Почтовый адрес: 163000, ОПС Архангельск, бокс 249, САФУ, Редакция "Лесной журнал".

Адрес местонахождения: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, д. 17, САФУ, Редакция "Лесной журнал", ауд. 1425.

Тел.: 8(8182) 21-61-18
Сайт: http://lesnoizhurnal.ru/ 
e-mail: forest@narfu.ru

RussianEnglish



архив

Биорефайнинг древесного сырья: получение биоадгезива на основе гемицеллюлоз. С. 133–149

 Версия для печати

Пименов С.Д., Сизов А.И., Кручина-Богданов И.В., Добровольский А.А., Мамбетова С.Р.

Рубрика: Технологии, машины и оборудование для лесного хозяйства и переработки древесины

Скачать статью (pdf, 1.2MB )

УДК

674-416; 674.049.3

Аннотация

Разработана ресурсоэффективная технология биорефайнинга лигноцеллюлозного сырья, направленная на получение древесной дегидратационной смолы – биоадгезива. Процесс реализуется прямым способом из гемицеллюлоз посредством парофазного гидролиза и последующей сушки в кислородсодержащей среде и пригоден для масштабирования. Показано, что при сушке гидролизат-массы протекает кислотно-катализируемая дегидратация пентоз с образованием реакционноспособных углеводных интермедиатов и их последующей олигомеризации/ карбонизации («гуминоподобные» конденсаты); средняя молекулярная масса водорастворимых продуктов возрастает с ~195 до ~296 Да. По данным FTIR, происходит дегидратация углеводной фазы (ослабление OH-полос 3350–3400 см⁻¹ и C–O/C–O– C-полос 1150–1040 см⁻¹) и карбонильных групп (1705–1710 см⁻¹), а по данным ¹³C ЯМР – увеличение вкладов C=O и O-алкил-центров не сопровождается появлением отчетливых ароматических или фурановых сигнатур, что соответствует формированию конденсированной «гуминоподобной» сети. Смола отверждается при 180 °C за 22–27 с; при введении H₂SO₄ ≥6 % (от сухого вещества смолы) после желатинизации образуется водонерастворимая масса. На основе древесной дегидратационной смолы получены древесноволокнистые плиты высокой плотности с повышенной водостойкостью (разбухание 6–21 % за 24 ч), что сопоставимо с современными биоадгезивами и превосходит типичные составы по стойкости к воде. Эмиссия формальдегида по методу WKI составила 1,7 мг/100 г. Результаты соотносятся с текущими трендами биоадгезивов на основе лигнина, танинов и полисахаридов, демонстрируя возможность полного отказа от формальдегида при приемлемых физико-механических свойствах готового продукта.

Сведения об авторах

С.Д. Пименов1*, канд. техн. наук, мл. науч. сотр.; ResearcherID: AAC-9435-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6042-0021
А.И. Сизов1, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: AAI-2030-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9412-5557
И.В. Кручина-Богданов2, канд. хим. наук; ResearcherID: JTU-2141-2023, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5779-5404
А.А. Добровольский1, канд. с.-х. наук, доц.; ResearcherID: ABF-7706-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6816-4912
С.Р. Мамбетова1, аспирант; ResearcherID: OVZ-9120-2025, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4617-7824
1Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, Институтский пер., д. 5, лит. У, Санкт-Петербург, Россия, 194021; chudopim@mail.ru*, alexander-83@yandex.ru, sofya.mam@icloud.com
2ООО «АМТ», Абонентский ящик, д. 70, Санкт-Петербург, Россия, 197022; igogo011@gmail.com

Ключевые слова

биорефайнинг, древесные композиционные материалы, клеевые массы, дегидратация, олигомеризация, гидролиз гемицеллюлоз, биоэкономика, возобновляемое сырье

Для цитирования

Пименов С.Д., Сизов А.И., Кручина-Богданов И.В., Добровольский А.А., Мамбетова С.Р. Биорефайнинг древесного сырья: получение биоадгезива на основе гемицеллюлоз // Изв. вузов. Лесн. журн. 2026. № 3. С. 133–149. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2026-3-133-149

Литература

  1. 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

  2. Васильев В.В. Актуальные технологические проблемы производства синтетических смол и древесных плит // Изв. СПбЛТА. 2020. № 230. С. 173–186. https://doi.org/10.21266/2079-4304.2020.230.173-186

  3. Кондратьев В.П., Кондращенко В.И., Шредер В.Е. Синтетические смолы в деревообработке. СПб.: Политехн. ун-т, 2013. 412 с. 

  4. Морозов Е.Ф. Производство фурфурола. М.: Лесн. пром-сть, 1979. 199 с. 

  5. Патент 2723875 РФ МПК C1. Способ получения фурфурольной смолы на основе гемицеллюлоз растительного сырья для склеивания древесных материалов: № 2019133722: заявл. 22.10.2019; опубл. 17.06.2020 / В.В. Васильев, А.И. Сизов. 

  6. Русаков Д.С., Варанкина Г.С., Чубинский А.Н. Теоретическое и экспериментальное обоснование характера взаимодействия модифицированных связующих с древесиной // Изв. вузов. Лесн. журн. 2022. № 6. С. 153–163. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2022-6-153-163

  7. Соколова Е.Г., Русаков Д.С., Варанкина Г.С., Чубинский А.Н. Влияние аэросила технического на свойства клеевых композиций // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 3. С. 133–144. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2021-3-133-144

  8. Угрюмов С.А. Фурановые смолы в производстве клееных древесных материалов: моногр. Кострома: КГТУ, 2012. 142 с. 

  9. Холькин Ю.И. Технология гидролизных производств. М.: Лесн. пром-сть, 1989. 496 с. 

  10. Чудинов Б.С. Вода в древесине. Новосибирск: Наука, Сиб. отд., 1984. 270 с.

  11. Alonso D.M., Wettstein S.G., Dumesic J.A. Gamma-Valerolactone, a Sustainable Platform Molecule Derived from Lignocellulosic Biomass. Green Chemistry, 2013, vol. 15, no. 3, pp. 584–595. https://doi.org/10.1039/C3GC37065H

  12. Ando D., Umemura K. Bond Structures Between Wood Components and Citric Acid in Wood-Based Molding. Polymers, 2021, vol. 13, no. 1, art. 58. https://dx.doi.org/10.3390/polym13010058

  13. Ashori A., Kuzmin A. Effect of Chitosan-Epoxy Ratio in Bio-Based Adhesive on Physical and Mechanical Properties of Medium Density Fiberboards from Mixed Hardwood Fibers. Scientific Reports, 2024, vol. 14, art. 5057. https://doi.org/10.1038/s41598-024-55796-x

  14. Çamlibel O., Ayata Ü., Peker H. Effect of Calcium Lignosulfonate Additive on Some Physical and Mechanical Properties of High-Density Fiberboard. Drewno. Prace naukowe. Doniesienia. Komunikaty, 2024, vol. 67(214), art. 00037. https://doi.org/10.53502/wood-195844

  15. Dey N., Bhardwaj S., Maji P.K. Recent Breakthroughs in the Valorization of Lignocellulosic Biomass for Advancements in the Construction Industry: A Review. RSC Sustainability, 2025, vol. 3, iss. 8, pp. 3307–3357. https://doi.org/10.1039/d5su00142k

  16. Dorn L., Thirion A., Ghorbani M., Olaechea L.M., Mayer I. Exploring Fully Biobased Adhesives: Sustainable Kraft Lignin and 5-HMF Adhesive for Particleboards. Polymers, 2023, vol. 15, no. 12, art. 2668. https://doi.org/10.3390/polym15122668

  17. Gandini A., Belgacem M.N. Furans in Polymer Chemistry. Progress in Polymer Science, 1997, vol. 22, iss. 6, pp. 1203–1379. https://doi.org/10.1016/S0079-6700(97)00004-X

  18. Lee S.H., Md Tahir P., Lum W.C., Tan L.P., Bawon P., Park B.D., et. al. A Review on Citric Acid as Green Modifying Agent and Binder for Wood. Polymers, 2020, vol. 12, no. 8, art. 1692. https://doi.org/10.3390/polym12081692

  19. Luo J., Zhou Y., Zhang Y., Gao Q., Li J. An Eco-Effective Soybean Meal-Based Adhesive. Polymers, 2020, vol. 12, iss. 4, art. 954. https://doi.org/10.3390/polym12040954

  20. Ma Y., Kou Z., Hu Y., Zhou J., Bei Y., Hu L., et al. Research Advances in Bio-Based Adhesives. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2023, vol. 126, art. 103444. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2023.103444

  21. Mancera C., El Mansouri N.-E., Vilaseca F., Ferrando F., Salvado J. The Effect of Lignin as a Natural Adhesive on the Physico-Mechanical Properties of Vitis vinifera Fiberboards. BioResourses, 2011, vol. 6(3), pp. 2851–2860. https://doi.org/10.15376/biores.6.3.2851-2860

  22. O’Neill R., Ahmad M.N., Vanoye L., Aiouache F. Kinetics of Aqueous-Phase Dehydration of Xylose into Furfural Catalyzed by ZSM-5 Zeolite. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2009, vol. 48, no. 9, pp. 4300–4306. https://doi.org/10.1021/ie801599k

  23. Santoso M., Widyorini R., Prayitno T., Sulistyo J. Effect of Pressing Temperatures on Bonding Properties of Sucrose–Citric Acid Adhesive Boards. Wood Research, 2020, vol. 65, no. 5, pp. 747–756. https://doi.org/10.37763/wr.1336-4561/65.5.747756

  24. Sener C., Motagamwala A.H., Alonso D.M., Dumesic J.A. Enhanced Furfural Yields from Xylose Dehydration in the γ-Valerolactone/Water Solvent System at Elevated Temperatures. ChemSusChem, 2018, vol. 11, iss. 14, pp. 2321–2331. https://doi.org/10.1002/cssc.201800730

  25. Shi N., Liu Q., He X., Wang G., Chen N., Peng J., et al. Molecular Structure and Formation Mechanism of Hydrochar from Hydrothermal Carbonization of Carbohydrates. Energy & Fuels, 2019, vol. 33, no. 10, pp. 9904–9915. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b02174

  26. Siahkamari M., Emmanuel S., Hodge D., Nejad M. Lignin–Glyoxal: A Fully Biobased Formaldehyde-Free Wood Adhesive for Interior Engineered Wood Products. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2022, vol. 10, no. 11, pp. 4039–4050. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c06843

  27. Sun S., Zhao Z. Influence of Acid on the Curing Process of Tannin-Sucrose Adhesives. BioRessources, 2018, vol. 13(4), pp. 7683–7697. https://doi.org/10.15376/biores.13.4.7683-7697

  28. Tsilomelekis G., Orella M.J., Lin Z., Cheng Z., Zheng W., Nikolakis V., Vlachos D.G. Molecular Structure, Morphology and Growth Mechanisms and Rates of 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) Derived Humins. Green Chemistry, 2016, vol. 18, iss. 7, pp. 1983–1993. https://doi.org/10.1039/C5GC01938A

  29. Umemura K., Ueda T., Munawar S.S., Kawai S. Application of Citric Acid as a Natural Adhesive for Wood. Journal of Applied Polymer Science, 2012, vol. 123, iss. 4, pp. 1991–1996. https://doi.org/10.1002/app.34708

  30. Umemura K., Sugihara O., Kawai S. Investigation of a New Natural Adhesive Composed of Citric Acid and Sucrose for Particleboard. Journal of Wood Science, 2013, vol. 59, pp. 203–208. https://doi.org/10.1007/s10086-013-1326-6

  31. Van Zandvoort I., Wang Y., Rasrendra C.B., van Eck E.R.H., Bruijnincx P.C.A., Heeres H.J., Weckhuysen B.M. Formation, Molecular Structure, and Morphology of Humins in Biomass Conversion. Chemistry Sustainable Energy Materials, 2013, vol. 6, iss. 9, pp. 1745–1758. https://doi.org/10.1002/cssc.201300332

  32. Yang G., Gong Z., Luo X., Chen L., Shuai L. Bonding Wood with Uncondensed Lignins as Adhesives. Nature, 2023, vol. 621(7979), pp. 511–515. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06507-5

  33. Yuan J., Du G., Yang H., Liu S., Park S., Liu T., et al. Fully Bio-Based Adhesive Designed Through Lignin–Cellulose Combination and Interfacial Bonding Reinforcement. Industrial Crops and Products, 2023, vol. 204, part A, art. 117279. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2023.117279

  34. Zhang W., Sun H., Zhu C., Wan K., Zhang Y., Fang Z., et al. Mechanical and Water-Resistant Properties of Rice Straw Fiberboard Bonded with Chemically-Modified Soy Protein Adhesive. RSC Advances, 2018, vol. 8, iss. 27, pp. 15188–15195. https://doi.org/10.1039/C7RA12875D

  35. Zhao Z., Miao Y., Yang Z., Wang H., Sang R., Fu Y., et al. Effects of Sulfuric Acid on the Curing Behavior and Bonding Performance of Tannin–Sucrose Adhesive. Polymers, 2018, vol. 10(6), art. 651. https://doi.org/10.3390/polym10060651