Ферментативная деструкция природных полисахаридов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Структура и физико-химические свойства древесного сырья

1.1 Состав древесины

1.2 Целлюлоза

1.2.1 Свойства технической целлюлозы и показатели её качества

1.2.2 Способы получения целлюлозы

1.3 Лигнин, строение, химический состав и свойства связи

1.4 Гемицеллюлоза

1.5 Химический состав древесины

2. Ферментативный гидролиз

2.1 Механизм ферментативного гидролиза

2.2 Целлюлолитические ферменты

3.Микробиологический синтез

3.1 Целлюлолитические микроорганизмы и ферменты

3.2 Биоконверсия трудноразлагаемых веществ

4. Методическая часть

4.1 Определение холоцеллюлозы надуксусной кислотой

4.2 Определение массовой доли РВ в гидролизатах эбулиостатическим методом

4.3 Определение пентозанов фотоколориметрическим методом с орсиновым реагентом

4.4 Определение лигнина с 72%-ной серной кислотой в модификации Комарова

5. Результаты по проделанной работе

6. Список литературы



Введение

В последнее время в мире все чаще стали задумываться о реальной замене невозобновляемых энергоисточников, таких как газ, нефть и уголь, на возобновляемые. Альтернативные источники энергии делятся на ветряные, солнечные, водные, геотермальные и биомасса.

Основным преимуществом биотоплива является сокращение выбросов парниковых газов. Как показывают исследования, биотопливо обладает пониженным выбросом углеводорода, моноксида углерода и практически не содержит серы. Исследования и изготовление биотоплива во всем мире становятся основными направлениями альтернативной энергетики. Так как получить биотопливо можно из опилок.

Глюкоза и другие моносахариды, получаемые в результате гидролиза природных полисахаридов (целлюлозы, гемицеллюлоз, крахмала) являются важнейшими компонентами питания человека, животных и микроорганизмов и служат дешевым источником сахаров для удовлетворения постоянно возрастающей потребности в сырье пищевой, микробиологической, медицинской и химической отраслей промышленности. Из глюкозы с помощью разнообразных химических, ферментативных и микробиологических процессов получают белковые и ферментные препараты, фруктозу и другие сахаристые вещества, аминокислоты, органические соединения разных классов, в том числе кислоты, спирты, антибиотики, важнейшие мономеры и т. д. Очевидно, что развитие химической и биохимической технологии приведет к значительному расширению ассортимента полезных продуктов. С проблемой гидролиза полисахаридов тесно связана разработка новых подходов к биоконверсии энергии, поскольку гидролитическая стадия играет важную роль в получении газообразного топлива (биогаза) из растительной биомассы. Особенно важной представляется возможность получения из глюкозы этанола с целью его использования в качестве топлива (или добавки к традиционному жидкому топливу) для двигателей внутреннего сгорания.

Ферментативный способ получения моносахаридов во многом лишен недостатков, присущих способу, основанному на кислотном гидролизе, поскольку осуществляется в гораздо более мягких условиях по температуре, давлению и кислотности среды. Это требует значительно меньших расходов энергии, предотвращает деструкцию сахаров и образование трудно утилизируемых отходов, снижающих биологическую ценность гидролизатов. Наконец, следует иметь в виду возможность решения экологических проблем, связанных с необходимостью создания биотехнологических методов утилизации отходов и вторичных продуктов промышленной и сельскохозяйственной переработки растительного сырья.

В данной работе рассмотрены теоретические аспекты ферментативной деструкции природных полисахаридов -- компонентов растительного сырья Интерес к исследованию этой проблемы обусловлен необходимостью разработки научных основ тех направлений физико-химической энзимологии и ферментативной кинетики, которые связаны с функционированием полиферментных систем, особенно с ферментативными реакциями со сложной стехиометрией (когда субстрат является полимером, а промежуточные и конечные продукты -- олиго- или мономерами)

Глубокая деструкция целлюлозы и других полисахаридов происходит под действием полиферментных систем. В природе, по-видимому, отсутствуют универсальные индивидуальные ферменты способные достаточно быстро расщепить полисахариды до соответствующих мономеров. Вместо этого в деструкции участвуют полиферментные системы, в состав которых входят различающиеся по специфичности действия ферменты (эндогликаназы, экзогликаназы и т д), выполняющих определенную частную функцию, без которой, однако, невозможна реализация всего процесса в целом. Полиферментные системы такого рода (целлюлазные, ксиланазные и другие), гидролизующие целлюлозу и другие полисахариды, характеризуются согласованностью действия составляющих их ферментов и -- в ряде случаев -- взаимным сверхаддитивным усилением эффективности действия друг друга (синергизмом).

Важной особенностью процесса ферментативной деструкции целлюлозы и других полисахаридов является то, что он осуществляется на поверхности нерастворимого субстрата, причем реакционная способность субстрата является функцией ряда его физикохимических и структурных свойств, и, как правило, убывает в ходе деструкции. Специфика в данном случае заключается в том, что субстрат имеет упорядоченную (кристаллическую) структуру, во многих случаях содержит в своем составе сопутствующие вещества (в первую очередь лигнин), которые служат физическим барьером, затрудняющим доступ ферментов к глюкозидным связям. Важную роль играют размеры поверхности, доступной молекулам ферментов, а также адсорбционные и диффузионные процессы, предшествующие и сопровождающие гидролитическое превращение нерастворимых субстратов.

Совокупность указанных признаков приводит к необходимости решения нетрадиционных для энзимологии задач выявления и количественной интерпретации взаимосвязи пространственной структуры и функции субстрата, а также поиска возможностей увеличения реакционной способности субстрата (предобработки растительного сырья).



1. Структура и физико-химические свойства древесного сырья

1.1 Состав древесины

Древесина состоит преимущественно из органических веществ (99% общей массы). Элементный химический состав древесины разных пород практически одинаков. Абсолютно сухая древесина в среднем содержит 49% углерода, 44% кислорода, 6% водорода, 0,1-0,3% азота. При сжигании древесины остаётся её неорганическая часть - зола. В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний и другие элементы.

Перечисленные химические элементы образуют основные органические вещества: целлюлозу, лигнин и гемицеллюлозы.

Целлюлоза - природный полимер, полисахарид с длинной цепной молекулой. Формула целлюлозы (C6H10O5)n, где n - степень полимеризации, равная 6000-14000. Это очень стойкое вещество, нерастворимое в воде и обычных органических растворителях (спирте, эфире и др.), белого цвета. Пучки макромолекул целлюлозы - тончайшие волоконца называются микрофибриллами. Они образуют целлюлозный каркас стенки клетки. Микрофибриллы ориентированны преимущественно вдоль длинной оси клетки, между ними находится лигнин, гемоцеллюлозы, а также вода.

Лигнин - полимер ароматической природы (полифенол) сложного строения; содержит больше углерода и меньше кислорода, чем целлюлоза. Именно с этим веществом связан процесс одревеснения молодой клеточной стенки. Лигнин химически нестоек, легко окисляется, взаимодействует с хлором, растворяется при нагревании в щелочах, водных растворах сернистой кислоты и её кислых солей.

Гемицеллюлозы - группа полисахаридов, в которую входят пентозаны (C5H8O4)n и гексозаны (C6H10O5)n. Формула гексозанов на первый взгляд идентична формуле целлюлозы. Однако степень полимеризации у всех гемицеллюлоз гораздо меньше и составляет 60-200. Это свидетельствует о более коротких цепочках молекул и меньшей стойкости этих веществ по сравнению с целлюлозой.

Кроме основных органических веществ, в древесине содержится сравнительно небольшое количество экстрактивных веществ (таннидов, смол, камедей, пектинов, жиров и др.), растворимых в воде, спирте или эфире.

1.2 Целлюлоза

Целлюлоза содержится в древесине, однолетних растениях, травах, льне, конопле, хлопке, в оболочках семян плодов, в морских и пресноводных водорослях. В природе встречается также бактериальная и животная целлюлоза (некоторые ракообразные и улитки).

По молекулярному строению целлюлоза представляет собой линейный полимер, ангидроглюкозные звенья которого связаны в - 1,4 - D - глюкозидными связями. Степень полимеризации (СП) нативной целлюлозы может составлять более 10 тыс., а молекулярная масса -- более 1,5 млн. Длина одного ангидроглюкозного звена равна 5,15, следовательно, длина молекулы целлюлозы будет около 5 мкм. СП изменяется в зависимости от фазы роста растения. На ранних стадиях роста целлюлоза имеет низкую СП, пориста и обладает более высокой сорбционной способностью по сравнению с целлюлозой созревшего растения.

Целлюлоза в нативном состоянии представляет собой полимолекулярное соединение, в состав которого входят молекулы, идентичные по своему строению, но отличающиеся по длине.

Например, для хлопковой целлюлозы установлено наличие двух фракций: основной с интервалом по СП от 7500 до 9000 с максимумом при 8500, и меньшей по содержанию фракции -- с СП от 5500 до 7500 с максимумом при 6500. Для бактериальной целлюлозы показано наличие двух максимумов на кривой молекулярномассового распределения -- при значении СП 2000 и 6000.

Нахождение молекулярной массы (средней СП целлюлозы) осуществляют с помошью различных методов.

В случае целлюлозы наибольшее распространение получил вискозиметрический метод определения молекулярной массы -- из-за простоты аппаратурного оформления и быстроты выполнения. Метод основан на определении вязкости целлюлозы в таких растворителях, как медно-аммиачный комплекс, комплекс металлов (Си, Ni) со щелочью и биуретом, комплекс железо-тартрат натрия (железовиннокислый комплекс), комплексы этилендиамина с металлами Со, Си, Zn, Ni, Cd (кооксен, куэн, цинкоксен, ниоксен, кадоксен, соответственно). Наиболее удобен в качестве растворителя кадоксен -- он обладает максимальной растворяющей способностью, бесцветен, прозрачен, устойчив при комнатной температуре, причем растворенная в кадоксене целлюлоза практически не подвергается окислительной деструкции (растворение целлюлозы и хранение ее растворов можно производить на воздухе).

Элементарные звенья макромолекулы целлюлозы находятся в форме кресла, гидроксильные группы расположены в горизонтальном направлении, а атомы водорода -- в вертикальном (рис. 1.1). Каждое второе звено цепи повернуто на 180° по отношению к оси молекулы.

Целлюлоза -- классический пример полимера, макромолекулы которого имеют линейное строение и который характеризуется повышенной скелетной жесткостью. Конфигурация макромолекулы целлюлозы дает возможность реализации внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Современная точка зрения на структуру целлюлозы имеет в своей основе теорию аморфнокристаллического ее состояния и основывается на данных электронографических, рентгенографических и других исследований. Как и все гидрофильные линейные полимеры, целлюлоза обладает склонностью к образованию первичных (элементарных) фибрилл, в которых группы параллельно расположенных цепей макромолекул связаны между собой множественными водородными связями. Первичная фибрилла представляет собой наименьшее надмолекулярное звено целлюлозы. Общепринятой в настоящее время является модель первичной фибриллы Денниса и Престона

Рис. 1.2. Модель первичной (элементарной) фибриллы целлюлозы по Деннису и Престону, продольное сечение; сплошные линии обозначают макромолекулы целлюлозы, пунктиры -- неглюкозные полимеры

Макромолекулы целлюлозы в первичных фибриллах образуют однородные высокоупорядоченные кристаллические зоны (кристаллиты), которые чередуются с неоднородными менее упорядоченными аморфными зонами. В кристаллитах существует трехмерный дальний порядок в расположении цепей целлюлозы. В аморфных участках дальний порядок отсутствует и сохраняется лишь общая продольная направленность цепей. В аморфных участках относительно легко могут проходить реакции целлюлозы с другими веществами. Длина макромолекул целлюлозы значительно больше длины кристаллических участков, поэтому каждая макромолекула проходит последовательно ряд кристаллических и аморфных участков.



Рис. 1.3. Модель микрофибриллы целлюлозы (по Фрей-Висслингу: а - общий вид, б - поперечный разрез)

Первичные фибриллы целлюлозы соединяются между собой с помощью водородных связей в микрофибриллы, которые и являются основными звеньями строения волокон целлюлозы. Микрофибриллы состоят из нескольких первичных фибрилл. Общепринятая в настоящее время структура микрофибриллы (модель Фрей-Висслинга) отображена на рис. 1.3. Между первичными фибриллами в микрофибрилле находится лигнин и гемицеллюлозы.

Специфика морфологической структуры целлюлозы обеспечивает ее устойчивость при воздействии значительных массовых сил. Структурная мощность обусловлена тем, что природная целлюлоза представляет, по существу, композиционный материал с кристаллической матрицей и необычными по составу и свойствам наполнителем (лигнин и гемицеллюлозы играют роль адгезивов). Это позволяет противостоять столь большой осмотической силе, как 20000 кг/см².

Целлюлозные волокна характеризуются индексом (степенью) кристалличности. Этот показатель отражает плотность упаковки целлюлозы и соотношение аморфных и кристаллических участков в ее структуре. Индекс кристалличности (ИК) определяют рентгенографически, по дифракции электронов, с помощью ИК-спектроскопии, ЯМР, по различию плотности целлюлозы в аморфных и кристаллических участках, путем адсорбции воды и йода, по скорости обмена D₂O, а также по скорости протекания различных реакций: таких, как кислотный гидролиз, перйодатное окисление, формилирование и т.д. Имеющиеся методы позволяют достоверно судить об относительных изменениях в структуре гомологических рядов целлюлозных материалов. Наибольшей упорядоченностью структуры и содержанием кристаллических участков характеризуется целлюлоза хлопка и целлюлоза рами. Их ИК по данным рентгеновской дифрактометрии составляет 90% и более. Целлюлоза древесины менее упорядочена, однако так же, как и хлопок, относится к высокоупорядоченным образцам (ИК составляет 70-90%).

Рис. 1.4.

Элементарная ячейка кристаллической целлюлозы является моноклинной (ребра ячейки а,6,с не равны друг другу, угол в плоскости ас не равен 90°, см. рис. 1.4, а) и вмещает в свой объем четыре звена глюкозы. В элементарной ячейке цепи целлюлозы ориентированы в направлении ребер b: по каждому из этих ребер и в центре ячейки проходит цепь целлюлозы, центральная цепь сдвинута на 1/2 звена. Вдоль ребер b действует сила ковалентных в-1,4-глюкозидных связей. Гидроксилы ангидроглюкозных звеньев целлюлозы в положении 3 связаны водородной связью с кислородным мостиком соседней макроцепи (по оси а), расстояние между соседними цепями в нативной целлюлозе по оси а составляет 2,5 А. Расстояние между соседними макроцепями по оси с значительно больше -- между этими цепями действуют силы Ван- дер-Ваальса. В табл. 1.1 представлены параметры элементарной ячейки кристаллической решетки нативной целлюлозы, а также внутренняя энергия соответствующих связей.

Таблица 1.1 Внутренняя энергия связей и размеры элементарной структурной ячейки нативной целлюлозы (целлюлозы I)

Ось	Длина, А	Характер связи	Внутренняя энергия связей, ккал
а	8,2	Водородная	15
Ь	10,3	Ковалентная	50
с	7,9	Ван-дер-Ваальса	8

Целлюлоза имеет несколько полиморфных кристаллических модификаций -- I, И, III, IV и X. Кристаллическую модификацию природной целлюлозы называют целлюлоза I. Целлюлоза II образуется при регенерации целлюлозы из ее растворов, при обработке природной целлюлозы концентрированными растворами гидроксидов щелочных металлов (мерсеризация) и при омылении производных целлюлозы. Целлюлоза II имеет элементарную ячейку, параметры которой отличаются от параметров целлюлозы I, полимерные цепи в регенерированной целлюлозе ориентированы антипараллельно.

Кристаллическая	Длина оси, А	Угол,	Плотность,
модификация	а	Ь	с	град	г/см3
Целлюлоза I	8,20	10,30	7,90	83	1,625
Целлюлоза II	8,14	10,30	9,14	62	1,620
Целлюлоза III	7,74	10,30	9,96	58	1,610
Целлюлоза IV	8,11	10,30	7,90	90	1,610
Целлюлоза X	8,12	10,30	7,99	90	1,610

Волокна целлюлозы имеют макро- и микропоры (к микропорам относятся те, которые имеют диаметр менее 100 А). Пористая система в целлюлозе организована так, что проходит через всю ее структуру как сложная сеть каналов различного диаметра.

1.2.1 Свойства технической целлюлозы и показатели её качества

Для характеристики разнообразных свойств технической целлюлозы применяют большое число различных показателей.

Содержание лигнина устанавливается или методом непосредственного анализа, или, чаще, косвенными методами определения степени провара. Содержание лигнина или отвечающая ему степень провара целлюлозы - один из основных показателей, определяющих пригодность небеленой целлюлозы для производства тех или иных видов бумаги. В белёных целлюлозах содержание лигнина обычно не определяют, т.к. оно относительно не велико. Если целлюлоза предназначена для химической переработки, то присутствие в ней лигнина во многих случаях не допустимо.

Содержание пентозанов в небеленой целлюлозе находится в более или менее прямой зависимости от степени провара. В сульфитных небеленых целлюлозах пентозанов содержится обычно от 4 до 7%. Содержание их в сульфатных целлюлозах той же степени провара значительно выше и достигает, например, в обычной крфат-целлюлозе 10-11%, что объясняется стойкостью их против воздействия щелочного реагента в условиях варки. Повышенное содержание пентозанов наблюдается и в целлюлозе из древесины лиственных пород и в соломенной целлюлозе, что обусловлено большим содержанием их в исходном сырье.

Если целлюлоза предназначена для бумажного производства, то присутствиев ней пентозанов в целом благоприятно,т.к. способствует повышению механической прочности, улучшает проклейку и увеличивает набухаемость и способность полуфабриката к размолу. В целлюлозе же, предназначенной для химической переработки, пентозаны - нежелательная примесь. Они вызывают помутнение растворов эфиров целлюлозы, ломкость и пожелтение плёнок и лаков, в особенности в целлюлозах, предназначенных для ацетилирования или производства медноаммиачного шелка.

Содержание смолы, определяемое экстрагированием целлюлозы различными органическими растворителями ( эфиром, спиртом, ацетоном и т.п. ), в сульфитной хвойной целлюлозе довольно высокое, 1-1,5%, т.к. сульфитная кислота не растворяет смол. Наоборот, в целлюлозе щелочной варки благодаря растворяющему действию щелочи содержание смолы невелико и обычно не превышает 0,2-0,3%.

Если целлюлоза предназначена для бумажного производства, то имеет значение так называемая « вредная смолистость», вызывающая отложения липкой смолы на размольной аппаратуре и на сетке бумагоделательной машины. Весьма нежелательно, а во многих случаях и совершенно не допустимо наличие смолы и в целлюлозах, предназначенных для химической переработки. Для некоторых облагороженных целлюлоз приходится особыми методами обработки добиваться снижения содержания смолы до сотых долей процента, что способствует получению светлых и прозрачных эфиров.

Зольность целлюлозы вызывается присутствием в ней минеральных веществ, содержащихся в исходном сырье и в химических реагентах, применяемых для варки целлюлозы. Особенно высокую зольность (3-4%) имеет соломенная целлюлоза вследствие большого содержания золы в исходном сырье, тогда как в древесных целлюлозах содержание золы обычно составляет 0,3-0,5%.Зольность не имеет особого значения для целлюлозы, предназначенной для бумажного производства, за исключением случаев изготовления некоторых специальных видов бумаги (фильтровальных, фотографических, электроизоляционных и т.д.), но она является одним из важных показателей целлюлоз для химической переработки. В этом случае имеет значение не только общее содержание золы, но и ее состав. Особенно не желательно наличие кремнекислоты и солей щелочноземельных металлов, тогда как соли натрия, например, на фильтруемость вискозы большого влияния не оказывают.

Альфа - целлюлоза представляет собой стойкую часть целлюлозы, нерастворимую в 17,5%-ном растворе едкого натра, которую принято условно отождествлять с клетчаткой. Определение ее в небеленых целлюлозах, содержащих значительное количество лигнина, нуждается в пропарке на содержание лигнина. Для беленой целлюлозы значение этого показателя несомненно, т.к. он характеризует степень ее освобождения от гемицеллюлоз и низкомолекулярных фракции целлюлозы.

В целлюлозах, предназначенных для химической переработки, содержание альфа - целлюлозы является одним из основных показателей. Высокое содержание альфа - целлюлозы может быть достигнуто лишь специальными приемами облагораживания. Кроме содержания альфа - целлюлозы, в облагороженных целлюлозах часто нормируется также содержание бета - целлюлозы, отождествляемое с низкомолекулярной фракцией целлюлозы.

Медное число характеризует восстановительную способность целлюлозы, обусловленную наличием продуктов ее окисления и гидролиза. Для мягких целлюлоз медное число всегда выше, чем для жестких, а для беленых выше, чем для небеленых. Целлюлоза щелочных варок характеризуется более низким медным числом (около 1,0) по сравнению с сульфитной (1,5-2,5). Облагораживанием целлюлозы можно добиться значительного понижения медного числа.

Вязкость растворов целлюлозы или ее производных- один из важнейших показателей, характеризующих поведение целлюлозы при ее химической переработке. Вязкость целлюлозы неизбежно понижается в процессе варки и отбелки. Наоборот, в процессе облагораживания целлюлозы, сопровождаемом удалением низкомолекулярных веществ, вязкость ее растворов возрастает. Это свойство имеет особенно большое значение в производстве вискозной целлюлозы.

Степень полимеризации обычно вычисляют на основе вискозиметрических определений. Разработан ряд методов определения степени полимеризации в разбавленных растворах целлюлозы (например, нитроцеллюлозы в ацетоне). Полученные этими методами показатели дают представление о средней степени полимеризации.

Целлюлоза обычно весьма неоднородна и представляет собой смесь высоко- и низкополимерных фракций, относительное содержание которых может оказывать существенное влияние на свойства целлюлозы и ее поведение при последующей химической переработке. Поэтому для характеристики целлюлозы все большее значение приобретают методы фракционного растворения с распределением на группы, отличающиеся одна от другой по степени полимеризации.

Механические прочностные свойства целлюлозы представляют весьма важный показатель для характеристики целлюлозы. Определяются они на специальной стандартной аппаратуре в условиях постоянной температуры и влажности воздуха на образцах в виде листков определённой массы квадратного метра.

Из механических свойств целлюлозы чаще всего определяют сопротивление разрыву, изгибу, продавливанию и надрыву или раздиранию.

Для жестких целлюлоз по мере удаления лигнина до содержания около 4-5% механическая прочность целлюлозы обычно возрастает, а затем при переходе от жестких целлюлоз к мягким уменьшается. Наблюдается также понижение механической прочности и при дальнейшем удалении лигнина отбелкой, вследствие чего в стандартах на беленую целлюлозу обычно указываются показатели механической прочности более низкие, чем для небеленой целлюлозы.

Сорность целлюлозы определяется подсчетом соринок с обеих сторон смоченного образца целлюлозной папки при просвечивании его источником света определенной силы и выражается числом соринок, отнесенных к 1 м поверхности. Источником сора в целлюлозе являются частички коры и луба и так называемая костра, представляющая собой темные волоконца и их пучки, отцепившиеся от сучков и непроварившейся древесины, а также зерна минеральных включений, частицы угольной пыли, скопления смолы или слизи и т.п.

Высокая чистота требуется в целлюлозе, предназначенной для химической переработки.

Цвет целлюлозы не имеет решающего значения и обычно не нормируется для небеленых целлюлоз, всегда имеющих сероватый оттенок разной степени при сульфитном способе, и более или менее, темный коричневый - при сульфатном. Наоборот, для целлюлоз беленых и облагороженных белизна является важным показателем качества.

Кратко охарактеризованные показатели качества далеко не исчерпывают всех свойств целлюлозы. В отдельных случаях нужны еще дополнительные определения, например углеводного состава, впитывающей способности, способности к набуханию, к пергаментации, реакционной способности, фильтруемости, прозрачности растворов целлюлозы и т.п.

1.2.2 Способы получения целлюлозы

Применяемые в промышленности и исследованные в лабораторных и полузаводских условиях методы получения целлюлозы из древесины и однолетних растений довольно многочисленны и число их продолжает расти. Все способы получения целлюлозы основаны на том, что лигнин поддается разрушительному действию многих химических реагентов гораздо легче, чем целлюлоза.

Можно разделить все известные способы получения целлюлозы на шесть следующих групп:

1. кислотные,

2. щелочные,

3. нейтральные,

4. окислительные,

5. ступенчатые

6. комбинированные.

К группе кислотных способов, из числа применяемых в промышленности, относятся сульфитный, бисульфитный и азотнокислотный способы, а из числа исследованных в лаборатории - способы, в которых в качестве реагента используются органические кислоты - тиогликолевая, муравьиная, сульфаниловая, масляная, тиогидракриловая, уксусная, монохлоруксусная и некоторые другие, а также органические реагенты в присутствии минеральных кислот (большей частью HCL), такие как: этиленгликоль, метилгликоль, фенол, амиловые и бутиловые спирты и др.

В сульфатном способе варки в качестве реагента используется так называемая сульфитная варочная кислота, представляющая собой раствор сернистой кислоты, содержащий некоторое количество бисульфита кальция, магния, натрия или аммония. Сульфитная целлюлоза, небеленая и беленая, является одним из главнейших полуфабрикатов для выработки газетных, типографских, писчих бумаг, бумаги для печати и целого ряда других видов бумаги и для получения искусственного волокна.

Для бисульфитного способа варки, получившего промышленное развитие за последние 10-15 лет, реагентом служит водный раствор бисульфита натрия или магния. По свойствам бисульфитная целлюлоза очень близка к сульфитной, но отличается от нее более высокой механической прочностью и более легкой способностью разделяться на волокна при высоком выходе.

Производство целлюлозы по азотнокислому способу не получило широкого распространения, главным образом по экономическим причинам.

Группу щелочных способов получения целлюлозы образуют натронный, сульфатный и щелочно - сульфитный способы, а также известковомолочный, применяемый только для обработки соломы, и ряд малоупотребительных способов, разработанных в лабораторных условиях, в которых используются некоторые органические основания (тетраэтиламмоний, моноэтаноламин и др.) или спирты (этиловые, бутиловые, глицерин) в присутствии щелочи.

Натронный способ, представляющий собой старейший промышленный способ производства целлюлозы, позволяет перерабатывать на целлюлозу и полуцеллюлозу любые древесные породы и однолетние растения. При натронном способе используется в качестве реагента раствор едкого натра. Натронный способ в настоящее время применяется в разных странах лишь на отдельных заводах, перерабатывающих древесину главным образом лиственных пород.

При сульфитном способе варки реагентом является смесь едкого натра и сульфида натрия. В настоящее время этот способ - самый распространенный из всех промышленных способов получения целлюлозы. Сульфатным способом, как и натронным, можно перерабатывать любые древесные породы и растения. По всем показателям механической прочности сульфатная целлюлоза превосходит сульфитную той же степени провара, полученную из той же древесины. Жесткая сульфатная целлюлоза из хвойной древесины за свою чрезвычайно высокую механическую прочность получила название крат - целлюлозы. По сравнению с сульфитной сульфатная целлюлоза содержит больше пентозанов, значительно меньше смол и жиров, несколько больше альфа - целлюлозы и имеет несколько меньшую среднюю степень полимеризации и вязкость растворов. Сульфатная целлюлоза труднее отбеливается и труднее размалывается, но легче проклеивается, чем сульфитная, и характеризуется более высокой термостойкостью и долговечностью. Однако выход сульфатной целлюлозы из древесины при варке до одинаковой степени провара оказывается на 3-4% ниже, чем сульфитной, и это обстоятельство является существенным недостатком способа.

При щелочно - сульфитном способе используется в качестве реагента смесь едкого натра и сульфита натрия; способ применим для варки различных древесных пород и дает более высокий выход целлюлозы и полуцеллюлозы, чем сульфатный.

К группе нейтральных способов получения целлюлозы относятся моносульфитный и гидротропный способы, а также некоторые лабораторные методы делигнификации, в которых для удаления лигнина используются нейтральные органические растворители - диметилсульфоксид, диоксан, бутиловые спирты, глицерин и т.п.

При моносульфитном способе, часто называемом нейтрально - сульфитном, в качестве реагента применяется сульфит натрия, а в последнее время также и сульфит аммония. Моносульфитная лиственная полуцеллюлоза в небеленом виде благодаря высокому сопротивлению на «кольцевое сжатие» оказалось исключительно пригодной для изготовления внутренних слоев гофрированного картона. Некоторое количество моносульфитной полуцеллюлозы потребляется в беленом виде. Для варки хвойной древесины моносульфитный способ практически не пригоден.

Для получения целлюлозы по гидротропному способу применяют концентрированные водные растворы так называемых гидротропных солей некоторых органических кислот - преимущественно щелочных солей ксилол-, толуол- и цимолсульфоновой кислот, а также щелочные бензоаты, салицилаты тиоцианаты. Гидротропный способ делигнификации древесины лиственных пород при варке с ксилолсульфонатом натрия проверен в полузаводских условиях, однако действующих промышленных установок ещё нет.

Окислительные способы делигнификации пока также не получили промышленного применения, но усиленно разрабатываются в различных лабораториях. Следует упомянуть о кислородно - щелочном и кислородно - аммиачном способах, а также способах, в которых в качестве реагента используется двуокись хлора, хлорит, хлорат натрия, надуксусная кислота и некоторые другие окислители, отличающиеся высокой селективностью делигнификации.

В группу ступенчатых способов следует отнести такие способы, в которых применяется не одна, а, как правило, две последовательные обработки сырья различными, но близкими по своей природе реагентами. Сюда прежде всего относятся ступенчатые модификации различных сульфитных способов: бисульфитно - сульфитный, моносульфитно - сульфитный, моносульфитный - бисульфитный, бисульфитно - моносульфитный и сульфитно - сульфитный способы. Наибольшее промышленное значение имеет из них первые два.

В эту же группу ступенчатых способов будут относится ступенчатые модификации сульфатного способа: сульфидно - сульфатный, сероводородно - сульфатный, сульфатно - сульфатный и некоторые другие.

Наконец, к группе комбинированных способов получения целлюлозы следует отнести двух- и трехступенчатые способы с применением разнохарактерных реагентов на различных ступенях обработки. В эту группу входят: сульфитно - содовый, бисульфитно - содовый, бисульфитно - сульфитно - содовый, предгидролизно - сульфатный, сульфитно - сульфатный, сульфитно - натронный, натронно - сульфитный, хлорно - щелочной и ряд других модификаций. Наибольшее промышленное значение из этих способов имеют сульфитно - содовый, предгидролизно - сульфатный и хлорно - щелочной.

Из всех промышленных способов получения целлюлозы наибольшее распространение получили сульфитный и сульфатный.

1.3 Лигнин, строение, химический состав и свойства связи

Лигнин как полимер состоит из фенилпропановых структурных единиц (мономерных составляющих звеньев) - ФПЕ, обозначаемых сокращенно С - С , или единицы С . Лигнин хвойных пород, появившихся в эволюции раньше лиственных, имеет более простое строение и состоит в основном из ФПЕ одного типа - гваяцилпропановых структурных единиц (1). В состав лигнина лиственных пород, кроме гваяцилпропановых единиц, в значительных количествах входят сирингилпропановые единицы (2). Гваяцилпропановые единицы (G-единицы) рассматривают как производные пирокатехина, а сирингилпропановые единицы (S-единицы) - как производные пирогаллола (схема 4). В соответствии с основным типом структурных единиц лигнины хвойных пород относятся к гваяцильным лигнинам, а лигнины лиственных пород - к гваяцил - сирингильным лигнинам. Кроме гваяцилпропановых единиц в состав хвойных лигнинов входят в небольшом количестве, а в состав лиственных пород в еще меньшем - n - гидроксифенилпропановые единицы (3). По сравнению с лигнинами древесных пород гидроксифенилпропановые единицы (H-единицы) значительно большую долю составляют в лигнинах однодольных растений (трав, злаков).

Различают природный лигнин (протолигнин) - лигнин, находящийся в древесине, и препараты лигнина - лигнины, выделенные из древесины. Природный лигнин в древесине неоднороден. Основная его масса имеет трехмерную сетчатую структуру и вследствие этого не растворяется в растворителях. Для перевода природного лигнина в растворимое состояние с целью удаления (делигнификации) или выделения из древесины (получения растворимого препарата) требуется разрушение сетки с помощью довольно жесткого химического воздействия («химическое растворение»). Как у всех сетчатых полимеров, понятие макромолекулы для природного лигнина теряет смысл.

Среди выделенных лигнинов различают препараты нерастворимых и растворимых лигнинов. Нерастворимые лигнины сохраняют сетчатую структуру. Растворимые лигнины, представляющие собой фрагменты сетки, имеют разветвленную структуру с высокой степенью разветвленности и неоднородную по молекулярной массе.

Любой лигнин, как лиственный, так и хвойных древесных пород, представляет собой гетерополимер. Лигнин имеет высокую степень химической неоднородности. Разветвленные макромолекулы растворимых лигнинов и протяженные участки цепей в сетчатой структуре, в отличие от таких важнейших биополимеров растительных и животных тканей, как целлюлоза и белки, имеют нерегулярное строение.

Лигнин - это органический гетероцепной кислородосодержащий полимер, но в отличие от полисахаридов, относящихся к полиацеталям, у лигнина отсутствует единый тип связи между мономерными звеньями. В структурных единицах лигнина содержатся различные полярные группы и в том числе способные к ионизации (кислые) фенольные гидроксилы и в небольшом числе карбоксильные группы, вследствие чего лигнин является полярным полимером, проявляющим свойства полиэлектролита. Лигнин - аморфный полимер, как природный, так и выделенный. Из - за высокой степени разветвленности макромолекулы выделенных растворимых лигнинов имеют глобулярную форму и такие препараты представляют собой порошки. В лигнине, благодаря наличию большого числа гидроксильных и других полярных групп, значительно развиты водородные связи (внури- и межмолекулярные).

Лигнин очень рано образуется в растительных клетках. В первые дни после отделения новой клетки ксилемы от камбиальной клеточная стенка ещё не содержит лигнина. Через сравнительно небольшой период времени клеточные стенки начинают давать качественные реакции на лигнин. Процесс лигнификации имеет большое значение для жизни дерева и сыграл важную роль в эволюции растений. Лигнин придает механическим волокнам и проводящим элементам растений, живущих на суше, необходимые жесткость и гидрофобность клеточных стенок. Благодаря лигнину и возникли на Земле древесные формы растений. В процессе образования лигнина одновременно возникают химические ковалентные и межмолекулярные, в том числе водородные, связи лигнина с углеводами - гемицеллюлозами, и таким образом строится лигнин - гемицеллюлозная матрица, в которой заключены микрофибриллы целлюлозы.

Лигнин чувствителен даже к сравнительно мягким обработкам. Поэтому он претерпевает значительные изменения при выделении.

При выделении лигнина из древесины с целью получения препаратов лигнина для исследования его строения, свойств и механизмов его реакций древесину предварительно измельчают до опилок или муки. Измельченную древесину освобождают от экстрактивных веществ экстрагированием органическими растворителями, обычно спирто - толуольной смесью.

Вследствие существования химических связей лигнина с углеводами и сетчатой структуры самого лигнина для препаративного выделения лигнина необходимо применять кислотные катализаторы. Под действием кислотных катализаторов осуществляется сольволиз, например, гидролиз химических связей лигнина с гемицеллюлозами и частично связей в его сетчатой структуре с получением фрагментов сетки. Одновременно кислотные катализаторы в большей или меньшей степени способствует конкурирующим реакциям конденсации, препятствующим переходу лигнина в растворимое состояние. Кроме того, реагенты и растворители, применяемые для получения препаратов лигнина, дают побочные реакции.

Все методы выделения лигнина можно подразделить на две группы: методы, основанные на удалении полисахаридов, с получением лигнина в виде нерастворимого остатка; методы, основанные на переводе лигнина в раствор с последующим осаждением. Нерастворимые препараты лигнина, имеющие подобно природному лигнину сетчатую структуру, более или менее сохраняют морфологическое строение клеточной стенки, но, естественно, более рыхлое. Растворимые лигнины после осаждения, очистки и сушки имеют вид порошков.

Щелочные лигнины, получаемые при сульфатной и натронной варках, можно выделить из отработанных варочных растворов, обрабатывая их углекислотой или другими более сильными кислотами. Однако основная масса щелочных лигнинов на производстве не выделяется, а идет на сжигание при регенерации химикатов.

К техническим щелочным лигнинам следует также отнести талловый лигнин и шлам - лигнин. Талловый лигнин образуется как отход производства таллового масла из сульфатного мыла. Шлам - лигнин выделяется при очистке сточных вод сульфатцеллюлозного производства.

В ходе сульфитных варок лигнин сульфируется и переходит в варочный раствор в виде солей лигносульфоновых кислот - лигносульфонатов. Лигносульфонаты могут быть выделены из раствора обработкой солями, кислотами, органическими растворителями и различными ароматическими азотосодержащими соединениями.

Гидролизный лигнин получают в качестве остатка от гидролиза растительного сырья. Поэтому он неоднороден по размеру частиц и химическому составу.

Все доказательства ароматической природы лигнина условно можно подразделить на химические и физические. К химическим доказательствам относятся результаты определения элементного состава и получение из лигнинов и древесины мономерных ароматических продуктов деструкции.

Элементный состав препаратов лигнина не постоянен, причем он зависит не только от древесной породы, но и от метода выделения лигнина. Для лигнина характерны более высокая массовая доля углерода (около 60%), по сравнению с полисахаридами (44,4% у целлюлозы), и высокое значение отношения С:Н, типичное для ароматических соединений. В хвойных лигнинах массовая доля углерода (60...65%) выше, чем у лигнинов лиственных (55..60%), вследствие большего содержания в последних метоксильных групп и, следовательно, кислорода. При различных методах химической деструкции лигнина получены разнообразные мономерные ароматические соединения, например, ароматические альдегиды и кислоты при окислении, ароматические кетоны при этанолизе и ацидолизе, фенольные мономерные соединения при разложении металлическим натрием в жидком аммиаке, а при гидрогенолизе - производные циклогексана и циклогексанола.

К физическим доказательствам ароматической природы лигнина относятся: показатель преломления лигнина, типичный для ароматических соединений (около 1,6); максимумы поглощения в УФ - спектрах лигнина при длинах волн, соответствующих поглощению ароматических хромофоров, и полосы поглощения в ИК - спектрах лигнина, характерные для бензельного кольца. Поглощение УФ - излучения клеточными стенками древесины, послужившие доказательством наличия в ней ароматического природного лигнина, используется для изучения распределения лигнина в клеточных стенках.

Состав лигнинов иногда представляют в виде общих, или эмпирических формул, но поскольку любой препарат лигнина является смесью родственных по химическому строению полимерных соединений, общая формула служит лишь среднестатистической характеристикой. Общие формулы лигнина принято выражать в пересчете на одну ФПЕ (единицу С ) с выделением отдельно метоксильных групп. Например, для елового лигнина (ЛМР), по данным Бьеркмана, состав можно представить общей формулой С НО(ОСН ), а для березового ЛМР - С НО(ОСН ). Общие формулы зависят как от природы лигнина (древесной породы), так и от метода его выделения.

Все связи в лигнине подразделяют на две группы: кислород - углеродные (простые эфирные) связи С-О-С ; углерод - углеродные связи С-С. В лигнине возможны три типа соединения: «голова к хвосту» связь пропановой цепи с бензельным кольцом другой структурной единицы), “хвост к хвосту» (связь между бензельными кольцами), «голова к голове» (связь между пропановыми цепями).

Лигнин очень рано образуется в растительных клетках. В первые дни после отделения новой клетки ксилемы от камбиальной клеточная стенка ещё не содержит лигнина. Через сравнительно небольшой период времени клеточные стенки начинают давать качественные реакции на лигнин. Процесс лигнификации имеет большое значение для жизни дерева и сыграл важную роль в эволюции растений. Лигнин придает механическим волокнам и проводящим элементам растений, живущих на суше, необходимые жесткость и гидрофобность клеточных стенок. Благодаря лигнину и возникли на Земле древесные формы растений. В процессе образования лигнина одновременно возникают химические ковалентные и межмолекулярные, в том числе водородные, связи лигнина с углеводами - гемицеллюлозами, и таким образом строится лигнин - гемицеллюлозная матрица, в которой заключены микрофибриллы целлюлозы.

Лигнин чувствителен даже к сравнительно мягким обработкам. Поэтому он претерпевает значительные изменения при выделении.

1.4 Гемицеллюлоза

древесный целлюлоза ферментативный гидролиз

Гемицеллюлозы, полисахариды, содержащиеся наряду с целлюлозой и лигнином в клеточной стенке растений. Большинство гемицеллюлоз отличается от целлюлозы лучшей растворимостью в растворах щелочей и способностью легко гидролизоваться кипящими разбавленными минеральными кислотами. В растениях гемицеллюлозы служат опорным конструкционным материалом и, возможно, резервным питательным веществом. Содержание гемицеллюлоз в древесине и других растительных, материалах - соломе, шелухе семян, кукурузных кочерыжках и т.п. составляет 13-43%. Извлекают гемицеллюлозы обычно щелочными растворами непосредственно из растительных материалов или экстракцией диметилсульфоксидом из холоцеллюлозы (углеводного комплекса, остающегося после выделения из древесины лигнина). В последнем случае получается продукт, близкий по составу природному.

Макромолекулы гемицеллюлоз разветвлены и построены из пентоз (ксилозы, арабинозы) или гексоз (маннозы, галактозы, фруктозы); степень полимеризации 50-300; молекулярная масса значительно меньше, чем у целлюлозы. В древесине хвойных пород преобладают полисахариды, состоящие из гексоз (гексозаны, чаще глюко- и галактоглюкоманнаны), в лиственных - из пентоз-(пентозаны, преимущественно ксилан). Гемицеллюлозы лиственной древесины близки по составу гемицеллюлозам других растительных материалов.

Большая часть углеводов этой группы характеризуется меньшей по сравнению с целлюлозой устойчивостью к разбавленным кислотам. При нагревании с разбавленными щелочами гемицеллюлозы переходят из древесины в раствор; растворяются они и в холодной 4°/0 щелочи, но процесс идет медленнее. После извлечения гемицеллюлоз из древесины щелочью и осаждения из раствора спиртом, они становятся частично или даже полностью растворимыми в холодной или горячей воде.

Однако некоторую часть гемицеллюлоз очень трудно извлечь из древесины. Каким бы методом ни выделяли целлюлозу из древесины, в ней всегда содержится некоторое количество прочно связанных гемицеллюлоз. Таким образом, не все гемицеллюлозы легко гидролизуются; не все они легко и до конца извлекаются щелочью. Наиболее частыми спутниками древесной целлюлозы являются ксилан и маннан. В одной из сульфитных еловых целлюлоз, после ее полного гидролиза с помощью крепкой кислоты с последующей инверсией гидролизата, было найдено 13% гемицеллюлоз, в том числе 6% маннана, 4.5% ксилана и 2.5% фруктана (левулана). Прочно связанная часть гемицеллюлоз, остающаяся в сульфитной целлюлозе, оказывается так же устойчива к гидролизу разбавленными минеральными кислотами, как и сама целлюлоза. Причины того, что одна часть гемицеллюлоз способна легко удаляться из клеточных стенок, другая же оказывается более прочно связанной, исчерпывающе пока не разъяснены. Возможно, что часть гемицеллюлоз более доступна воздействию различных реагентов -- более открыта и легко переводится в раствор, тогда как другая часть, по-видимому, вследствие более глубокого залегания ее или другого коллоидно-химического состояния, лучше защищена, и действие реагентов оказывается недостаточным для того, чтобы перевести ее в раствор. Кроме того, степень полимеризации гемицеллюлоз значительно меньше, чем целлюлозы, и составляет в среднем 100--200. Если эти короткие цепочки гемицеллюлоз попадают в ориентированные участки целлюлозного волокна, то эта часть гемицеллюлоз оказывается трудно гидроли - зуемой. Легко гидролизуемы, по-видимому, те гемицеллюлозы, которые находятся либо отдельно от целлюлозы, либо в аморфной ее части. Трудно гидролизуемые гемицеллюлозы, прочно связанные с целлюлозой, получили название целлюлозанов. Целлюлозаны, как считают, состоят из коротких цепей гемицеллюлоз, совместно ориентированных с длинными цепями целлюлозы, в состав которых входят главным образом ксилан и маннан. При гидролизе древесины целлюлозаны могут гидролизоваться лишь совместно с целлюлозой, так как трудногидролизуемая целлюлоза защищает от гидролиза и цепи целлюлозанов.

1.5 Химический состав древесины

Дерево в процессе роста поглощает углекислоту из воздуха и воду из почвы с содержащимися в ней минеральными солями. Зеленые растения обладают способностью превращать энергию видимого света солнечных лучей в потенциальную химическую энергию органических соединений. В листьях деревьев, содержащих зеленый пигмент хлорофилл, идет процесс фотосинтеза, т. е. из углекислоты и воды при участии солнечного света образуется органическое вещество. При этом вырабатываются углеводы и другие химические соединения, которые, видоизменяясь, служат материалом для построения клеток древесины. Этот процесс сходен у всех древесных пород, поэтому органическая часть любой древесины содержит примерно постоянное количество углерода (49,5--51%), водорода (6,1--6,3%), азота (0,1%)) и кислорода (почти 44%).

Минеральная часть древесины -- зола составляет 0,3--1% от ее массы, а иногда и больше. В нерастворимой в воде части золы преобладают соединения кальция (углекислый кальций), а в растворимой -- соединения калия (углекислый калий, или поташ).

Содержание основных компонентов в древесине различных пород

Таблица 3

Порода	Вещества, растворимые в горячей воде	Смолы и жиры	Целлюлоза	Лигнин	Пентозаны (с уроиовыми кислотами)
Сосна	4,8	5,4	51,6	25,1	9,7
Ель	3,2	1,9	55,2	27,0	11,2
Пихта	3,0	2,8	50,7	29,3	7,9
Лиственница	12,8	2,4	51,6	24,3	10,3
Береза	2,2	1,2	50,3	19,5	26,4
Осина	3,0	1,5	49,2	22,6	22,7
Бук	1,4	0,9	49,6	21,8	25,6
Клен	1,4	1,6	48,0	23,1	25,0

Постоянством элементного состава объясняется одинаковая теплота сгорания единицы массы древесины разных пород и некоторые другие свойства. В то же время из одних и тех же исходных веществ в растущих деревьях различных пород образуется неодинаковое количество конечных соединений, входящих в состав клеточной стенки древесины. Поэтому химические свойства древесины различных пород неодинаковы.

Основными составными частями древесины любой породы являются целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин. В древесине также содержатся смолы и терпены, жиры, камеди, дубильные, красящие и другие вещества.

Между основными составными частями древесины, прежде всего между целлюлозой и лигнином, имеются химические связи. Однако химия древесины как наука в значительной степени основывается на исследованиях свойств и строения составных частей древесины по отдельности. В табл.3 приведен средний химический состав древесины разных пород.

Из таблицы 3 видно, что целлюлоза (клетчатка) составляет около половины массы древесины, лигнин -- одну пятую (или немного больше) в лиственных породах и свыше четверти в хвойных, и, наконец, пентозаны -- одну десятую в хвойных и четверть в лиственных.

Таким образом, главное отличие состава лиственных пород от хвойных заключается в несколько меньшем содержании целлюлозы и лигнина (а также гексозанов) и в значительно большем содержании пентозанов.



2. Ферментативный гидролиз

Гидролиз целлюлозы до глюкозы можно осуществить двумя способами: химическим и ферментативным.

Для практического использования процессов ферментативного гидролиза целлюлозосодержащего сырья необходимы получение высокоактивных ферментных препаратов, активация исходных субстратов, выбор оптимальных параметров процесса ферментации.

Последний метод имеет преимущество, заключающееся в использовании экологически чистых технологий, основанных на природных процессах и механизмах конверсии веществ ферментами микробного происхождения.

2.1 Механизм ферментативного гидролиза несколько сложнее химического, но позволяет селективно проводить гидролиз и в отличие от химического гидролиза не приводит к образованию целого ряда побочных продуктов и большого количества отходов

Ферментативная деструкция целлюлозы происходит, как правило, под действием не отдельных ферментов, а полиферментных систем (комплексов). Ферментам, входящим в состав этих систем, присуща определенная специализация: одни из них эффективно гидролизуют «внутренние» гликозидные связи между моносахаридными остатками, удаленными от концов полисахарида (их называют эндоферменты); другие предпочтительно расщепляют «внешние» гликозидные связи, находящиеся на концах полисахаридной молекулы (экзоферменты). Глюкозидазы осуществляют гидролиз гликозидных связей ди- и олигосахаридов.

...