Гидролиз гемицеллюлоз древесины при ультранизких концентрациях серной кислоты. С. 201–212

УДК

661.123

DOI:

10.37482/0536-1036-2023-1-201-212

Аннотация

Кислотный гидролиз полисахаридов растительных материалов традиционно подразделяют на гидролиз разбавленными и концентрированными кислотами. Такое разделение обусловлено существенным различием в механизме гидролиза полисахаридов. Для разбавленных кислот исследования гидролиза полисахаридов растительных материалов, как правило, лежат в области концентраций минеральных кислот 0,5–10,0 % или касаются автогидролиза без использования минеральных кислот. Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки. Гидролиз с использованием разбавленных минеральных кислот отличается значительным расходом реагентов и наличием в гидролизате продуктов распада углеводов. Автогидролиз характеризуется относительно низким выходом моносахаридов, высокими энергозатратами на проведение процесса и образованием большого количества побочных продуктов неуглеводного характера. Методы гидролиза полисахаридов древесных материалов минеральными кислотами в диапазоне концентраций менее 0,5 % не исследованы. Причиной, на наш взгляд, стало утверждение о том, что кислота в процессе гидролиза расходуется (от 5 до 20 г/кг сухого сырья) на нейтрализацию зольных компонентов растительных материалов. Соответственно, при проведении гидролиза низкими концентрациями минеральной кислоты возможны ее полная нейтрализация и переход процесса в режим автогидролиза. Цель работы – проверка эффективности осуществления процесса гидролиза гемицеллюлоз березы при ультранизких (менее 12,5 г/кг абсолютно сухой древесины) расходах серной кислоты для последующего получения ксилита. Исследован процесс гидролиза гемицеллюлоз древесины березы при ультранизких концентрациях серной кислоты. Показана возможность практически полного гидролиза гемицеллюлоз серной кислотой концентрацией 0,10–0,25 %. Процесс гидролиза гемицеллюлоз ультранизкими концентрациями кислоты хорошо описывается реакцией первого порядка. Рассчитанные по экспериментальным данным основные кинетические константы позволяют утверждать, что процесс занимает промежуточное положение между автогидролизом и традиционным гидролизом гемицеллюлоз серной кислотой концентрацией более 0,5 %. Разработанный метод проведения процесса выгодно отличается от известных способов гидролиза гемицеллюлоз низкими расходами серной кислоты (более чем в 5 раз) и энергетических ресурсов. Гемицеллюлозные гидролизаты, полученные в режимах с ультранизкой концентрацией кислоты, обладают высокой доброкачественностью и могут быть использованы в производстве ксилита.

Сведения об авторах

А.В. Бахтиярова*, ст. преподаватель; ResearcherID: ABF-8063-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0480-3156
С.Д. Пименов, аспирант; ResearcherID: AAC-9435-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6042-0021
А.И. Сизов, канд. техн. наук; ResearcherID: AAI-2030-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9412-5557
Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербург, Россия, 194021; nyroc@rambler.ru*, chudopim@mail.ru, sizov.alex@gmail.com

Ключевые слова

гидролиз низкими концентрациями кислоты, константа скорости гидролиза, ксилозный гидролизат, гидролиз гемицеллюлоз древесины, гидролиз серной кислоты, производство ксилита

Для цитирования

Бахтиярова А.В., Пименов С.Д., Сизов А.И. Гидролиз гемицеллюлоз древесины при ультранизких концентрациях серной кислоты // Изв. вузов. Лесн. журн. 2023. № 1. С. 201–212. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2023-1-201-212

Литература

1. Александрова А.Д., Фатеев В.О., Бахтиярова А.В., Сизов А.И. Нейтрализация кислоты в процессе гидролиза древесины // Леса России: политика, промышленность, наука, образование: материалы Всерос. науч.-техн. конф.-вебинара, Санкт-Петербург, 16–18 июня 2020 г. СПб.: Политех-Пресс, 2020. C. 5–7. 

2. Бахтиярова А.В., Денисенко Г.Д. Технология гидролизных и микробиологических производств. СПб.: СПбГЛТУ, 2018. 44 с. 

3. Выглазов В.В. Технология высококачественного ксилита и других полиолов на основе пентозансодержащего растительного сырья: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. СПб., 2004. 40 с. 

4. Григорьева О.Н., Харина М.В. Кинетика реакций кислотного гидролиза целлюлозы и гемицеллюлоз // Вестн. технол. ун-та. 2016. Т. 19, № 11. С. 182–184. 

5. Иванкин А.Н., Зарубина А.Н., Веревкин А.Н., Бабурина М.И. Гидролиз компонентов растительной биомассы как универсальный механизм экобезопасности природных и синтетических материалов // Лесн. вестн. / Forestry Bulletin. 2022. Т. 26, № 5. С. 120–127. https://doi.org/10.18698/2542-1468-2022-5-120-127

6. Калейне Д.А., Веверис А.Г., Полманис А.Г., Эриньш П.П. и др. Высокотемпературный автогидролиз древесины. 3. Автогидролиз березовой древесины // Химия древесины. 1990. № 3. С. 101–107. 

7. Корольков И.И. Перколяционный гидролиз растительного сырья. М.: Лесн. пром-сть, 1990. 272 с. 

8. Логинова И.В., Харина М.В. Исследование высокотемпературного автогидролиза лигноцеллюлозного сырья // Вестн. технол. ун-та. 2017. Т. 20, № 6. С. 143–145. 

9. Нуртдинов Р.М., Залалдинов Н.С., Валеева Р.Т. Исследование кинетики и оптимизация условий проведения процессов высокотемпературного гидролиза целлюлозы серной кислотой // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2013. Т. 16, № 8. С. 126–128. 

10. Олиференко Г.Л., Иванкин А.Н., Жилин Ю.Н., Прошина О.П., Зарубина А.Н., Вострикова Н.Л., Куликовский А.В., Бабурина М.И. Кинетика кислотной трансформации природных полисахаридов древесной биомассы в моносахара для получения кормовых добавок и микробиологических сред // Лесн. вестн. / Forestry Bulletin. 2017. Т. 21, № 6. С. 61–67. https://doi.org/10.18698/2542-1468-2017-6-61-67

11. Холькин Ю.И. Технология гидролизных производств. М.: Лесн. пром-сть, 1989. 495 с. 

12. Чалов Н.В., Козлова Л.В., Лещук А.Е. Кинетика гидролиза полисахаридов целлолигнина сосны 0,25–2,3 %-ной серной кислотой при модуле 2 и температуре 200 °С // Химия древесины. 1982. № 2. С. 97–103. 

13. Acosta R., Viviescas P., Sandoval M., Nabarlatz D. Autohydrolysis of Sugarcane Bagasse and Empty Fruit Bunch from Oil Palm: Kinetics Model and Analysis of Xylo-Oligosaccharides Yield. Chemical Engineering Transactions, vol. 65, 2018. pр. 307–312. https://doi.org/10.3303/CET1865052

14. Carrasco F., Roy C. Kinetic Study of Dilute-Acid Prehydrolysis of Xylan-Containing Biomass. Wood Science and Technology, 1992, vol. 26, iss. 3, pp. 189–208. https://doi.org/10.1007/bf00224292

15. Carvalheiro F., Duarte L.C., Gírio F.M. Hemicellulose Biorefineries: A Review on Biomass Pretreatments. Journal of Scientific and Industrial Research, 2008, vol. 67, pp. 849–864.

16. Garrote G., Domínguez H., Parajó J.C. Autohydrolysis of Corncob: Study of Non-Isothermal Operation for Xylooligosaccharide Production. Journal of Food Engineering, vol. 52, iss. 3, pp. 211–218. https://doi.org/10.1016/S0260-8774(01)00108-X

17. Gurgel L.V.A., Marabezi K., Zanbom M.D., Curvelo A.A. da S. Dilute Acid Hydrolysis of Sugar Cane Bagasse at High Temperatures: A Kinetic Study Of Cellulose Saccharification and Glucose Decomposition. Part I: Sulfuric Acid as the Catalyst. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, vol. 51, iss. 3, pp. 1173–1185. https://doi.org/10.1021/ie2025739

18. Lloyd T.A., Wyman C.E. Predicted Effects of Mineral Neutralization and Bisulfate Formation on Hydrogen Ion Concentration for Dilute Sulfuric Acid Pretreatment. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2004, vol. 115, pp. 1013–1022. https://doi.org/10.1385/ABAB:115:1-3:1013

19. Nabarlatz D., Ebringerová A., Montané D. Autohydrolysis of Agricultural By-Products for the Production of Xyloоligosaccharides. Carbohydrate Polymers, 2007, vol. 69, iss. 1, pp. 20–28. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2006.08.020

20. Ojumu T.V., AttahDaniel B.E., Betiku E., Solomon B.О. Auto-Hydrolysis of Lignocellulosics Under Extremely Low Sulfuric Acid and High Temperature Conditions in Batch Reactor. Biotechnology and Bioprocess Engineering, 2003, vol. 8, iss. 5, pp. 291–293. https://doi.org/10.1007/BF02949219

21. Ojumu T.V., Ogunkunle O.A. Production of Glucose from Lignocellulosic Under Extremely Low Acid and High Temperature in Batch Process, Auto-hydrolysis Approach. Journal of Applied Sciences, 2005, vol. 5, iss. 1, pp. 15–17. https://doi.org/10.3923/jas.2005.15.17

22. Santucci B.S., Maziero P., Rabelo S.C., Curvelo A.A.S., Pimenta M.T.B. Autohydrolysis of Hemicelluloses from Sugarcane Bagasse During Hydrothermal Pretreatment: A Kinetic Assessment. Bioenergy Research, 2015, vol. 8, pp. 1778–1787. https://doi.org/10.1007/s12155-015-9632-z

23. Sharma S., Kumar R., Gaur R., Agrawal R., Gupta R.P., Tuli D.K., Das B. Pilot Scale Study on Steam Explosion and Mass Balance for Higher Sugar Recovery from Rice Straw. Bioresource Technology, 2015, vol. 175, pp. 350–357. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.10.112

24. Zhang Y., Xu Y., Yue X., Dai L., Ni Y. Isolation and Characterization of Microcrystalline Cellulose from Bamboo Pulp Through Extremely Low Acid Hydrolysis. Journal of Wood Chemistry and Technology, 2019, vol. 39, iss. 4, pp. 242–254. https://doi.org/10.1080/02773813.2019.1566365