гидролизуется лишь на 10,5%, а максимальная степень гидролиза ее получена при температуре 260 оС и составляет 60%. Суммарный выход гексоз, образовавшихся преимущественно при гидролизе целлюлозы, проходит через максимум при 260 оС (рис.3). Снижение выхода пентоз и гексоз при температурах выше 260 оС обусловлено, вероятно, протеканием процессов дегидратации, меланоидинообразования и карамели-зации.
Снижение степени гидролиза и существенное повышение содержания целлюлозы в твердых остатках, полученных при температурах выше 3000С, обусловлено, вероятно, протеканием процессов конденсации. Это подтверждает
элементный анализ твердых остатков автогидролиза соломы пшеницы (табл. 2).
Согласно данным таблицы твердые остатки автогидролиза, полученные в интервале 140200 оС практически не различаются по элементному составу. Значения атомарного соотношения водорода и углерода лежат в пределах 1,321,54, а для (О/С)ат - в пределах 0,57-0,70. При повышении температуры в их составе наблюдается существенное снижение значений степени насыщенности водородом и степени окисленно-сти, что может быть следствием протекания реакций делигнифицикации и дегидратации компонентов соломы.
Наряду с гидролизом полисахаридов в условиях автогидролиза протекают процессы делигнификации соломы. Содержание лигнина в твердых продуктах автогидролиза с увеличием температуры снижается, но менее интенсивно, чем при этанолизе соломы пшеницы [3].
Содержание лигнина в твердых остатках, полученных в интервале 140-230 оС ниже, чем в исходной соломе и находится в пределах от 17,3 до 22,2%. Максимальная степень делигнифи-кации соломы составила 33%. При температурах выше 300 оС содержание лигнина резко возрастает, вероятно, вследствие образования псевдолигнина.
Низко- и высокомолекулярные продукты фрагментации лигнина сконцентрированы в
Рис. 3. Содержание пентоз и гексоз в гидролизатах водорастворимых
соединений
Характеристика твердых остатков автогидролиза соломы пшеницы
(30 МПа, 10 мин.
Таблица 2
Температура, оС Элементный состав в % (Н/С)ат (О/С)ат
С Н O N S
Исходная солома 43,80 5,22 38,27 0,79 0,100 1,43 0,66
140 45,83 5,27 38,62 0,65 - 1,54 0,70
170 46,85 5,25 38,08 0,66 - 1,34 0,61
200 47,99 5,27 36,78 0,68 - 1,32 0,57
230 60,43 4,83 26,44 1,02 0,026 0,96 0,33
330 72,15 4,35 15,16 1,18 0,103 0,67 0,16
составе ГЭ и ЭЛ соответственно. Содержание ЭЛ с увеличением температуры в условиях автогидролиза возрастает проходя через максимальное значение 6,35% на а.с.м. при 300 оС. При дальнейшем повышение температуры выход уменьшается практически в 2 раза при одновременном увеличении выхода ГЭ до 4,4% на а.с.м. при 330 оС.
По данным ГХ-МС гексанорастворимые продукты автогидролиза представлены карбоно-выми кислотами С6-С18, алканами С17-С35, сложными эфирами, кетонами, спиртами и ароматическими соединениями, среди которых в преобладающих количествах присутствуют одноатомные фенолы.
Доля алканов в экстракте, выделенном при атмосферной экстракции составляет 89,3%. При увеличении температуры в субкритических условиях их доля снижается до 31,2%, а содержание фенольных соединений увеличивается с 7,4% до 60% на экстракт при 330 оС.
1. Перспективы использования суб- и сверхкритических флюидных сред при получении биодизельного топлива / Ф.М. Гумеров [и др.] // Сверхкритические флюиды: Теория и Практика. 2006. Т. 1. № 1. 66-76 с.
2. Water structure and science. Martin Chaplin. [Электронный ресурс]. / - Режим доступа: http://www.lsbu.ac.uk/water/phase. (24.06.2013).
3. Евстафьев С.Н., Фомина Е.С., Привалова Е.А. Этанолиз пшеничной соломы в условиях до- и сверхкритической экстракции // Химия растительного сырья. 2011. № 4. 15-18 с.
Наряду с этим, в субкритических условиях происходит гидролиз сложных эфиров, о чем свидетельствует увеличение доли карбоновых кислот. Их максимальное содержание получено при 270 оС и составляет 20,8% на экстракт.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполненной работы установлено, что в условиях субкритического автогидролиза основным процессом превращения биомассы соломы является гидролиз полисахаридов. При 200 оС степень гидролиза пентозанов близка к 100%, а целлюлозы составляет 10,5%. Максимальная степень гидролиза целлюлозы получена при 260 оС. В этих условиях выход сахаров составил 270,7 г/кг соломы. В интервале температур 200-260 оС из биомассы соломы извлекается более 30% лигнина. Таким образом, полученные твердые остатки соломы обогащены целлюлозой, которую можно эффективно фер-ментативно гидролизовать.
ЖИЙ СПИСОК
4. Оболенская А.В., Ельницкая З.П.,. Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы: учеб. пособие для вузов. М.: Экология, 1991. 320 с.
5. Иванова Н.В., Попова О.В., Бабкин В.А. Изучение влияния различных факторов на выход и некоторые характеристики пектиновых веществ коры лиственницы // Химия растительного сырья. 2003. № 4. С. 43-46.
6. Оводов Ю.С. Газожидкостная хроматография углеводов. Обзор. Владивосток: Изд-во АН СССР, 1970. 70 с.
Поступило в редакцию 24 июня 2013
