Новые способы кислотного гидролиза целлюлозы и растительного сырья

Перспективы развития гидролизного производства обусловлены актуальностью промышленного использования растительной биомассы взамен сокращающихся запасов ископаемого органического сырья и возрастающим спросом на этанол, особенно для его использования в качестве автомобильного топлива, белоксодержащих кормовых добавок, возмещающих дефицит белка в кормопроизводстве, и других видов востребованной различными отраслями промышленности продукции. На основании обзора приведенных в научной литературе результатов исследований выполнен анализ современных, в том числе отличающихся от традиционных, способов жидкофазного кислотного гидролиза целлюлозы и различных видов растительного сырья. Выявлены основные направления повышения его эффективности за счет применения новых каталитических систем и условий проведения процесса. Показано, что наиболее перспективными для получения моносахаридов при гидролитической переработке на примере целлюлозы и микрокристаллической целлюлозы, пентозансодержащих отходов сельскохозяйственного производства и древесины являются способы осуществления процесса при повышенных и суперкритических температурах (высокотемпературный гидролиз), применение новых видов твердокислотных катализаторов и ионных жидкостей.

1. Шарков, В. И. Технология гидролизных производств / В. И. Шарков, С. А. Сапотницкий, И. Ф. Туманов; под ред. В. И. Шаркова. - М.: Лесная промышленность, 1973. - 408 с.

2. Корольков, И. И. Перколяционный гидролиз растительного сырья / И. И. Корольков. - М.: Лесная промышленность, 1978. - 263 с.

3. Холькин, Ю. И. Технология гидролизных производств / Ю. И. Холькин - М.: Лесная промышленность, 1989. - 496 с.

4. Болтовский, В. С. Гидролитическая переработка полисахаридных компонентов растительной биомассы: проблемы и перспективы / В. С. Болтовский // Вес. Нац. акад. навук Беларусь Сер. хiм. навук. - 2014. - № 1. - С. 118-123.

5. Болотникова, О. И. Кислотный и энзиматический гидролиз непищевых источников растительной биомассы: перспективы промышленной реализации / О. И. Болотникова, Н. П. Михайлова, А. И. Гинак // Изв. СПбГТИ (ТУ) 1. Химия и химическая технология. Органический синтез и биотехнология. - 2017. - № 39. - С. 89-95.

6. Григорьева, О. Н. Кислотный гидролиз лигноцеллюлозосодержащего сырья в технологии получения биоэтанола / О. Н. Григорьева, М. В. Харина // Вестн. технол. ун-та. - 2016. - Т. 19, № 10. - С. 128-132.

7. Kupiainen, L. Distinct effect of formic and sulfuric acids on cellulose hydrolysis at high temperature / L. Kupiainen, J. Ahola, J. Tanskanen // Industrial and Engineering Chemistry Research. - 2012. - Vol. 51, N 8. - P. 3295-3300. https://doi.org/10.1021/ie202323u

8. Kinetics of cotton cellulose hydrolysis using concentrated acid and fermentative hydrogen production from hydrolysate / Chu Chen-Yeon [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. - 2011. - Vol. 36, N 14. - P. 8743-8750. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.07.072

9. Zhao Yan. Supercritical hydrolisis of cellulose for oligosaccharide production in cjmbinet technolodgy / Zhao Yan, Lu Wen-Jing, Wang-Hong-Tao // Chemical Engineering Journal. - 2009. - Vol. 150, N 2-3. - P. 411-417. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.07.072

10. Pressure and temperature effect on cellulose hydrolysis in pressurized water / A. Cantero Danilo [et al.] // Chemical Engineering Journal. - 2015. - Vol. 276. - P. 145-154. https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.04.076

11. Hydrolysis of microcrystalline cellulose for fermentable hexose in supercritical water / M. Zhang [et al.] // Journal of Energy Engineering. - 2015. - Vol. 141, N 4. - P. 401-403. https://doi.org/10.1061/(ASCE)EY.1943-7897.0000218

12. Direct hydrolysis of cellulose to glucose using ultra-high temperature and pressures team explosion / Sasaki Chizuru [et al.] // Carbohydr. Polym.: Scientific and Technological Aspects of Industrially Important Polysaccharides. - 2012. - Vol. 89, N 1. - P. 298-301. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2012.02.040

13. Morales dela Rosa, Silvia. High glucose yields from the hydrolysis of cellulose dissolved in ionic liquids / Silvia Morales dela Rosa, Jose M. Campos-Martin, L. G. Fierro Jose // Chem. Eng. J. - 2012. - Vol. 181-182. - P. 538-541. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2012.02.040

14. Hydrolysis of cellulose catalyzed by novel acidic ionic liquids / Zhuo Kelei [et al.] // Carbohydr. Polym. Scientific and Technological Aspects of Industrially Important Polysaccharides. - 2015. - Vol. 115. - P. 49-53. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2014.08.078

15. Cellulose-derived superparamagnetic carbonaceous solid acid catalyst for cellulose hydrolysis in an ionic liquid or aqueous reaction system / Haixin Guo [et al.] // Green Chem.: An International Journaland Green Chemistry Resource. -2013. - Vo1. 15. - P. 2167-2174. https://doi.org/10.1039/C3GC40433A

16. Onda, A. Selective hydrolysis of ce11u1ose and polysaccharides into sugars by catalytic hydrothermal method using sulfonated activated-carbon / A. Onda // J. Jap. Petrol. Inst. - 2012. - Vol. 55, N 2. - P. 73-86. https://doi.org/10.1627/jpi.55.73

17. Hydrolysis of cellulose ove CsxH3–xP12O40(x = 1–3) heteropolyacid catalysts / J. Tian [et al.] // Chem. Eng. und Technol. - 2011. - Vol. 34. - P. 482-486. https://doi.org/10.1002/ceat.201000409

18. Effective hydrolysis of cellulose in to glucose over sulfonated sugar-derived carbon in an ionic luquid / Min Liu [et al.] // Ind. And Eng. Chem. Res. - 2013. - Vol. 52, N 24. - P. 8167-8173. https://doi.org/10.1021/ie400571e

19. Bai Yuan-Yuan. Efficient hydrolyzeation of cellulose in ionic liquid by novel sulfonated biomass-based catalysts /Bai Yuan-Yuan, Xiao Ling-Ping, Sun Run-Cang // Cellulose. - 2014. - Vol. 21, N 4. - P. 2327-2336. https://doi.org/10.1021/ie102487w

20. Dilute acid hydrolysis of sugar cane bagasse at high temperature: A kinetic study of cellulose saccharification and glucose decomposition. Pt. I. Sulfuric acid as the catalyst / L.V.A. Gurgel [et al.] // Ind. and Eng. Chem. Res. - 2012. - Vol. 51, N 3. - P. 1173-1185. https://doi.org/10.1021/ie2025739

21. Um Byung-Hwan . Statistical methodology for optimizing the dilute acid hydrolysis of sugarcane bagasse / Um Byung-Hwan, Bae Sung-Ho // Korean J. Chem. Eng. - 2011. - Vol. 28, N 5. - P. 1172-1176. https://doi.org/10.1007/s11814-011-0058-9

22. Dilute acid pretreatment of starch-containing rice hulls for ethanol production / Y. Lopez [et al.] // Holzforschung. - 2011. - Vol. 65, N 4. - P. 467-473. https://doi.org/10.1515/hf.2011.082

23. Optimization of formic acid hydrolysis of corn cob in xylose production / Zhu Tao [et al.] // Korean J. Chem. Eng. -2014. - Vol. 31, N 9. - P. 1624-1631. https://doi.org/10.1007/s11814-014-0073-8

24. Kim Tae Hyun. Sequential hydrolysis of hemicellulose and lignin in lignocellulosic biomass by two-stage percolation process using dilute sulfuric acid and ammonium hydroxide / Kim Tae Hyun // Korean J. Chem. Eng. - 2011. - Vol. 28, N 11. -P. 2156-2162. https://doi.org/10.1007/s11814-011-0093-6

25. Высокотемпературный гидролиз плодовых оболочек овса сернистой кислотой / Л. И. Клещевников [и др.] // Вестн. Казан. технол. ун-та. - 2015. - Т. 18, № 19. - С 254-256.

26. Исследование кинетики и оптимизация процесса высокотемпературного гидролиза смеси пшеничной соломы и отрубей фосфорной кислотой / Р. Т. Ванеева [и др.] // Вестн. технол. ун-та. - 2020. - Т. 23, № 1. - С. 43-45.

27. Selective hydrolysis of lignocelluloses from corn stalk in anionic liquid / W.-P. Yin [et al.] // J. Appl. Polym. Sci. -2013. - Vol. 129, N 1. - P. 472-479. https://doi.org/10.1002/app.38759

28. Enhanced hydrolysis of bamboo biomass by chitosan based solid acid catalyst with surfactant addition in ionic liquid / Si Wenqing [et al.] // Carbohydr. Polym.: Scientific and Technological Aspects of Industrially Important Polysaccharides. - 2017. - Vol. 174. - P. 154-159. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.05.082

29. Catalytic hydrothermal saccharification of rice straw using mesoporous silica-based solid acid catalysts / Li Sen [et al.] // J. Jap. Petrol.Inst. - 2012. - Vol. 55, N 4. - P. 250-260. https://doi.org/10.1627/jpi.55.250

30. Improvement of microwave-assisted hydrolysis of cassava pulp and tapioca flour by addition of activeated carbon / Hermiati Euis [et al.] // Carbohydr. Polym. : Scientific and Technological Aspects of Industrially Important P olysaccharides. - 2012. - Vol. 87, N 1. - P. 939-942. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2011.08.033

31. Исследование кинетики высокотемпературного гидролиза березового опила сернистой кислотой / А. Р. Аблаев [и др.] // Башк. хим. журн. - 2014. - Т. 21, № 3. - С. 86-89.

32. Mc. Donald Armando, G. Characterization of oligosaccharides releazed by steam explosion of sulphardioxide impregnated Pinus radiata / G. Mc. Donald Armando, A.Clark Tomas // J. Wood Chem. and Technol. - 1992. - Vol. 12, N 1. -P. 55-78. https://doi.org/10.1080/02773819208545050

33. Zhang Taiyin. Sugar yields from dilute oxalic acid pretreatment of maple wood compared to those with other dilute acids and hot water / Zhang Taiying, Kumar Rajeev, Wyman Charles E. // Carbohydr. Polym.: Scientific and Technological Aspects of Industrially Important Polysaccharides. - 2013. - Vol. 92, N 1. - P. 334-344. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2012.09.070

34. Болтовский, В. С. Гидролитическая деструкция полисахаридов древесины в поле СВЧ / В. С. Болтовский, А. С. Гальперин // Гидролизная и лесохимическая промышленность. - 1993. - № 3. - С. 5-6.

35. Boltovskii, V. S. Hydrolytic destruction of wood polysaccaharides in a microwave field / V. S. Boltovskii, A. S. Gal0-perin // Hydrolysis and wood chemistry. - 1993. - N 5. P. 14-18.

36. Кустов, Л. М. Ионные жидкости как каталитические среды / Л. М. Кустов, Т. В. Васина, В. А. Ксенофонтов // Рос. хим. журн. (Журн. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева). - 2004. - Т. XLVIII, № 6. - С. 13-35.