Сравнение различных видов химических предобработок соломы пшеницы и опилок бука

Предобработка различными химическими реагентами — один из основных способов предобработки, который применяется в современной промышленности для получения продуктов из лигноцеллюлозного сырья. В данной работе проводилось сравнение десяти различных способов химической предобработки двух субстратов — опилок бука и соломы пшеницы. Крупность образцов составляла 0,24–0,312 мм. Сравнение проводилось по двум показателям — потере исходного сырья при предобработке и выходу редуцирующих веществ при кислотном гидролизе 1,5 % серной кислотой при температуре 120 °С. Показано влияние температурного режима процесса на эффективность предобработки лигноцеллюлозного сырья. Лучшие результаты по выходу редуцирующих веществ были получены после предобработки с использованием ионной жидкостью и уксусной кислотой.

Ключевые слова: предобработка, лигноцеллюлозное сырье, кислотный гидролиз

Растительная биомасса является самым распространённым в природе возобновляемым источником сырья для получения ценных продуктов пищевой и химической промышленности. Целевым продуктом переработки лигноцеллюлозного сырья являются моносахара, которые извлекают кислотным или ферментативным гидролизом. Пентозы и гексозы, полученные из растительной биомассы, могут быть использованы как в чистом виде (компоненты питательных сред в биотехнологических процессах), так и являться прекурсорами ценных компонентов для химической промышленности (из пентоз получают фурфурол, фурфуриловый спирт, фуран-2-карбоновую кислоту; из гексоз можно, в перспективе, получать 5-гидроксиметилфурфурфурол и его производные). Трудность осуществления процесса гидролиза (как кислотного, так и ферментативного) в промышленном масштабе заключается в том, что природное растительное сырье имеет многокомпонентный состав. Структурными единицами лигноцеллюлозы являются лигнин (нерегулярный полимер, составленный преимущественно из фенилпропана и его производных), гемицеллюлозы (растительные полисахариды, состоящие из пентоз, гексоз и остатков уроновых кислот; имеют аморфную структуру) и целлюлоза (полисахарид β-глюкозы; имеет кристаллическую структуру). Для облегчения процесса гидролиза растительное сырье подвергают процессу предобработки, нацеленного на изменение компонентного состава (например, делигнификация) или кристаллической структуры (предобработка ионными жидкостями) [1]. Например, предобработка разбавленной серной кислотой в концентрациях 0,22–1,2 % при высоких температурах позволяет практически полностью извлечь гемицеллюлозы и существенно повысить выход глюкозы при дальнейшем ферментативном гидролизе кукурузных початков [2]. Похожие результаты были получены при использовании разбавленной соляной кислоты. Отмечена высокая эффективность извлечения гемицеллюлоз в результате совмещения процесса кислотного гидролиза и обработки гидроксидом кальция [3]. Также известна работа, посвященная исследованию щелочной предобработки растительных субстратов [4.]. Было показано, что использование щелочей целесообразно в случае дальнейшего ферментативного осахаривания сырья, т. к. использование кислот в процессе предобработки способствует накоплению в субстрате ингибиторов ферментов. Также высокий выход сахаров в результате ферментативного гидролиза отмечен после предобработки водными растворами аммиака (25–28 %) [5]. Среди эффективных и перспективных методов стоит отметить окислительную предобработку. Например, использование водного раствора перекиси водорода позволило эффективно гидролизовать целлюлозу стеблей табака за счет частичной делигнификации и удалении гемицеллюлоз [6]. Использование H₂O₂ существенно изменило кристаллическую структуру субстрата, что было доказано с использованием электронной микроскопии и методом дифракции рентгеновских лучей. Высокая степень делигнификации была достигнута в процессе предобработки с использованием надкислоты. Так, при смешении уксусной кислоты и пероксида водорода, образуется надуксусная кислота — высоко эффективный окислитель. Проведение предобработки раствором такой кислоты позволила удалить 98 % лигнина с сохранением 68 % гемицеллюлоз [7]. В качестве высокоэффективных реагентов для предобработки зарекомендовала себя группа органических солей с низкой температурой плавления — ионные жидкости. Они являются хорошими растворителями полимеров и способны растворять целлюлозу. С их помощью возможно эффективно удалять лигнин и гемицеллюлозы, а целлюлоза, растворяясь в ионных жидкостях теряет свою кристалличность и способна легко гидролизоваться [8].

Для определения наиболее эффективного метода необходимо проведение сравнения различных методов предобработки в условиях одного эксперимента. Как правило, в процессе изучения предобработки выбирается один или несколько методов и несколько субстратов и производится оптимизация процесса/ов. Сравнение методов ведут с использованием данных других статей. Однако, даже использование одного (по наименованию) исходного сырья и соблюдение протокола исследований не всегда позволяет получить воспроизводимые результаты. Это связано, прежде всего, с тем, что исходное сырье — растительная биомасса — является нерегулярным по составу. Влияние предобработки на исходный субстрат оценивается по выходу сахаров при гидролизе. Катализаторами процесса могут выступать разбавленные кислоты или ферменты, способные эффективно гидролизовать только гемицеллюлозы и аморфные участки целлюлозы. Кристаллическая целлюлоза практически не гидролизуется в мягких условиях.

Целью данной работы является проведение сравнения различных химических методов предобработки соломы пшеницы и опилок бука по критерию выхода редуцирующих сахаров.

Методика

Материалы

Серная кислота (хч, ООО «Химмед», Россия), соляная кислота (хч, ООО «Химмед», Россия), уксусная кислота (хч, ЗАО «Вектон», Россия, гидроксид натрия (хч, ООО «Русхим», Россия), гидроксид кальция (хч, ООО «Русхим», Россия), аммиак водный (ОСЧ, ООО «Химмед»), пероксид водорода 37 % (тех. Марка А, ООО «Русхим», Россия), [BMIm]Cl (98 %, SigmaAldrich, США), 3,5-динитросалициловая кислота (98 %, Acros, Бельгия), натрий калий винокислый 4-водный (чда, ООО «Русхим», Россия), фенол (чда, ЗАО «Вектон», Россия). Опилки бука и солома пшеницы крупностью 0,24–0,315 мм предварительно высушивали при 60 °С в течение 48 часов.

Предобработка

Предобработка субстратов производили при температурах 80 °С и 120 °С. Образцы лигноцеллюлозного сырья взвешивали на аналитических весах с точностью 0,01 г. Температуру 80 °С поддерживали с помощью циркуляционного термостата температуру 120 °С — с помощью автоклава. В пробирку с завинчивающейся крышкой помещали навеску лигноцеллюлозного сырья 400±1 мг, добавляли реакционную смесь в количестве 4 г (таблица 1). Содержимое пробирки интенсивно перемешивали.

После проведения предобработки реакционные сосуды воздушно охлаждали до комнатной температуры в течение 30 минут. Реакционную смесь фильтровали на воронке Бюхнера с использованием предварительно высушенных и взвешенных фильтров из фильтровальной бумаги. Предобработанное сырье промывали на фильтре дистиллированной водой до нейтрального pH. Фильтры с образцами помещали в сушильный шкаф (60 °С) и высушивали до постоянной массы в течение 12–20 часов. Убыль сырья во время предобработки определяли гравиметрическим методом.

Определение выхода редуцирующих веществ к массе сырья.

Образцы предварительно предобработанных субстратов взвешивали на аналитических весах с точностью 0,01 г, помещали в реакционные сосуды с раствором серной кислоты 1,5 % (масс.) и выдерживали в автоклаве при температуре 120 °С в течение 6 часов. Реакционную смесь воздушно охлаждали до комнатной температуры в течение 30 минут. Для определения количества редуцирующих веществ фильтраты полученных гидролизатов анализировали с использованием стандартной методики с 3,5-динитросалициловой кислотой [9]. Калибровочную кривую строили по глюкозе. Определение оптической плотности вели на приборе OceanOptics USB2000 в кювете с длиной оптического пути в 10 мм.

Результаты иобсуждение

Использование воды для предобработки позволяет удалять водорастворимые соединения, такие как фенолы, органические кислоты и водорастворимые полисахариды. По полученным экспериментальным данным (таблица 1) можно сделать вывод, что в соломе пшеницы содержится много органических кислот. Об этом свидетельствовало увеличение убыли субстрата при увеличении температуры за счет кислотного гидролиза, в то время как убыль массы опилок бука после такой предобработки была не существенна. Использование разбавленной серной и соляной кислот позволило эффективнее всего удалить гемицеллюлозы на этапе предобработки и практически не влияло на структуру целлюлозы. Так, после предобработки с температурой 120 °С убыль сырья (и соломы пшеницы и бука) составила 30 %, а дальнейший гидролиз был не значительный — выход РВ не более 8 %. Щелочная предобработка, напротив, позволила эффективно гидролизовать субстраты высоким выходом РВ. С увеличением температуры была отмечена незначительная убыль сырья, а выход РВ практически не менялся. Однако, использование раствора гидроокиси кальция не дало выраженного эффекта — выход РВ был даже ниже, чем при использовании воды. Пероксид водорода показал хороший выход РВ во всех опытах. Однако наиболее интересны результаты были получены с использованием с надуксусной кислоты — при температуре 80 °С убыль соломы пшеницы составила 20,25 %, а опилок бука — 29,12 %, дальнейший гидролиз этих образцов показал выход РВ на массу сырья в 41,53 % и 44,39 % соответственно. При 120 °С убыль составила 49,75 % для соломы пшеницы и 55,63 % для опилок бука, а выход РВ — 29,73 % и 19,12 % соответственно. Эти данные свидетельствуют о том, что при повышении температуры предобработки с надуксусной кислотой происходит не только делигнификация, но и существенная потеря гемицеллюлоз. Предобработка ионной жидкостью при температуре 120 °С показала наибольший показатель выхода РВ — 43,09 % для соломы пшеницы и 43,03 % для опилок бука. При этом, убыль субстратов при предобработке составила всего 14,25 % и 3,38 % соответственно.

Таблица 1

Влияние различных видов предобработок на выход РВ

Заключение

Ионные жидкости не смотря на высокую предобрабатывающую способность, являются очень дорогим реагентом. Для промышленного применения ионных жидкостей необходима разработка эффективных схем рецикла и регенерации. Наиболее интересен способ с использованием чистой уксусной кислоты, позволяющий получить максимальный выход РВ при минимальных энергетических затратах.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 16–38–00902 мол_а.

1. Kumar, P., Barrett, D. M., Delwiche, M. J., Stroeve, P. Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production// Industrial & engineering chemistry research. — 2009. — № 48(8). — С. 3713–3729.
2. Lloyd, T. A., Wyman, C. E. Combined sugar yields for dilute sulfuric acid pretreatment of corn stover followed by enzymatic hydrolysis of the remaining solids// Bioresource technology. — 2005. — № 96(18). — С. 1967–1977.
3. Zu, S., Li, W. Z., Zhang, M., Li, Z., Wang, Z., Jameel, H., Chang, H. M. Pretreatment of corn stover for sugar production using dilute hydrochloric acid followed by lime// Bioresource technology. — 2014. — № 152. — С. 364–370.
4. Tutt, M., Kikas, T., Olt, J. Influence of different pretreatment methods on bioethanol production from wheat straw// Agronomy Research. — 2012. — № 10(1). — С. 209–276.
5. Kurakake, M., Kisaka, W., Ouchi, K., Komaki, T. Pretreatment with ammonia water for enzymatic hydrolysis of corn husk, bagasse, and switchgrass// Applied biochemistry and biotechnology. — 2001. — № 90(3). — С. 251–259.
6. Shen, G., Tao, H., Zhao, M., Yang, B. A. O., Wen, D., Yuan, Q., Rao, G. Effect of hydrogen peroxide pretreatment on the enzymatic hydrolysis of cellulose// Journal of Food Process Engineering. — 2011. — № 34(3). — С. 905–921.
7. Tan, H., Yang, R., Sun, W., Wang, S. Peroxide− Acetic Acid Pretreatment To Remove Bagasse Lignin Prior to Enzymatic Hydrolysis// Industrial & Engineering Chemistry Research. — 2009. — № 49(4). — С. 1473–1479.
8. Reddy, P. A critical review of ionic liquids for the pretreatment of lignocellulosic biomass// South African Journal of Science. — 2015. — № 111(11–12). — С. 1–9.
9. Miller G. L. Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar //Analytical chemistry. — 1959. — Vol. 31. — №. 3. — С. 426–428.