WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Обработка древесной и растительной дисперсии раствором целлюлозолитических ферментов приводит к уменьшению прочности лигноцеллюлозных материалов при их последующем измельчении. На рис. 1 представлен гранулометрический состав образцов растительной дисперсии после обработки раствором фермента, высушивания и измельчения в дискретной мельнице АПФ-4. Механическая обработка в этой мельнице в течение 2 минут моделирует измельчение в проточной мельнице типа ВЦМ, ВЦМ-10 или ВЦМ-20 с производительностью на растительном сырье 50-100 кг в час.

100 Обработка ферментом и Измельчение 90 измельчение 80 70 60 50 40 30 20 10 0 <80 80-125 125-160 ><80 80-125 125-160 >Размер частиц, мкм Размер частиц, мкм Рис. 1. Гранулометрический состав образцов соломы кукурузы после сушки и измельчения (слева) в мельнице АПФ-4 (2 мин);

после обработки раствором фермента, сушки и измельчения (справа) Механизм влияния ферментативной обработки на прочность лигноцеллюлозных материалов при измельчении заключается в следующем.

Специфическое строение растительной клеточной стенки, состоящей из каркаса целлюлозных волокон в матрице лигнинов, гемицеллюлоз и пектиновых веществ, обеспечивает устойчивость растительных материалов к механическому разрушению. В процессе обработки древесной и растительной дисперсии раствором целлюлозолитических ферментов при 50С в течение 20-24 часов осуществляется реакция гидролиза целлюлозы. Степень превращения полисахаридов в растворимые сахара без предварительной активации лигноцеллюлозы и без перемешивания не превышает 3-5%. Гидролиз гликозидных связей целлюлозы приводит к изменению структуры лигноцеллюлозной матрицы и уменьшению механической прочности лигноцеллюлозных материалов. Поэтому частицы древесной и растительной дисперсии легче разрушаются при последующей механической обработке.

Уменьшения механической прочности лигноцеллюлозных материалов можно достичь не только с помощью ферментативного гидролиза целлюлозы. Кислотный или щелочной гидролиз одного из компонентов растительного сырья также приводит к уменьшению прочности лигноцеллюлозных материалов при измельчении, рис. 2, что подтверждает предложенный механизм.

Массовая доля, % Обработка лигноцеллюлозного сырья 2% раствором HCl и промывание лигноцеллюлозы приводит к гидролизу гемицеллюлозы и частичному гидролизу целлюлозы в аморфных участках. Обработка 2% раствором Na2CO3 и промывание лигноцеллюлозы приводит к щелочному гидролизу гемицеллюлоз и к удалению части лигнинов.

100 - 2 - - 90 0 <80 80-125 125-200 200-400 ><80 80-125 125-200 200-400 ><80 80-125 125-200 200-400 >Размер частиц, мкм Размер частиц, мкм Размер частиц, мкм Рис. 2. Гранулометрический состав образцов древесной дисперсии: 1 – после измельчения (Fritsch pulverisette 5), 2 – после обработки раствором HCl, промывания, сушки и измельчения, 3 – после обработки раствором Na2CO3, промывания, сушки и измельчения Исследовано влияние химической обработки на степень кристалличности целлюлозы в образцах растительного сырья. Степень кристалличности целлюлозы определяли методом дифракции рентгеновских лучей и методом ИК-спектроскопии, табл. 1.

Т а б л и ц а Индекс кристалличности целлюлозы в различных образцах древесной дисперсии, определенный разными методами Индекс Сегала, % Индекс О'Kоннора Образец и Нельсона Целлюлюлоза (Daw chemical, 72 ± 3 0,59 ± 0,США) Опилки исходные 45 ± 1 0,37 ± 0,Опилки, после измельчения (1 ч) 34 ± 1 0,43 ± 0,Опилки, после измельчения (4 ч) 8,5 ± 0,3 0,39 ± 0,Опилки, обработанные 52 ± 2 0,41 ± 0,раствором ферментов Опилки, после кислотного 63 ± 2 0,53 ± 0,гидролиза Величину индекса кристалличности целлюлозы (IКр, %) рассчитывали по формуле, предложенной Сегалом [3]: I002 - Ia % где IIКр = Iи Ia – расстояние от базовой линии до вершины пика около 2 = 22 и около 2 = 19 на дифрактограммах целлюлозы, а также по формуле О’Коннора и Нельсона [4], как отношение интенсивности деформационных С–Н колебаний (1372 см-1) к интенсивности валентных С–Н колебаний (2900 см-1) в ИК-спектрах образцов растительного сырья.

Массовая доля, % Обработка древесной дисперсии раствором фермента и 2% раствором соляной кислоты приводит к увеличению индекса кристалличности целлюлозы. Гидролиз гликозидных связей целлюлозы осуществляется в более доступных для молекул белка аморфных участках фибрилл целлюлозы, что приводит к изменению надмолекулярной структуры целлюлозы, разрыву отдельных волокон и уменьшению прочности лигноцеллюлозных материалов.

Из данных, приведенных в табл. 1, следует, что между индексами кристалличности целлюлозы, определенными разными методами, нет соответствия. Например, по данным ИК-спектроскопии индекс кристалличности целлюлозы в опилках после измельчения больше индекса кристалличности целлюлозы в исходных опилках. Методом дифракции рентгеновских лучей показано, что при механической обработке образцов происходит разупорядочение кристаллической структуры целлюлозы. Метод определения степени кристалличности целлюлозы по соотношению интенсивностей полос на ИК-спектрах был предложен [3] для расчета индекса кристалличности чистой целлюлозы. В спектрах образцов растительного сырья полосы, которые используют для расчета индекса кристалличности целлюлозы, перекрываются полосами других компонентов древесины. Поэтому метод ИК-спектроскопии не может быть использован для определения индекса кристалличности целлюлозы в образцах растительного сырья.

Во втором параграфе третьей главы приведены данные по исследованию влияния предварительной механической обработки на ферментативный гидролиз целлюлозы.

Проведению ферментативного гидролиза до глубоких степеней превращения целлюлозы препятствует ее фибриллярная структура и кристалличность. Степень превращения целлюлозы в фильтровальной бумаге не превышает 15-20 %, рис. 3 (график 1). При механической обработке целлюлозы активация гидролиза осуществляется благодаря разупорядочению кристаллической структуры целлюлозы и увеличению площади поверхности целлюлозного субстрата, доступного для молекул белка, рис. 3 (график 2).

Но уже через несколько часов протекания химической реакции процесс снова замедляется. Уменьшение скорости гидролиза предварительно активированного субстрата связано с расходованием разупорядоченных участков в процессе гидролиза целлюлозы, упорядочением обработанной целлюлозы при смачивании ее водой и тем, что образующиеся промежуточные продукты реакции – олигосахара препятствуют сорбции молекул ферментов у поверхности субстрата. При уменьшении скорости ферментативной реакции целлюлозный субстрат извлекали из реакционной среды, промывали от продуктов реакции, высушивали, измельчали и добавляли раствор фермента. На рис. 3 (справа) показано, что повторная механическая обработка лигноцеллюлозных субстратов приводит к увеличению степени конверсии целлюлозы в растворимые сахара.

Следовательно, для интенсификации процесса ферментативного гидролиза целесообразно проводить механическую активацию реагентов в процессе химической реакции.

- - - - 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 Время реакции, ч Время реакции, ч Рис. 3. Конверсия целлюлозы (фильтровальная бумага) 1 – исходный субстрат;

2 – субстрат, после измельчения (слева). Влияние дискретной механической обработки на ферментативный гидролиз целлюлозы (справа) Четвертая глава диссертации посвящена изучению процессов механической активации ферментативного гидролиза лигноцеллюлозных материалов при воздействии на реагенты в процессе гидролиза.

Для того чтобы проводить реакцию ферментативного гидролиза одновременно с механической обработкой, необходимо контролировать удельную мощность механического воздействия, так как при интенсивном механическом воздействии ферменты денатурируют. Увеличение скорости реакции возможно благодаря тому, что одновременно с химической реакцией осуществляется активация целлюлозного субстрата, а также вследствие ускорения процессов массопереноса. Но, как правило, провести реакцию ферментативного гидролиза целлюлозы в мельнице не удается, так как механическая обработка в режимах, при которых происходит активация субстрата, приводит к денатурации ферментов.

Контролировать интенсивность и дозу подведенной энергии можно при механической обработке целлюлозы и раствора фермента в ультразвуковых установках или в бисерных мельницах.

В данной главе показано, что скорость ферментативной реакции может быть увеличена с помощью воздействия ультразвука или обработкой реагентов в бисерной мельнице, рис. 4.

Благодаря перемешиванию реагентов с мелющими телами в реакционной среде происходят различные процессы, влияющие на скорость гетерогенной реакции гидролиза. В результате непрерывного расслоения и измельчения целлюлозного субстрата при механической Степень конверсии, % Степень конверсии, % обработке увеличивается площадь поверхности целлюлозного субстрата, доступного для молекул фермента. При этом также происходит удаление 8 - - - - 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 0 1 2 3 4 5 6 Время гидролиза, часы Время гидролиза, часы Рис. 4. Ферментативный гидролиз сульфатной целлюлозы под действием ультразвука (слева): 1 – без обработки, 2 – с ультразвуковой обработкой;

гидролиз сульфатной целлюлозы в бисерной мельнице;

(справа): 1 – простое перемешивание, 2 – перемешивание со стеклянными шарами с поверхности субстрата продуктов реакции гидролиза, моносахаридов и малорастворимых олигосахаридов, которые препятствуют подводу воды и катализатора. Но интенсивная механическая обработка реагентов при перемешивании с мелющими телами приводит к постепенной денатурации ферментов и к уменьшению их каталитической активности.

Ультразвуковая активация реакции гидролиза также может быть обусловлена несколькими причинами: разупорядочением целлюлозного субстрата, ускорением процессов сорбции молекул белка и удалением продуктов реакции с поверхности целлюлозного субстрата.

В результате обработки раствора фермента ультразвуком возможны процессы денатурации белковых молекул, поэтому необходимо контролировать мощность ультразвукового воздействия. Удельная акустическая мощность ультразвукового реактора была измерена методом химической дозиметрии [5], методика определения изложена во 2 главе диссертации.

При исследовании механизма влияния ультразвука на скорость ферментативной реакции показан эффект предварительной активации процесса гидролиза, рис. 5. Ультразвуковая обработка целлюлозы в растворе фермента, которую проводили при температуре реакционной среды 0С, увеличивает скорость последующей ферментативной реакции при 50С.

Так как температурный диапазон, в котором действует фермент, составляет 30-70С, во время обработки реакция гидролиза не протекает.

Ускорение ферментативной реакции в ре30 зультате предварительной ультразвуковой - - обработки системы фермент – субстрат может - - быть связано 15 Рис. 5. Кинетика ферментативного гидролиза 0 1 2 3 4 5 Время гидролиза, часы Степень конверсии, % Степень конверсии, % Степень конверсии, % сульфатной целлюлозы:

1 – без обработки, 2 – после 30 минут ультразвуковой обработки субстрата;

3 – после 30 минут обработки целлюлозы в растворе фермента ультразвуком при 0С;

4 – ступенчатая обработка ультразвуком (обработка целлюлозы в растворе фермента, при 0С через каждый час) с разрыхлением целлюлозы под действием ультразвука и увеличением доступной для молекул белка поверхности целлюлозы, что облегчает последующую диффузию при 50С.

- 1, - - Рис. 6. Кинетика сорбции красителя исходной целлюлозой (1), 1,целлюлозой, в течение 30 минут обработанной ультразвуком (2), кинетика сорбции красителя целлюлозой в поле 0,ультразвуковых волн (3) 0,0 10 20 30 40 Время обработки, ч Кроме того, ультразвуковая обработка целлюлозы в растворе фермента способствует прониканию фермента в целлюлозную матрицу за счет звукокапиллярного эффекта, то есть влияет на процессы диффузии и сорбции молекул белка.

Для определения процессов, в результате которых осуществляется активация реакции гидролиза, было исследовано влияние ультразвука на целлюлозный субстрат. Для этого определяли скорость ферментативного гидролиза сульфатной целлюлозы, обработанной ультразвуком при 0С без добавления ферментов, рис. 5, график 2. После такой обработки целлюлозы не происходит увеличения скорости реакции, следовательно, не происходит существенного увеличения площади поверхности целлюлозы.

Для изучения механизма предварительной ультразвуковой активации ферментативного процесса определяли изменение сорбционной емкости обработанной целлюлозы методом адсорбции красителя метиленового синего, рис. 6.

Сорбционная емкость целлюлозы после обработки ультразвуком увеличивается незначительно, на 20%, по сравнению с сорбционной емкостью исходного субстрата.

-Адсорбция, А • 10 моль кг Cкорость сорбции молекул красителя в поле ультразвуковых волн увеличилась в 10 раз по сравнению с сорбцией красителя на целлюлозе без ультразвукового воздействия.

В результате обработки целлюлозы ультразвуком в течение 30 минут не происходит существенного разрыхления и увеличения площади поверхности целлюлозного субстрата.

Активация процесса в результате предварительной УЗ-обработки системы фермент – субстрат осуществляется, главным образом, за счет влияния на величину сорбции молекул ферментов.

Рис. 7. Зависимость скорости конверсии 8 от продолжительности предварительной УЗ-обработки целлюлозы в растворе фермента при 0С 0 10 20 30 40 50 Время обработки, мин Исследована зависимость скорости конверсии целлюлозы от времени предварительной активации субстрата в растворе фермента при 0С.

Эффект активации наблюдали при обработке системы в течение 15 минут и меньше, рис. 7. Более продолжительная обработка не приводила к дальнейшему увеличению скорости процесса. Это можно объяснить тем, что вся поверхность субстрата, доступная для молекул белка, покрыта молекулами ферментов, и более продолжительная ультразвуковая обработка не влияет на скорость последующей ферментативной реакции, так как разупорядочения целлюлозного субстрата в процессе обработки не происходит.

Также показано, что дискретная УЗ-обработка системы фермент – субстрат при 0С более эффективна, чем непрерывная обработка при одинаковом времени воздействия ультразвуком, рис. 5 (график 4).

Этот эффект может быть вызван несколькими причинами.

Во-первых, гидролиз гликозидных связей, который проводили между стадиями УЗ-обработки, уменьшает устойчивость структуры целлюлозы к механическому воздействию и приводит к большему разупорядочению структуры целлюлозы при дискретной активации, чем при непрерывном воздействии.

Pages:     | 1 || 3 |






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