CC BY
65
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 630*863
А. А. Богданович, Л. А. Конопелько, В. С. Болтовский
Белорусский государственный технологический университет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА СОЛОМЫ ЗЕРНОВЫХ И МАСЛИЧНЫХ КУЛЬТУР, РАЙОНИРОВАННЫХ В РЕСПУБЛИКЕ БЕЛАРУСЬ, И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЕЕ ПЕРЕРАБОТКИ
Определен компонентный состав соломы различных видов и сортов, районированных в Республике Беларусь: пшеницы озимой сорта «Ода» и яровой сорта «Любава», ячменя озимого сорта «Цендерелла» и ярового сорта «Водар», тритикале озимого сорта «Прометей», а также рапса озимого сорта «Лидер» и ярового сорта «Прамень». Установлено, что суммарное содержание полисахаридов в соломе различных видов и сортов зерновых (54,0-63,1%) и масличных (58,560,3%) культур отличается несущественно и соответствует содержанию в древесине наиболее распространенных пород (64,3-65,5%), что позволяет использовать ее в качестве сырья для химической и микробиологической переработки. Рассмотрены основные направления использования и переработки соломы и приведены рекомендации по наиболее перспективным из них. Показано, что, наряду с традиционными направлениями ее использования в натуральном виде, в качестве удобрения, для изготовления топливных брикетов и пеллет и т. д., одним из перспективных направлений является ее гидролитическая и микробиологическая переработка с получением этилового спирта, белоксодержащих кормовых добавок и других продуктов.
Ключевые слова: солома, компонентный состав, предварительная обработка, переработка.
A. A. Bogdanovich, L. A. Konopelko, V. S. Boltovskiy
Belarusian State Technological University
IDENTIFICATION OF THE COMPONENT CEREAL STRAW AND OILSEEDS, ZONED IN THE REPUBLIC OF BELARUS AND FUTURE DIRECTIONS
OF ITS PROCESSING
Composition of the straw of different species and varieties zoned in Belarus: winter wheat varieties "Ode" and spring varieties of "Lyubava", winter barley varieties "Tsenderella" and spring varieties "Vodar", triticale winter varieties of "Prometheus" and winter rape varieties of "Leadef' and spring varieties "Pramen". It is found that the total content of polysaccharides in the straw of various species and varieties of cereals (54.0-63.1%) and oil (58.5-60.3%) cultures differ insignificantly and matches the content of the most common species (64.3-65.5%) in wood, that allows to use it as raw material for chemical and microbiological treatment. The main directions of the use and processing of straw and provides recommendations on the most promising ones. It is shown that in addition to traditional areas of use in its natural form as fertilizer for the manufacture of fuel briquettes and pellets and the other, one of the promising areas is its hydrolytic and microbial processing to yield ethyl alcohol, protein-containing feed additives and others products.
Key words: straw, component composition, pre-treatment, processing.
Введение. В настоящее время во многих странах мира существенно возросла активность разработки технологий получения различных продуктов на основе растительной биомассы, так как основные компоненты, входящие в ее состав, являются ценным сырьем для получения моносахаридов, кормового белка, этилового спирта (в том числе топливного этанола для автотранспорта), фурфурола, ксилита и других ценных веществ и продуктов для использова-
ния в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.
Основными видами растительной биомассы в Республике Беларусь, перспективными для крупномасштабного использования при химической и микробиологической переработке, являются древесина, древесно-кустарниковая растительность, растительные отходы сельскохозяйственного производства, верховой слабо-разложившийся торф [1].
Из растительных отходов сельскохозяйственного производства наиболее характерны для Республики Беларусь костра льна, лузга подсолнечника и гречки, солома различных зерновых и масличных культур, стержни кукурузных початков и стебли кукурузы.
Наибольшие посевные площади зерновых культур Республики Беларусь занимают пшеница (737 тыс. га), тритикале (513 тыс. га), ячмень (507 тыс. га) и рожь (252 тыс. га) при общей посевной площади зерновых и зернобобовых культур 2406 тыс. га [2].
В Республике Беларусь ежегодно образуется значительное количество целлюлозосодер-жащих отходов сельскохозяйственного производства - более 8 млн. т соломы зерновых культур и 1 млн. т рапсовой соломы [2], из которых около 3-4 млн. т используется на корм для животных, а остальное количество является отходом. Также образуется около 1,2-1,4 млн. т листостебельной массы кукурузы, возделываемой на зерно, 90 тыс. т костры льна и других, утилизация и глубокая переработка которых с целью получения продукции, востребованной в различных отраслях народного хозяйства, является актуальной задачей.
Широкому применению растительных сельскохозяйственных отходов в промышленности препятствует широкая разбросанность по территории и трудность транспортировки, сезонность заготовок, что влечет за собой необходимость хранения большого количества запасов сырья, которое со временем теряет свои товарные свойства в результате протекающих биохимических процессов. При использовании такого сырья в промышленных масштабах необходимо применение аппаратов большого объема из-за малой насыпной плотности даже измельченного сырья [1].
Перспектива применения этих ресурсов и выбор рациональных направлений их промышленной переработки существенно зависит от их состава.
Основная часть. В качестве объектов исследования использовали солому зерновых (пшеницы
озимой сорта «Ода» и яровой сорта «Любава», ячменя озимого сорта «Цендерелла» и ярового сорта «Водар», тритикале озимого сорта «Прометей») и масличных (рапса озимого сорта «Лидер» и ярового сорта «Прамень») культур, предоставленную НПЦ «Институт растениеводства Национальной академии наук Беларуси».
Солому измельчали на лабораторной мельнице и фракционировали на ситах.
Для определения компонентного состава использовали солому воздушно-сухой влажности (6-9%) с размером частиц 1-2 мм.
В исходной соломе данных сортов определяли содержание основных компонентов стандартными методами [3]:
- золы методом сжигания;
- легко- и трудногидролизуемых полисахаридов по содержанию редуцирующих веществ после гидролиза;
- целлюлозы азотно-спиртовым методом;
- пентозанов бромид-броматным методом;
- лигнина сернокислотным методом с использованием 72%-ной серной кислоты.
Полученные результаты пересчитывали на абсолютно сухую массу вещества.
Результаты определения компонентного состава соломы различных видов и сортов приведены в таблице.
Как видно из таблицы, суммарное содержание полисахаридов в соломе различных видов и сортов зерновых (54,0-63,1%) и масличных (58,5-60,3%) культур отличается несущественно и соответствует содержанию в древесине наиболее распространенных лиственных пород (64,3-65,5%) [4], что позволяет использовать ее в качестве сырья для химической и микробиологической переработки.
Высокое содержание пентозанов в соломе позволяет применять ее в гидролизном производстве для получения фурфурола, а суммарное содержание полисахаридов, в том числе легко-гидролизуемых, - для производства растительно-углеводных белковых кормовых добавок в процессе прямой биоконверсии микроорганизмами.
Компонентный состав различных видов и сортов соломы
Показатель Содержание, % от массы а. с. соломы
пшеничная ячменная рапсовая
озимая яровая тритикале озимая яровая озимая яровая
Полисахариды: - легкогидролизуемые 25,5 25,4 17,0 24,2 28,3 28,5 29,9
- трудногидролизуемые 32,1 31,2 37,0 33,2 34,8 31,8 28,6
Целлюлоза 40,9 37,2 37,6 44,4 38,8 33,7 32,8
Пентозаны 21,8 21,6 12,9 24,2 20,1 25,4 25,9
Сумма полисахаридов 57,6 56,6 54,0 57,4 63,1 60,3 58,5
Лигнин 24,43 17,8 19,2 19,3 19,0 17,4 22,5
Зольность 3,6 3,1 5,5 6,6 5,1 6,7 4,5
Основным по количественному содержанию биополимерным компонентом соломы, как и других видов растительного сырья, является целлюлоза. Именно свойства (физические, физико-химические и химические) и строение (форма макромолекул, надмолекулярная структура) целлюлозы во многом определяют возможность переработки соломы химическими и микробиологическими способами.
Особенности надмолекулярной структуры целлюлозы обусловливают ее устойчивость при воздействии на нее ферментов или химических агентов при гидролитической переработке. Природная целлюлоза обладает кристаллической структурой, характеризующейся высоким индексом кристалличности, что затрудняет ее биодеградацию и химическую переработку. Кроме того, биоконверсии растительного сырья препятствует содержание в нем лигнина [5, 6].
Помимо компонентного состава растительной биомассы (в том числе соломы) при решении вопроса о рациональных направлениях ее использования важное значение имеют экономическая целесообразность (стоимость сырья, его запасы и концентрирование в районе расположения перерабатывающих предприятий) и технологические свойства.
Химический состав соломы характеризуется высоким содержанием безазотистых веществ и низким - азота и минеральных элементов. В среднем в сухом веществе соломы злаковых культур содержится 0,5% азота, 0,25% фосфора, 0,8% калия и 35-40% углерода. Имеется также некоторое количество кальция, магния, серы и микроэлементов (бор, медь, молибден, цинк, кобальт и др.) [7], что обусловливает возможность ее применения в качестве удобрения.
Использование соломы как субстрата для твердофазной ферментации микроорганизмами с целью повышения перевариваемости и содержания белка обеспечивает возможность получения растительных углеводно-белковых кормовых добавок [8].
Рост цен на традиционные энергоносители и ужесточение экологических требований к энергетическим установкам обусловливают интерес к использованию в качестве топлива биомассы, в том числе соломы. Элементный состав соломы и теплота ее сгорания несущественно отличаются от соответствующих показателей для древесины, хотя теплота сгорания соломы ниже, чем у сухой древесины. С другой стороны, с учетом обычной для соломы влажности (ниже 20%) теплота сгорания соломы оказывается выше, чем у древесной щепы. Основной проблемой при использовании соломы в качестве топлива является ее низкая насыпная плотность (30-40 кг/м3), что повышает стои-
мость транспортировки и хранения соломы, а также усложняет систему ее подачи в топку котла. Кроме того, для сжигания соломы требуются котлы, имеющие специальную конструкцию, учитывающую особенности данного вида топлива[9].
При осуществлении химической (гидролитической) переработки соломы необходимо применение повышенных температур и катализаторов, а при микробиологической - предварительная обработка для увеличения реакционной способности целлюлозы (разрушение кристаллической структуры целлюлозы и (или) удаление лигнина). Происходит также увеличение поверхности целлюлозы, что приводит к повышению скорости гидролиза [10] и частичной деполимеризации целлюлозы, растворению гемицеллюлоз и (или) лигнина, изменению его структуры.
Реакционная способность лигноцеллюлоз-ной биомассы при ферментативной обработке в существенной степени зависит от относительного содержания целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина, что определяется видом сырья.
Предварительная обработка лигноцеллюлоз-ной биомассы является одной из наиболее важных стадий ее переработки. Она должна обеспечивать максимально возможную декристаллиза-цию целлюлозы, эффективное удаление лигнина, создание хорошо развитой поверхности, обеспечивающей ее доступность для ферментов и химических веществ; не должна приводить к образованию ингибиторов процесса, уменьшать обьемную плотность субстрата, вызывать загрязнения окружающей среды; должна быть достаточно экономичной. В настоящее время применяются разнообразные (механические, физические, химические, биологические и комбинированные) способы предварительной обработки различных видов лигноцеллюлозной растительной биомассы. При выборе способа предварительной обработки необходимо учитывать компонентный состав и структуру сырья, материальные и энергетические затраты на процесс и его эффективность [10].
Более эффективны комбинированные методы предварительной обработки (физико-химические, термокаталитические и др.). Данные способы основаны на совместном варьировании параметров процесса и использовании химических соединений для воздействия одновременно на физические и химические свойства биомассы. Они достаточно эффективны, но увеличение количества операций делает их менее технологичными, чем отдельные методы их обработки.
Эффективным способом комплексной переработки биополимерных компонентов лигноцеллюлозной растительной биомассы, в том
числе соломы, считается сочетание кислотного и ферментативного гидролиза [1, 11].
В ходе проведенных исследований выявлено, что наиболее эффективной является термокаталитическая обработка соломы при атмосферном давлении и температуре 100°С в присутствии 0,5%-ной серной кислоты при продолжительности 6 ч, которая обеспечивает повышение выхода редуцирующих веществ при ее твердофазной ферментации ферментными препаратами ОРТ1МЛ8Н УЯ и Ьаштех 750.
Наиболее эффективно процесс ферментативного гидролиза пшеничной соломы методом твердофазной ферментации осуществляется при использовании ферментного препарата Ьаштех 750. Выход редуцирующих веществ после ферментативного гидролиза при температуре 70°С исходной соломы составил 2,84%, а предварительно обработанной - 11,8%.
Комплексная термокаталитическая и ферментативная обработка соломы позволяет получить высокий суммарный выход редуци-
рующих веществ для последующей биотехно-логичекой переработки.
Заключение. Определен компонентный состав соломы различных видов и сортов, районированных в Республике Беларусь.
Установлено, что суммарное содержание полисахаридов в соломе различных видов и сортов зерновых (54,0-63,1%) и масличных (58,5-60,3%) культур отличается несущественно и соответствует содержанию в древесине наиболее распространенных лиственных пород, что позволяет использовать ее в качестве сырья для химической и микробиологической переработки.
Одним из перспективных направлений переработки соломы является ее комплексная гидролитическая переработка - кислотный гидролиз гемицеллюлоз и ферментативный гидролиз целлолигнина с ферментацией моносахаридов в этиловый спирт или его биоконверсия для получения белоксодержащих кормовых добавок.
Литература
1. Болтовский В. С. Теория и технология комплексной гидролитической переработки растительной биомассы. Минск: БГТУ, 2014. 267 с.
2. Статистический ежегодник Республики Беларусь / редкол.: И. В. Медведева [и др.]. Минск: Нац. стат. комитет Респ. Беларусь, 2016. 518 с.
3. Оболенская А. В., Ельницкая 3. П., Леонович А. А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М.: Экология, 1991. 320 с.
4. Холькин Ю. И. Технология гидролизных производств. М.: Лесная пром-сть, 1989. 496 с.
5. Алешина Л. А., Мелех Н. В., Фофанов А. Д. Исследование структуры целлюлоз и лигнинов различного происхождения // Химия растительного сырья. 2005. № 3. С. 31-59.
6. Коваленко В. И. Кристаллическая целлюлоза: структура и водородные связи // Успехи химии. 2010. Т. 79, № 3. С. 261-272.
7. Неорганические компоненты соломы и шелухи овса / Л. А. Земнухова [и др.] // Химия растительного сырья. 2009. № 1. С. 147-152.
8. Лобанок А. Г., Бабицкая В. Г., Богдановская Ж. Н. Микробный синтез на основе целлюлозы. Белок и другие ценные продукты. Минск: Наука и техника, 1988. 261 с.
9. Производство топливных брикетов // Нац. интернет-портал Респ. Беларусь. Минск, 2003. URL: http//www.brikk.info (дата обращения: 18.02.2017).
10. Синицын А. П. Сравнительное изучение влияния различных видов предобработки на скорость ферментативного гидролиза природных целлюлозосодержащих материалов // Химия древесины. 1984. № 5. С. 60-71.
11. Солома - отход агропромышленного комплекса как перспективное сырье для получения кормовых и белковых препаратов / Р. Т. Валеева [и др.] // Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, № 6. С. 137-140.
References
1. Boltovskiy V. S. Teoriya i tekhnologiya kompleksnoy gidroliticheskoy pererabotki rastitel'noy biomassy [Theory and technology of complex processing of plant biomass hydrolysis]. Minsk, BSTU Publ., 2014. 267 p.
2. Statisticheskiy ezhegodnik Respubliki Belarus' [Statistical yearbook of the Republic of Belarus]. Minsk, Natsional'nyy statisticheskiy komitet Respubliki Belarus' Publ., 2016. 518 p.
3. Obolenskaya A. V., El'nitskaya Z. P., Leonovich A. A. Laboratornyye raboty po khimii drevesiny i tsellyulozy [Laboratory work on the chemistry of wood and cellulose]. Moscow, Ekologiya Publ., 1991. 320 p.
4. Hol'kin Yu. I. Tekhnologiya gidroliznykh proizvodstv [Hydrolysis technology industries]. Moscow, Lesnaya promyshlennost' Publ., 1989. 496 p.
5. Aleshina L. A., Melekh N. V., Fofanov A. D. Investigation of the structure of celluloses and lignins of different origin. Khimiya rastitel'nogo syr'ya [Chemistry of plant raw materials], 2005, no. 3, pp. 31-59 (In Russian).
6. Kovalenko V. I. Crystalline cellulose: structure and hydrogen bonds. Uspekhi khimii [Success of chemistry], 2010, vol. 79, no. 3, pp. 261-272 (In Russian).
7. Zemnukhova L. A., Budaeva V. V., Fedorishcheva G. A., Kaydalova T. A., Kurilenko L. N., Shkorina E. D., Il'yasov S. G. Inorganic components of straw and oat hulls. Khimiya rastitel'nogo syr'ya [Chemistry of plant raw materials], 2009, no. 1, pp. 147-152 (In Russian).
8. Lobanok A. G., Babitskaya V. G., Bogdanovskaya Zh. N. Mikrobnyy sintez na osnove tsellyulozy. Belok i drugiye tsennyye produkty [Microbial synthesis of cellulose. Protein other valuable products]. Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1988. 261 p.
9. Proizvodstvo toplivnykh briketov [Production of fuel briquettes]. Available at: http://www.brikk.info (accessed 18.02.2017).
10. Sinitsyn A. P. Comparative study of the effect of different types of pre-treatment on the rate of enzymatic hydrolysis of natural cellulose materials. Khimiya drevesiny [Wood chemistry], 1984, no. 5, pp. 60-71 (In Russian).
11. Valeeva R. T., Krasil'nikova O. V., Shurbina M. Yu., Nuretdinova E. I. Straw - waste agro-industrial complex as a promising raw material for feed and protein drugs. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta [Journal of university of technology], 2016, vol. 19, no. 6, pp. 137-140 (In Russian).
Информация об авторах
Богданович Анна Анатольевна - магистрант. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: bogdanovich.ania@yandex.ru
Конопелько Лидия Александровна - магистрант. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: kanapelka.lidziya@gmail.com
Болтовский Валерий Станиславович - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры химической переработки древесины. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: v-boltovsky@rambler.ru
Information about the authors
Bogdanovich Anna Anatol'yevna - Master's degree student. Belarusian State Technological University. (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: bogdanovich.ania@yandex.ru
Konopelko Lidiya Aleksandrovna - Master's degree student. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: kanapelka.lidziya@gmail.com
Boltovskiy Valeriy Stanislavovich - DSc (Engineering), Associate Professor, Professor, the Department of Chemical Processing of Wood. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: v-boltovsky@rambler.ru
Поступила 03.05.2017
