catalКатализ в промышленностиKataliz v promyshlennosti1816-03872413-6476LLC "KALVIS"10.18412/1816-0387-2020-1-67-75catal-674Research ArticleБИОКАТАЛИЗBIOCATALYSISЭкспериментальная и математическая оптимизация процесса пероксидной делигнификации древесины лиственницы в присутствии катализатора MnSO4Experimental and mathematical optimization of the peroxide delignification of larch in the presence of MnSO4 catalystСудаковаИ. Г.SudakovaI. G.ctls@kalvis.ruГарынцеваН. В.GaryntsevaN. V.ctls@kalvis.ruЧудинаА. И.ChudinaA. I.ctls@kalvis.ruКузнецовБ. Н.KuznetsovB. N.ctls@kalvis.ruИнститут химии и химической технологии СО РАН ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» (ИХХТ СО РАН, ФИЦ КНЦ СО РАН), КрасноярскRussian FederationИнститут химии и химической технологии СО РАН ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» (ИХХТ СО РАН, ФИЦ КНЦ СО РАН), Красноярск; Сибирский федеральный университет (СФУ), КрасноярскRussian Federation2020220120202016775Copyright © LLC "KALVIS", 20202020LLC "KALVIS"LLC "KALVIS"https://www.catalysis-kalvis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.catalysis-kalvis.ru/jour/article/view/674

Экспериментальными и расчетными методами определены оптимальные параметры процесса пероксидной делигнификации древесины лиственницы в присутствии катализатора MnSO4, обеспечивающие высокий выход целлюлозы (44,3 мас.%) с низким содержанием остаточного лигнина: температура – 100 °C, содержание Н2О2 – 6 мас.%, CH3COOH – 25 мас.%, ГМ – 15, продолжительность – 3 ч. Полученная в оптимальных условиях целлюлоза имела следующий химический состав: целлюлоза – 92,7 мас.%, лигнин – 0,6 мас.%, гемицеллюлозы – 5,7 мас.%. Методами ИКС и РФА установлено, что полученная из древесины лиственницы целлюлоза имеет структуру, аналогичную структуре промышленной микрокристаллической целлюлозы. Предложенный каталитический метод позволяет получать из древесины лиственницы целлюлозу с минимальным содержанием лигнина в мягких условиях в одну стадию с высоким выходом, степенью кристалличности 0,8 и размерами кристаллитов 3,0 нм.

Experimental and mathematical methods were used to obtain the optimal parameters of peroxide delignification of larch in the presence of MnSO4 catalyst, which provide a high yield of cellulose (44.3 wt.%) with a low content of residual lignin: temperature 100 °C, content of H2O2 6 wt.%, CH3COOH 25 wt.%, hydromodulus 15, and duration 3 h. The cellulose produced under optimal conditions had the following chemical composition: cellulose 92.7 wt.%, lignin 0.6 wt.%, and hemicellulose 5.7 wt.%. IR spectroscopy and XRD studies revealed that the structure of cellulose produced from larch is similar to that of industrial microcrystalline cellulose. The proposed catalytic method allows obtaining larch-derived cellulose with a minimum content of lignin under mild conditions in a single step with a high yield, crystallinity 0.8 and crystallite size 3.0 nm.

древесина лиственницыделигнификацияпероксид водородауксусная кислотакатализатор MnSO4математическая оптимизацияцеллюлозаlarchdelignificationhydrogen peroxideacetic acidMnSO4 catalystmathematical optimizationcelluloseReferencesRaud M., Kikas T., Sippula O., Shurpali N.J. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019.111, р. 44-56.Raud M., Kikas T., Sippula O., Shurpali N.J. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019.111, р. 44-56.Zhang K., Pei Z., Wang D. // Bioresource Technology. 2016, 199, p. 21–33.Zhang K., Pei Z., Wang D. // Bioresource Technology. 2016, 199, p. 21–33.Brinchi L., Cotana F., Fortunati E., Kenny J.M. // Carbohydrate Polymers.2013. 94,p. 154-169.Brinchi L., Cotana F., Fortunati E., Kenny J.M. // Carbohydrate Polymers.2013. 94,p. 154-169.Li X., XuR.,YangJ. et al. // Industrial Crops and Products. 2019. 130. p. 184-197.Li X., XuR.,YangJ. et al. // Industrial Crops and Products. 2019. 130. p. 184-197.Brosse N., Hage R.El, Sannigrahi P., Ragauskas A. // Cellul. Chem. Technol. 2010.V. 44 № 1-3.p. 71-78.Brosse N., Hage R.El, Sannigrahi P., Ragauskas A. // Cellul. Chem. Technol. 2010.V. 44 № 1-3.p. 71-78.Oliet M., Garcıa J., Rodrıguez F., Gilarrranz M. // Chem. Eng. J. 2002.V. 87. № 2.p.157–162.Oliet M., Garcıa J., Rodrıguez F., Gilarrranz M. // Chem. Eng. J. 2002.V. 87. № 2.p.157–162.Pan X., Sano Y. // Bioresour. Technol. 2005.V. 96. № 11. p. 1256–1263.Pan X., Sano Y. // Bioresour. Technol. 2005.V. 96. № 11. p. 1256–1263.Abad S., Santos V., Parajó J. // Holzforschung.2000. V. 54. № 5. p. 544–552.Abad S., Santos V., Parajó J. // Holzforschung.2000. V. 54. № 5. p. 544–552.Argyropoulos D.S. Oxidative Delignification Chemistry: Fundamentals and Catalysis. American Chemical Society (Distributed by Oxford University Press): Washington, DC. 2001. 536 p. doi.org/10.1021/ja015273o.Argyropoulos D.S. Oxidative Delignification Chemistry: Fundamentals and Catalysis. American Chemical Society (Distributed by Oxford University Press): Washington, DC. 2001. 536 p. doi.org/10.1021/ja015273o.Suchy M., Argyropoulos D.S. Oxidative Delignification Chemistry. American Chemical Society (Distributed by Oxford University Press): Washington, DC. 2001. Chapter 1. p. 2-43. DOI:10.1021/bk-2001-0785.ch001.Suchy M., Argyropoulos D.S. Oxidative Delignification Chemistry. American Chemical Society (Distributed by Oxford University Press): Washington, DC. 2001. Chapter 1. p. 2-43. DOI:10.1021/bk-2001-0785.ch001.Collinson S.R., Thielemans W. // Coordination Chemistry Reviews. 2010. V. 254. p. 1854–1870.Collinson S.R., Thielemans W. // Coordination Chemistry Reviews. 2010. V. 254. p. 1854–1870.Ramadoss G., Muthukumar K. // UltrasonicsSonochemistry.2016. V. 28. p. 207–217.Ramadoss G., Muthukumar K. // UltrasonicsSonochemistry.2016. V. 28. p. 207–217.Ruoshui Ma, Yan Xu, Xiao Zhang // ChemSusChemReviews. 2015. V. 8. № 1. 24 – 51.doi.org/10.1002/cssc.201402503.Ruoshui Ma, Yan Xu, Xiao Zhang // ChemSusChemReviews. 2015. V. 8. № 1. 24 – 51.doi.org/10.1002/cssc.201402503.Кузнецов Б.Н., Судакова И.Г., Яценкова О.В., Гарынцева Н.В., Ратабоул Ф., Дьякович Л. // Катализ в промышленности. 2018. Т. 18. № 3. C. 80–88.Кузнецов Б.Н., Судакова И.Г., Яценкова О.В., Гарынцева Н.В., Ратабоул Ф., Дьякович Л. // Катализ в промышленности. 2018. Т. 18. № 3. C. 80–88.Lucas M., Hanson S.K., Wagner G.L. et al. // Bioresource Technology.2012. V. 119. p. 174–180.Lucas M., Hanson S.K., Wagner G.L. et al. // Bioresource Technology.2012. V. 119. p. 174–180.Ramadoss G., Muthukumar K. // Chemical Engineering Journal. 2015. V. 260. p. 178–187.Ramadoss G., Muthukumar K. // Chemical Engineering Journal. 2015. V. 260. p. 178–187.Tappi standard: Acid-insoluble lignin in wood and pulp. 1998. Standard T222 Om-98.Technical association of the pulp and paper industry, Atlanta, p 5.Tappi standard: Acid-insoluble lignin in wood and pulp. 1998. Standard T222 Om-98.Technical association of the pulp and paper industry, Atlanta, p 5.Sjoöstroöm E., Aleґn R. Analytical Methods in Wood Chemistry. Pulping and Papermaking. Springer-Verlag, Berlin. 1999.Sjoöstroöm E., Aleґn R. Analytical Methods in Wood Chemistry. Pulping and Papermaking. Springer-Verlag, Berlin. 1999.ASTM D1795 (2013) Standard Test method for intrinsic viscosity of cellulose. ASTM International, West Conshohocken, PA, p. 6.ASTM D1795 (2013) Standard Test method for intrinsic viscosity of cellulose. ASTM International, West Conshohocken, PA, p. 6.Park S., Baker J.O., Himmel M.E. et al. // Biotechnology and Biofuels. 2010. V. 3. p. 10. doi.org/10.1186/1754-6834-3-10.Park S., Baker J.O., Himmel M.E. et al. // Biotechnology and Biofuels. 2010. V. 3. p. 10. doi.org/10.1186/1754-6834-3-10.Thakur V.K., Thakur M.K. Handbook of Sustainable Polymers: Structure and Chemistry. Taylor&FrancisGroup. LLC. 2016. 923 p.Thakur V.K., Thakur M.K. Handbook of Sustainable Polymers: Structure and Chemistry. Taylor&FrancisGroup. LLC. 2016. 923 p.Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы. Производство сульфатной целлюлозы. М.: Лесная промышленность, 1990. 600 с.Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы. Производство сульфатной целлюлозы. М.: Лесная промышленность, 1990. 600 с.Kuznetsov B.N., Sudakova I.G., Garyntseva N.V. et. al. // Wood Science and Technology. 2018. V. 52. Is. 5. p. 1377-1394.Kuznetsov B.N., Sudakova I.G., Garyntseva N.V. et. al. // Wood Science and Technology. 2018. V. 52. Is. 5. p. 1377-1394.Пен Р.З. Планирование эксперимента в Statgraphics. Красноярск: СибГТУ-Кларетианум, 2003. 246 с.Пен Р.З. Планирование эксперимента в Statgraphics. Красноярск: СибГТУ-Кларетианум, 2003. 246 с.Patil D.S., Chavan S.M., Oubagaranadin J.U.K. // J. Environ. Chem. Eng. 2016. V. 4. № 1. p. 468-487. doi.org/10.1016/j.jece.2015.11.028.Patil D.S., Chavan S.M., Oubagaranadin J.U.K. // J. Environ. Chem. Eng. 2016. V. 4. № 1. p. 468-487. doi.org/10.1016/j.jece.2015.11.028.

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