Научная статья на тему 'Предварительная обработка соломы пшеницы перекисью водорода с последующим автогидролизом'

Предварительная обработка соломы пшеницы перекисью водорода с последующим автогидролизом Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
328
61
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СОЛОМА ПШЕНИЦЫ / ПЕРЕКИСЬ ВОДОРОДА / ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ДЕЛИГНИФИКАЦИЯ / СУБКРИТИЧЕСКИЙ АВТОГИДРОЛИЗ

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Зорина Н. В., Евстафьев С. Н.

Изучено влияние предварительной обработки соломы пшеницы пероксидом водорода на выход продуктов автогидролиза, проведенном при температуре 280 оС, давлении 30 МПа и продолжительности 10 минут. Установлено, что с увеличением концентрации пероксида водорода повышается растворимость биомассы соломы в процессе автогидролиза до 88,5% на а.с.м. Основным продуктом являются водорастворимые соединения, их максимальное содержание наблюдается в образце, полученном после обработки 10% перекисью. Предварительная обработка существенно увеличивает выход продуктов делигнификации.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Зорина Н. В., Евстафьев С. Н.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Hydrogen peroxide pretreatment of wheat straw with subsequent autohydrolysis

The effect of hydrogen peroxide pretreatment of wheat straw on the product yield of autohydrolysis conducted at a temperature of 280°C and a pressure of 30 MPa and 10 minutes is studied. The hydrogen peroxide concentration increase was found to enhance the straw biomass solubility during autohydrolysis up to 88.5 % by ADM (absolutely dry mass). The main autohydrolysis products are water-soluble compounds, their maximum content is observed in the sample obtained with 10 % peroxide treatment. Pretreatment significantly increases the yield of delignification products.

Текст научной работы на тему «Предварительная обработка соломы пшеницы перекисью водорода с последующим автогидролизом»

УДК 662.758.2

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА СОЛОМЫ ПШЕНИЦЫ ПЕРЕКИСЬЮ ВОДОРОДА С ПОСЛЕДУЮЩИМ АВТОГИДРОЛИЗОМ

Н.В. Зорина, С.Н. Евстафьев

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, tatasenochek@mail.ru

Изучено влияние предварительной обработки соломы пшеницы пероксидом водорода на выход продуктов автогидролиза, проведенном при температуре 280 оС, давлении 30 МПа и продолжительности 10 минут. Установлено, что с увеличением концентрации пероксида водорода повышается растворимость биомассы соломы в процессе автогидролиза до 88,5% на а.с.м. Основным продуктом являются водорастворимые соединения, их максимальное содержание наблюдается в образце, полученном после обработки 10% перекисью. Предварительная обработка существенно увеличивает выход продуктов делигнификации. Ил. 3. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: солома пшеницы; перекись водорода; окислительная делигнификация; субкритический автогидролиз.

HYDROGEN PEROXIDE PRETREATMENT OF WHEAT STRAW WITH SUBSEQUENT AUTOHYDROLYSIS

N.V. Zorina, S.N. Evstafev

Irkutsk State Technical University,

83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia, tatasenochek@mail.ru

The effect of hydrogen peroxide pretreatment of wheat straw on the product yield of autohydrolysis conducted at a temperature of 280°C and a pressure of 30 MPa and 10 minutes is studied. The hydrogen peroxide concentration increase was found to enhance the straw biomass solubility during autohydrolysis up to 88.5 % by ADM (absolutely dry mass). The main autohydrolysis products are water-soluble compounds, their maximum content is observed in the sample obtained with 10 % peroxide treatment. Pretreatment significantly increases the yield of delignification products. 3 figures. 5 sources.

Key words: wheat straw, hydrogen peroxide, oxidation, delignification, subcritical autohydrolysis.

ВВЕДЕНИЕ

С XXI веком наступила эра биотехнологий, использующих легко возобновляемое растительное сырье для производства энергии. Наиболее значимым продуктом стало биотопливо (биоэтанол, биобутанол, биодизель), поскольку использование его не требует изменений конструкций двигателя [1]. Мировым лидером по производству биотоплив является США, активно развитием их производства занимаются в Европе, Канаде и Японии [2]. В России же из-за большой конкуренции с поставщиками углеводородного топлива технологии получения различного биотоплива пока находятся на стадии изучения.

Самой трудоемкой стадией в технологии получения биотоплива является предподготов-ка лигноцеллюлозного сырья. Эта стадия необ-

ходима для облегчения доступа гидролизующих ферментов к целлюлозе, так как она химически связана с лигнином и гемицеллюлозой. Помимо этого, целлюлоза имеет структуру, состоящую из аморфных и кристаллических участков, при этом последняя является трудногидролизуемой и её необходимо перевести в аморфное состояние.

Перспективным, экологически безопасным методом предподготовки является экстракция в суб- и сверхкритических условиях различными растворителями, в том числе и водой. Проведенные ранее исследования [3] показали, что метод субкритического автогидролиза дает достаточно высокий выход водорастворимых продуктов из соломы пшеницы, однако малоэффективен для удаления лигнина. Высокой эф-

фективностью обладает метод окислительной делигнификации с использованием перуксусной кислоты, перекиси водорода, озона и др. [4]. Основным недостатком этого метода является трудоемкость удаления продуктов окисления лигнина.

Цель работы - изучение влияния предварительной обработки пероксидом водорода на выход и состав продуктов субкритического автогидролиза.

ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Работа выполнена с образцами соломы пшеницы крупностью 1-5 мм, предварительно высушенных в сушильном шкафу при температуре 60 оС. Компонентный состав в % на абсолютно сухую массу (а.с.м.): лигнин - 37,9; целлюлоза - 44,3; пентозаны - 19,8.

Экстракцию водорастворимых соединений пероксидом водорода концентрации 10, 20 и 30% выполняли при 100 оС в течение 2 ч на водяной бане с обратным холодильником, гидромодуль 1:15. Остаток соломы отделяли центрифугированием, промывали дистиллированной водой для удаления остатков перекиси водорода, контролируя ее остаточное содержание по йодкрахмальной бумаге, и сушили до постоянной массы.

Субкритический автогидролиз проводили на лабораторной установке [5] при температуре 280 оС, давлении 30 МПа и продолжительности 10 минут. Глубину протекания автогидролиза контролировали по выходу твердого продукта, выраженному в % на а.с.м. Жидкие продукты автогидролиза фракционировали по схеме,

приведенной в [3], с получением гексанового экстракта (ГЭ), этаноллигнина (ЭЛ), низко- и высокомолекулярных водорастворимых продуктов (НВР и ВВР).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Выход водорастворимых соединений из соломы пшеницы при 100 оС составил 16% на а.с.м. Обработка соломы 10%-ной перекисью водорода в аналогичных условиях сопровождается повышением выхода водорастворимых соединений до 21%, который при увеличении ее концентрации до 30% практически не изменяется (рис. 1).

Наиболее существенно предварительная обработка повлияла на растворимость соломы при автогидролизе. Максимальное значение получено при обработке 30% перекисью водорода, растворимость достигает 88,5%, из которых 68% растворяется в процессе автогидролиза.

Исходя из полученных данных, основными продуктами автогидролиза исходной и обработанной соломы являются водорастворимые соединения. Их максимальное содержание выявлено в образце, полученном после обработки 10% перекиси водорода, и составляет 74,5%. Дальнейшее снижение можно объяснить окислением, а также экстракцией водорастворимых продуктов при предварительной обработке. Большую часть водорастворимых соединений составляют низкомолекулярные продукты гидролиза полисахаридов (рис. 2).

Предварительная обработка оказала существенное влияние на выход высокомолеку-

6 100 I

I шМ

12 3 4

Номер опыта

□ экстракция □ автогидролиз ■ суммарный выход

Рис. 1. Выход водорастворимых продуктов из соломы пшеницы: опыт 1 - вода; опыт 2 - 10% Н2О2; опыт 3 - 20% Н2О2; опыт 4 - 30% Н2О2

Номер опыта □НВР ИВВР

Рис. 2. Состав водорастворимых продуктов автогидролиза соломы пшеницы: опыт 1 - вода; опыт 2 - 10% Н202; опыт 3 - 20% Н202; опыт 4 - 30% Н202

24

^ 20

0

го

го 16

1

# 12

Ч

О х -Q Ш

8

0

2 3

Номер опыта □ ЭЛ ■ ГЭ

Рис. 3. Выход продуктов делигнификации при автогидролизе соломы пшеницы: опыт 1 - вода; опыт 2 - 10% Н2О2; опыт 3 - 20% Н2О2; опыт 4 - 30% Н2О2

лярных (ЭЛ) и низкомолекулярных (ГЭ) продуктов делигнификации, увеличивая его при повышении концентрации перекиси водорода в 4 и 10 раз соответственно (рис. 3). Максимальное их содержание получено при автогидролизе соломы, обработанной 30% перекисью, и составляет более 25% на а.с.м.

ВЫВОДЫ

1. Растворимость биомассы соломы, предварительно обработанной перекисью водорода, в процессе автогидролиза увеличивается с повышением концентрации перекиси,

достигая максимального значения 88,5% на а.с.м.

2. Большую часть продуктов автогидролиза составляют водорастворимые продукты с максимальным выходом при обработке 10%-ной перекисью водорода. Увеличение концентрации перекиси сопровождается при автогидролизе снижением выхода продуктов гидролиза полисахаридов и повышением выхода продуктов окислительной делигнификации.

3. Установлено, что продукты окислительной делигнификации эффективно извлекаются в условиях субкритического автогидролиза.

1. Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития: науч. аналит. обзор / С. Г. Митин [и др.]. М.: ФГНУ "Росинформагротех", 2007. 202 с.

2. Колчинский Ю.Л., Поликарпов А.Е. Состояние развития биоэнергетики в Германии. М.: ФГУ РЦСК 2007. 39 с.

3. Чечикова Е.В., Евстафьев С.Н., Зорина Н.В. Изучение поведения компонентов соломы пшеницы в условиях субкритического автогидролиза // Известия Вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2011. № 1. С. 42-46

НЕСКИЙ СПИСОК

4. Ивахнов А.Д., Боголицын К.Г., Скребец Т.Э. Окислительная делигнификация древесины в среде сверхкритического углекислого газа. 1. Обработка еловой древесины с использованием пероксида водорода // Сверхкритические Флюиды: Теория и Практика. 2008. № 4. С. 45-51.

5. Евстафьев С.Н., Фомина Е.С., Привалова Е.А. Этанолиз пшеничной соломы в условиях до- и сверхкритической экстракции // Химия растительного сырья. 2011. №. 4. С. 15-18.

Поступило в редакцию 10 декабря 2013 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.