catalКатализ в промышленностиKataliz v promyshlennosti1816-03872413-6476LLC "KALVIS"10.18412/1816-0387-2018-3-72-80catal-535Research ArticleБИОКАТАЛИЗBIOCATALYSISОптимизация одностадийных процессов получения микрокристаллической целлюлозы пероксидной делигнификацией древесины в присутствии катализатора TiO2Optimization of One-Stage Processes of Microcrystalline Cellulose Obtaining by Peroxide Delignification of Wood in the Presence of TiO2 CatalystКузнецовБ. Н.KuznetsovB. N.ctls@kalvis.ruСудаковаИ. Г.SudakovaI. G.ctls@kalvis.ruЯценковаО. В.YatsenkovaO. V.ctls@kalvis.ruГарынцеваН. В.GaryntsevaN. V.ctls@kalvis.ruРатабоулФ.RataboulF.ctls@kalvis.ruДьяковичЛ.DjakovitchL.ctls@kalvis.ruИнститут химии и химической технологии СО РАН ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» (ИХХТ СО РАН ФИЦ КНЦ СО РАН), Красноярск; Сибирский федеральный университет (СФУ), КрасноярскРоссияInstitute of Chemistry and Chemical Technology SB RAS, FRC KSС SB RAS, Krasnoyarsk; Siberian Federal University, KrasnoyarskRussian FederationИнститут химии и химической технологии СО РАН ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» (ИХХТ СО РАН ФИЦ КНЦ СО РАН), КрасноярскРоссияInstitute of Chemistry and Chemical Technology SB RAS, FRC KSС SB RAS, KrasnoyarskRussian FederationIRCELYON, F-69626 Villeurbanne Cedex, LyonФранцияIRCELYON, F-69626 Villeurbanne Cedex, LyonFrance2018170520181837280Copyright © LLC "KALVIS", 20182018LLC "KALVIS"LLC "KALVIS"https://www.catalysis-kalvis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.catalysis-kalvis.ru/jour/article/view/535

Традиционный метод получения микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) из древесного сырья является многостадийным и основан на интеграции экологически опасных процессов варки и отбелки целлюлозы и кислотного гидролиза аморфной части целлюлозы. В работе описан усовершенствованный одностадийный каталитический метод получения микрокристаллической целлюлозы из хвойной и лиственной древесины, основанный на пероксидной делигнификации древесины в среде уксусная кислота – вода в мягких условиях (100 °С, атмосферное давление) в присутствии экологически безопасного твердого катализатора TiO2. Проведена экспериментальная и математическая оптимизация процессов получения МКЦ пероксидной каталитической делигнификацией различных видов древесины. Установлены следующие оптимальные режимы получения МКЦ с выходом 36,3–42,0 мас.% от абсолютно сухой древесины и содержанием остаточного лигнина ≤1,0 мас.%, гемицеллюлоз ≤6,0 мас.%: для осины – 5 мас.% Н2О2, 25 мас.% СН3СООН, гидромодуль = 10; для березы − 5 мас.% Н2О2, 25 мас.% СН3СООН, гидромодуль = 15; для пихты – 6 мас.% Н2О2, 30 мас.% СН3СООН, гидромодуль = 15; для лиственницы – 6 мас.% Н2О2, 30 мас.% СН3СООН, гидромодуль = 15.

The traditional method for obtaining microcrystalline cellulose (MCC) from wood raw material is multi-stage and it is based on the integration of environmentally hazardous processes of pulping and bleaching of cellulose and acid hydrolysis of amorphous part of cellulose. The paper describes an improved one-stage catalytic method of microcrystalline cellulose obtaining from softwood and hardwood based on peroxide delignification of wood in acetic acid-water medium under the mild conditions (100 °C, atmospheric pressure) in the presence of an environmentally safe solid catalyst TiO2. Experimental and mathematical optimization of the processes of MCC preparation by peroxide catalytic delignification of various types of wood was carried out. The following optimal modes of obtaining MCC with the yield 36.3–42.0 wt.% of abs. dry wood and residual lignin content ≤1.0 mas.%, hemicellulose ≤6.0 mas.% was established: for aspen – 5 wt.% H2O2, 25 wt.% CH3COOH, hydromodule = 10; for birch – 5 wt.% H2O2, 25 wt.% CH3COOH, hydromodule = 15; for abies – 6 wt.% H2O2, 30 wt.% CH3COOH, hydromodule = 15; for larch – 6 wt.% H2O2, 30 wt.% CH3COOH, hydromodule = 15.

древесиналиственнаяхвойнаяделигнификацияпероксид водородауксусная кислотакатализатор TiO2оптимизациямикрокристаллическая целлюлозавыходсоставhardwoodsoftwooddelignificationhydrogen peroxideacetic acidTiO2 catalystoptimizationmicrocrystalline celluloseyieldcompositionReferencesThoorens G., Krier F., Leclercq B., Carlin B., Evrard B. // International Journal of Pharmaceutics. 473 (2014) P. 64.Thoorens G., Krier F., Leclercq B., Carlin B., Evrard B. // International Journal of Pharmaceutics. 473 (2014) P. 64.Ghanbarzadeh B., Oleyaei S.A., Almasi H. // Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 55 (12) (2015) P. 1699.Ghanbarzadeh B., Oleyaei S.A., Almasi H. // Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 55 (12) (2015) P. 1699.Siro I., Plackett D. // Cellulose 17 (2010) P. 459.Siro I., Plackett D. // Cellulose 17 (2010) P. 459.Das K., Ray D., Bandyopadhyay N.R., Ghosh T., Mohanty A., Misra V. // Cellulose 16 (2009) P. 783.Das K., Ray D., Bandyopadhyay N.R., Ghosh T., Mohanty A., Misra V. // Cellulose 16 (2009) P. 783.Laka M., Chernyavskaya S. // BioResources. 2(3) (2007) P. 583.Laka M., Chernyavskaya S. // BioResources. 2(3) (2007) P. 583.Bochek A., Shevchuk I., Lavrent’ev V. // Russ J. Appl. Chem. 76(10) (2003) P. 1679.Bochek A., Shevchuk I., Lavrent’ev V. // Russ J. Appl. Chem. 76(10) (2003) P. 1679.Jahan, M. S., Saeed, A., He, Z., Ni, Y. // Cellulose 18 (2011) P. 451.Jahan, M. S., Saeed, A., He, Z., Ni, Y. // Cellulose 18 (2011) P. 451.Johar, N., Ahmad, I., Dufresne, A. // Industrial Crops and Products 37 (2012) P. 93.Johar, N., Ahmad, I., Dufresne, A. // Industrial Crops and Products 37 (2012) P. 93.Chen Guo-Yin, Yu Hou-Yong, Zhang Cai-Hong, Zhou Ying, Yao Ju-Ming // Journal of Nanoparticle Research 18 (2016) P. 48.Chen Guo-Yin, Yu Hou-Yong, Zhang Cai-Hong, Zhou Ying, Yao Ju-Ming // Journal of Nanoparticle Research 18 (2016) P. 48.Okwonna O.O. // Carbohydr. Polym. 89(1) (2013) P. 721.Okwonna O.O. // Carbohydr. Polym. 89(1) (2013) P. 721.Thoorens G., Krier F., Rozet E., Carlin B., Evrard B. // Int. J. Pharm 490 (1) (2015) P. 47.Thoorens G., Krier F., Rozet E., Carlin B., Evrard B. // Int. J. Pharm 490 (1) (2015) P. 47.Patent 5,366,742. USA. Published 1994.Patent 5,366,742. USA. Published 1994.Ohwoavworhua F.O., Adelakun T.A. // Indian Journal of Pharmaceutical Sciences 72(3) (2010) P. 295.Ohwoavworhua F.O., Adelakun T.A. // Indian Journal of Pharmaceutical Sciences 72(3) (2010) P. 295.Balaxi M., Nikolakakis I., Kachrimanis K., Malamataris S. // J. Pharm. Sci. 98(2) (2009) P. 676.Balaxi M., Nikolakakis I., Kachrimanis K., Malamataris S. // J. Pharm. Sci. 98(2) (2009) P. 676.Trache D., Hussin M.H., Chuin C.T., Sabar S., Fazita M.R. // International Journal of Biological Macromolecules 93 (2016 ) P. 789.Trache D., Hussin M.H., Chuin C.T., Sabar S., Fazita M.R. // International Journal of Biological Macromolecules 93 (2016 ) P. 789.Ummartyotin S., Manuspiya H. // Renew. Sustain. Energy Rev. 41 (2015 ) P. 402.Ummartyotin S., Manuspiya H. // Renew. Sustain. Energy Rev. 41 (2015 ) P. 402.John C.F. Walker Primary Wood Processing: Principles and Practice (book) (2006) Springer, printed in the Nitherland — 595 p.John C.F. Walker Primary Wood Processing: Principles and Practice (book) (2006) Springer, printed in the Nitherland — 595 p.Bajpai P. Enviranmaetally being approaches for pulp bleaching (book). (2005) — 277 P.Bajpai P. Enviranmaetally being approaches for pulp bleaching (book). (2005) — 277 P.Popova N.R., Tortseva T.V., Bogolitsyn K.G. // Russian Journal of Applied Chemistry 86 (8) (2013) P. 1275.Popova N.R., Tortseva T.V., Bogolitsyn K.G. // Russian Journal of Applied Chemistry 86 (8) (2013) P. 1275.Abad S., Santos V., Paraj’o J.C. // Cellul. Chem. Technol. 35 (2003) P. 333.Abad S., Santos V., Paraj’o J.C. // Cellul. Chem. Technol. 35 (2003) P. 333.Ligero P., Villaverde J.J., de Vega A., Bao M. // Industrial Crops and Products 27 (2008) P.110.Ligero P., Villaverde J.J., de Vega A., Bao M. // Industrial Crops and Products 27 (2008) P.110.Suchy M., Argyropoulos D.S. // TAPPI Journal 785(4) (2001) P. 2.Suchy M., Argyropoulos D.S. // TAPPI Journal 785(4) (2001) P. 2.Hakansson H., Ahlgren P. // Cellulose 12(2) (2005) P. 177.Hakansson H., Ahlgren P. // Cellulose 12(2) (2005) P. 177.Pavasars, J. Hagberg, H. Borén, B. Allard. Alkaline // Journal of Polymers and the Environment 11(2) (2003) P. 39.Pavasars, J. Hagberg, H. Borén, B. Allard. Alkaline // Journal of Polymers and the Environment 11(2) (2003) P. 39.Leppänen K., Andersson S., Torkelli M., Knaapila M., Kotelnikova N., Serimaa R. // Cellulose 16(6) (2009) P.999.Leppänen K., Andersson S., Torkelli M., Knaapila M., Kotelnikova N., Serimaa R. // Cellulose 16(6) (2009) P.999.Ioelovich M., Leykin A. // Cellulose Chemistry ana Technology 40(5) (2006) P. 313.Ioelovich M., Leykin A. // Cellulose Chemistry ana Technology 40(5) (2006) P. 313.US Patent 6,392,034 В1. Published.2002.US Patent 6,392,034 В1. Published.2002.US Patent 7,005,514.В2, Published 2006.US Patent 7,005,514.В2, Published 2006.Kuznetsov B.N., Kuznetsova S.A., Danilov V.G., Yatsenkova O.V., Petrov AV. // Reac Kinet Mech Cat. 104 (2011) P. 337.Kuznetsov B.N., Kuznetsova S.A., Danilov V.G., Yatsenkova O.V., Petrov AV. // Reac Kinet Mech Cat. 104 (2011) P. 337.Sjoöstroöm E., Alern R. Analytical Methods in Wood Chemistry. Pulping and Papermaking. Springer-Verlag, Berlin (1999).Sjoöstroöm E., Alern R. Analytical Methods in Wood Chemistry. Pulping and Papermaking. Springer-Verlag, Berlin (1999).Park S., Baker J.O., Himmel M.E. Parilla P.A., Jonson D.K. // Biotechnology for Biofuels. (2010) P. 3.Park S., Baker J.O., Himmel M.E. Parilla P.A., Jonson D.K. // Biotechnology for Biofuels. (2010) P. 3.Thakur V.K., Thakur M.K. Handbook of Sustainable Polymers: Structure and Chemistry. Taylor & Francis Group. LLC (2016) 923 p.Thakur V.K., Thakur M.K. Handbook of Sustainable Polymers: Structure and Chemistry. Taylor & Francis Group. LLC (2016) 923 p.Kuznetsov B.N., Sudakova I.G., Garyntseva N.V., Djakovitch L., Pinel C. // Reac. Kinet. Mech. Cat. 110 (2013) P.271.Kuznetsov B.N., Sudakova I.G., Garyntseva N.V., Djakovitch L., Pinel C. // Reac. Kinet. Mech. Cat. 110 (2013) P.271.Пен Р.З. Планирование эксперимента в Statgrachics. Красноярск: СибГТУ (2003) 246 с. / Pen R.Z. Experimental Design in Statgraphics Centurion. Krasnoyarsk (2014) 293 p.Пен Р.З. Планирование эксперимента в Statgrachics. Красноярск: СибГТУ (2003) 246 с. / Pen R.Z. Experimental Design in Statgraphics Centurion. Krasnoyarsk (2014) 293 p.Shankar S., Rhim J.W. // Carbohydr. Polym 135 (2016) P. 18.Shankar S., Rhim J.W. // Carbohydr. Polym 135 (2016) P. 18.Yuvraj P, Chauhan RS, Sapkal VS, Zamre GS // Int. J. Chem. Sci. 7(6) (2009) P. 81.Yuvraj P, Chauhan RS, Sapkal VS, Zamre GS // Int. J. Chem. Sci. 7(6) (2009) P. 81.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.