ПОЛУЧЕНИЕ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ НЕДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ В КАЧЕСТВЕ СУБСТРАТОВ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

соединений, содержащих нитратные группы. Полосы 816, 745 и 678 см-1 обусловлены колебаниями О-Ы связей, внеплоскостными и плоскостными маятниковыми колебаниями Ы02 групп. Проведено сравнение ИК-спектров синтезированных НЦ с ИК-спектром коллоксилина штатного (спектр не приводится), в результате которого установлено соответствие основных характеристических частот синтезированного образца стандарту.

ВЫВОДЫ

Показана возможность получения НЦ из ТЦ ПОО с м.д азота 12,05-12,35 %, вязкостью 66 сП (без проведения стадии автокла-вирования) и 15-23 сП (с проведением стадии автоклавирования). Данные НЦ по своим характеристикам соответствуют коллоксилину штатному.

Методом ДСК установлена химическая

УДК 661.728.7:577.152.3

чистота НЦ, полученных из ТЦ ПОО. Методом ИК-спектроскопии показано наличие основных характеристических частот НЦ, что подтверждает получение НЦ из ТЦ ПОО.

Данная работа выполнена при поддержке междисциплинарного интеграционного проекта фундаментальных исследований № 148.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гиндич В.И. Технология пироксилиновых порохов. Т. I. Производство нитратов целлюлоз и регенерация кислот: монография. - Казань, 1995. - 554 с.

2. Жегров Е.Ф., Милехин Ю.М., Берковская Е.В. Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. II. Технология: монография. - М.: РИЦ МГУП им. И. Федорова, 2011. - С. 35-101.

ПОЛУЧЕНИЕ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ НЕДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ В КАЧЕСТВЕ СУБСТРАТОВ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА

В.В.Будаева, Е.А.Скиба, Е.И.Макарова, В.Н.Золотухин, Г.В.Сакович, Е.В.Удоратина, Л.А.Кувшинова, Т.П.Щербакова, А.В.Кучин

Определены оптимальные условия получения лигноцеллюлозных материалов (ЛЦМ) из плодовых оболочек овса и российского мискантуса (обработка 4 %-ной азотной кислотой); проведена наработка образцов ЛЦМ на опытном производстве в 2012 году. Установлены химические составы ЛЦМ из обоих видов сырья. Показано, что наиболее перспективными субстратами для ферментации являются образцы ЛЦМ плодовых оболочек овса и мискан-туса, полученные обработкой сырья 4 %-ной азотной кислотой, выходы редуцирующих веществ достигают 73-80 % в пересчете на массу субстрата.

Ключевые слова: лигноцеллюлозные материалы, плодовые оболочки овса, российский мискантус, ферментативный гидролиз, редуцирующие вещества.

Введение

Преобразование любой лигноцеллюлоз-ной биомассы в биотоплива проходит три основных этапа: физическая и химическая предобработка для разделения полимерной многокомпонентной матрицы растительной клетки, ферментативный гидролиз полисахаридов с образованием редуцирующих веществ и дрожжевая ферментация (сбраживание) с получением этанола [1]. Из-за высокой прочности клеточной стенки преобразование лиг-ноцеллюлозы является очень дорогим процессом и, следовательно, объектом многих исследований. Прочность клеточной стенки главным образом обусловлена особенностями составляющих ее биополимеров, а также ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2013

различными взаимодействиями целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина [2-4]. Разработка различных способов позитивного для ферментации разрушения клеточной стенки предполагает использование широкого перечня химических реагентов от простых минеральных кислот и гидроксидов щелочных металлов до ионных жидкостей.

Целью данной работы являлось исследование зависимости качества лигноцеллюлозных материалов (ЛЦМ) - продуктов обработки сырья (плодовых оболочек овса и биомассы российского мискантуса) азотной кислотой - от параметров процесса с получением субстратов для успешного ферментативного гидролиза.

Экспериментальная часть

Объектами исследования являлись реальные отходы переработки овса ЗАО «Бий-ский элеватор» - плодовые оболочки овса (ПОО) и биомасса российского мискантуса, выращенного сотрудниками Института цитологии и генетики СО РАН (г. Новосибирск) в 2011 году и собранного с плантации возрастом 4 года.

ЛЦМ получали в лабораторных условиях обработкой сырья растворами азотной кислоты концентрацией 2-6 % при температуре 9096 оС в течение времени 2-4 ч в случае ПОО и 8-16 ч для мискантуса. Кроме того, были получены укрупненные образцы ЛЦМ в условиях опытного производства ИХЭТ СО РАН с использованием стандартного емкостного оборудования.

Анализ исходного сырья и ЛЦМ (влажности, зольности, массовой доли (м.д.) кислото-нерастворимого лигнина, м.д. целлюлозы по Кюршнеру, м.д. а-целлюлозы, м.д. пентоза-нов проводили по стандартным методикам [5].

Ферментация проводилась с использованием ферментных препаратов (ФП) «Брю

Использование 2 %-ного раствора азотной кислоты для варки ПОО привело к получению ЛЦМ (№ 517-12) с высоким выходом 71 %, но недопустимо высокая массовая доля лигнина 30 % в полупродукте свидетельствовала о некачественной делигнификации. Повышение концентрации азотной кислоты от 2 % до 4 % обеспечило уменьшение выхода до 56 % и снижение содержания лигнина в ЛЦМ (№ 516-12) до 17 %.

займ» и «Целлолюкс-А»: в колбу емкостью 500 мл помещали субстрат (в пересчете на 5 г сухого вещества), 150 мл ацетатного буфера (рН 4,7) и смесь ФП;. гидролиз проводили при температуре (50±2) °С, в течение 72 ч при постоянном перемешивании на платформе ПЭ-6410 М с частотой колебания 150 мин-1. В фильтрате определяли концентрацию редуцирующих веществ (РВ) в пересчете на глюкозу спектрофотометрически и концентрацию пентоз железоорсиновым способом. Выход РВ рассчитан с учетом коэффициента 0,9.

Результаты и обсуждение

Для установления зависимости качества ЛЦМ из ПОО от параметров процесса на первом этапе в лабораторных условиях без перемешивания были проведены экспериментальные варки ПОО в растворах азотной кислоты различной концентрации: 2, 4 и 6 %. Зависимость выходов полученных образцов ЛЦМ и характеристик данных продуктов от концентрации растворов азотной кислоты, а также характеристики исходного сырья ПОО приведены в таблице 1.

Дальнейшее увеличение концентрации раствора азотной кислоты до 6 % значительно снизило выход ЛЦМ (№ 515-12) - до 43 %, массовая доля лигнина в полупродукте снизилась до 15 % - всего на 2 % в сравнении с ЛЦМ, полученным обработкой 4 %-ным раствором азотной кислоты.

Характеристики ЛЦМ, полученных на втором этапе исследований на опытной установке, приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Выходы и характеристики лигноцеллюлозных материалов (ЛЦМ), полученных на

опытной установке из ПОО в 2012 году

№ образца и название продукта Выход (а.с.с.), % Массовая доля (а.с.с.), %

зола лигнин целлюлоза по Кюшнеру пентозаны

504. ЛЦМ-1 41,4 7,79 14,53 73,72* 7,58

506. ЛЦМ-2 35,8 7,78 15,31 70,37* 9,06

512. ЛЦМ-3 35,2 7,71 14,34 77,02 / 74,60* 9,40

560. ЛЦМ-4 36,1 8,03 13,01 79,81 / 79,68* 9,74

Примечание: а.с.с. - в пересчете на абсолютно сухое сырье; *а-целлюлоза

Таблица 1 - Концентрация азотной кислоты (С жоз), выходы и характеристики лигноцеллюлозных материалов, полученных в лабораторных условиях из ПОО

С HNO3, % Номер образца ЛЦМ Выход (а.с.с.), % Массовая доля (а.с.с.), %

зола лигнин целлюлоза по Кюршнеру пентозаны

0 ПОО 100 4,60 18,60 47,10 35,3

2 517-12 71 7,81 30,36 61,62 3,8

4 516-12 56 9,85 17,35 73,51* 9,3

6 515-12 43 9,97 14,94 87,71 5,4

Примечание: а.с.с. - в пересчете на абсолютно сухое сырье; * - а-целлюлоза

Образцы ЛЦМ, полученные на опытном производстве с выходом в пределах 35-41 %, отличались по внешнему виду от лабораторных, поскольку представляли собой мелковолокнистые материалы, которые на 80 % утратили форму частиц ПОО. Образцы от трех варок характеризовались близкими значениями зольности (в пределах 7,7-7,8 %) и м.д. лигнина (в пределах 14,3-15,3 %). М.д. а-целлюлозы варьировалась от 70,4 % до 74,7 %, м.д. пентозанов - от 7 % до 10 %. Таким образом, было установлено, что химический состав ЛЦМ представлен преимущественно целлюлозой, следовательно такого рода продукты могут быть перспективными субстратами для ферментативного гидролиза.

Таблица 3 - Выходы и характеристики у на опытном производстве

На третьем этапе были получены ЛЦМ из мискантуса на опытной установке. Химический состав мискантуса: влажность - 7,8 %; м.д. жировосковой фракции - 2,96 %; зольность - 3,57 %; м.д. кислотонерастворимого лигнина - 19,82 %, м.д. пентозанов - 26,64 %; м.д. целлюлозы по Кюршнеру - 43,96 %. Сырье было измельчено на промышленной соломорезке и поступило в переработку с размером частиц в пределах от 12 до 2 мм, массовая доля фракции от 8 до 2 мм составила большую часть 76,5 %.

Выходы и характеристики укрупненных образцов ЛЦМ приведены в таблице 3.

крупненных образцов ЛЦМ, полученных из мискантуса в 2012 году

Номер образца и название продукта Выход, % Массовые доли компонентов*, %

зола лигнин а-целлюлоза пентозаны

521. ЛЦМ-1 (10 кг) 30,2 3,70 8,75 79,88 4,70

529. ЛЦМ-2 (11 кг) 41,6 4,66 11,57 84,36 5,08

536. ЛЦМ-3 (11 кг) 40,2 4,69 11,95 78,56 6,01

558. ЛЦМ-4 (11 кг) 40,8 4,65 11,37 85,78 6,00

Примечание: * - в пересчете на абсолютно сухое сырье

Как следует из представленных результатов, ЛЦМ характеризовались зольностью на уровне 4-5 %, м.д. лигнина в пределах 912 %, м.д. пентозанов в узком интервале 56 %. Массовая доля а-целлюлозы (высокомолекулярной составляющей всей целлюлозы) составляла от 80 % до 85 %, т.е. при ферментативном гидролизе ЛЦМ - субстрата можно получить глюкозо-пентозный продукт с превалирующим содержанием именно глюкозы. Сравнение ЛЦМ, полученных в партиях 24, с ЛЦМ-1 (таблица 3) позволило обнаружить отличия химического состава (более высокие значения зольности, лигнина и пентозанов). Это связано, прежде всего, с увеличением загрузки сырья от 10 кг до 11 кг мискантуса, т.е. снижением жидкостного модуля азотнокислой варки. Различные режимы активной и пассивной делигнификации не привели к радикальному изменению свойств продуктов. Следует отметить, что проведение активной делигнификации при температуре выше 94 °С позволяет сократить продолжительность варки с обеспечением удовлетворительного качества ЛЦМ. Данные образцы ЛЦМ из мискантуса были переданы на ферментативный гидролиз.

На четвертом этапе был исследован ферментативный гидролиз образцов ЛЦМ ПОО в сравнении с исходным сырьем - ПОО. Характеристики субстратов приведены в таблице 1.

30 -|

| ^ 20

О #■-1-1-1-1-1-1-1-1-,

О 8 16 24 32 40 48 56 64 72 Продолжительность ферментации,ч

-•-1100 (503-12); -»-515-12; -^-516-12; 517-12

Рисунок 1 - Зависимость концентрации РВ в пересчете на глюкозу от продолжительности ферментации ПОО и ЛЦМ, полученных из ПОО обработкой азотной кислотой с концентрациями 2, 4 и 6 %

Результаты исследования ферментативного гидролиза в виде зависимостей концентрации РВ в гидролизатах от продолжительности ферментации исходного сырья (образец № 503) и лЦм (образцы №№ 515-517) представлены на рисунке 1 и в таблице 4. Все три ЛЦМ ферментируются с большей скоростью, чем необработанное сырье -ПОО, а также наибольшей реакционной способностью к ферментации характеризуется образец ЛЦМ, полученный обработкой ПОО 4 %-ной азотной кислотой.

Конечная концентрация РВ при ферментации ЛЦМ, полученных обработкой ПОО

азотной кислотой концентрацией в пределах 4-6 %, достигает 25-27 %, что превышает выход РВ при ферментации необработанного сырья почти в 6 раз, при этом вклад пентоз в выход РВ составляет всего 7-11 %, что свидетельствует о получении глюкозо-пентозного гидролизата с преимуществом именно глюкозы. Концентрация азотной кислоты 2 % является недостаточной, а 6 % -избыточной. Оптимальная концентрация составляет 4 %.

Таблица 4 - Характеристики гидролизатов после ферментации субстратов: ПОО и ЛЦМ, полученных из ПОО обработкой азотной кислотой с концентрациями 2, 4 и 6 %

Наименование образца (Chno3, %) Конечная концентрация, г/л Выход РВ в пересчете на глюкозу, %

РВ в пересчете на глюкозу ксилоза

ПОО (503-12) 4,50 0,13 12,2

ЛЦМ № 515-12 (6 %) 24,75 1,80 66,8

ЛЦМ № 516-12 (4 %) 27,00 2,90 72,9

ЛЦМ № 517-12 (2 %) 11,75 1,10 31,7

Далее были проведены пробные ферментации необработанного мискантуса и двух продуктов: целлюлозосодержащего продукта (ЦсП, образец № 520) и ЛЦМ (образец

№ 521), полученных на опытном производстве в 2012 году с использованием 4 % азотной кислоты, характеристики которых приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Характеристики мискантуса, ЦСП (образец № 520) и ЛЦМ (образец № 521), полученных на опытном производстве из мискантуса в 2012 году

Номер образца и название продукта Выход, % Массовые доли компонентов*, %

зола лигнин а-целлюлоза пентозаны

Мискантус 100 3,9 19,1 57,4 23,3

ЦСП № 520 52,0 2,0 20,9 - -

ЛЦМ № 521 30,2 3,70 8,75 79,88 4,70

Ферментация проводилась аналогично трех ФП «Брюзайм», «Целлолюкс-А», «Рапи-вышеописанному с использованием смеси даза CR».

Таблица 6 - Характеристики гидролизатов после ферментации субстратов: исходного сырья (а) и продуктов: ЦСП (образец № 520) и ЛЦМ (образец № 521)

Наименование образца Конечная концентрация, г/л Выход РВ в пересчете на глюкозу, %

РВ в пересчете на глюкозу ксилоза

Мискантус 4,85 - 13,1

ЦСП (образец № 520-12) 6,80 0,60 18,4

ЛЦМ (образец № 521-12) 29,77 1,00 80,4

Результаты исследования ферментативного гидролиза в виде зависимостей концентрации РВ в гидролизатах от продолжительности ферментации исходного сырья (мискантуса) и продуктов: ЦСП (образец № 520) и ЛЦМ (образец № 521) представлены на рисунке 2 и в таблице 6.

О 8 16 24 32 40 48 56 64 72

Продолжительность ферментации, ч

—Мискантус, —■—ЦСП№ 520-12, -^-ЛЦМ№ 521-12

Рисунок 2 - Зависимость концентрации РВ в пересчете на глюкозу от продолжительности ферментации мискантуса и продуктов: ЦСП (образец № 520) и лЦм (образец № 521)

Как следует из представленных результатов, продукты переработки мискантуса ферментируются с большей скоростью, чем необработанное сырье; наибольшей реакционной способностью к ферментации из двух продуктов характеризуется образец ЛЦМ: выход РВ составил 80 %, при этом вклад ксилозы составляет всего 3 %.

ВЫВОДЫ

После определения оптимальных условий получения ЛЦМ из плодовых оболочек овса и российского мискантуса (обработка

УДК 661.728.7:577.152.3

4 %-ной азотной кислотой) проведена наработка ЛЦМ на опытном производстве в 2012 году. Установлены химические составы ЛЦМ из обоих видов сырья.

Показано, что выше всего реакционная способность к ферментации у образцов ЛЦМ, полученных азотнокислой варкой 4 % азотной кислотой. Выход редуцирующих веществ (РВ) для ЛЦМ ПОО составляет 73 % от массы субстрата (95 % от гидролизуемых компонентов), для ЛЦМ мискантуса - 87 % от массы субстрата (92 % от гидролизуемых компонентов). ЛЦМ из ПОО и мискантуса являются перспективными субстратами для получения глюкозо-ксилозных гидролизатов с преимущественным содержанием глюкозы (89-93 %).

Данная работа выполнена при поддержке совместного интеграционного проекта № 11 фундаментальных исследований ИПХЭТ СО РАН и ИХ Коми НЦ УрО РАН, государственная регистрация темы проекта № 01201257825.Список литературы

1. Синицын А.П., Гусаков А.В., Черногла-зов В.М. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов. - М.: Изд-во Московского университета, 1995. - 224 с.

2. Торлопов М.А., Тарабукин Д.В., Фролова С.В., Щербакова Т.П. и др. Ферментативный гидролиз порошковых целлюлоз, полученных различными методами // Химия растительного сырья. - 2007. - № 3. - С. 69-76.

3. Будаева В.В., Митрофанов Р.Ю., Золотухин В.Н. Исследование ферментативного гидролиза отходов переработки злаков // Ползуновский вестник. - 2008. - № 3. - С. 322-327.

4. Hu F., Ragauskas A. J. Pretreatment and Lignocellulosic Chemistry // Bioenerg. Res. -2012. - 5. - Р. 1043-1066.

5. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Лео-нович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. - М.: Экология, 1991. - С. 73-74, 106-108, 176-179, 184-187.

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ ГИДРОЛИЗ ГИДРОТРОПНЫХ ЦЕЛЛЮЛОЗ

Е.И. Макарова, М.Н. Денисова, В.В. Будаева, Г.В. Сакович

Исследована реакционная способность к ферментации гидротропных целлюлоз, полученных из российского мискантуса и плодовых оболочек овса. Приведены основные характеристики исследуемых субстратов.

Ключевые слова: гидротропная варка, мискантус, плодовые оболочки злаков, целлюлоза, ферментативный гидролиз, «Брюзайм BGX», редуцирующие вещества.