CC BY
61
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, [email protected]
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, [email protected]
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.
