WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

Во-вторых, как показано на рис. 7, увеличение продолжительности предварительной обработки с 15 минут до 30-ти не приводит к увеличению скорости реакции гидролиза, так как, возможно, в результате обраСтепень конверсии за 1 час, % ботки в течение 10-15 минут вся поверхность целлюлозы покрыта ферментами, или в процессе ультразвуковой обработки происходит уменьшение активности ферментов.

Тогда проведение ультразвуковой активации в дискретном режиме более эффективно потому, что во время стадии гидролиза между 15-ти минутными обработками в результате гидролиза гликозидных связей происходит образование новой поверхности субстрата.

Другой механизм ступенчатой активации связан с конформационной активностью ферментов. Влияние ультразвука на химические процессы связано с кавитацией. Этот процесс сопровождается интенсивными ударными волнами, локальным повышением давления до сотен атмосфер и возникновением потоков жидкости с большим градиентом скоростей.

Эти явления увеличивают скорость ферментативных процессов, так как способствуют изменению конфигурации белковых глобул, а, следовательно, ускоряют процессы распознавания молекулами ферментов адсорбционных центров целлюлозного субстрата и сорбции молекул белка. Однако изменение конформации макромолекул под действием ультразвука приводит также и к постепенному уменьшению активности ферментов. Разрыв связей, стабилизирующих конформацию нативной молекулы, может привести к разрушению адсорбционного или каталитического центра фермента, что повлияет на сорбционную и каталитическую способность ферментов. Если ультразвуковую обработку проводить дискретно, с определенной скважностью, то в промежутках между обработкой ультразвуком молекула фермента благодаря релаксации может снова принять нативную конформацию. Следовательно, дискретная ультразвуковая обработка будет более эффективна для активации ферментативных процессов, чем непрерывная обработка.

В пятой главе приведены данные исследования влияния механической обработки на ферментативный гидролиз целлюлозы в лигноцеллюлозных материалах.

Глава содержит два параграфа, в которых изложены результаты исследования влияния механической активации на ферментативный гидролиз целлюлозы в соломе пшеницы, соломе кукурузы и лигноцеллюлозе масличной пальмы Elaeis guineensis.

Показано, что предварительная химическая обработка разных по морфологии лигноцеллюлозных материалов приводит к уменьшению их прочности при измельчении.

Методом люминесцентной спектроскопии показано, что при измельчении лигноцеллюлозных материалов разрушение частиц осуществляется сначала по границе между разными тканями, затем между клетками одной ткани. Образующиеся частицы преимущественно состоят из клеток, принадлежащих к одному типу ткани.

На рис. 8 (слева) представлена фотография частицы лигноцеллюлозы в люминесцентном свете. Фотографии измельченных образцов лигноцеллюлозных материалов в люминесцентном свете были выполнены на микроскопе-спектрофотометре МСФУ-6 производства ЛОМО. Люминесценция возбуждалась полосой излучения с длиной волны 366 нм, выделяемой из спектра ртутной лампы ДРШ-250 с помощью светофильтра УФС-2.

Рис. 8. Крупная частица соломы (слева), солома после измельчения (справа) в люминесцентном свете, увеличение 100, размер зонда 30 мкм Частица неоднородна, она имеет участки, для которых характерны разные спектры люминесценции, а, следовательно, и разный химический состав.

Эти участки содержат клетки, принадлежащие к разным тканям растения. Ткани различаются химическим составом и строением, а, следовательно, и механическими свойствами. Поэтому при механической деформации лигноцеллюлозных частиц они будут разрушаться, в первую очередь, по областям между разными тканями.

Клеточные стенки в разных тканях имеют разный химический состав, так как лигнифицированы в разной степени и содержат разные фракции лигнинов. Поэтому ткани, имеющие разный химический состав, будут иметь различные спектры люминесценции.

При разрушении частиц лигноцеллюлозного материала мелкие частицы имеют разные спектры люминесценции, рис. 8 (справа) и рис. 9. Разрушение частиц лигноцеллюлозных материалов осуществляется в первую очередь по границе между разными тканями, так что образующиеся частицы состоят, главным образом, из клеток одной ткани. Затем частицы разрушаются по областям между клетками одной ткани.

Целлюлоза и гемицеллюлозы не поглощают свет в области 366 нм и, следовательно, не люминесцируют, в отличие от лигнинов и других полифенолов, которые содержат целый ряд сопряженных систем: бензольные кольца, сопряженные с двойными связями или с кетогруппами и др.

1,0,8 Рис. 9. Спектры люминесценции измельченной лигноцеллюлозы:

0,6 1 – голубые частицы, 2 – желто-зеленые частицы 0,0,0,400 450 500 550 600 650 Длина волны люминесценции, нм Методом термического анализа было показано, что при измельчении лигноцеллюлозных материалов осуществляется фрагментация частиц 0, 0,0,0 100 200 300 400 500 600 700 Температура нагревания, °С Размер частиц, мкм Рис. 10. Кинетика тепловыделения при сжигании разных фракций лигноцеллюлозы пальмовых отходов (слева):

1 – фракция с размером частиц меньше 80 мкм, 2 – фракция с размером частиц больше 500 мкм, и интегральная теплота сгорания разных фракций лигноцеллюлозы (справа) лигноцеллюлозы на частицы с меньшим размером, содержащие преимущественно лигнин или целлюлозу.

На рис. 10 представлена кинетика тепловыделения при сжигании крупной и мелкой фракции лигноцеллюлозного сырья, а также зависимость теплоты сгорания от дисперсности материала.

Целлюлоза и лигнин имеют разные температурные интервалы термического разложения и разную удельную теплоту сгорания. Целлюлоза окисляется при более низкой температуре, чем лигнин. Лигнин по сравнению с полисахаридами отличается большей устойчивостью к термической деструкции и большей удельной теплотой сгорания, что связано с арома(отн. ед.) Интенсивность люминесценции, Теплота сгорания (a.u.) Тепловыделение (отн. ед.) < >80 - 200-300-125-400-тической структурой и с повышением термостойкости лигнина в ходе пиролиза вследствие протекания реакций конденсации с образованием новых С–С связей и образованием конденсированных структур. Поэтому кинетические кривые окисления фракций, имеющих разный химический состав, будут иметь разный наклон и разный температурный интервал.

Из полученных данных следует, что, крупная фракция начинает окисляться при более низких температурах, чем мелкая фракция, и ее удельная теплота сгорания меньше, следовательно, крупная фракция содержит больше целлюлозы, а мелкая фракция – больше лигнина.

Изменение структуры клеточных стенок в результате механического воздействия было исследовано на образцах соломы кукурузы с помощью электронного просвечивающего микроскопа, рис. 11. При механическом воздействии клеточные стенки подвергаются разрушению. На каждом снимке приведен масштаб, соответствующий стороне квадрата.

КС-КС-3 200 нм КС-КС-15,2 мкм 5,2 мкм Рис. 11. Срезы препаратов соломы кукурузы: образец до механической обработки (слева), образец, подвергнутый интенсивной механической обработке (справа), КС – клеточная стенка Препараты фиксированы осмиевой кислотой. Клеточная стенка 5,2 мкм состоит из нескольких слоев. В результате механического воздействия происходит расщепление клеточной стенки вдоль слоев.

Таким образом, было показано, что при обработке материала разрушение осуществляется сначала по границе между разными тканями, затем между клетками одной ткани, и, наконец, разрушению повергаются клеточные стенки.

При механической обработке субстратов активация гидролиза осуществляется благодаря уменьшению кристалличности целлюлозы, разрушению лигноуглеводного комплекса и увеличению доступности целлюлозного субстрата для молекул белка, так как при измельчении появляется новая поверхность субстрата.

Поэтому механическая обработка целлюлозных субстратов приводит к увеличению степени превращения целлюлозы в растворимые сахара, рис. 12.

- Рис. 12. Конверсия соломы кукурузы в растворимые углеводы:

1 – исходной соломы;

2 – соломы после механической обработки, 3 – гидролиз с применением механической обработки (момент обработки указан 30 стрелками) 0 1 2 3 4 5 6 7 Время гидролиза, сутки Так же как и при гидролизе модельного субстрата, целлюлозы, уменьшение скорости гидролиза предварительно активированного субстрата связано с преимущественным гидролизом целлюлозы в разупорядоченных участках субстрата, упорядочением обработанной целлюлозы при смачивании ее водой и ингибированием процесса гидролиза продуктами реакции. Повторная механическая обработка лигноцеллюлозных субстратов приводит к увеличению степени конверсии целлюлозы в растворимые сахара.

ВЫВОДЫ 1. Показано, что ферментативная обработка лигноцеллюлозных материалов облегчает ее последующее измельчение. Гидролиз полисахаридов растительного сырья на 3-5% приводит к увеличению массовой доли фракции с размером частиц меньше 80 мкм в 2-4 раза.

2. Разрушение частиц лигноцеллюлозных материалов осуществляется в первую очередь по границе между разными тканями, так что образующиеся частицы состоят, главным образом, из клеток одной ткани. Затем частицы разрушаются по областям между клетками одной ткани, и, наконец, разрушению подвергаются клеточные стенки.

3. Механизм влияния ферментативной обработки лигноцеллюлозных материалов на их прочность при измельчении заключается в том, что при обработке лигноцеллюлозных материалов целлюлозолитическими ферментами происходит гидролиз целлюлозы, при этом реакция гидролиза имеет топохимический характер, то есть аморфные участки целлюлозы реагируют Степень конверсии, % быстрее, чем кристаллические, что приводит к изменению надмолекулярной структуры целлюлозы, разрыву отдельных волокон и уменьшению прочности лигноцеллюлозных материалов.

4. Показано, что предварительная ультразвуковая обработка целлюлозы в растворе фермента при температуре 0С приводит к активации последующего процесса гидролиза при 50С. В результате ультразвуковой обработки целлюлозного субстрата (35 кГц, 0,5 Вт/см3) его сорбционные свойства изменяются незначительно. Ультразвуковая активация процесса гидролиза при обработке целлюлозы в растворе фермента осуществляется в результате влияния на сорбционные свойства субстрата за счет звукокапиллярного эффекта.

5. Показано, что при изодозных обработках ультразвуком непрерывное воздействие менее эффективно, чем дискретное. Одним из механизмов является изменение конформации фермента под действием градиента давления в растворе и как следствие, изменение его активности.

6. Предварительное измельчение лигноцеллюлозных субстратов, таких как солома кукурузы и отходы масличной пальмы, и механохимическая обработка в процессе ферментативного гидролиза содержащихся в них углеводов позволяет увеличить степень превращения полисахаридов в растворимые сахара до 70% и выше.

Список цитированной литературы [1]. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. – Новосибирск: Наука, 1986. – 305 с.

[2]. Kardos N. Sonochemistry of carbohydrate compounds / N. Kardos, J.-L.Luche // Сarbohydrate research. – 2001. – V. 332. – P. 115-131.

[3]. An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using the X-Ray difractometer / L. Segal, J.J. Creely, A.E. Martin, C.M. Conrad // Text. Res. J. – 1959. – V. 29. – N 10. – P. 786-794.

[4]. Nalson, M.L. Relation of certain infrared bands to cellulose crystallinity and crystal lattice type. Part II. A new infrared ratio for estimation of crystallinity in cellulose I and II / M.L. Nalson, R.T. O’Konnor // Journal of Applied polymer science. – 1964. – V. 8. – P. 1325-1341.

[5]. Маргулис М.А. Основы звукохимии (химические реакции в акустических полях): Учеб.-пособие для хим. и хим.-технол. спец. вузов.– М., Высш. шк., 1984. – 272 с.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Голязимова О.В. Интенсификация процесса измельчения опилок / О.В. Голязимова, А.А. Политов // Химия в интересах устойчивого развития. – 2008. – Т. 16. - № 5. – С. 598-592.

2. Голязимова О.В. Увеличение эффективности измельчения лигноцеллюлозного растительного сырья с помощью химической обработки / О.В. Голязимова, А.А. Политов, О.И. Ломовский // Химия растительного сырья. – 2009. – № 2. – С. 53-57.

3. Голязимова О.В. Механическая активация ферментативного гидролиза лигноцеллюлозы / О.В. Голязимова, А.А. Политов, О.И. Ломовский // Химия растительного сырья. – 2009. – № 2. – С. 59-63.

4. Способ получения древесной муки: пат. 2318655 Рос. Федерация / Политов А.А., Ломовский О.И., Бершак О.В. – № 2006123183; опубл.

29.06.06.

5. The method of producing bioethanol from lignocellulose: Patent WO/2009/005390 A1 / Lomovsky O.I., Korolev K.G., Politov A.A., Bershak O.V., Lomovskaya T.F. – 08.01.2009.

6. The method of pretreatment of the cellulose-containing biomass to produce water-soluble carbohydrates: Patent WO/2009/005389 A1 / Politov A.A., Bershak O.V., Lomovsky O.I., Korolev K.G. – 08.02. 2009.

7. Бершак О.В. Влияние ультразвука на ферментативный гидролиз целлюлозы / О.В. Бершак, А.А. Политов // Тез. докл. XLIV Международной Научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс».

– Новосибирск, 2006. – С. 12.

8. Bershak O.V. Development of a new efficient and ecologically friendly method for obtaining biologically active substances / O.V. Bershak, A.A. Politov // International Conference on Mechanochemistry and Mechanical Alloyng. – Novosibirsk, 2006. – Р. 254.

9. Бершак О.В. Влияние предварительного ультразвукового воздействия на ферментативный гидролиз целлюлозы / О.В. Бершак, А.А Политов.// Тез. Докл. Двенадцатой Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых. – Новосибирск, 2006. – С. 519.

10. Бершак О.В. Влияние изменения надмолекулярной структуры целлюлозосодержащих материалов на их прочность / О.В. Бершак, А.А. Политов, О.И.

Ломовский // Тез. докл. III Всероссийской конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья». – Барнаул, 2007. – C. 176-179.

11. Голязимова О.В. Изучение механо-ферментативного гидролиза целлюлозы / О.В. Голязимова, А.А. Политов // Тез. докл. IV Всероссийской конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья», Барнаул – 2009. – C. 51-53.

12. Политов А.А. Сверхтонкое измельчение растительного сырья / А.А.

Политов, О.В. Голязимова, О.И. Ломовский // Тез. докл. IV Всероссийской конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» – Барнаул, 2009. – C. 200-201.

Pages:     | 1 | 2 ||






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