Разработка методов получения качественных гидролизатов, основанных на интеграции каталитических процессов пероксидной делигнификации и кислотного гидролиза древесины березы

Традиционные процессы кислотно-каталитического гидролиза древесины малоэффективны из-за низкого качества образующихся глюкозных растворов, загрязненных примесями, которые ингибируют ферментацию глюкозы в этанол. Эта проблема проявляется особенно остро при гидролизе древесины березы, содержащей большое количество гемицеллюлоз. В настоящей работе предложено осуществлять получение качественных растворов глюкозы путем сернокислотного гидролиза 80 %-ной H₂SO₄ при 25 °С целлюлозных продуктов, образующихся при пероксидной каталитической делигнификации древесины березы. Установлено, что состав целлюлозных продуктов оказывает существенное влияние на содержание в гидролизатах глюкозы, ксилозы и примесей, ингибирующих ферментативный синтез биоэтанола: фурфурола, 5-гидроксиметилфурфурола и левулиновой кислоты. Высокие выходы глюкозы (80,4– 83,5 мас.%) достигнуты при использовании целлюлозных продуктов, полученных интеграцией процессов сернокислотного гидролиза гемицеллюлоз древесины березы и пероксидной делигнификации предгидролизованной древесины в присутствии катализаторов 2 % H₂SO₄ и 1 % TiO₂. Концентрации ингибиторов ферментативных процессов в этих гидролизатах ниже допустимых значений. Гидролизаты с максимальным содержанием глюкозы (86,4–88,5 мас.%) и минимальной концентрацией ингибирующих примесей получены кислотным гидролизом целлюлозных продуктов, обработанных 18 %-ным раствором NaOH. Для исследования состава гидролизатов использовали методы газовой хроматографии, ВЭЖХ, хромато-масс-спектрометрии. Целлюлозные продукты изучены методами СЭМ и химическими.

1. Almeida J., Modig T., Petersson A., Hähn-Hägerdal B., Liden G., Gorwa-Grauslund M. // Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 2007. V. 82. P. 340—349.

2. Lin Y., Tanaka S. // Appl. Microbial. Biotechnol. 2006. V. 69. P. 627—642.

3. Taherzadeh M.J., Karimi K. // BioResources. 2007. V. 2. N 3. P. 472—499.

4. Fengel D., Wegener G. Wood: chemistry, ultrustructure, reactions. 1984. Walter de Gruter. Berlin.

5. Hu G., Heitmann J.A., Rojas O. // BioResources. 2008. V. 3. N 1. P. 270—294.

6. Кузнецов Б.Н., Кузнецова С.А., Данилов В.Г., Тарабанько В.Е. // Химия в интересах устойчивого развития. 2005. Т. 13. № 4. С. 531—539. [Kuznetsov B.N., Kuznetsova S.A., Danilov V.A., Taraban’ko V.E. // Chemistry for Sustainable Development. 2005. V. 13. N 4. P. 531—539].

7. Brazdausks P., Puke M., Vedernikovs N., Kruma I. // Environmental and climate technologies. 2013. V. 11. P. 478—485.

8. Li H., Saeed A., Jahan S., Ni J., Heiningen A. // Journal of Wood Chemistry and Technology. 2010. V. 30. P. 48—60.

9. Amiri H., Karimi K. // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2013. V. 52. P. 11494—11501.

10. Barana D., Salanti A., Orlandi M., Ali D.S., Zoia L. // Industrial Crops and Products. 2016. V. 86. P. 31—39.

11. Singh D.P., Trivedi R.K. // Int. J. Chem. Tech. Res. 2013. V. 5. N 2. P. 727—734.

12. Guo B., Zhang Y., Yu G., Lee W.H., Jin Y.-S., Morgenroth E. // Appl. Biochem. Biotechnol. 2013. Vol. 169. P. 1069—1087.

13. Bose S.K., Barber V.A., Ericka F.A. // Carbohydrate Polymers. 2009. V. 78. P. 396—401.

14. Borrega M., Nieminen K., Sixta H. // BioResource. 2011. V. 6. N 2. P. 1890—1903.

15. Hamelinck C.N., Hooijdonk G., Faaij A.P.C. // Biomass and Bioenergy. 2005. V. 28. P. 384—410.

16. Kuznetsov B. N., Tarabanko V.E., Kuznetsova S.A. // Kinetic and Catalysis. 2008. V. 49. P. 517—526.

17. Kuznetsov B.N., Kuznetsova S.A., Danilov V.G., Yatsenkova O.V. // React. Kinet. Mech. Cat. 2011. 104. P. 337—343.

18. Kuznetsov B.N., Sudakova I.G., Garyntseva N.V., Djakovitch L., Pinel C. // React. Kinet. Mech. Cat. 2013. V. 110. P. 271—280.

19. Yang Z., Kang H., Guo Y. et al. // Industrial Crops and Products. 2013. V. 46. P. 205—209.

20. Zhao X., Zhou Y., Liu D. // Bioresource Technology. 2012. V. 105. P. 160—168.

21. Bujang N., Rodhi M.N.M., Musa M. et al. // Procedia Engineering. 2013. V. 68. P. 372—378.

22. Яценкова О.В., Пен Р.З., Чудина А.И., Скрипников А.М., Кузнецов Б.Н. // Химическая технология. 2015. № 11. С. 686—693.

23. Shin S-J, Park J-M, Cho DH, Kim YH, Cho N-S. // J. Korean Wood Sci Technol, 2009. V. 37. P. 578—584.

24. Iranmahboob J, Nadim F, Monemi S. // Biomass Bioenergy. 2002. V. 22. N 5. P. 401—404.

25. Yoon S.-Y., Han S.-H., Shin S.-J. // Energy. 2014. V. 77. P. 19—24.

26. Яценкова О.В., Пен Р.З., Скрипников А.М., Береговцова Н.Г., Кузнецов Б.Н. // Химия в интересах устойчи-вого развития. 2016. Т. 24. С. 811—819. [Yatsenkova O.V., Pen R.Z., Skripnikov A.M., Beregovtsova N.G., Kuznetsov B.N. // Chemistry for Sustainable Development. 2016. V. 24. P. 811— 819].

27. Jeffries T. // Curr. Opin. Biotech. 2006. V. 17. N 3. P. 320—326.

28. Wijaya Y., Putra R., Wijaya V., Ha J.-M., Suh D., Kim Ch. // Bioresource technology. 2014. V. 164. P. 221—231.

29. Sluiter J.B., Ruiz R.O., Scarlata CH.J., Sluiter A.D., Templeton D.W. // J. Agric. Food Chem. 2010. V. 58. P. 9043— 9053.

30. Hallac B.B., Ragauskas A.J. // Biofuels Bioprod Bioref. 2011. V. 5. Р. 215—225.

31. Ruiz-Matute A.I., Hernandez-Hernandez O., Rodriguez-Sanchez S., Sanz M.L., Martinez-Castro I. // J. Chromatogr. B. 2011. V. 879. P. 1226—1240.

32. Wang H., Zhang C., He H., Wang L. // J. Environmental Sci. 2012. V. 24. N 3. Р. 473—478.

33. Барам Г.И. В книге: 100 лет хроматографии / Отв. ред. Руденко Б.А. 2003. М.: Наука. С. 32—45. [Baram G.I. In book: 100 years of chromatography. Moscow: Nauka. P. 32—45.

34. Харина М.В., Емельянов В.М., Аблаев А.Р., Мошкина Н.Е., Ибрагимова Н.Н., Горшкова Т.А. // Химия растительного сырья. 2014. № 1. С. 53—59.

35. Klinke H.B., Thomsen A.B., Ahring B.K. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2004. Vol. 66. P. 10—26.

36. Гарынцева Н.В., Судакова И.Г., Кузнецов Б.Н. // Журнал Сибирского федерального университета. Химия. 2015. Т. 8. № 3. С. 422—429. [Garyntseva N.V., Sudakova I.G., KuznetsovKuznetsovB.N. // Journal of Siberian Federal University. Chemistry. 2015. V. 8. N. 3. P. 422—429].

37. Hilgert J., Meine N., Rinaldi R., Schüth F. // Energy & Environmental Science. 2013. V. 6. P. 92—96.

38. Hu Hua-yu, Chen Yan-meng, Zhang Yan-juan // J. Chem. Pharm. Res. 2013. V. 5. N 12. P.129—134.

39. Carrasquillo-Flores R., Käldström M., Schüth F. // ACS Catalysis. 2013. V. 3. P. 993—997.

40. Яценкова О.В., Чудина А.И., Скрипников А.М., Чесноков Н.В., Кузнецов Б.Н. // Журнал СФУ. Химия. 2015. T. 8. № 2. C. 211—221. [Yatsenkova O.V., Chudina A.I., Skripnikov A.M., Chesnokov N.V., Kuznetsov B.N. // Journal of Siberian Federal University. Chemistry. 2015. V. 8. N. 2. P. 211—221].

41. Kim J.S., Lee Y.Y., Kim T.H. // Bioresource Technology. 2016. V. 199. Р. 42—48.

42. Knill Ch.J., Kennedy J.F. // Carbohydrate Polymers. 2003. V. 51. N 3. P. 281—300.

43. Chen R., Wang Y.-Zh., Liao Q., Zhu X., Xu T.-F. // BMB Reports. 2013. V. 46. N 5. P. 244—251.

44. Mills T.Y., Sandoval N.R., Gill R.T. // Biotechnology for Biofuels. 2009. V. 2. P.26—36.

45. Huang H., Guo X., Li D., Liu M., Wu J., Ren H. // Bioresource Technology. 2011. V. 102. P. 7486—7493.

46. Zha Y., Westerhuis J.A., Muilwijk B., Overkamp K.M., Nijmeijer B.M., Coulier L., Smilde A. K., Punt P.J. // BMC Biotechnology. 2014. V. 14. P. 22—38.

47. Zha Y., Muilwijk B., Coulier L., Punt P.J. // J. Bioprocessing & Biotechniques. 2012. V. 2. N 1. P.112—122.