WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ГОЛЯЗИМОВА Ольга Викторовна МЕХАНИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ 02.00.21 – химия твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Новосибирск – 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения РАН

Научный консультант:

кандидат химических наук, доцент Политов Анатолий Александрович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор, Юхин Юрий Михайлович Учреждение Российской академии наук Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН доктор биологических наук, профессор, Загребельный Станислав Николаевич Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный университет»

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт химии и химической технологии СО РАН (г. Красноярск)

Защита диссертации состоится "20" января 2010 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 003.044.01 в Учреждении Российской академии наук Институте химии твердого тела СО РАН по адресу: ул. Кутателадзе, 18, Новосибирск, 630128

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института химии твердого тела и механохимии СО РАН

Автореферат разослан 18 декабря 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

кандидат химических наук Шахтшнейдер Т.П.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Данная работа посвящена изучению процессов механической активации гетерогенной реакции ферментативного гидролиза целлюлозы. Активация твердофазных реагентов и исследование механизма процессов активации является одной из важнейших областей исследования химии твердого тела. Система целлюлоза – водный раствор ферментов является гетерофазной системой, и потому изучение механизма гетерогенной реакции ферментативного гидролиза целлюлозы, также как и изучение механизмов активации этого процесса являются задачей химии твердого тела.

Кроме производства бумаги лигноцеллюлозные материалы используют для получения различных продуктов: эфиров целлюлозы, этанола, глюкозы, ксилозы, фурфурола, многоатомных спиртов и других органических соединений. Древесную и растительную дисперсию с мелким размером частиц используют для изготовления биопластиков, строительных смесей и топливных гранул, кормовых добавок и удобрений. Из растительного сырья также выделяют экстрактивные вещества и используют их для получения биологически-активных добавок и лекарственных препаратов. Интенсификация процессов переработки лигноцеллюлозных материалов является актуальной задачей, так как позволяет использовать возобновляемые ресурсы биомассы максимально эффективно.

Для получения различных органических веществ из биомассы используют каталитические процессы. Ферментативный гидролиз полисахаридов растительного сырья по сравнению с традиционной технологией, основанной на реакции гидролиза в разбавленных растворах минеральных кислот, обладает существенными преимуществами, например, более мягкими условиями протекания реакции и отсутствием побочных химических процессов. Технологии переработки твердых отходов растительного сырья на основе биохимических процессов являются экологически безопасными и позволяют уменьшить количество производственных отходов. Поэтому исследование механизма ферментативного гидролиза твердых целлюлозных субстратов и активация этого процесса является актуальной задачей.

Цель работы – исследование процессов механической активации ферментативного гидролиза целлюлозы и лигноцеллюлозных материалов и изучение механизма этих процессов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

– изучение процессов измельчения лигноцеллюлозных материалов;

– исследование влияния предварительной ультразвуковой обработки на процесс ферментативного гидролиза целлюлозы;

– исследование влияния периодической механической обработки лигноцеллюлозных субстратов (соломы пшеницы и кукурузы, лигноцеллюлозы масличной пальмы) на процесс их ферментативного гидролиза.

Научная новизна. Впервые обнаружено, что предварительная ферментативная обработка лигноцеллюлозных материалов уменьшает их прочность при измельчении. Предложен механизм данного процесса.

Впервые обнаружено, что предварительная ультразвуковая (УЗ) обработка твердого целлюлозного субстрата в растворе фермента при 0С в 1,5-2 раза увеличивает скорость последующей ферментативной реакции целлюлозы при 50С.

Непрерывная обработка ультразвуком системы субстрат – фермент менее эффективна, чем изодозная дискретная обработка. На основании полученных данных предложен механизм процесса ультразвуковой активации ферментативного гидролиза целлюлозы.

Практическая значимость полученных результатов.

С использованием данных, изложенных в диссертации, получено три патента.

Результаты исследования процессов измельчения лигноцеллюлозных материалов могут быть использованы для разработки экологически безопасного способа тонкого измельчения растительного сырья. Данный способ может применяться в процессе производства кормов, извлечения биологически активных веществ из растительного сырья и получения древесной муки и позволяет в 2-4 раза увеличить эффективность измельчения лигноцеллюлозного материала при одинаковых затратах энергии.

Предварительная ультразвуковая обработка позволяет в 2-3 раза увеличить скорость последующей ферментативной реакции и может быть использована как метод активации ферментативного гидролиза лигноцеллюлозных субстратов.

Периодическая механическая обработка лигноцеллюлозных субстратов позволяет увеличить степень конверсии целлюлозы в растворимые углеводы до 70% и может быть использована для разработки метода получения биоэтанола второго поколения.

На защиту выносятся:

– результаты исследования влияния предварительной ферментативной обработки лигноцеллюлозных материалов на их последующее измельчение и механизм этого влияния.

– результаты исследования влияния предварительной ультразвуковой обработки целлюлозы в растворе фермента при 0°С на ее последующий гидролиз;

– способ дискретной ультразвуковой обработки целлюлозы в растворе фермента при 0°С как метод активации ферментативного гидролиза целлюлозы в сравнении с непрерывной обработкой при изодозном воздействии.

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертационной работе, обсуждались на научных семинарах и конференциях: XV Российской молодежной научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Россия, Екатеринбург, 2005), Международной конференции «Механохимический синтез и спекание» (Новосибирск, 2006), 12 Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (Новосибирск, 2006), 4 Всероссийской конференции «Добыча, подготовка, транспорт нефти и газа» (Томск, 2007), 3 Всероссийской конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2007), Всероссийской конференции лауреатов фонда имени К.И. Замараева «Современные подходы к проблемам физико-химии и катализа» (Новосибирск, 2007), 4 Всероссийской конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2009).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 3 научных статьях, в 3 патентах на изобретение и в 6 работах, опубликованных в сборниках материалов конференций.

Личный вклад соискателя заключается в проведении механической обработки образцов целлюлозы и лигноцеллюлозных материалов в мельницах и в ультразвуковой установке, проведении химической обработки образцов лигноцеллюлозных материалов, определении их гранулометрического состава, определении химического состава образцов растительного сырья, сорбционной емкости образцов целлюлозы и определении продуктов реакции ферментативного гидролиза целлюлозы. Съемка спектров люминесценции от частиц лигноцеллюлозных материалов и фотографий частиц растительного сырья в люминесцентном свете была проведена при непосредственном участии автора. Автором была проведена подготовка обработанных образцов для их исследования методами дифференциальной сканирующей калориметрии, ИК-спектроскопии и рентгеноструктурного анализа. Обсуждение результатов исследования и написание научных статей проведено совместно с соавторами и научным руководителем. Отдельные эксперименты были проведены д.х.н. Рябчиковой Е.И. (электронная микроскопия, НПО «Вектор»), к.х.н. Королевым К.Г. (высокоэффективная жидкостная хроматография – ВЭЖХ), д.ф.-м.н. Просановым И.Ю. (ИК-спектроскопия).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 201 наименование. Работа изложена на 164 страницах, включая 85 рисунков и 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены положения, вынесенные на защиту.

В первой главе представлен обзор литературных данных. Глава содержит 2 параграфа. В первом параграфе рассмотрено строение целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина – основных компонентов растительного сырья. Во втором параграфе приведены литературные данные о ферментах, катализирующих гидролиз целлюлозы, механизме этого процесса, а также данные, касающиеся способов активации процесса гидролиза целлюлозы, в том числе механической активации реагентов:

целлюлозных субстратов и ферментов.

Реакция ферментативного гидролиза целлюлозы состоит из нескольких стадий: диффузии молекул ферментов к поверхности нерастворимого в воде субстрата, специфической сорбции ферментов и образования фермент-субстратного комплекса, реакции гидролиза и диффузии продуктов реакции в раствор.

Лимитирующая стадия всего процесса – диффузия реагентов и продуктов реакции. Поэтому скорость реакции может быть увеличена с помощью предварительной механической обработки твердого целлюлозного субстрата в мельницах или специальных активаторах, в результате которой происходит измельчение, аморфизация и разупорядочение лигноцеллюлозных материалов, или ускорением массопереноса путем механического воздействия на реагенты во время протекания химической реакции.

В результате измельчения лигноцеллюлозных материалов происходит увеличение удельной поверхности субстрата и разупорядочение его структуры, а, следовательно, увеличение площади поверхности субстрата, доступного для молекул фермента. Однако эффективность процесса измельчения различных материалов, как правило, невелика.

При механическом воздействии на материалы основная часть подведенной энергии выделяется в виде тепла, а на разрушение материала затрачивается только несколько процентов от дозы подведенной механической энергии [1]. Увеличение дозы подведенной энергии приводит к затратам, увеличение мощности дозы приводит к нагреванию лигноцеллюлозных субстратов, что может способствовать протеканию нежелательных химических реакций различных органических соединений. В таких условиях, например, подвергаются окислению и гидролизу биологически активные вещества, происходит конденсация и окисление лигнинов и т. д. Поэтому интенсификация процесса измельчения лигноцеллюлозных материалов является важной задачей.

Увеличение скорости ферментативного гидролиза целлюлозы за счет ускорения процессов массопереноса при механическом воздействии на реагенты можно осуществить в узком интервале интенсивности и дозы подводимой энергии, так как при интенсивном механическом воздействии ферменты денатурируют. При обработке реагентов в мельнице для параметров механического воздействия на вещество характерна широкая дисперсия, поэтому условия обработки трудно контролировать. Для активации ферментативного гидролиза целлюлозы во время протекания химической реакции могут быть использованы ультразвуковые активаторы или бисерная мельница, в которых обработку реагентов проводят в водной среде, поэтому разброс значений параметров механического воздействия намного меньше. Известно, что при ультразвуковом воздействии в узком диапазоне акустической мощности скорость ферментативных реакций увеличивается [2]. Но механизм данного процесса исследован недостаточно, поэтому изучение механизма процесса активации ферментативного гидролиза ультразвуком также является актуальной задачей.

Вторая глава содержит описание использованных материалов, методов и методик экспериментов. Свойства целлюлозы и лигноцеллюлозных субстратов были охарактеризованы с помощью различных физикохимических методов. Распределение по размеру частиц образцов лигноцеллюлозы и морфологию частиц определяли методом оптической и люминесцентной микроскопии и методом лазерной дифракции. Удельную поверхность целлюлозы и лигноцеллюлозных субстратов определяли методами воздухопроницаемости, низкотемпературной адсорбции газов и методом сорбции красителя метиленового синего из водного раствора.

Степень упорядоченности структуры целлюлозных субстратов определяли методом дифракции рентгеновских лучей и ИК-спектроскопии.

Для изучения изменения состава лигноцеллюлозных материалов использовали химические методы и методы термического анализа. Концентрацию восстанавливающих углеводов, образующихся в процессе ферментативного гидролиза целлюлозы, определяли методами спектрофотометрии и методом ВЭЖХ.

Третья глава посвящена изучению процессов предварительной механической активации ферментативного гидролиза целлюлозы. Глава содержит два параграфа, в которых изложены результаты исследования процессов измельчения лигноцеллюлозных материалов и влияния предварительной механической обработки на процесс гидролиза целлюлозы.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»