catalКатализ в промышленностиKataliz v promyshlennosti1816-03872413-6476LLC "KALVIS"10.18412/1816-0387-2020-4-303-312catal-710Research ArticleБИОКАТАЛИЗBIOCATALYSISГидролиз-восстановление арабиногалактана в присутствии катализатора Ru/Cs3HSiW12O40The Hydrolysis-Reduction of Arabinogalactan in the Presence of Ru/Cs3HSiW12O40 CatalystГромовН. В.GromovN. V.ctls@kalvis.ruМедведеваТ. Б.MedvedevaT. B.ctls@kalvis.ruПанченкоВ. Н.PanchenkoV. N.ctls@kalvis.ruТимофееваМ. Н.TimofeevaM. N.ctls@kalvis.ruПармонВ. Н.ParmonV. N.ctls@kalvis.ruИнститут катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (ИК СО РАН), Новосибирск; Новосибирский государственный технический университет (НГТУ)РоссияBoreskov Institute of Catalysis SB RAS, Novosibirsk; Novosibirsk State Technical UniversityRussian FederationИнститут катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (ИК СО РАН), НовосибирскРоссияBoreskov Institute of Catalysis SB RAS, NovosibirskRussian Federation202020072020204303312Copyright © LLC "KALVIS", 20202020LLC "KALVIS"LLC "KALVIS"https://www.catalysis-kalvis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.catalysis-kalvis.ru/jour/article/view/710

Исследован процесс гидролиза-восстановления гемицеллюлозы арабиногалактан в многоатомные спирты арабитол и галактитол, широко применяемые в пищевой и фармацевтической отраслях промышленности. Показана возможность использования в данном процессе бифункционального катализатора на основе высокодисперсного рутения, нанесенного на цезиевую соль кремний-вольфрамовой гетерополикислоты, Ru/Cs3HSiW12O40. Для проведения исследований были приготовлены катализаторы с различным содержанием рутения (0,3; 0,6 и 1 мас.%). Приготовленные катализаторы, а также их носитель Cs3HSiW12O40 исследованы физико-химическими методами (низкотемпературная адсорбция азота, ИК-спектроскопия, РФА, ПЭМ). Исследовано влияние на выходы целевых продуктов температуры и соотношения субстрат : катализатор, а также содержания рутения в катализаторе. Установлено, что наибольшие выходы целевых продуктов достигаются при содержании металла 0,6 мас.% и одинаковой массовой загрузке катализатора и субстрата (соотношение 1 : 1). При температуре 200 °C арабитол и галактитол могут быть получены с выходами до 12 и 48 % за 2 ч реакции в присутствии катализатора состава 0,6%Ru/Cs3HSiW12O40.

The hydrolysis-reduction of hemicellulose arabinogalactan to arabitol and galactitol polyalcohols, which are widely used in the food and pharmaceutical industries, was studied. It was shown that the process could be performed with the bifunctional catalyst containing highly dispersed ruthenium deposited on the cesium salt of silicon-tungsten heteropolyacid, Ru/Cs3HSiW12O40. The catalysts with different content of ruthenium (0.3, 0.6 and 1 wt.%) were synthesized for the study. The catalysts and their Cs3HSiW12O40 support were examined by various physicochemical methods (low-temperature nitrogen adsorption, IR spectroscopy, XRD, and TEM). The effect of temperature, substrate/catalyst ratio and ruthenium content in the catalyst on the yields of target products was elucidated. The highest yields of target products were achieved at the metal content of 0.6 wt.% and equal weights of the loaded catalyst and substrate (the 1:1 ratio). At a temperature of 200 °C, arabitol and galactitol can be produced with the yields up to 12 and 48 % for 2 h of the reaction in the presence of catalyst with the composition 0.6%Ru/Cs3HSiW12O40.

биомассаарабиногалактангалактитоларабитолбифункциональный катализаторцезиевые соли гетерополикислотрутенийbiomassarabinogalactangalactitolarabitolbifunctional catalystcesium salts of heteropolyacidsrutheniumReferencesBruggink A., Schoevaart R., Kieboom T. // Organic Process Research & Development. 2003. V.7. P. 622—640. DOI: 10.1021/op0340311.Bruggink A., Schoevaart R., Kieboom T. // Organic Process Research & Development. 2003. V.7. P. 622—640. DOI: 10.1021/op0340311.Gallezot P., Kiennemann A. Conversion of Biomass on Solid Catalysts in: Handbook of Heterogeneous Catalysis, Vol. 11 (Eds.: G. Ertl, H. Knözinger, F. Schüth, J. Weitkamp), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2008. P. 2447—2476.Gallezot P., Kiennemann A. Conversion of Biomass on Solid Catalysts in: Handbook of Heterogeneous Catalysis, Vol. 11 (Eds.: G. Ertl, H. Knözinger, F. Schüth, J. Weitkamp), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2008. P. 2447—2476.Palkovits R., Tajvidi K., Procelewska J., Rinaldi R., Ruppert A. // Green Chemistry. 2010. V. 12. P. 972—978. DOI: 10.1039/C000075B.Palkovits R., Tajvidi K., Procelewska J., Rinaldi R., Ruppert A. // Green Chemistry. 2010. V. 12. P. 972—978. DOI: 10.1039/C000075B.Liang G., Wu C., He L., Ming J., Cheng H., Zhuo L., Zhao F. // Green Chemistry. 2011. V. 13. P. 839—842. DOI: 10.1039/C1GC15098G.Liang G., Wu C., He L., Ming J., Cheng H., Zhuo L., Zhao F. // Green Chemistry. 2011. V. 13. P. 839—842. DOI: 10.1039/C1GC15098G.Geboers J., Van de Vyver S., Carpentier K., de Blochouse K., Jacobs P., Sels B. // Chemical Communication. 2010. V. 46. P. 3577—3579. DOI :10.1039/C001096K.Geboers J., Van de Vyver S., Carpentier K., de Blochouse K., Jacobs P., Sels B. // Chemical Communication. 2010. V. 46. P. 3577—3579. DOI :10.1039/C001096K.Balandin A.A., Vasyunina N.A., Chepigo S.V., Barysheva G.S. // Dokl. Akad. Nauk SSSR 128 (1959) 941.Balandin A.A., Vasyunina N.A., Chepigo S.V., Barysheva G.S. // Dokl. Akad. Nauk SSSR 128 (1959) 941.Fukuoka A., Dhepe P.L. // Angewandte Chemie. 2006. V. 45. Is. 31. P. 5161—5163. DOI: 10.1002/anie.200601921.Fukuoka A., Dhepe P.L. // Angewandte Chemie. 2006. V. 45. Is. 31. P. 5161—5163. DOI: 10.1002/anie.200601921.Fukuoka A., Dhepe P.L. // The Chemical Record. 2009. V. 9. Is. 4. P. 224—235. DOI: 10.1002/tcr.200900004.Fukuoka A., Dhepe P.L. // The Chemical Record. 2009. V. 9. Is. 4. P. 224—235. DOI: 10.1002/tcr.200900004.H. Li, Z. Fang R.L. // Progress in Energy and Combustion Science. 2016. V. 55. P. 98—194. DOI: 10.1016/j.pecs.2016.04.004.H. Li, Z. Fang R.L. // Progress in Energy and Combustion Science. 2016. V. 55. P. 98—194. DOI: 10.1016/j.pecs.2016.04.004.Медведева Т.Б., Громов Н.В., Родикова Ю.А., Тимофеева М.Н., Жижина Е.Г., Aymonier С., Таран О.П. // Вестник Томского гос. ун-та. Химия. 2018. № 11. С. 6—22. DOI: 10.17223/24135542/11/1.Медведева Т.Б., Громов Н.В., Родикова Ю.А., Тимофеева М.Н., Жижина Е.Г., Aymonier С., Таран О.П. // Вестник Томского гос. ун-та. Химия. 2018. № 11. С. 6—22. DOI: 10.17223/24135542/11/1.Ribeiro L.S., Órfão J.J.M., Pereira M.F.R. // Green Chemistry. 2015. V. 17. P. 2973—2980. DOI: 10.1039/C5GC00039D.Ribeiro L.S., Órfão J.J.M., Pereira M.F.R. // Green Chemistry. 2015. V. 17. P. 2973—2980. DOI: 10.1039/C5GC00039D.Almohalla M., Rodríguez-Ramos I., Ribeiro L.S., Órfão J. J.M., Pereira M.F.R., Guerrero-Ruiz A. // Cataysis Today. 2018. V. 301. P. 65—71. DOI: 10.1016/j.cattod.2017.05.023.Almohalla M., Rodríguez-Ramos I., Ribeiro L.S., Órfão J. J.M., Pereira M.F.R., Guerrero-Ruiz A. // Cataysis Today. 2018. V. 301. P. 65—71. DOI: 10.1016/j.cattod.2017.05.023.Luo C., Wang S., Liu H. // Angew Chem Int Edit. 2007. V. 46. P. 7636—7639. DOI:10.1002/anie.200702661.Luo C., Wang S., Liu H. // Angew Chem Int Edit. 2007. V. 46. P. 7636—7639. DOI:10.1002/anie.200702661.Han J.W., Lee H. // Catalysis Commuication. 2012. V. 19. Р. 115—118. DOI: 10.1016/j.catcom.2011.12.032.Han J.W., Lee H. // Catalysis Commuication. 2012. V. 19. Р. 115—118. DOI: 10.1016/j.catcom.2011.12.032.Ribeiro L.S., Delgado J.J., Órfão J.J.M., Pereira M.F.R. // Applied Catalysis B: Environmental. 2017. V. 217. P. 265—274. DOI: 10.1016/j.apcatb.2017.04.078.Ribeiro L.S., Delgado J.J., Órfão J.J.M., Pereira M.F.R. // Applied Catalysis B: Environmental. 2017. V. 217. P. 265—274. DOI: 10.1016/j.apcatb.2017.04.078.Reyes-Luyanda D., Flores-Cruz J., Morales-Pérez P.J., Encarnación- Gómez L.G., Shi F., Voyles P.M. // Topic in Catalysis. 2012. V. 55. P. 148—161. https://doi.org/10.1007/s11244-012-9791-5Reyes-Luyanda D., Flores-Cruz J., Morales-Pérez P.J., Encarnación- Gómez L.G., Shi F., Voyles P.M. // Topic in Catalysis. 2012. V. 55. P. 148—161. https://doi.org/10.1007/s11244-012-9791-5Deng W., Tan X., Fang W., Zhang Q., Wang Y. // Catalysis Letters. 2009. V. 133. P. 167—174. https://doi.org/10.1007/s10562-009-0136-3Deng W., Tan X., Fang W., Zhang Q., Wang Y. // Catalysis Letters. 2009. V. 133. P. 167—174. https://doi.org/10.1007/s10562-009-0136-3Kobayashi H., Ito Y., Komanoya T., Hosaka Y., Dhepe P.L., Kasai K., Hara K., Fukuoka A. // Green Chemystry. 2011. V. 13. P. 326—333. https://doi.org/10.1039/C0GC00666AKobayashi H., Ito Y., Komanoya T., Hosaka Y., Dhepe P.L., Kasai K., Hara K., Fukuoka A. // Green Chemystry. 2011. V. 13. P. 326—333. https://doi.org/10.1039/C0GC00666AGromov N.V., Medvedeva T.B., Taran O.P., Timofeeva M.A., Said-Aizpuru O., Panchenk V.N., Gerasimov E. Yu., Kozhevnikov I.V., Parmon V.N. // Applied Catalysis A. 2020. V. 595. N 117489. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2020.117489Gromov N.V., Medvedeva T.B., Taran O.P., Timofeeva M.A., Said-Aizpuru O., Panchenk V.N., Gerasimov E. Yu., Kozhevnikov I.V., Parmon V.N. // Applied Catalysis A. 2020. V. 595. N 117489. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2020.117489Willför S., Sjöholm R., Laine C., Holmbom B. // Wood Science and Technology. 2002. V. 36. P. 101—110. DOI: 10.1007/s00226-001-0137-x.Willför S., Sjöholm R., Laine C., Holmbom B. // Wood Science and Technology. 2002. V. 36. P. 101—110. DOI: 10.1007/s00226-001-0137-x.Willför S., Holmbom B. // Wood Science and Technology. 2004. V. 38. Is. 3. P. 173—179. DOI: 10.1007/s00226-003-0200-x.Willför S., Holmbom B. // Wood Science and Technology. 2004. V. 38. Is. 3. P. 173—179. DOI: 10.1007/s00226-003-0200-x.Kordowska-Waiter M. // Journal of Applied Microbiology. 2014. V. 119. P. 303—314. DOI: 10.1111/jam.12807.Kordowska-Waiter M. // Journal of Applied Microbiology. 2014. V. 119. P. 303—314. DOI: 10.1111/jam.12807.Jagtap S. S., Bedekar A. A., Liu J.-J., Jin Y.-S., Rao C.V. // Biotechnology for Biofuels. 2019. V. 12. N 250. https://doi.org/10.1186/s13068-019-1586-5Jagtap S. S., Bedekar A. A., Liu J.-J., Jin Y.-S., Rao C.V. // Biotechnology for Biofuels. 2019. V. 12. N 250. https://doi.org/10.1186/s13068-019-1586-5Jiang X., Huang Y., Wang X., Liang Q., Li Y., Li F., Fu X., Huang C., Liu H. // Biomedicine & Pharmacotherapy. 2019. V. 2017. P. 1065—1074. http://dx.doi.org/10.1016/j.biopha.2017.05.025Jiang X., Huang Y., Wang X., Liang Q., Li Y., Li F., Fu X., Huang C., Liu H. // Biomedicine & Pharmacotherapy. 2019. V. 2017. P. 1065—1074. http://dx.doi.org/10.1016/j.biopha.2017.05.025Kusema B.T., Faba L., Kumar N., Mäki-Arvela P., Díaz E., Ordónez S., Salmi T., Murzin D.Yu. // Catalysis Today. 2012. V. 196. P. 26—33. DOI: 10.1016/j.cattod.2012.02.031.Kusema B.T., Faba L., Kumar N., Mäki-Arvela P., Díaz E., Ordónez S., Salmi T., Murzin D.Yu. // Catalysis Today. 2012. V. 196. P. 26—33. DOI: 10.1016/j.cattod.2012.02.031.Faba L., Kusema B.T., Murzina E.V., Tokarev A., Kumar N., Smeds A., Diaz E., Ordóñez S., Mäki-Arvela P., Willför S., Salmi T., Murzin D.Yu. // Microporous and Mesoporous Materials. 2014. V. 189. P. 189—199. DOI: 10.1016/j.micromeso.2013.08.011.Faba L., Kusema B.T., Murzina E.V., Tokarev A., Kumar N., Smeds A., Diaz E., Ordóñez S., Mäki-Arvela P., Willför S., Salmi T., Murzin D.Yu. // Microporous and Mesoporous Materials. 2014. V. 189. P. 189—199. DOI: 10.1016/j.micromeso.2013.08.011.Murzin D.Yu., Kusema B., Murzina E.V., Aho A., Tokarev A., Boymirzaev A.S., Johan Wärnå J., Dapsens P.Y., Mondelli C., Pérez-Ramírez J., Salmi T. // Journal of Catalysis. 2015. V. 330. P. 93—105. DOI: 10.1016/j.jcat.2015.06.022.Murzin D.Yu., Kusema B., Murzina E.V., Aho A., Tokarev A., Boymirzaev A.S., Johan Wärnå J., Dapsens P.Y., Mondelli C., Pérez-Ramírez J., Salmi T. // Journal of Catalysis. 2015. V. 330. P. 93—105. DOI: 10.1016/j.jcat.2015.06.022.Murzin D.Yu., Murzina E.V., Tokarev A., Shcherban N.D., Wärnå J., Salmi T. // Catalysis Today. 2015. V. 257. P. 169—176. DOI: 10.1016/j.cattod.2014.07.019.Murzin D.Yu., Murzina E.V., Tokarev A., Shcherban N.D., Wärnå J., Salmi T. // Catalysis Today. 2015. V. 257. P. 169—176. DOI: 10.1016/j.cattod.2014.07.019.Yamaguchi A., Sato O., Mimura N, Shirai M. // Catalysis Today. 2016. V. 265. P. 199—202. DOI: 10.1016/j.cattod.2015.08.026.Yamaguchi A., Sato O., Mimura N, Shirai M. // Catalysis Today. 2016. V. 265. P. 199—202. DOI: 10.1016/j.cattod.2015.08.026.Tathod A.P., Dhepe P.L. // Bioresource Technology. 2015. V. 178. P. 36—44. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.10.036Tathod A.P., Dhepe P.L. // Bioresource Technology. 2015. V. 178. P. 36—44. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.10.036Neimark A.V., Lin Y., Ravikovitch P.I., Thommes M. // Carbon. 2009. V. 47. N 7. P. 1617—1628. DOI: 10.1016/j.carbon.2009.01.050.Neimark A.V., Lin Y., Ravikovitch P.I., Thommes M. // Carbon. 2009. V. 47. N 7. P. 1617—1628. DOI: 10.1016/j.carbon.2009.01.050.Ravikovitch P.I., Neimark A.V. // Langmuir. 2006. V. 22. N 26. P. 11171—11179. https://doi.org/10.1021/la0616146Ravikovitch P.I., Neimark A.V. // Langmuir. 2006. V. 22. N 26. P. 11171—11179. https://doi.org/10.1021/la0616146Raspolli Galletti A. M., Antonetti C., Longo I., Capannelli G., Venezia A.M. // Applied Catalysis A. 2008. V. 35. P. 46—52. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2008.07.044Raspolli Galletti A. M., Antonetti C., Longo I., Capannelli G., Venezia A.M. // Applied Catalysis A. 2008. V. 35. P. 46—52. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2008.07.044Makarova E.N., Shakhmatov E.G., Udoratina E.V., Kutchin A.V. // Russ. Chem. Bull. 2015. V. 64. P. 1302—1318. https://doi.org/10.1007/s11172-015-1011-6Makarova E.N., Shakhmatov E.G., Udoratina E.V., Kutchin A.V. // Russ. Chem. Bull. 2015. V. 64. P. 1302—1318. https://doi.org/10.1007/s11172-015-1011-6Громов Н.В., Медведева Т.Б., Таран О.П., Тимофеева М.Н., Пармон В.Н. // Катализ в промышленности. 2020. Т. 20. № 3. С. 234—242. DOI: 10.18412/1816-0387-2020-3-234-242.Громов Н.В., Медведева Т.Б., Таран О.П., Тимофеева М.Н., Пармон В.Н. // Катализ в промышленности. 2020. Т. 20. № 3. С. 234—242. DOI: 10.18412/1816-0387-2020-3-234-242.

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