Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Литературный обзор 10
1.1 Характеристика соломы пшеницы и ее компонентов 10
1.2 Методы активации лигноцеллюлозного сырья
1.2.1 Механические методы 16
1.2.2 Химические методы 17
1.2.3 Физико-химические методы 20
1.2.4 Биологические методы
1.3 Субкритические и сверхкритические флюиды 26
1.4 Субкритический автогидролиз в химии растительного сырья 30
ГЛАВА 2 Объекты и методы исследования
2.1 Отбор и подготовка объектов исследования 38
2.2 Обработка соломы водой при атмосферном давлении 38
2.3 Обработка соломы пероксидом водорода 38
2.4 Обработка соломы водой в субкритических условиях 39
2.5 Схема фракционирования жидких продуктов автогидролиза 41
2.6 Методы исследования химического состава исходного сырья
и продуктов автогидролиза 42
2.7 Ферментативный гидролиз исходной соломы и твердых продуктов автогидролиза соломы 45
2.8 Молочнокислое брожение жидких продуктов автогидролиза 46
2.9 Статистический анализ данных 47
2.10 Математическое моделирование 47
ГЛАВА 3 Экспериментальная часть 48
3.1 Исследование компонентного состава соломы пшеницы 48
3.2 Субкритический автогидролиз соломы пшеницы в динамических условиях 51
3.2.1 Состав продуктов гидролиза полисахаридов соломы 56
3.2.2 Состав продуктов фрагментации лигнина 72
3.3 Влияние предварительного окисления соломы на ее реакционную способность в условиях субкритического автогидролиза 88
3.3.1 Окисление соломы пероксидом водорода 89
3.3.2 Автогидролиз окисленной соломы 3.4 Влияние условий обработки на реакционную способность целлюлозы соломы при ферментативном гидролизе 96
3.5 Молочнокислое сбраживание жидких продуктов субкритического автогидролиза соломы пшеницы
3.5.1 Состав фракций автогидролиза соломы и выбор продуцента 99
3.5.2 Брожение с использованием химически чистых источников углерода 102
3.5.3 Брожение с использованием фракций жидких продуктов автогидролиза в качестве источников углерода 103
Заключение 105
Выводы 115
Список литературы
- Методы активации лигноцеллюлозного сырья
- Обработка соломы пероксидом водорода
- Состав продуктов гидролиза полисахаридов соломы
- Молочнокислое сбраживание жидких продуктов субкритического автогидролиза соломы пшеницы
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Предложенные на сегодняшний день технологии переработки лигноцеллюлозы в биотопливо не конкурентоспособны, и требуют существенной доработки, и, прежде всего, на стадии предобработки сырья. В связи с этим проводятся интенсивные исследования, направленные на создание экологически чистых технологий, обеспечивающих комплексное использование биомассы растительного сырья с получением не только сахаров для ферментации, но и продуктов для медицинской, парфюмерной и химической промышленности.
В этом плане одним из многообещающих методов предобработки является субкритический автогидролиз с использованием в качестве растворителя воды, обладающей в условиях процесса уникальными свойствами, обеспечивающими разделение лигноуглеводного комплекса с получением целлюлозы, раствора сахаров и продуктов фрагментации лигнина.
Научные основы процесса субкритического автогидролиза разрабатываются во многих странах. Тем не менее, в литературе нет достаточных сведений о направлениях химических превращений компонентов соломы пшеницы в динамических условиях этого вида предварительной обработки и о составе жидких и твердых продуктов, получаемых при вариации условий эксперимента. Эти сведения необходимы для разработки научных основ экологически чистой технологии комплексной утилизации биомассы соломы в ценные химические продукты на основе процесса субкритического автогидролиза.
В связи с чем систематическое исследование химических превращений компонентов соломы в условиях субкритического автогидролиза, а также состава органических соединений, образующихся при вариации режимов его осуществления, является актуальной задачей.
Степень разработанности. Большая часть известных в литературе исследований субкритического автогидролиза соломы злаковых культур выполнена в статических условиях в реакторах пакетного типа, не обеспечивающих контроль давления. Это не позволило авторам четко выявить влияние давления на выход и состав продуктов превращения компонентов соломы. Кроме того, относительно жесткие температурные условия обработки растительного сырья приводили к получению низкомолекулярных продуктов превращения, что существенно затрудняет сравнительный анализ полученных результатов и разработку научных основ процесса. Вероятно, при проведении эксперимента целесообразно предусмотреть снижение продолжительности нахождения продуктов автогидролиза в реакторе, что может быть реализовано при проведении обработки в динамических условиях.
Тем не менее, на основании имеющихся данных можно утверждать, что использование субкритического автогидролиза для переработки соломы злаковых культур имеет перспективы промышленного использования. Для реализации этого необходимы дополнительные исследования химизма не только самого процесса, но и состава и свойств, образующихся продуктов.
Целью работы является изучение химических превращений компонентов соломы пшеницы в динамических условиях субкритического автогидролиза и их влияния на реакционную способность целлюлозы соломы при ферментативном гидролизе.
В соответствии с поставленной целью были определены задачи:
– изучение влияния условий процесса субкритического автогидролиза на выход и состав жидких, твердых и газообразных продуктов превращения биомассы соломы пшеницы;
– исследование состава продуктов превращения полисахаридов соломы пшеницы в условиях процесса;
– исследование состава продуктов фрагментации лигнина соломы пшеницы в условиях процесса;
– изучение влияния окисления соломы пероксидом водорода на скорость и глубину превращения ее биомассы в условиях субкритического автогидролиза;
– исследование влияния предварительной обработки (окислительной, гидротермальной) на реакционную способность целлюлозы соломы при ферментативном гидролизе;
– исследование возможности использования фракций водорастворимых веществ соломы пшеницы для получения молочной кислоты.
Научная новизна. Получены новые данные о химизме превращения основных компонентов соломы пшеницы в динамических условиях субкритического автогидролиза в ценные продукты, такие как сахара, фенолы, карбоновые кислоты и аминокислоты, необходимые для биотехнологической и химической промышленности.
Выявлены зависимости степени конверсии соломы, выхода жидких продуктов и содержания в них сахаров от температуры, продолжительности и давления субкритического автогидролиза в динамических условиях.
Показано, что окисление соломы пероксидом водорода и гидротермальная обработка ее в условиях субкритического автогидролиза существенно повышает реакционную способность целлюлозы соломы при ферментативном гидролизе.
Выполнено математическое описание процесса и установлены оптимальные условия получения сахаров, которые подтверждены экспериментально.
Практическая значимость. Определены оптимальные режимы субкритического автогидролиза пшеничной соломы, обеспечивающие высокий выход сахаров и продуктов фрагментации лигнина.
Полученные в работе результаты могут способствовать дальнейшему коммерческому продвижению процесса субкритического автогидролиза не только соломы пшеницы, но и другого лигноцеллюлозного сырья для производства ценных продуктов.
Методология и методы исследования. Для исследования химического состава жидких и твердых продуктов автогидролиза соломы использованы ме-
тоды ИК-спектроскопии, спектрофотомерии, ГХ-МС и элементного анализа, а также стандартные аттестованные методы аналитической химии.
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в подготовке и проведении экспериментов, интерпретации экспериментальных и расчетных данных, анализе и оформлении результатов в виде публикаций и научных докладов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Зависимости степени конверсии соломы пшеницы и выхода жидких
продуктов от температуры, продолжительности и давления субкритического
автогидролиза в динамических условиях.
2. Результаты исследования химического состава продуктов превращения
полисахаридов и лигнина соломы в динамических условиях субкритического
автогидролиза.
3. Результаты изучения влияния окислительной и гидротермальной
предобработки биомассы соломы на степень ферментолиза целлюлозы.
4. Результаты изучения возможности получения молочной кислоты из
жидких продуктов автогидролиза соломы.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов и сделанных на их основе выводов обеспечивается значительным объемом проведенной экспериментальной работы, базируется на анализе литературных сведений по использованию субкритического автогидролиза для предподготовки различного лигноцеллюлозного сырья, в том числе и соломы пшеницы, обеспечивается применением современных методов химического анализа и подтверждается публикациями основных результатов работы в рецензируемых печатных изданиях. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на III и IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов» (Иркутск, 2013 г., 2014 г.), VI Всероссийской конференции с международным участием «Новые достижения в химии и технологии растительного сырья» (Барнаул, 2014 г.), I и II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные проблемы химии и биотехнологии» (Иркутск, 2015 г., 2016 г.), IX Всероссийской научной конференции с международным участием и школе молодых ученых «Химия и технология растительных веществ» (Москва, 2015 г.), Ежегодной международной научно-практической конференции «Биотехнология: наука и практика» (Ялта, 2015 г.), IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Биотехнология в интересах экологии и экономики Сибири и Дальнего Востока» (Улан-Удэ, 2016 г.).
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов ВАК РФ и 1 статья в издании, входящем в базу данных SCOPUS.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, выводов и списка литературы. Содержание работы изложено на 136 страницах печатаного текста, включает 38 рисунков и 29 таблиц, 176 литературных источников отечественных и зарубежных авторов.
Методы активации лигноцеллюлозного сырья
Сложное строение и прочная связь компонентов лигноцеллюлозного комплекса создает затруднение для проникновения химических и биологических агентов к полисахаридам растительного сырья [30]. Потому предварительная обработка является необходимым этапом для разрушения этого сложного комплекса с целью улучшения доступа гидролитических агентов. Например, преобразование целлюлозы в сахара необработанной пшеничной соломы может достигать максимум 20–30 %. Этот показатель не является достаточным для производства необходимого количества продуктов ферментации, так как не покрывает затраты на их производство [31].
Основной целью предварительной обработки является повышение доступности целлюлозы ферментам путем разрушения связей лигноцеллюлоз-ного комплекса, удаление лигнина и гемицеллюлоз, уменьшение кристалличности целлюлозы и увеличение пористости материала. Предварительная обработка является одним из самых важных этапов в общей конверсии биомассы, поскольку оказывает непосредственное влияние на экономическую эффективность переработки растительного материала в целом.
На сегодняшний день существует достаточно большое количество ва риантов предподготовки растительного сырья [32–34], которые различаются по способу или природе воздействия на компоненты лигноцеллюлозы, например, механические, химические, физико-химические и биологические. Кроме того, очень часто с целью повышения эффективности предподготовки, уменьшения производства вторичных продуктов превращения и низкого потребления энергии, перечисленные методы сочетают друг с другом.
Различные методы предварительной обработки соломы пшеницы подробно рассмотрены в обзорах [26, 35–37].
Одним из простейших способов предподготовки растительного сырья является механическое измельчение. Измельчение позволяет значительно увеличить удельную поверхность материала, то есть площадь его контакта с химическими агентами или биокатализаторами. Это приводит к повышению реальной концентрации субстратов в реакционной среде и к пропорциональному возрастанию скорости их превращений в соответствии с законом действующих масс, которому подчиняются как химические, так и ферментативные реакции [38, 39].
Результатом сильного механического измельчения является изменение структуры сырья на молекулярном уровне. Уменьшение размера частиц также вызывает снижение кристалличности [40] и средней степени полимеризации [41].
При измельчении пшеничной соломы удельный расход энергии больше, чем при измельчении, например, кукурузных стеблей и соломы просо, из-за более гибкой, скользкой и менее хрупкой структуры ее соломины. Так, для измельчения соломы пшеницы до крупности 0,8 и 3,2 мм расход энергии составил, соответственно, 51,6 и 11,4 кВт/ч. Эти результаты оказались выше, чем для стеблей кукурузы при примерно одинаковом содержании влаги [42]. Причем, чем больше содержание влаги в соломе, тем выше удельный расход энергии на измельчение. Значительное улучшение ферментативного гидролиза соломы пшеницы достигается после измельчения в шаровой мельнице. Так, через 2 ч измельчения, максимальная степень ферментативного гидролиза увеличилась до 61,1 %, что почти в 3,5 раза превышает значения для необработанного образца [43]. Это можно объяснить тем, что после ударного измельчения соломы пшеницы образуются частицы, форма и структура которых считается более подходящей для биотехнологической переработки [39]. Максимальная степень ферментативного гидролиза соломы пшеницы после длительного механического измельчения (14 ч), согласно литературным данным, составила 80 % [43], при этом степень кристалличности целлюлозы уменьшается до 13 % [44].
Основным недостатком такого способа активации является то, что требуется гораздо больше времени и энергии для превращения соломы в субстрат, пригодный для эффективного ферментативного гидролиза, по сравнению с субстратом, полученным из соломы предварительно обработанной химическими методами [43].
Химические методы предподготовки растительного сырья предполагают использование различных химических веществ, таких как кислоты, щелочи и окислители, например пероксид водорода и озон. В зависимости от типа применяемых веществ в результате химической предобработки растительного сырья происходят те или иные процессы. Так в щелочной среде или в среде окислителя (NaOH, О3, Н2О2, О2) более эффективно происходят процессы деструкции и извлечения лигнина, тогда как в кислой среде – процессы деполимеризации полисахаридов [45–47]. Среди неорганических кислот для обработки соломы пшеницы чаще всего используют H2SO4. Применяют как концентрированные, так и разбавленные кислоты. В первом случае, обрабатывают биомассу с высокой концентрацией кислот при температуре окружающей среды, что приводит к высокому выходу сахаров. В случае применения разбавленных кислот (0,5–1 % H2SO4) процесс обработки обычно проводят при высокой температуре, которая необходима для достижения приемлемых скоростей конверсии целлюлозы в глюкозу. Максимальный выход сахаров (541,2 мг/г) был получен из соломы пшеницы в результате обработки в следующих условиях: концентрация серной кислоты – 2 %, продолжительность обработки – 90 мин и температура – 121 C в сочетании с ферментативным гидролизом [37]. Однако высокие скорости разложения мономеров гемицел-люлоз, значительные процессы коррозии оборудования [45, 49] и необходимость дальнейшей нейтрализации кислоты являются основными недостатками этого метода, что ограничивает его применение [48, 50].
При щелочных способах предварительной обработки для растворения, как лигнина, так и гемицеллюлоз в качестве катализаторов используют либо минеральные (известь, NaOH, аммиак), либо органические реагенты. Как правило, обработка щелочами является более эффективной для сельскохозяйственных отходов и травянистых культур, чем для древесных материалов [51]. При щелочных способах предподготовки по сравнению со слабокислотными, гидролиз протекает в более мягких условиях, деградация сахара минимальна, а, следовательно, ингибиторы ферментолиза (фурфурол и оксиме-тилфурфурол) образуются в меньших количествах. Для щелочных методов предподготовки соломы наибольшее применение нашли такие реагенты, как известь [52–54] и аммиак [5]. Степень ферментативного гидролиза целлюлозы соломы пшеницы после таких методов обработки достигает 95 % [26].
Обработка соломы пероксидом водорода
Исходную солому обрабатывали водой (гидромодуль 1:30) при 98 С при атмосферном давлении в течение 180 мин. После кипячения солому отделяли от раствора экстракта фильтрованием на бумажном фильтре и сушили до постоянной массы в сушильном шкафу при 105 С. Полученный экстракт после отгона воды под вакуумом фракционировали последовательной исчерпывающей обработкой гексаном и этанолом при температуре кипения растворителей на три фракции: ГЭ, ЭНП и НВР.
Обработку осуществляли пероксидом водорода с концентрацией 10, 20 и 30 % по схеме, представленной на рисунке 2.1.
Окисление проводили в круглодонной колбе с обратным холодильником при 98 С в течение 120 мин при периодическом перемешивании, гидромодуль – 1:15. По истечении времени окисленную солому отфильтровывали и промывали дистиллированной водой для удаления остатков перекиси, контролируя е остаточное содержание по йодкрахмальной бумаге, и сушили в сушильном шкафу до постоянной массы. Для контроля была использована солома, обработанная в аналогичных условиях дистиллированной водой.
Часть высушенной окисленной соломы экстрагировали этанолом (гидромодуль (1:50) по Грефе на водяной бане в течение 60 мин. После дистилляции этанола на роторном испарителе получали этанольный экстракт. Рисунок 2.1 – Схема окисления соломы пшеницы
Жидкие продукты окисления после удаления воды на роторном испарителе исчерпывающе экстрагировали гексаном. После отгона гексана получали гексановый экстракт.
Автогидролиз соломы проводили в динамическом режиме на лабораторной экстракционной установке (рисунок 2.2) в интервале температур 140-350 С, давлении 10, 20, 30 МПа и продолжительности от 5 до 60 мин. Растворителем являлась дистиллированная вода, гидромодуль - 750-800.
Измельченную солому выдерживали в сушильном шкафу при 105 С до постоянной массы, взвешивали (2,0-2,5 г) и загружали в металлический сетчатый контейнер. Плотность навески - 0,10-0,15 г/см3.
Экстрактор (объем 100 см3) и подогреватель термостатировали при заданной температуре, после чего загружали контейнер с образцом в экстрактор, герметизировали установку и удаляли воздух с помощью вакуумного насоса. Затем насосом высокого давления подавали воду в экстрактор со скоростью 1,2 дм3/ч до создания рабочего давления и фиксировали время начала эксперимента. Продолжительность создания необходимого давления в экстракторе составляла 8–10 мин. Сбор экстракта осуществляли сразу после фиксирования времени начала эксперимента, затем через каждые пять мин – в отдельные фракции. После завершения эксперимента извлекали контейнер с не растворившейся частью соломы (твердый продукт), промывали дистили-рованной водой и высушивали до постоянной массы.
Схема лабораторной экстракционной установки: 1 – экстрактор; 2 – подогреватель; 3 –холодильник; 4 – насос высокого давления; 5 – емкость с водой; Т – измеритель-регулятор температуры, Р – датчик давления Выход жидких, твердых и газообразных продуктов автогидролиза рассчитывали в % на а.с.м. Глубину протекания процесса автогидролиза контролировали по степени конверсии соломы, степени гидролиза целлюлозы и гемицеллюлоз (пенто-занов), а также степени делигнификации соломы.
Степень конверсии (СК) соломы, представляющей собой суммарный выход газов и жидких продуктов в % на а.с.м., вычисляли по формуле где m1 – масса навески соломы, в г; m2 – масса твердого продукта, в г. Степень гидролиза целлюлозы (пентозанов) определяли, как отношение массы целлюлозы (пентозанов), удаленной при обработке, к массе целлюлозы (пентозанов) в исходной навеске соломы, выраженное в процентах.
Степень делигнификации определяли, как отношение массы лигнина, удаленного при обработке, к массе лигнина в исходной навеске соломы, выраженное в процентах.
Выход газов (в % на а.с.м.) вычисляли по разности степени конверсии соломы и выхода жидких продуктов.
Полученные жидкие продукты центрифугировали для отделения фракции нерастворимых в воде при комнатной температуре соединений. Из фильтрата удаляли воду вакуумной перегонкой и лиофильно высушивали. Далее проводили последовательную экстракцию гексаном и этанолом в течение 60 мин при температуре кипения растворителей с получением гекса-нового и этанольного экстрактов, а также этанолнерастворимых продуктов. Этанольный экстракт после отгона растворителя подвергали обработке водой в течение 60 мин при температуре кипения. В результате получали фракцию низкомолекулярных водорастворимых соединений и этаноллигнин.
Для выделения фракций этаноллигина-1 фракцию ЭЛ растворяли в этаноле и добавляли трехкратный объем воды. Полученный раствор оставляли при комнатной температуре в темном месте на 12 ч для осаждения фракции ЭЛ-1, которую затем выделяли центрифугированием в течение 10 мин со скоростью 15 000 об/мин. Из оставшегося раствора отгоняли растворитель на роторном испарителе, полученную фракцию ЭЛ-2 высушивали на лиофиль-ной сушке до постоянной массы и взвешивали.
Общая схема эксперимента и методов анализа полученных продуктов представлена на рисунке 2.4.
В исходной соломе и твердых продуктах автогидролиза определяли содержание основных компонентов по стандартным методикам [142]: целлюлозы – азотно-спиртовым методом (метод Кюршнера), пентозанов – бромид-бромадным полумикрометодом, лигнина – по ГОСТ 11960-79, а также влажность, зольность, долю легко- и трудногидролизуемых полисахаридов [143].
Химический состав фракций жидких продуктов автогидролиза анализировали на хроматографе 7820 А с селективным масс-спектрометрическим детектором НР 5975 фирмы «Agilent Technologies». Температура сепаратора - 280 С, ионного источника –230 С. Энергия ионизации – 70 эВ. Кварцевая колонка 300000,25 мм со стационарной фазой (95 % диметил – 5 % дифе-нилполисилоксан). Идентификацию соединений осуществляли с использованием библиотеки масс-спектров «NIST 11».
Состав продуктов гидролиза полисахаридов соломы
Согласно полученным данным степень конверсии соломы пшеницы с повышением температуры автогидролиза при постоянном давлении (30 МПа) и продолжительности (60 мин) увеличивается неравномерно (рисунок 3.2). При 150 С она составила 26% на а.с.м., а при повышении температуры до 200 С – возрастает более чем в 2 раза. В интервале температур 200–240 С ее прирост составил не более 5 %. При дальнейшем повышении температуры до 270 С вновь наблюдается резкий рост степени конверсии до 81,6 %, который затем замедляется и составляет менее 1 % при достижении температуры обработки 290 С. 70 60 50 30 10 140 160 180 200 220 240 Температура, С 260 280 300 Рисунок 3.2 – Зависимость степени конверсии соломы (1), выхода жидких продуктов (2) и газов (3) от температуры субкритического автогидролиза (30 МПа, 60 мин) На кривой зависимости выхода жидких продуктов от температуры обработки имеются два четко выраженных максимума при температурах 200 и 270 С (рисунок 3.2). Выход жидких продуктов при этих температурах составил 48,4 и 47,2 % на а.с.м. соответственно.
Наблюдаемое резкое снижение выхода жидких продуктов в интервалах температур 200–240 С и 270–300 С обусловлено их деструкцией с образованием газообразных продуктов. В интервале температур 150–200 С процесс автогидролиза соломы характеризуется низким газообразованием, выход газа не превышает 7 % на а.с.м. Последующее снижение выхода жидких продуктов в интервале 200–240 С сопровождается интенсивным газообразованием, которое при 240 С составляет уже 26,5 % на а.с.м. Наиболее заметно газообразование при температурах выше 270 С. При 290 С около 50 % биомассы соломы в условиях автогидролиза превращается в газообразные продукты.
Влияние давления автогидролиза на степень конверсии, выход жидких и газообразных продуктов выражено слабо. Повышение давления в интервале 10–30 МПа приводит к увеличению степени конверсии и выхода жидких продуктов всего на 1,3 и 3,3 % на а.с.м. соответственно. А колебания выхода газообразных продуктов находится в пределах 2,7 % на а.с.м. (рисунок 3.3). Давление, МПа 123 Рисунок 3.3 – Зависимость степени конверсии соломы (1), выхода жидких (2) и газообразных (3) продуктов от давления (200 С, 60 мин)
Учитывая, что с увеличением давления существенно повышается плотность, ионное произведение и произведение растворимости сверхкритической воды [89], что, безусловно, повысит эффективность гидролиза биомассы соломы, большая часть эксперимента была выполнена под давлением 30 МПа. Независимо от температуры процесса динамика выхода жидких продуктов с увеличением продолжительности обработки имеет одинаковый характер (рисунок 3.4). Более 60 % их выхода получено в первые 20 мин автогидролиза. Было замечено, что цвет водного раствора жидких продуктов с увеличением температуры процесса становится более темным. 45 40 30 20 15 10 5 0
Динамика выхода жидких продуктов автогидролиза соломы пшеницы в зависимости от продолжительности эксперимента (30 МПа)
На основании сравнительного анализа компонентного состава твердых продуктов автогидролиза (таблица 3.2) можно заключить, что увеличение выхода жидких продуктов вызвано деструктивными процессами компонентов соломы, прежде всего, гидролизом полисахаридов. Процессам гидролитического расщепления могут способствовать как уксусная кислота, образующаяся при дезацетилировании гемицеллюлоз [153], так и вода, проявляющая в субкритических условиях кислотные свойства [154].
Согласно данным таблицы 3.2, термические превращения при субкритическом автогидролизе затрагивают все основные компоненты соломы. По сравнению с лигнином, полисахариды соломы, представленные целлюлозой и пентозанами, в большей степени подвержены гидролизу в условиях процесса. В твердых продуктах, полученных при 175 С (60 мин), их содержание в сравнении с содержанием в исходной соломе сократилось на 60,9 %, при 200 С пентозаны обнаружены в твердом продукте в следовых количествах, а при более высоких температурах они вовсе отсутствуют.
Целлюлоза в меньшей степени подвергается гидролитическому расщеплению. При 200 С степень гидролиза ее не превышает 25 %. Наиболее интенсивно гидролиз целлюлозы протекает при температурах выше 220 С. Как результат, более 70 % целлюлозы исходной соломы при 290 С превращается в жидкие и газообразные продукты. Содержание целлюлозы в твердых продуктах, несмотря на ее гидролиз, в интервале температур 150-270 С повышается. Снижение ее доли в твердом продукте при 290 С может быть вызвано как гидролизом, так и термическими превращениями, о чем свидетельствуют результаты элементного анализа (таблица 3.3). твердые продукты, полученные при продолжительности обработки соломы в течение 10 мин (30 МПа). Твердые продукты автогидролиза соломы состоят из негидролизо-ванной биомассы, минеральной части и нерастворимых продуктов гидролиза полисахаридов и лигнина. Согласно данным элементного анализа при повышении температуры процесса наблюдается снижение степени насыщенности водородом и степени окисления компонентов твердых продуктов, что может быть следствием как снижения содержания в их составе полисахаридов, так и протекания реакций дегидрирования, дегидратации компонентов соломы, а также процессами делигнификации.
Лигнин в условиях автогидролиза также удаляется, но менее интенсивно по сравнению с полисахаридами, поэтому его доля в твердых продуктах возрастает (таблица 3.2). Резкое повышение содержания лигнина в твердых продуктах при 270 С может быть связано с реакциями конденсации лигнина с низкомолекулярными продуктами автогидролиза с образованием псевдолигнина, что согласуется с литературными данными [155]. Его образование снижает точность определения содержания лигнина в твердых продуктах, полученных при более высоких температурах. Кроме того, при определении содержания лигнина в твердом продукте, полученном при 290 С в динамическом режиме (60 мин), выделенный лигнин внешне был похож на коксовый остаток. На основании этого сделано предположение, что твердые остатки, полученные при температурах выше 270 С и продолжительности эксперимента 60 мин, содержат продукты коксования биомассы соломы.
Экспериментально установлено, что при продолжительности эксперимента 10 мин процессы коксования менее выражены. Согласно полученным данным, степень делигнификации при температуре 290 С увеличилась до 60 %, а при повышении температуры обработки до 350 С имела некоторую склонность к уменьшению (таблица 3.4). Тем не менее при температурах выше 290 С лигнин является основным компонентом твердых остатков соломы (рисунок 3.5).
Молочнокислое сбраживание жидких продуктов субкритического автогидролиза соломы пшеницы
ИК-спектры фракций НС независимо от температуры получения имеют одинаковый набор полос поглощения, характерных для структурных фрагментов лигнина [159]. С повышением температуры в спектрах имеет место лишь изменение относительной интенсивности полос поглощения в отдельных областях спектра. Для более удобного просмотра спектральные кривые сдвинуты по оси ординат.
На ИК-спектрах всех фракций присутствуют широкая полоса поглощения с максимумом при 3420 см"1 и интенсивная полоса поглощения при 1217см"1, указывающие на наличие фенольных ОН-групп. Присутствие в составе фракций ароматических структур подтверждается интенсивным поглощением при 1604, 1514, 1423, 1263, 1118 и 839 см"1. Полосы поглощения с максимумами при 1604 и 1514 см"1, имеющие близкую интенсивность, соответствуют скелетным колебаниям ароматических колец гидроксифенильного (Н-тип) и сирингильного типа (S-тип), а полосы поглощения при 1263 и 1118 см"1 были отнесены в первом случае к колебаниям С-Н-связей гваяцильного кольца (G-тип), а во втором к деформационным колебаниям С-Н-связей си рингильного кольца. Полоса поглощения при 839 см-1 характерна для вне плоскостных деформационных колебаний С-Н-связи ароматических колец S/H-типа.
В области спектра от 3000 до 2700 см-1 отмечается два максимума при 2925 и 2850 см-1, свидетельствующие о наличии метиленовых и метильных групп, а интенсивная полоса поглощения при 1458 см-1 указывает на присутствие алифатических С-Н-связей.
Полосы поглощения с максимумами при 1701 и 1649 см-1, соответствующие валентным колебаниям несопряженной и сопряженной с ароматическим кольцом С=О-связей соответственно, наиболее выражены на ИК-спектре фракции НС, полученной при 270 С.
Выделенные фракции НС устойчивы к кислотному гидролизу трифто-руксусной кислотой. Выход пиридинрастворимых продуктов гидролиза фракций НС, полученной при 200 С и 270 С, составил около 10 и 6 % на фракцию соответственно.
Методом ГХ-МС в составе гидролизатов идентифицированы одно- и двухосновные карбоновые кислоты, гидроксикислоты, аминокислоты, ароматические соединения, спирты и моносахариды. Независимо от температуры получения фракции НС в преобладающих количествах присутствуют одноосновные (С12–С22) и двухосновные (С4–С10) карбоновые кислоты, на долю которых приходится до 85 % от суммы идентифицированных соединений. В составе гидроксикислот присутствуют молочная, глицериновая и тригидрок-си-масляная кислоты, а в составе аминокислот – валин, серин и фенилаланин. Ароматические соединения представлены, в основном, 4-гидроксибензойной, 3-метокси-4-гидроксибензойной и 3,5-диметокси-4-гидроксибензойной кислотами. С повышением температуры автогидролиза доля ароматических соединений в гидролизатах возрастает.
Согласно данным ГХ-МС в составе фракции НС (200 С), не подвергавшейся гидролизу, содержится до 1,0 % моносахаридов, что можно объяснить сорбцией их из жидких продуктов автогидролиза на поверхности нерас-78 творимых в воде компонентов фракции. После гидролиза трифторуксусной кислотой содержание моносахаридов во фракции возросло до 19,1 % (таблица 3.13). В их составе на долю арабинозы и ксилозы приходится около 70 % с заметным преобладанием последней, что подтверждает информацию о наличии эфирных связей между ксиланом и лигнином в соломе пшеницы [159] (рисунок 3.21). С повышением температуры автогидролиза выход моносахаридов и содержание в их составе пентоз снижается. Основным компонентом моносахаридов при 270 С становится глюкоза. Таблица 3.13 – Состав моносахаридов гидролизатов фракций НС, в % масс.
На ИК-спектрах пиридиннерастворимой части фракций НС (рисунок 3.20) результаты гидролиза проявляются в области 1300–1000 см-1, характеризующей асимметричные и симметричные валентные колебания С–О-связи в алифатических и алкилароматических эфирах [154], и в области 950–750 см-1, в которой проявляются внеплоскостные деформационные колебания С– Н-связей ароматического кольца различной степени и характера замещения. Уменьшение интенсивности поглощения при 1265, 1116 и 1031 см-1 может быть результатом кислотного гидролиза эфирных связей, в том числе -O-4-или/и -O-4-эфирных связей лигниновых фрагментов.
Структура связей между арабиноксиланом и лигнином [32] Состав фракций этаноллигнина. Выход и состав фракций зависит от условий процесса автогидролиза и, прежде всего, от температуры. В исследуемом интервале температур выход фракции ЭЛ-1 изменяется от 0,11 до 0,97 % на а.с.м., а фракции ЭЛ-2 – от 0,21 до 1,62 % на а.с.м. При этом максимальные значения их выхода получены при 290 С.
Структурно-химические преобразования компонентов фракции ЭЛ-2 и ЭЛ-2 с повышением температуры сопровождаются снижением степени насыщенности водородом и степени окисленности, что находит отражение и в составе брутто-формулы (таблица 3.14). Доля азота при этом во фракциях эта-ноллигнинов увеличивается. Содержание метоксильных групп в образцах фракций, полученных в интервале 150–230 С, находится в пределах от 12,1 до 13,8 %. Последующее снижение их содержания при повышении температуры автогидролиза может быть следствием протекания реакций деметокси-лирования. Во фракциях этаноллигнинов, полученных при 350 С, они присутствуют в следовых количествах.