Делигнификация растительного сырья озоном в процессах биоконверсии в сахараНИР

Ozone delignification of plant raw material for bioconversion to sugars

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Делигнификация растительного сырья озоном в процессах биоконверсии в сахара
Результаты этапа: Проведено сравнительное изучение кинетики озонирования ряда растительных материалов – древесных опилок осины и сосны, пшеничной соломы, костры льна, подсолнечной лузги. Получены данные о зависимости скорости поглощения озона от содержания воды в лигноцеллюлозном образце. Получены кинетические кривые абсорбции воды различными растительными материалами в атмосфере насыщенного водяного пара при комнатной температуре и определены величины равновесного содержания воды. Показано, что солома обладает более высоким сродством к воде (Wабс~50%), по сравнению с древесиной (Wабс~30%). Определен интервал значений влажности лигноцеллюлозных материалов, при которой достигается максимальная начальная скорость реакции с озоном (50% <Wабс.< 100%). Установлены основные закономерности поглощения озона растительной биомассой с различным содержанием воды. Сделан вывод, что вода необходима не только для формирования пористой структуры растительной биомассы, но и для создания среды, обеспечивающей транспорт реагента и продуктов реакции, и её присутствие имеет принципиальное значение с точки зрения эффективности процесса озонирования. На примере древесины осины и сосны проанализировано влияние концентрации озона и времени пребывания реагента в образце на скорость поглощения и удельный расход озона. Показано, что время пребывания определяет степень поглощения озона и деструкции субстрата. Увеличение времени пребывания реагента от 0,7 с до 2,7 с приводит к снижению начальной скорости поглощения озона в 4-5 раз. Для образца с содержанием воды 55% степень превращения озона в этом случае возрастает от 10% до 20%. Кривые изменения эффективного значения скорости поглощения озона показывают, что изменение времени пребывания может быть инструментом варьирования селективности обработки древесины озоном. Показано, что природа материала не оказывает сильного влияния на скорость поглощения озона растительной биомассой, что свидетельствует о лимитирующей роли диффузии озона в процессе озонирования. Исследованы превращения древесины под действием озона при различном содержании воды. Рассмотрено поэтапное превращение субстрата: исходная древесина – озонированная древесина – холоцеллюлоза – целлюлоза. Определены выходы холоцеллюлозы, целлюлозы и содержание лигнина в озонированных образцах. Показано, что обработка озоном снижает содержание лигнина в озонированных образцах в 5-10 раз в зависимости от удельного расхода озона. Гемицеллюлозы и часть целлюлозы древесины также деградируют. Средняя степень полимеризации целлюлозы снижается от 700 у исходных образцов до 220 при поглощении озона до 8 ммоль/ г а.с.д. (содержание воды 160%). Определение молекулярно-массового состава целлюлозы из озонированной древесины показывает, что в зависимости от исходного значения содержания воды в озонированном образце изменяется распределение целлюлозы по молекулярным массам. Наиболее широкое распределение по молекулярным массам найдено для образцов целлюлозы из озонированной древесины, полученной при расходе озона 4×10-3 моль/ г а.с.д. (содержание воды 55%). Целлюлоза исследована методом ИК- спектроскопии. На основании данных ИКС сделан вывод об аморфизации части целлюлозного волокна в древесине при озонировании. Показана возможность изучения особенностей озонной делигнификации клеточной стенки растительной биомассы методом СЭМ- микроскопии поперечных сколов. Исследована реакционная способность предобработанных озоном образцов соломы пшеницы в процессах ферментативного гидролиза в сахара под действием целлюлазного комплекса Trichoderma Viride. Показано, что путем предварительного озонирования субстрата начальную скорость реакции и максимальный выход продукта можно увеличить на порядок. Установлена зависимость выхода восстанавливающих сахаров (ВС) в ферментативной реакции от количества поглощенного озона. Максимальная степень конверсии полисахаридов (ВС 64%, глюкоза 48%) получена при дозе озона около 3 ммоль/г биомассы (3 моль-экв О3/С9-ФПЕ лигнина). При дальнейшем увеличении дозы озона выход сахаров снижается. Сравнение с данными, полученными ранее для образцов древесины осины, позволяет проследить общие закономерности в характере изменения степени конверсии субстрата от количества озона, поглощенного в процессе предобработки. Количество публикаций по тематике Проекта в 2016 г.: 9. Участие в научных мероприятиях по тематике Проекта в 2016 г.: 2 Конференции,3 доклада.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Делигнификация растительного сырья озоном в процессах биоконверсии в сахара
Результаты этапа: Продолжены исследования взаимодействия озона с растительной биомассой, целью которых является разработка научных основ для создания эффективного и экологически безопасного метода озонной делигнификации растительного сырья для последующего получения моносахаридов и биоэтанола. В 2017 г. получены следующие результаты. Проведена серия экспериментов по оптимизации условий озонирования растительной биомассы. Изучена кинетика поглощения озона древесиной осины с различным содержанием воды (45-70%). Получены зависимости удельного расхода и степени превращения озона от времени озонирования. Установлено, что при фиксированном времени контакта (времени пребывания) реагента с субстратом в реакторе (0,7 с) степень превращения озона, определяющая эффективность процесса озонирования, максимальна при содержании воды 55%. С помощью гравиметрического метода определена динамика накопления продуктов при озонировании образцов древесины осины с различным содержанием воды и показано, что она соответствует динамике делигнификации. Установлено, что содержание воды 55% отвечает наиболее эффективной делигнификации древесины. Для выяснения особенностей и конкурирующих направлений превращения компонентов растительной биомассы под действием озона проведено изучение продуктов озонирования. С помощью метода ВЭЖХ получены кинетические профили водорастворимых продуктов озонолиза лигнина древесины (осина, сосна) и соломы (пшеница). Определен выход продуктов (муравьиная, щавелевая, глиоксалевая, уксусная кислоты) в зависимости от количества пошедшего на реакцию озона. Получены ИК-спектры поглощения образцов озонированной соломы пшеницы. Определены зависимости относительной оптической плотности основных полос поглощения от расхода озона. Наблюдаемые изменения в спектрах указывают на деструкцию ароматических структур лигнина и образование карбонильных и карбоксильных соединений, содержание полисахаридов в озонированных образцах возрастает. Установлено, что даже при большом расходе озона (6,5 ммоль/г) в ИКС образцов соломы интенсивность полос поглощения, характерных для ароматического кольца лигнина, остается достаточно высокой. Это свидетельствует о том, что часть лигнина, находящегося во внутренних клеточных областях, мало доступна озону. Определена зависимость между количеством поглощенного озона и содержанием в озонированной соломе остаточного лигнина (общий лигнин, лигнин Классона, кислоторастворимый лигнин). Показано, что в интервале расхода озона от 0 до 2 экв.О3/ФПЕ (в пересчете на фенилпропановую структурную единицу лигнина) наблюдается линейное падение содержания лигнина с 20 до 7%. Полученные данные позволяют заключить, что на продолжительном начальном этапе озонирования озон расходуется преимущественно на реакцию с лигнином. Исследованы изменения структурных характеристик лигноцеллюлозных материалов после обработки озоном (удельная площадь поверхности, размер частиц, степень кристалличности целлюлозы, морфология поверхности). С использованием метода адсорбции катионного красителя метиленового голубого (МГ) из водных растворов получены сравнительные сорбционные характеристики древесины и соломы. Изотермы адсорбции МГ на образцах хвойной и лиственной древесины практически совпадают, количество МГ, адсорбированного образцами соломы, при всех равновесных концентрациях больше. Экспериментальные данные описаны моделью Ленгмюра. Оценка удельной площади поверхности, доступной для молекул красителя, дает 52 м2/г для древесины и 91 м2/г для соломы. Исследованы сорбционные свойства образцов озонированной древесины осины, отличающихся продолжительностью обработки (расход озона 1,4 - 2,3 - 3,6 .10-3 моль/г). Показано, что озонирование приводит к уменьшению сродства поверхности древесины к МГ, но практически не изменяет площадь поверхности, доступной для молекул красителя. Для образцов древесины и соломы с помощью оптической микроскопии получены функции распределения частиц по размеру и показано, что озонирование сопровождается уменьшением среднего размера и видимой поверхности частиц вследствие деструкции комплекса лигнина и гемицеллюлозы и извлечением части продуктов озонолиза. Процесс делигнификации приводит к уменьшению жесткости структуры, что вызывает усадку и снижение среднего размера частиц. Проведены рентгенографические исследования образцов пшеничной соломы различной степени делигнификации. Из дефрактограмм с использованием нового метода рассчитаны значения степени кристалличности. Установлено, что при возрастании расхода озона от 0 до 7.10-3 моль/г показатель кристалличности соломы изменяется от 5,9% до 7,2% (отн. Au). В интервале расхода озона до 2 ммоль/г эта зависимость линейна. Таким образом, удаление из полимерного композита лигнина в виде водорастворимых продуктов озонолиза приводит к увеличению содержания кристаллической фазы. Динамика озонной делигнификации клеточной стенки растительной биомассы визуализирована с использованием методом СЭМ- микроскопии поперечных сколов. Установлено, что процесс удаления лигнина из клеточной стенки при озонировании, лимитирован топохимическими реакциями и направлен от вторичной к первичной клеточной оболочке. В ходе делигнификации появляются полости между микрофибриллами целлюлозы и микрофибриллы обособляются от лигноуглеводной матрицы. По мере увеличения дозы озона до 2-3 экв.О3/ФПЕ клеточные стенки утрачивают жесткость и могут сминаться. Микрофибриллы целлюлозы отделяются друг от друга и приобретают хрупкость, появляются дополнительные поперечные сколы клеточной стенки, характерные для микрофибрилл с малой молекулярной массой, что указывает на озонолитическую деполимеризацию целлюлозы. При интенсивной обработке (7 экв.О3/ФПЕ) происходит полное удаление межклеточного вещества и разволокнение целлюлозы. Показана высокая реакционная способность обработанных озоном образцов опила хвойной древесины сосны в реакциях ферментативного гидролиза в сахара под действием целлюлазного комплекса Trichoderma Viride. Установлена зависимость количества продуктов реакции - восстанавливающих сахаров (ВС), от расхода озона. Выход ВС возрастает пропорционально количеству поглощенного озона. Большой расход озона (>3 ммоль/г ≈ 2 экв.О3/ФПЕ) приводит к снижению реакционной способности субстрата. Максимальная степень конверсии полисахаридов равна 45%, по сравнению с 6% для исходной древесины. Доля глюкозы в гидролизатах озонированной сосны с расходом озона до 3 ммоль/г постоянна и соответствует соотношению целлюлозы и гемицеллюлозы в исходном материале (70%). В интервале расхода озона от 3 до 7,5 ммоль/г доля глюкозы постепенно падает до 30 %. Установлено, что уменьшение реакционной способности при длительном озонировании древесных опилок не связано с ингибирующим действием на ферменты целлюлазного комплекса продуктов озонолиза лигнина. Данные по ферментативному гидролизу образцов хвойной древесины (сосны) коррелируют с полученными ранее данными для лиственной древесины (осины) и однолетних растений (солома пшеницы), что позволяет сделать общие выводы относительно оптимальных доз озона при озонной предобработке. В результате проведенных исследований получены количественные зависимости между расходом озона и такими характеристиками растительного материала как: содержание остаточного лигнина, выход водорастворимых продуктов озонирования, относительная оптическая плотность основных полос поглощения в ИКС, степень кристалличности, размер частиц, удельная площадь поверхности, начальная скорость реакции и максимальный выход продуктов ферментативного гидролиза. Используемый системный физико-химический подход к изучению реакций озона с компонентами растительной биомассы дает возможность понять механизм и наметить пути оптимизации процесса озонной делигнификации растительного сырья. Количество публикаций по тематике Проекта в 2017 г.: статьи в журналах 4, статьи в сборниках -5, тезисы - 4. Участие в научных мероприятиях по тематике Проекта в 2017 г.: конференций - 4, докладов - 8.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Делигнификация растительного сырья озоном в процессах биоконверсии в сахара
Результаты этапа: На примере ряда отличающихся по составу и структуре лигноцеллюлозных материалов были исследованы такие вопросы как: -влияние рабочих параметров озонирования на скорость реакций и эффективность степень конверсии озона озона; -превращение лигнина и полисахаридов в процессе озонирования; -структурные изменения образцов при обработке озоном; -влияние предварительного озонирования на реакционную способность растительной биомассы в процессах ферментативного гидролиза в сахара; -корреляции между количеством поглощенного озона, содержанием остаточного лигнина и выходом восстанавливающих сахаров Обобщение полученного экспериментального материала позволило сделать некоторые выводы и дать рекомендации по оптимальному использованию озонирования как способа предобработки целлюлозосодержащего сырья в биохимических процессах. ●Содержание воды в образце является ключевым фактором, определяющим скорость поглощения озона. Значения оптимального содержания воды, позволяющие реализовать максимальную скорость поглощения озона и свести к минимуму долю непрореагировавшего озона, находятся вблизи значений 2ТНВ (точка насыщения волокна). Подобные результаты можно объяснить влиянием двух процессов - набухания лигноцеллюлозного материала в воде, приводящего к увеличению внутренней поверхности и доступности поверхностных реакционных центров субстрата, и диффузии озона к поверхностным реакционным группам в порах субстрата, замедляющейся по мере заполнения пор водой. Показано, что вода необходима не только для формирования структуры лигноцеллюлозного материала, но и для создания среды, обеспечивающей транспорт реагента и продуктов реакции. Поскольку значения ТНВ для растительной биомассы различного типа близки - для древесины в среднем 30%, для однолетних культур 40-50%, то можно предположить, что оптимальное содержание воды при озонировании любых видов растительных материалов должно составлять 50-80%. ●Озонирование биомассы вызывает деструкцию лигнина, гемицеллюлоз и части целлюлозы. Определены степень полимеризации, молекулярно-массовый состав и выход целлюлозы из озонированной древесины. На основании данных ИКС и термогравиметрии (ТГ) сделан вывод об аморфизации части целлюлозного волокна в древесине при озонировании. ●Содержание остаточного лигнина определяется расходом озона. На начальной стадии озонирования озон расходуется преимущественно на реакцию с лигнином. Результаты исследования продуктов озонирования с помощью ВЭЖХ и ИКС указывают на то, что основным направлением озонирования растительной биомассы является озонолиз лигнина. Количество удаленного лигнина пропорционально расходу озона (до 2 моль О3 /С9ФПЕлг). При содержании остаточного лигнина ~10% удаление лигнина практически прекращается, т.е. часть лигнина, находящегося во внутренних клеточных областях, мало доступна озону. По данным СЭМ процесс удаления лигнина начинается со вторичной клеточной стенки. ●Озонирование приводит к структурным изменениям лигноцеллюлозных материалов. Кристалличность озонированных образцов возрастает по мере удаления аморфных компонентов (лигнина и гемицеллюлоз). Увеличивается удельная поверхность, доступная для ферментов. ●Реакционная способность предобработанных озоном растительных субстратов возрастает пропорционально расходу озона и затем падает при продолжительном озонировании. Оптимальный расход озона для максимального выхода сахаров соответствует 2 моль О3 /С9ФПЕлг. Использование в процессе предобработки растительного субстрата больших количеств озона, превышающих 3 моль О3 /С9ФПЕлг, приводит к его дезактивации. Дезактивация интенсивно озонированных субстратов связана не только с ингибирующим действием продуктов озонолиза, но, скорее всего, является следствием структурного коллапса – слипания целлюлозных волокон при разрушении лигноуглеводной матрицы. ●Существуют общие закономерности предобработки озоном биомассы разного типа. Это позволяет предсказать оптимальные дозы озона для предобработки (2 - 3 моль О3 /С9ФПЕлг) что при содержании лигнина 25-35% соответствует О3 / ЛЦМ = 10-15 масс.%

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".