catalКатализ в промышленностиKataliz v promyshlennosti1816-03872413-6476LLC "KALVIS"10.18412/1816-0387-2022-5-70-82catal-843Research ArticleБИОКАТАЛИЗBIOCATALYSISОдностадийный процесс гидролиза-восстановления картофельного крахмала в сорбит в присутствии бифункционального катализатора Ru/Сs3HSiW12O40A Single-Step Hydrolysis-Reduction of Potato Starch to Sorbite in the Presence of Bifunctional Catalyst Ru/Сs3HSiW12O40ГромовН. В.GromovN. V.ctls@kalvis.ruМедведеваТ. Б.MedvedevaT. B.ctls@kalvis.ruПанченкоВ. Н.PanchenkoV. N.ctls@kalvis.ruТаранО. П.TaranO. P.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 FederationИнститут катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (ИК СО РАН), Новосибирск; Институт химии и химической технологии СО РАН (ИХХТ СО РАН), КрасноярскРоссияBoreskov Institute of Catalysis SB RAS, Novosibirsk; Institute of Chemistry and Chemical Technology SB RAS, KrasnoyarskRussian Federation2022290920222257082Copyright © LLC "KALVIS", 20222022LLC "KALVIS"LLC "KALVIS"https://www.catalysis-kalvis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.catalysis-kalvis.ru/jour/article/view/843

В работе показана возможность получения сорбита из картофельного крахмала путем его одностадийного гидролиза-восстановления в присутствии бифункциональных катализаторов 0,3–3 мас.% Ru/Cs3HSiW12O40 (Ru/Cs-ГПК). Установлено, что катализатор, содержащий 1 мас.% Ru, является наиболее эффективным и это связано с оптимальным соотношением концентраций бренстедовских и льюисовских кислотных центров на поверхности носителя и высокой величиной удельной площади поверхности. Изучена кинетика реакции в присутствии 1%Ru/Сs-ГПК и определена наблюдаемая энергия активации гидролиза-восстановления крахмала в сорбит – (80±8) кДж/моль. На основании экспериментальных и литературных данных предложена кинетическая модель, описывающая процесс гидролиза-восстановления крахмала с достаточно высокой точностью. В присутствии катализатора оптимального состава (1%Ru/Cs-ГПК) при оптимальной температуре (150 °С) выход сорбита был 88 мол.% (99 мас.%) за 3 ч реакции.

It was shown that sorbite can be obtained from potato starch by its single-step hydrolysis-reduction in the presence of bifunctional catalysts 0.3–3 wt.%Ru/Cs3HSiW12O40 (Ru/Cs-HPA). Most efficient was the catalyst containing 1 wt.%Ru; this is related to the optimal concentration ratio of Broensted and Lewis acid sites on the support surface and a high specific surface area. The reaction kinetics in the presence of 1%Ru/Сs-HPA was studied and the apparent activation energy of the starch hydrolysis-reduction to sorbite (80±8 kJ/mol) was determined. The experimental and literature data were used to propose a kinetic model of the process, which describes quite adequately the hydrolysisreduction of starch. In the presence of the catalyst with the optimal composition (1%Ru/Cs-HPA) at the optimal temperature (150 °С), the yield of sorbite achieved 88 mol.% (99 wt.%) for 3 hours of the reaction.

крахмалгидролиз-восстановлениерутенийгетерополикислотасорбитstarchhydrolysis-reductionrutheniumheteropolyacidsorbiteReferencesDelgado-Arcaño Y., Mandelli D., Carvalho W.A. et al. // Waste and Biomass Valorization. 2021. Vol. 12, № 9. P. 5109–5120. DOI: 10.1007/s12649-021-01348-7.Delgado-Arcaño Y., Mandelli D., Carvalho W.A. et al. // Waste and Biomass Valorization. 2021. Vol. 12, № 9. P. 5109–5120. DOI: 10.1007/s12649-021-01348-7.Mäki-Arvela P., Holmbom B., Salmi T. et al. // Catal. Rev. 2007. Vol. 49, № 3. P. 197–340. DOI: 10.1080/01614940701313127.Mäki-Arvela P., Holmbom B., Salmi T. et al. // Catal. Rev. 2007. Vol. 49, № 3. P. 197–340. DOI: 10.1080/01614940701313127.Deng W., Wang Y., Zhang Q. et al. // Catalysis Surveys from Asia. 2012. Vol. 16, № 2. P. 91–105. DOI: 10.1007/s10563-012-9136-1.Deng W., Wang Y., Zhang Q. et al. // Catalysis Surveys from Asia. 2012. Vol. 16, № 2. P. 91–105. DOI: 10.1007/s10563-012-9136-1.Fukuoka A., Dhepe P.L. // Angewandte Chemie International Edition. 2006. Vol. 45, № 31. P. 5161–5163. DOI: https://doi.org/10.1002/anie.200601921.Fukuoka A., Dhepe P.L. // Angewandte Chemie International Edition. 2006. Vol. 45, № 31. P. 5161–5163. DOI: https://doi.org/10.1002/anie.200601921.Fukuoka A., Dhepe P.L. // The Chemical Record. 2009. Vol. 9, № 4. P. 224–235. DOI: https://doi.org/10.1002/tcr.200900004.Fukuoka A., Dhepe P.L. // The Chemical Record. 2009. Vol. 9, № 4. P. 224–235. DOI: https://doi.org/10.1002/tcr.200900004.Gromov N.V., Medvedeva T.B., Taran O.P. et al. // Appl. Catal. A: Gen. 2020. Vol. 595. Article 117489. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcata.2020.117489.Gromov N.V., Medvedeva T.B., Taran O.P. et al. // Appl. Catal. A: Gen. 2020. Vol. 595. Article 117489. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcata.2020.117489.Gromov N.V., Medvedeva T.B., Rodikova Y.A. et al. // Bioresour. Technol. 2021. Vol. 319. Article 124122. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124122.Gromov N.V., Medvedeva T.B., Rodikova Y.A. et al. // Bioresour. Technol. 2021. Vol. 319. Article 124122. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124122.Liu M., Deng W., Zhang Q. et al. // Chem. Commun. 2011. Vol. 47, № 34. P. 9717–9719. DOI: 10.1039/c1cc12506k.Liu M., Deng W., Zhang Q. et al. // Chem. Commun. 2011. Vol. 47, № 34. P. 9717–9719. DOI: 10.1039/c1cc12506k.Xie X., Han J., Wang H. et al. // Catal. Today. 2014. Vol. 233. P. 70–76. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cattod.2013.09.061.Xie X., Han J., Wang H. et al. // Catal. Today. 2014. Vol. 233. P. 70–76. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cattod.2013.09.061.Колвин Д.Р. Структура и образование целлюлозных микрофибрилл // Целлюлоза и ее производные / пер. с англ. ; под ред. Н. Байклза, Л. Сегала. Т. 2. М. : Мир, 1974. С. 20–46.Колвин Д.Р. Структура и образование целлюлозных микрофибрилл // Целлюлоза и ее производные / пер. с англ. ; под ред. Н. Байклза, Л. Сегала. Т. 2. М. : Мир, 1974. С. 20–46.Пат. 3963788A США, МПК CO7C 31/18. Polyhydric alcohol production using ruthenium zeolite catalyst / W.M. Kruse, L.W. Wright ; заявитель и патентообладатель W.M. Kruse, L.W. Wright. Опубл. 15.06.76.Пат. 3963788A США, МПК CO7C 31/18. Polyhydric alcohol production using ruthenium zeolite catalyst / W.M. Kruse, L.W. Wright ; заявитель и патентообладатель W.M. Kruse, L.W. Wright. Опубл. 15.06.76.Пат. 4694113 США, МПК C07C 29/132. Dual catalyst sequential method for production of sorbitol from hydrolyzed starch solution / G.J. Gauthier, J.D. Miceli ; заявитель и патентообладатель Pfizer Inc. Опубл. 15.09.87.Пат. 4694113 США, МПК C07C 29/132. Dual catalyst sequential method for production of sorbitol from hydrolyzed starch solution / G.J. Gauthier, J.D. Miceli ; заявитель и патентообладатель Pfizer Inc. Опубл. 15.09.87.Пат. 2609398 США, МПК C07C 31/26. Process for hydrogenation of polysaccharides / J.H. Lolkema, A. van Westen ; заявитель и патентообладатель SCHOLTEN CHEMISCHE FAB. Опубл. 02.09.52.Пат. 2609398 США, МПК C07C 31/26. Process for hydrogenation of polysaccharides / J.H. Lolkema, A. van Westen ; заявитель и патентообладатель SCHOLTEN CHEMISCHE FAB. Опубл. 02.09.52.Gromov N.V., Medvedeva T.B., Rodikova Y.A. et al. // RSC Advances. 2020. Vol. 10, № 48. P. 28856–28864. DOI: 10.1039/d0ra05501h.Gromov N.V., Medvedeva T.B., Rodikova Y.A. et al. // RSC Advances. 2020. Vol. 10, № 48. P. 28856–28864. DOI: 10.1039/d0ra05501h.Gromov N.V., Medvedeva T.B., Taran O.P. et al. // Catalysis in Industry. 2021. Vol. 13, № 1. P. 73–80. DOI: 10.1134/s2070050421010049.Gromov N.V., Medvedeva T.B., Taran O.P. et al. // Catalysis in Industry. 2021. Vol. 13, № 1. P. 73–80. DOI: 10.1134/s2070050421010049.Gromov N.V., Medvedeva T.B., Panchenko V.N. et al. // Catalysis in Industry. 2021. Vol. 13, № 1. P. 81–89. DOI: 10.1134/s2070050421010050.Gromov N.V., Medvedeva T.B., Panchenko V.N. et al. // Catalysis in Industry. 2021. Vol. 13, № 1. P. 81–89. DOI: 10.1134/s2070050421010050.Иконникова К.В. Теория и практика рН-метрического определения кислотно-основных свойств поверхности твердых тел : учеб. пособие / К.В. Иконникова, Л.Ф. Иконникова, Т.С. Минакова, Ю.С. Саркисов. Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2011. 85 с.Иконникова К.В. Теория и практика рН-метрического определения кислотно-основных свойств поверхности твердых тел : учеб. пособие / К.В. Иконникова, Л.Ф. Иконникова, Т.С. Минакова, Ю.С. Саркисов. Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2011. 85 с.Паукштис Е. А., Инфракрасная спектроскопия в гетерогенном кислотном-основном катализе. Новосибирск : Наука, 1992. 254 с.Паукштис Е. А., Инфракрасная спектроскопия в гетерогенном кислотном-основном катализе. Новосибирск : Наука, 1992. 254 с.Raspolli Galletti A.M., Antonetti C., Fulignati S. et al. // Catalysts. 2020. Vol. 10, № 10. P. 1221. DOI: https://doi.org/10.3390/catal10101221Raspolli Galletti A.M., Antonetti C., Fulignati S. et al. // Catalysts. 2020. Vol. 10, № 10. P. 1221. DOI: https://doi.org/10.3390/catal10101221Luzgin M.V., Ka zantsev M.S., Volkova G.G. et al. // J. Catal. 2011. Vol. 277, № 1. P. 72–79. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcat.2010.10.015.Luzgin M.V., Ka zantsev M.S., Volkova G.G. et al. // J. Catal. 2011. Vol. 277, № 1. P. 72–79. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcat.2010.10.015.Luzgin M.V., Kazantsev M.S., Volkova G.G. et al. // J. Catal. 2013. Vol. 308. P. 250–257. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcat.2013.08.024.Luzgin M.V., Kazantsev M.S., Volkova G.G. et al. // J. Catal. 2013. Vol. 308. P. 250–257. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcat.2013.08.024.Kim Y.T., Dumesic J.A., Huber G.W. // J. Catal. 2013. Vol. 304. P. 72–85. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcat.2013.03.022.Kim Y.T., Dumesic J.A., Huber G.W. // J. Catal. 2013. Vol. 304. P. 72–85. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcat.2013.03.022.Deng W., Wang Y., Zhang Q. et al. // Catal. Surveys Asia. 2012. Vol. 16, № 2. P. 91–105. DOI: 10.1007/s10563-012-9136-1.Deng W., Wang Y., Zhang Q. et al. // Catal. Surveys Asia. 2012. Vol. 16, № 2. P. 91–105. DOI: 10.1007/s10563-012-9136-1.Negahdar L. Kinetic investigation of the hydrolytic hydrogenation of oligosaccharides to sorbitol : PhD dissertation. Aachen, Germany : RWTH Aachen University, 2015.Negahdar L. Kinetic investigation of the hydrolytic hydrogenation of oligosaccharides to sorbitol : PhD dissertation. Aachen, Germany : RWTH Aachen University, 2015.Komanoya T., Kobayashi H., Hara K. et al. // ChemCatChem. 2014. Vol. 6, № 1. P. 230-236. DOI: https://doi.org/10.1002/cctc.201300731.Komanoya T., Kobayashi H., Hara K. et al. // ChemCatChem. 2014. Vol. 6, № 1. P. 230-236. DOI: https://doi.org/10.1002/cctc.201300731.Negahdar L., Oltmanns J.U., Palkovits S. et al. // Appl. Catal. B: Environ. 2014. Vol. 147. P. 677–683. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2013.09.046.Negahdar L., Oltmanns J.U., Palkovits S. et al. // Appl. Catal. B: Environ. 2014. Vol. 147. P. 677–683. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2013.09.046.Математическое моделирование химико-технологических процессов : учеб. пособие / Н.В. Ушева, О.Е. Мойзес, О.Е. Митянина, Е.А. Кузьменко Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2014. 135 с.Математическое моделирование химико-технологических процессов : учеб. пособие / Н.В. Ушева, О.Е. Мойзес, О.Е. Митянина, Е.А. Кузьменко Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2014. 135 с.

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