Биоконверсия непищевого целлюлозосодержащего сырья: энергетических растений и отходов АПК тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.06, кандидат наук Макарова, Екатерина Ивановна

• Макарова, Екатерина Ивановна
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Макарова, Екатерина Ивановна

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Аналитические исследования

1.1 Источники для получения целлюлозы

1.2 Состав лигноцеллюлозных материалов

1.2.1 Целлюлоза

1.2.2 Гемицеллюлозы

1.2.3 Лигнин

1.3 Способы предварительной обработки целлюлозосодержащего сырья

1.3.1 Обработка разбавленным раствором кислоты

1.3.2 Обработка разбавленным раствором щелочи

1.3.3 Гидротермическая обработка

1.4 Ферментативный гидролиз компонентов растительного сырья

1.4.1 Ферментативный гидролиз целлюлозы

1.4.2. Ферментативный гидролиз гемицеллюлоз

1.5 Факторы, влияющие на эффективность ферментативного гидролиза

1.5.1 Влияние характеристик субстрата на эффективность гидролиза

1.5.1.1 Концентрация субстрата

1.5.1.2 Степень кристалличности

1.5.1.3 Степень полимеризации

1.5.1.4 Удельная площадь поверхности

1.5.1.5 Содержание влаги

1.5.1.6 Массовая доля лигнина

1.5.2 Влияние температуры на активность ферментов

1.5.3 Влияние рН среды на активность ферментов

1.5.4 Характеристики целлюлазного комплекса

1.5.4.1 Концентрация ферментного комплекса

1.5.4.2 Использование поверхностно-активных веществ

1.5.4.3 Использование смесей ферментных препаратов

1.5.4.4 Ингибирование активности целлюлазы в процессе гидролиза

1.6 Обзор российских патентов по теме диссертации

2. Методическая часть

2.1 Характеристики сырья, используемого в работе

2.1.1 Мискантус

2.1.2 Плодовые оболочки овса

2.2 Реактивы, аналитическое оборудование и методики анализа сырья, целлюлоз и ферментативных гидролизатов

2.3 Описание используемых ферментных препаратов

2.4 Ферментативный гидролиз целлюлозосодержащих субстратов

2.5 Методика сбраживания гидролизатов

2.6 Построение калибровочных графиков для определения концентрации редуцирующих веществ

2.7 Способы получения субстратов для ферментативного гидролиза

из мискантуса и плодовых оболочек овса

2.7.1 Получение образцов целлюлозы мискантуса и плодовых оболочек овса

2.7.1.1. Предгидролиз

2.7.1.2 Азотнокислая варка

2.7.1.3 Щелочная обработка

2.7.1.4 Кисловка

2.7.1.5 Нейтрализация отработанных растворов

2.7.2 Получение волокнистых продуктов и образцов целлюлоз гид-ротермобарической обработкой сырья в реакторе высокого давления

2.7.3 Получение гидротропной целлюлозы на универсальной термобарической установке

3 Результаты исследований и их обсуждение

3.1 Определение химического состава мискантуса и плодовых оболочек овса

3.2 Подбор мультиэнзимной композиции для гидролиза мискантуса и плодовых оболочек овса

3.3 Исследование ферментолиза образцов целлюлозы мискантуса и плодовых оболочек овса

3.3.1 Определение химических свойств образцов целлюлозы

3.3.2 Подбор мультиэнзимной композиции для ферментолиза образцов целлюлозы мискантуса и плодовых оболочек овса

3.3.3 Определение оптимальных параметров для проведения ферментолиза (температура, рН, начальная концентрация субстрата) на примере образца целлюлозы мискантуса

3.3.3.1 Влияние рН среды на эффективность ферментативного гидролиза

3.3.3.2 Влияние температуры на эффективность ферментативного гидролиза

3.3.3.3 Влияние концентрации субстрата на эффективность ферментативного гидролиза

3.3.3.4 Расчет оптимальных условий ферментативного гидролиза

3.3.4 Разработка методики определения реакционной способности

к ферментативному гидролизу целлюлозосодержащих субстратов

3.3.5 Оценка реакционной способности к ферментолизу образцов целлюлозы мискантуса и плодовых оболочек овса

3.3.6 Исследование ферментолиза образцов целлюлозы при различных начальных концентрациях субстрата

3.3.7 Исследование кинетика ферментативного гидролиза образцов

целлюлозы

3.3.8 Исследование ферментолиза целлюлозы в водной среде. Сбраживание водного гидролизата в этанол

3.3.9 Влияние химического состава, степени кристалличности, степени полимеризации субстратов на реакционную способность к фер-ментолизу продуктов химической переработки мискантуса

3.4 Исследование реакционной способности к ферментолизу других продуктов переработки мискантуса и плодовых оболочек овса

3.4.1 Исследование ферментолиза продуктов после гидротермоба-рической обработки сырья в реакторе высокого давления

3.4.1.1 Ферментативный гидролиз образцов волокнистого продукта

3.4.1.2 Ферментативный гидролиз образцов целлюлозы

3.4.2 Исследование ферментолиза образцов гидротропной целлюлозы

3.4.3 Исследование ферментолиза образцов лигноцеллюлозного материала

3.4.4 Исследование ферментолиза образцов волокнистого продукта

3.5 Интегрирование процессов предварительной обработки и ферментативного гидролиза в комплексную схему превращения недревесного сырья в полезные продукты на опытно-промышленном производстве ИПХЭТ СО РАН

3.6 Связь темы с планами работы Института

Выводы

Библиографический список

Приложение А. Методика определения концентрации редуцирующих

веществ на спектрофотометре UNICO UV-2804

Приложение Б. Патент на изобретение

Приложение В. Технический акт внедрения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Биоконверсия непищевого целлюлозосодержащего сырья: энергетических растений и отходов АПК»

Введение

Актуальность темы

В настоящее время существенно возросла мировая потребность в энергии, вызванная ограниченностью и высокой ценой на ископаемые ресурсы, а также проблемами изменения глобального климата. Основным источником для производства биотоплива являются легкоперерабатываемые крахмало- и сахаро-содержащие источники - это так называемое «биотопливо первого поколения», которое, к сожалению, конкурирует с пищевым сектором мировой экономики. Возможность использования для производства биотоплива целлюло-зосодержащего сырья с ежегодным мировым воспроизводством порядка 200 млрд. т на планете открывает новые горизонты для «биотоплива второго поколения».

В связи с несовершенством существующих технологий и высокой себестоимостью производства биоэтанола из лигноцеллюлозных источников возникает необходимость разработки универсального способа переработки растительного сырья в доброкачественные гидролизаты - питательную среду для микробиологического синтеза этанола и других продуктов. В силу своей доступности и низкой стоимости перспективными источниками получения таких гидролизатов являются энергетические культуры и отходы АПК. Мискантус -яркий представитель энергетических культур. Растение является многолетним злаком и, начиная с третьего года культивирования, может ежегодно продуцировать на одном поле на протяжении 15-20 лет 10-15 т/га/год сухой биомассы в Сибири, что соответствует 4-6 т/га чистой целлюлозы. Плодовые оболочки овса - реальные отходы АПК (ЗАО «Бийский элеватор»), которые составляют 28 % от всей массы зерна. Зерноперерабатывающие заводы со средней производительностью сталкиваются с проблемой их утилизации, только в Алтайском крае при переработке 1,5 млн т овса образуется 375000 кг плодовых оболочек. Высокое содержание целлюлозы в плодовых оболочках овса (до 35 %), доступность и низкая стоимость определяет возможность их применения в качестве субстрата для последующей биоконверсии.

7

Несмотря на известные успехи гидролизной промышленности в России (этанол из древесины через химический гидролиз) в 1950-1990-е гг. перечисленные виды сырья не были исследованы в качестве источников получения этанола по схеме «лигноцеллюлоза - химический гидролиз - гидролизат -сбраживание - этанол». Переход от традиционного химического способа гидролиза растительного сырья к ферментативному обусловлен преимуществами последнего: более мягкие условия процесса, экономия энергии, получение биологически доброкачественных гидролизатов, не содержащих примесей, способных оказывать негативное влияние на процессы жизнедеятельности микроорганизмов при последующей переработке гидролизатов. Однако ферментативный гидролиз отличается высокой специфичностью и чувствительностью процесса, то есть зависимостью от параметров проведения процесса, специфичности ферментных препаратов, а также природы и способа подготовки субстрата. В настоящее время основными направлениями биотехнологической переработки растительного сырья в полезные продукты микробиологического синтеза являются как создание комплексных высокоэффективных биокатализаторов, так и выбор эффективного способа предварительной обработки сырья [1-5].

Основываясь на вышеперечисленном, можно заключить, что исследования, направленные на разработку технологии биоконверсии целлюлозосодер-жащего сырья (на модели мискантуса и плодовых оболочек овса), включающего в себя разработку высокоэффективной мультиэнзимной композиции из доступных ферментных препаратов, определение оптимальных параметров гидролиза, выбор способа предварительной обработки сырья являются актуальными и перспективными.

Цели и задачи исследования

Цель данной работы - разработка технологии биоконверсии непищевого целлюлозосодержащего сырья на модели энергетических растений (мисканту-са) и реальных отходов зернопереработки (плодовых оболочек овса).

Для реализации поставленной цели сформулированы следующие задачи:

- разработать мультиэнзимную композицию из ферментных препаратов, обеспечивающую максимальную степень конверсии выбранных видов сырья и продуктов их предварительной обработки;

- определить оптимальные параметры ферментативного гидролиза исследуемых субстратов;

- разработать методику оценки реакционной способности к ферментативному гидролизу целлюлозосодержащих субстратов;

- изучить сравнительную реакционную способность к ферментолизу образцов целлюлозы мискантуса и плодовых оболочек овса, полученных различными способами;

- исследовать зависимость конечной концентрации и выхода редуцирующих веществ от начальной концентрации субстрата при ферментативном гидролизе образцов целлюлозы мискантуса и плодовых оболочек овса, полученных различными способами;

- описать кинетику процессов ферментативного гидролиза образцов целлюлозы мискантуса и плодовых оболочек овса;

- исследовать ферментативный гидролиз образца целлюлозы мискантуса в водной среде и оценить возможность использования полученного водного гидролизата как питательной среды для получения продуктов микробиологического синтеза путем его сбраживания в этанол;

- оценить зависимость реакционной способности к ферментативному гидролизу от физико-химических характеристик субстратов на примере продуктов химической переработки мискантуса;

- оценить зависимость реакционной способности к ферментативному гидролизу субстратов от способа предварительной обработки сырья на примере мискантуса и плодовых оболочек овса.

Научная новизна

Научно обоснована и экспериментально разработана технология биоконверсии непищевого целлюлозосодержащего сырья для получения гидролиза-тов, используемых в биотехнологической промышленности.

Разработан состав мультиэнзимной композиции из комплекса целлюлаз-ных, ксиланазных и [З-глюканазных ферментов, который по сравнению с индивидуальными препаратами приводит к увеличению выхода редуцирующих веществ от массы субстрата при гидролизе сырья на 7-9 %, при гидролизе целлюлозы на 10-24 %.

Применение математических методов планирования эксперимента позволило определить оптимальные параметры ферментативного гидролиза исследуемых субстратов с использованием подобранной мультиэнзимной композиции.

Подтверждена возможность использования гидролизата в качестве питательной среды для микробиологического синтеза: сбраживанием водного гидролизата целлюлозы мискантуса получен этанол с высоким выходом спирта.

Установлено отсутствие корреляции между реакционной способностью к ферментативному гидролизу и физико-химическими характеристиками продуктов химической переработки мискантуса: субстраты с высокими значениями степени полимеризации (1000) и степени кристалличности (65-72 %) целлюлозы при гидролизе обеспечивают выход редуцирующих веществ от массового содержания гидролизуемых компонентов в субстрате 91-93 %. Обнаружено отсутствие ингибирующего действия кислотонерастворимого лигнина в составе лигноцеллюлозного материала на ферментные препараты: субстрат с массовой долей лигнина 9 % обеспечивает выход редуцирующих веществ от

массового содержания гидролизуемых компонентов в субстрате 92 %.

10

Произведена сравнительная оценка реакционной способности к ферментативному гидролизу субстратов, полученных из мискантуса и плодовых оболочек овса различными способами: гидротермобарической обработкой, гидро-тропной варкой, обработкой разбавленным раствором кислоты или щелочи, и установлено, что максимальный выход редуцирующих веществ от массового содержания гидролизуемых компонентов в субстрате (92-100 %) обеспечивает обработка разбавленным раствором кислоты или щелочи.

Новизна исследований подтверждена патентом РФ № 2533921 «Способ предварительной обработки целлюлозосодержащего сырья для ферментативного гидролиза».

Теоретическая и практическая значимость

Разработана и апробирована на различных субстратах методика оценки реакционной способности к ферментативному гидролизу целлюлозосодержащих продуктов.

Разработана технология биоконверсии мискантуса и плодовых оболочек овса, заключающаяся в обработке в одну стадию сырья разбавленным раствором азотной кислоты или щелочи и ферментолизе полученного субстрата при установленных параметрах процесса (температура (45±2) °С, рН (4,6±0,3)) с использованием разработанной высокоэффективной мультиэнзимной композиции.

Интегрирование технологии ферментативного гидролиза в комплексную схему переработки иедревесного сырья в полезные продукты на опытно-промышленном производстве ИПХЭТ СО РАН подтверждено актом внедрения.

Результаты исследований включены в методическое положение, утвержденное директором ИПХЭТ СО РАН, д.х.н. C.B. Сысолятиным.

Результаты исследования и методология могут быть использованы разработчиками и производителями биологической промышленности, а также в качестве учебного пособия студентов по специальности «Биотехнология».

1 Аналитические исследования

1.1 Источники для получения целлюлозы

В настоящее время в России промышленное значение имеют лишь два источника целлюлозы - хлопок и древесная биомасса. Хлопок представляет собой почти чистую целлюлозу и не требует сложной обработки. Древесная масса содержит 40-44 % целлюлозы [5, 6].

В качестве альтернативных видов целлюлозосодержащего сырья могут использоваться растения с относительно низким содержанием лигнина, в которых основная масса структурных компонентов представлена целлюлозой. Введение в культуру видов растений с высоким содержанием целлюлозы, дающих высокие урожаи биомассы и выращиваемых традиционными методами сельского хозяйства, может оказаться весьма перспективным способом вовлечения новых источников высококачественной целлюлозы для многоцелевого использования [7]. В мире проводятся исследования по оценке богатых целлюлозой растений как перспективных источников сырья для химической промышленности и производства энергии [8-11].

Повышенное внимание во всем мире уделяется травянистым растениям, пригодным для возделывания традиционными методами сельскохозяйственного производства. Данный факт объясняется тем, что большинство таких растений размножаются семенами, могут возделываться в традиционных сельскохозяйственных регионах и обладают высокой скоростью накопления целлюлозосодержащей биомассы в стеблях. Среди них всем известные виды: овес, кукуруза, пшеница, лен, подсолнечник и др. Список видов-кандидатов активно пополняется [7].

В России потенциальными источниками сырья для химической и топливно-энергетической промышленности в первую очередь могут рассматриваться побочная продукция растениеводства и деревопереработки, торф [12]. Критериями использования тех или иных материалов являются изъятие растительного сырья агросферы для промышленной переработки, размеры запасов и отходов переработки, их стоимость, площади используемой пашни и

12

залежи, возможности концентрирования их в районе расположения производства, технологические свойства, возможные объемы производства возобновляемой энергии в настоящем и будущем [12, 13].

Исследования показали, что в современной России главным резервом производства биотоплива второго поколения могут быть отходы деревопере-работки (опилки, кора, щепа и другие отходы лесозаготовок). По прогнозам к 2020 г. эти отходы составят около 110 млн. т. Даже если использовать 25 % этого количества можно получить 8 млн. т автоэтанола [12].

К целлюлозосодержащим материалам, которые могут быть использованы в качестве сырья для получения целлюлозы, также относятся отходы переработки сельскохозяйственных культур (солома, стебли хлопчатника хлопковая шелуха, кукурузная кочерыжка, подсолнечная лузга, рисовая шелуха и др.), т.е. дешевые материалы, которые в относительно небольшой степени используются для нужд народного хозяйства [4]. Состав отходов в значительной степени зависит от типа вида, но в среднем содержит 30-50% целлюлозы, 20-30% гемицеллюлозы и 10-25% лигнина. В таблице 1.1 представлено содержание основных компонентов некоторых видов сельскохозяйственных отходов [4, 13, 14].

Таблица 1.1 - Средний состав некоторых видов сельскохозяйственных отходов

Содержание, %

целлюлоза гемицеллюлоза лигнин

Оболочки овса 48,4 16,1 16,2

Оболочки сои 48,0 17,0 2,0

Рисовая шелуха 31,3 24,3 13,3

Кукурузная кочерыжка 36,5 28,1 10,4

Следует упомянуть верховой малоразложившийся торф (степень разложения до 15-20 %), химический состав которого во многом повторяет химический состав растений, образующих его. Запасы торфа огромны, причем

имеются крупные месторождения, содержание торфа в которых достигает от

13

2 млн т до 28 млн т. Верховой торф может содержать 20-24 % целлюлозы и 16-36 % гемицеллюлоз [15].

Интересным представляется использование в качестве сырья промышленных отходов, содержащих делигнифицированную или обработанную иным образом целлюлозу, например, отходы вискозных заводов. В отличие от хлопковой эта целлюлоза в значительной степени аморфизована. Другим источником являются отходы целлюлозо-бумажного производства, отходы текстильных предприятий, ткацких фабрик [6, 15].

В настоящее время во всем мире появилось перспективное направление производства биотоплива из энергетических культур. В таблице 1.2 представлены некоторые распространенные биотопливные культуры и средние значения содержания основных химических компонентов в них: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина [16-21].

Таблица 1.2- Средний химический состав некоторых видов биотопливных культур

Культура Содержание, %

целлюлоза гемицеллюлоза лигиин

Просо 45 30 12

Тополь 45 21 24

Мискантус 48 30 12

Солома пшеницы 38 27 20

Рисовая солома 37 34 12

Багасса сахарного 40 24 25

тростника

Хлопковый сте- 31 11 28

бель

В России в ближайшее время среди энергетических культур основное внимание может быть отведено мискантусу китайскому (Miscanthns sinensis Andersson), который также называют «Веерник китайский» или «китайский камыш». Мискантус - род многолетних травянистых растений семейства мятликовых. К роду Miscanthus относят более 20 видов, распространенных от тропической и Южной Африки до Восточной и Юго-Восточной Азии. В Рос-

сии на Дальнем Востоке встречается 3 вида: мискантус сахароцветковый {Miscanthus sacchariflorus), мискантус краснеющий {Miscanthus purpurascens), мискантус китайский {Miscanthus sinensis Andersson). Веерник китайский в связи с хорошей урожайностью сухой биомассы, засухоустойчивостью и зимостойкостью активно рассматривается как сырьевой источник целлюлозы. Урожайность сухой биомассы мискантуса во Франции составляет 16 т с 1 гектара в год, в Португалии - в среднем 26 т/га, в Дании зафиксирован сбор 44 т/га [12, 22].

Размножение растения проводят частями корневищ (деленками). Обычно корневища короткие (5-10 см), образуются в течение вегетации, зимуют, а весной дают новые побеги. В результате происходит медленная колонизация пространства с образованием сильно разросшихся кочек. Высадку проводят весной отдельными корневищами, размещая их рядами с широкими междурядьями (60-75 см) [12]. Максимальная продуктивность посадок достигается на 3-4-й год, после чего ежегодный урожай биомассы сохраняется до 15-20 лет [7]. Мискантус является технической культурой, и отводить под его плантации плодородные пахотные земли нет необходимости. За последние годы из севооборота выведены млн га земель. Эти земли не оправдывают себя при возделывании на них зерновых культур, но при наличии минеральных удобрений на них с успехом можно развернуть производство мискантуса.

Мискантус представляет большой интерес в отношении защиты почв от эрозии, так как его посадки уже через 2-3 года после закладки плантации образуют на поверхности сплошной покров из корневищ, что предотвращает всякое перемещение почвенного материала. В связи с этим посадки мискантуса могут быть чрезвычайно экологически эффективны при закреплении эродированных почв, а так же развевающихся отвалов горнодобывающей промышленности, обогатительных фабрик и т.д. В таблице 1.3 приведены данные сравнительной энергетической эффективности возделывания трех полевых культур [18].

Таблица 1.3 - продуктивность и энергетическая эффективность производства растительной биомассы агросистем на серых лесных почвах, до вы-

воза с поля

Культура и Урожай Затраты технической энергии, МДж/га Энерге-

удобрения тическая эффективность

биомасса, содержа- На произ- на воспроизвод- совокупные

сухое ве- ние энер- водство ство почвенного энерго-

щество, гии в биомассы плодородия затраты

ц/га урожае, МДж/га

солома 42 71060 4560 2797 7357 9,7

озимой 34 (компенсация

пшеницы, выноса соломой

И4оР4ОК40 N. Р и К)

кукуруза, 516 188100 21943 9857 31800 5,9

скошенная биомасса, 90 (разложенный гумус, подкис-

^оРбоК-ш ление почв минеральными удобрениями, эрозионные потери гумуса, РиК)

мискантус, 225 188100 15832 226 16058 П,7

скошенная 90 (с учетом (подкисление

биомасса, М90РбоК40 амортизации за- почв минеральными удобрени-

ежегодно трат на закладку в течение 15 лет) ями)

Из данных таблицы видно, что содержание энергии в скошенной биомассе мискантуса в 11,7 раза больше, чем сумма прямых и косвенных затрат технической энергии в пределах поля на производство и уборку биомассы и восстановление почвенного плодородия. Ежегодные энерговложения для восстановления почвенного плодородия при возделывании мискантуса в десятки раз меньше, чем после выращивания озимой пшеницы и кукурузы [12].

Первые образцы популяций мискантуса китайского были привезены в г. Новосибирск около 15 лет назад по заданию академика В.К. Шумного, размножены, и в Институте цитологии и генетики СО РАН начались популяци-

16

онно-генетические и селекционные исследования этого вида. В результате выделена необычная форма мискантуса - мискантус сорта Сорановский - с очень длинными корневищами, которые быстро колонизируют почвенное пространство, и создается сплошная ровная форма мискантуса (рисунок 1.1) [23].

Рисунок 1.1- Июньские всходы мискантуса после посадки во второй половине мая, слева; 8-летняя плантация мискантуса в августе, справа, Новосибирск, 2008

Новая форма мискантуса китайского способна в условиях Западной Сибири дать урожай сухой биомассы (целлюлозосодержащее сырье) на уровне 10-15 т/га/год [7]. Для формирования многолетней устойчиво функционирующей плантации (на 15-20 лет) необходимо 2-3 года. Скашивание урожая начинается со второго года после посадки и производится ежегодно. После 20 лет вегетации плантация уничтожается и закладывается новая. С учетом минимальной продуктивности в условиях Западной Сибири продуктивность плантации мискантуса за 20 лет составит 185 т с гектара. Плантации мискантуса существенно превосходят по эффективности накопления биомассы лучшие леса умеренной зоны Евроазии. В таблице 1.4 приведено сравнение среднегодовых приростов биомассы мискантуса по принятой в Институте цитологии и генетики СО РАН технологии со справочными данными лесов 1а бонитета [7, 10].

Таблица 1.4 - Среднегодовой прирост биомассы при производстве мис-

кантуса и в лесах 1а бонитета

Мискантус, т/га Сосна, т/га Береза, т/га Осина, т/га Среднее по России, т/га*

9,3 3,6 3,4 2,7 0,6

Примечание: * - ежегодный средний прирост древесины в лесах России, покрытых лесной растительностью [24]

Таким образом, доказана перспективность использования технической культуры мискантуса как дополнительного источника высококачественной целлюлозы [10].

Работы по исследованию ферментативного гидролиза мискантуса сорта Сорановский и продуктов его переработки демонстрируют низкую степень конверсии исследуемых субстратов [25].

Ежегодно в России накапливаются миллионы тонн отходов переработки однолетних растений, которые представляют научный интерес для многих исследователей. В частности солома и плодовые оболочки злаков рассматриваются как перспективные целлюлозосодержащие источники [11]. Основным достоинством отходов переработки однолетних злаков является ежегодная воспроизводимость и возможность переработки любыми способами. При этом чаще всего отходы сжигают или запахивают в землю. Плодовые оболочки овса составляют 28 % от всей массы зерна и зерноперерабатывающие заводы при средней производительности 1400 т овса в месяц сталкиваются с проблемой их утилизации. В то же время в связи с высоким содержанием целлюлозы в плодовых оболочках овса (до 35 %) и размещением этого вида сырья непосредственно в промышленных районах их можно рассматривать как концентрированный вид целлюлозосодержащих отходов. В настоящее время только в Алтайском крае при переработке 1,5 млн т овса образуется 375000 кг плодовых оболочек овса. Этот вид отходов переработки злаков в силу своей доступности и низкой стоимости может найти применение в качестве потенциального ис-

точника для получения гидролизатов с последующей переработкой их в этанол [26].

1.2 Состав лигноцеллюлозных материалов

Лигноцеллюлозные материалы представлены волокнистыми элементами, образующими матрицу, которые в основном состоят из трех компонентов: целлюлозы (38-50 %), гемицеллюлоз (23-32 %) и лигнина (10-25 %) [4].

- целлюлоза

- гемнцеллюлоза

- лигнин

- целлюлоза

Рисунок 1.2- Иллюстрация структурного волокна клеточной стенки [27]

1.2.1 Целлюлоза

Целлюлоза представляет собой самый распространенный биополимер, который входит в состав как однолетних, так и многолетних растений. Благодаря своим химическим и физическим свойствам, а также надмолекулярной структуре целлюлоза выполняет функцию основного структурного компонента клеточных стенок растений [28].

Целлюлоза представляет собой линейный полимер, состоящий из остатков Р-О-глюкозы (ангидро-Р-О-глюкопиранозы), соединенных 1-4 Р-гликозидной связью (рисунок 1.3). Предпоследним продуктом гидролиза целлюлозы является целлобиоза - дисахарид, состоящий из двух остатков Э-глюкозы, соединенных р-глюкозидной связью. Эмпирическая формула целлюлозы (С6Н10О5)п или [С6Н702(0Н)з]п [6, 29-31].

Рисунок 1.3 - Структурная формула целлюлозы

Элементарные звенья макромолекулы целлюлозы находятся в форме кресла, гидроксильные группы расположены в горизонтальном направлении, а атомы водорода - в вертикальном. Каждое второе звено повернуто на 180е по отношению к оси молекулы.

Значение степени полимеризации целлюлозы изменяется в широких пределах в зависимости от происхождения образца и может составлять более 10000, а молекулярная масса - более 1,5 млн. Химическая обработка сырья сильно снижает степень полимеризации целлюлозы в полученном образце. Таким образом, определение средней степени полимеризации целлюлозы позволяет достаточно точно охарактеризовать ее степень деструкции при различных видах воздействий [15].

Целлюлозные волокна характеризуются степенью кристалличности -показателем, который характеризует плотность упаковки целлюлозы и соотношение аморфных и кристаллических участков в ее структуре. Наибольшей упорядоченностью структуры и содержанием кристаллических участков характеризуется целлюлоза хлопка. Ее степень кристалличности по данным рентгеновской дифрактометрии составляет 90 % и более. Целлюлоза древесины менее упорядочена, однако, как и хлопок, относится к высокоупорядо-ченным образцам (степень кристалличности составляет 70-90 %). Бактериальная целлюлоза обладает значением степени кристалличности близким по значению к таковому для хлопковой целлюлозы [15, 32, 33].

Гетерогенность структуры целлюлозы, наличие кристаллических и аморфных областей, а также межфибриллярных капилляров приводит к тому, что волокна целлюлозы имеют макро- и микропоры (микропоры имеют диаметр менее 100 А). Пористая система в целлюлозе организована так, что проходит через всю ее структуру как сложная сеть каналов различного диаметра. Так для хлопкового волокна измерения показали, что примерно 75 % общего объема пор занимают поры диаметром 20 А. Известно, что в сухом волокне общий объем пор меньше, чем во влажном. Делигнифицированная древесная целлюлоза имеет средний размер пор в 2-4 раза превышающий размер пор хлопковой целлюлозы [15, 31].

1.2.2 Гемицеллюлозы

Гемицеллюлозы составляют 20-30% биомассы двудольных растений, таких как деревья, до 50% для некоторых тканей однодольных растений и около 25% от доступной биомассы биоэнергетических растений (например, мис-кантус, просо, овсяница, сорго) [34, 35].

Гемицеллюлозы тесно связаны с целлюлозой в клеточной стенке. Основными составными звеньями гемицеллюлоз являются пять нейтральных Сахаров: гексозы (глюкоза, манноза, галактоза) и пентозы (ксилоза и араби-ноза) [20]. Гемицеллюлозные полисахариды короче, чем целлюлозные (степень полимеризации 200 или меньше) и они зачастую разветвлены, при этом короткие цепи содержат другие сахара, ацетильные группы и фенольные группы. Структурная неоднородность является особенностью гемицеллюлоз, возникшая за счёт устойчивости к ухудшению экологической среды [36].

Рисунок 1.4 - Структура основных гемицеллюлозных цепей [5] а - арабиноксилан; Ь - ксилан; с - галактоглюкоманнан

Состав гемицеллюлоз зависит от вида растения и типа ткани, и в зависимости от состава полисахаридов их можно разделить на 4 основные группы (рисунок 1.4) [5]. Гемицеллюлозы травянистых растений содержат в основном ксилан, особенно арабиноксилан (рисунок 1.4а). Основной гемицел-люлозой лиственных пород является ксилан, более конкретно О-ацетил-4-(Зметштглюкуроно-88-0-ксилан (рисунок 1.4Ь). Основными гемицеллюлоза-ми хвойных пород являются галактоглюкоманнан и арабиноглюкоронокси-лан (рисунок 1,4с).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Макарова, Екатерина Ивановна, 2015 год

Литература

1 Герасименко В. Л. Лабораторные методы определения глюкозы: Методические рекомендации / В. Л. Герасименко. - Ижевск, Изд-во «Экспертиза», 2002. - 6 с.

2 Коренман И. М. Фотометрический анализ. Методы определения органических соединений / Под ред. Л. Б. Демушкина. - М., Изд-во «Химия», 1970. - 334 с.

3 Шапиро Д. К. Практикум по биологической химии / Д. К. Шапиро. - Минск. «Вышэйшая школа», 1976.-288 с.

4 Руководство по эксплуатации двухлучего сканирующего УФ - ВИД спектрофотометра UNICO модель UV - 2804.

5 Браун Д., Флойд А. Спектроскопия органических веществ/ Д. Браун, А. Флойд. - М.: Изд-во «Мир», 1992. - 305 с.