Роль предгидролизного размола при получении микрокристаллической целлюлозы: на примере образцов биоповрежденной древесины Picea abies, Larix sibirica и Populus tremula
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Способность размалывающего оборудования при производстве микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) разделять растительные полимеры на волокна, измельчать и развивать у них определенные свойства можно использовать в случае невозможности минимизировать концентрацию кислоты. Для получения микрокристаллической целлюлозы использовались образцы (N = 6) сухостойной древесины Picea abies (L.) H.KARST., Larix sibirica LEDEB., Populus tremula L. Варка образцов проводилась в лабораторном автоклаве, предгидролизный размол – в центробежном размалывающем аппарате при концентрации волокнистой массы 6 % и варьировании степени помола от 15 до 85 градусов Шоппер Риглера (°ШР). Химическая обработка образцов целлюлозы при разной степени помола проводилась при варьировании температуры гидролиза от 80 до 100 °С, концентрации соляной кислоты от 54.75 до 91.25 г/л, времени гидролитической деструкции от 60 до 120 мин. Зависимости степени полимеризации (R2 = 0.93) и степени кристалличности (R2 = 0.99) от этих факторов аппроксимированы уравнениями регрессии второго порядка и визуализированы в виде трехмерных поверхностей отклика. Оптимальные значения переменных факторов гидролиза: концентрация соляной кислоты – 54.75 г/л, время гидролитической деструкции – 60 мин, температура гидролиза – 80 °С, степень помола – 85 °ШР. Наибольшее влияние на количественные значения степени полимеризации и степени кристалличности оказывает степень помола волокнистой массы, наименьшее – температура гидролиза. С увеличением степени помола значительное, в 2,7 раза, снижение степени полимеризации происходит у образцов МКЦ из древесины P. abies и P. tremula. Увеличение показателей степени кристалличности (17%) и насыпной плотности (20 %) в большей степени наблюдается у образцов МКЦ из древесины P. abies и L. sibirica. Использование предгидролизного размола целлюлозы в процессе получения МКЦ позволяет сократить расходы на проведение химической обработки в 1,7 раза.

Ключевые слова:
микрокристаллическая целлюлоза, Picea abies (L.) H.KARST., Larix sibirica LEDEB., Populus tremula L., предгидролизный размол, степень полимеризации, степень кристалличности
Список литературы

1. Биоразлагаемые материалы на основе растительных полисахаридов для упаковки пищевых продуктов. Часть 1 / И. Ю. Потороко, А. В. Малинин, А. В. Цатуров, Удей Багале // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии. 2020; № 2: С. 21-28. – DOI: http://doi.org/10.14529/food200203. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42951866.

2. Вшивков, С. А. Реологические свойства жидкокристаллических растворов производных целлюлозы / С. А. Вшивков, Е. В. Русинова, А. С. А. Салех // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2021; № 4: С. 243-248. – DOIhttps://doi.org/10.31857/S2308112021040088. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=45795102.

3. Tan W. Y., Gopinath S. C. B., Anbu P., Velusamy P., Gunny A. A. N., Chen Y., Subramaniam S. Generation of microcrystalline cellulose from cotton waste and its properties // BioResources. 2023; 8(3): 4884-4896. DOI: http://doi.org/10.15376/biores.18.3.4884-4896.

4. García Hernández M. A., Marure A. L., Neira Velázquez M. G., Mariano Torres J. A., Galvan A. A. Microcrystalline cellulose isolation – Proposed mechanism: Enhanced coupling // BioResources. 2023; 18(1): 1788-1802. DOI: http://doi.org/0.15376/biores.18.1.1788-1802.

5. Мартакова, Ю. В. Гидрогели на основе растительных целлюлоз и их композиты с наночастицами серебра : дис. ... канд. хим. наук : 02.00.06 / Мартакова Юлия Владимировна. – Ин-т высокомолекуляр. соединений. - Сыктывкар, 2018. - 153 с. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=54451226.

6. Момзякова, К. С. Совершенствование технологии получения целлюлозы из травянистых растений : дис. … канд. техн. наук: 05.17.06 / Момзякова Ксения Сергеевна. – Казань, 2021. – 150 с. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=54419808.

7. Влияние ножевого способа размола волокнистой массы на процесс получения порошковой целлюлозы / Ю. Д. Алашкевич, Л. В. Юртаева, Н. С. Решетова, Р. А. Марченко // Химия растительного сырья. 2020; № 4: С. 493-499. – DOI: http://doi.org/10.14258/jcprm.2020048121. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/vmyzac.

8. Переработка поврежденной древесины как фактор рационального использования природных ресурсов / Е. Р. Колосова, В. А. Патраков, Е. В. Каплев, Д. С. Таразеев // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки : сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (с Международным участием), Красноярск, 21–22 апреля 2022 года. – Красноярск: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева", 2022; 194-196. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49759509.

9. Малова, А. С. Использование порошковых целлюлозных материалов в производстве бумаги и картона / А. С. Малова, В. Н. Сунайт // Современная целлюлозно-бумажная промышленность. Актуальные задачи и перспективные решения : Материалы II Международной научно-технической конференции молодых учёных и специалистов ЦБП, Санкт-Петербург, 23 ноября 2020 года. Том I. – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, 2020; 46-51. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46185815.

10. Queiroz A. L. P., Kerins B. M., Yadav J. et al. Investigating microcrystalline cellulose crystallinity using Raman spectroscopy. Cellulose. 2021; № 28: 8971–8985. https://doi.org/10.1007/s10570-021-04093-1.

11. Hermawan, D., Lai, T. K., Jafarzadeh, S. J., Gopakumar, D. A., Hasan, M., Owolabi, F. A. T., Sri Aprilia, N. A., Rizal, S., and Abdul Khalil, H. P. S. Development of seaweed-based bamboo microcrystalline cellulose films intended for sustainable food packaging applications. BioRes. 2019; 14 (2): 3389-3410. DOI: http://doi.org/10.15376/biores.14.2.3389-3410.

12. Hou, W., Ling, C., Shi, S., and Yan, Z. Preparation and characterization of microcrystalline cellulose from waste cotton fabrics by using phosphotungstic acid // Int. J. Biol. Macromol. 2019; № 123: 363-368. DOI: http://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.11.112.

13. Kale, R. D., Bansal, P. S., and Gorade, V. G. Extraction of microcrystalline cellulose from cotton sliver and its comparison with commercial microcrystalline cellulose, J. Polym. Environ. 2018; № 26: 355-364. DOI: http://doi.org/10.1007/S10924-017-0936-2.

14. Болтовский, В. С. Способы получения микрокристаллической целлюлозы / В. С. Болтовский // Труды БГТУ. Серия 2: Химические технологии, биотехнология, геоэкология. 2021; № 1(241): С. 40-50. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44888935.

15. Топтунов, Е. А., Севастьянова, Ю. В. Порошковые целлюлозные материалы: обзор, классификация, характеристики и области применения // Химия растительного сырья. 2021; № 4: С. 31-45. DOI: http://doi.org/10.14258/jcprm.2021049186. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=47446186.

16. Vanhatalo, K. A new manufacturing process for microcrystalline cellulose (MCC): A doctoral dissertation for the degree of Doctor of Science (Technology). Helsinki, 2019. 73 p. DOI: http://doi.org/10.1134/S1070427209030276.

17. Barud, H, Silva R, Barud H, Tercjak A, Guttierez J, Lustri W, et al. A multipurpose natural and renewable polymer in medical applications: Bacterial cellulose. Carbohydrate Polymers. 2018; № 153: 406-420. DOI: http://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.07.059.

18. Ilyas, R.A., Sapuan S.M., Ishak M.R., Zainudin E.S., Atikah M.S. Characterization of sugar palm nanocellulose and its potential for reinforcement with a starch-based composite. In: Sugar Palm Biofibers, Biopolymers, and Biocomposites. 1st ed. Boca Raton, FL: CRC Press/Taylor & Francis Group; 2018; №1: pp. 189-220. DOI: http://doi.org/10.1201/9780429443923-10.

19. Делигнификация растительного сырья под воздействием микроволнового излучения. Ик-спектры и индексы упорядоченности целлюлозы / Е. Ю. Кушнир, А. Г. Шахова, Н. Г. Базарнова [и др.] // Химия растительного сырья. 2020; № 4: С. 101-107. – DOI: http://doi.org/10.14258/jcprm.2020048962. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44529529.

20. Получение микрокристаллической целлюлозы из древесины осины под воздействием микроволнового излучения / Т. С. Геньш, Е. Ю. Кушнир, П. В. Колосов, К. В. Геньш // Мой выбор - наука! : сборник материалов VI Региональной молодежной конференции, XLVI научной конференции студентов, магистрантов, аспирантов и учащихся лицейных классов, Барнаул, 17–27 апреля 2019 года. – Барнаул: Алтайский государственный университет. 2020; С. 1256-1261. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=43841476.

21. Получение гидролизованной целлюлозы из древесины осины и сосны под воздействием микроволнового излучения / Е. Ю. Кушнир, Н. Г. Базарнова, Т. С. Геньш, К. В. Геньш // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья : Матер. VIII Всерос. конференции с международным участием, Барнаул, 05–09 октября 2020 года / под ред. Н. Г. Базарновой, В. И. Маркина. – Барнаул: Алтайский государственный университет. 2020; С. 43-45. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44188333.

22. Сравнительные исследования физико-химических свойств и структуры хлопковой целлюлозы и ее модифицированных форм / А. А. Атаханов, Б. Мамадиеров, М. Кузиева [и др.] // Химия растительного сырья. 2019; № 3: С. 5-13. – DOI: http://doi.org/10.14258/jcprm.2019034554. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41311613.

23. Патент № 2804640 C2 Российская Федерация, МПК C08B 15/02. Способ непрерывного получения микрокристаллической целлюлозы : № 2022106827 : заявл. 15.03.2022 : опубл. 03.10.2023 / А. И. Сизов, А. А. Добровольский, А. В. Мухамедшин, С. Д. Пименов ; заявитель Общество с ограниченной ответственностью "Кристацел". – 7 с. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=54674742.

24. Получение порошковой микрокристаллической целлюлозы из древесной целлюлозы и исследование ее свойств / О. А. Носкова, Ф. Х. Хакимова, Р. Р. Хакимов, Е. А. Катаев // Наука и технологии: модернизация, инновации, прогресс : Сборник научных трудов по материалам X Международной научно-практической конференции, Анапа, 27 декабря 2022 года. – Анапа: Общество с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский центр экономических и социальных процессов» в Южном Федеральном округе. 2022; С. 62-67. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=50338313.

25. Каплев, Е. В. Способы получения порошковых целлюлозных материалов / Е. В. Каплев, Л. В. Юртаева // Состояние окружающей среды, проблемы экологии и пути их решения : Материалы Всероссийской научно-практической конференции, Усть-Илимск, 20–21 декабря 2021 года. – Иркутск: Байкальский государственный университет. 2022; с. 79-85. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48215448.

26. Влияние ножевого и безножевого способов размола на волокнистый материал / А. В. Гончаров, О. Н. Федорова, Р. А. Марченко, Ю. Д. Алашкевич // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения : Сборник матер. по итогам Всерос. науч.-практ. конференции, Красноярск, 02–04 сентября 2019 года. – Красноярск, 2019. – С. 315-317. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41219738.

27. Марченко, Р. А. Безножевая обработка вторичного волокнистого сырья в ЦБП / Р. А. Марченко, В. И. Шуркина, А. А. Муравицкая // Решетневские чтения : Материалы XXIII Международной научно-практической конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева. В 2-х частях, Красноярск, 11–15 ноября 2019 года / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. Ч. 2. – Красноярск, 2019. – С. 98-99. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41824511.

28. Получение аналитической зависимости прочностных свойств бумаги от бумагообразующих показателей волокнистой массы / Л. В. Юртаева, Н. С. Решетова, Ю. Д. Алашкевич [и др.] // Химия растительного сырья. 2020; № 4: с. 501-509. – DOI: http://doi.org/10.14258/jcprm.2020048583. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44529573.

29. Каплев, Е. В. Влияние режима размола на физико-механические свойства сульфатной беленой целлюлозы / Е. В. Каплев, Л. В. Юртаева, Ю. Д. Алашкевич // Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов : Матер. V Междунар. науч.-техн. конференции, посвященной памяти профессора В.И. Комарова, Архангельск, 11–14 сентября 2019 года. – Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова. 2019; с. 87-92. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42408660.

30. Размол лиственной целлюлозы с использованием гарнитуры с криволинейной формой ножей / Е. М. Батракевич, В. И. Шуркина, Р. А. Марченко, Н. Е. Шумарина // Решетневские чтения : Материалы XXV Международной научно-практической конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева. В 2-х частях, Красноярск, 10–12 ноября 2021 года / Под общей редакцией Ю.Ю. Логинова. Ч. 2. – Красноярск, 2021. – С. 88-89. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=47712294.

31. Воронин, И. А. Механизм размола на ножевом центробежно-размалывающем аппарате / И. А. Воронин, Ю. Д. Алашкевич, В. А. Кожухов // Химия растительного сырья. 2020; № 4: С. 485-492. – DOI: http://doi.org/10.14258/jcprm.2020048164. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44529571.

32. Влияние размола однолетних растительных полимеров на процесс получения мелкодисперсной целлюлозы / Л. В. Юртаева, Ю. Д. Алашкевич, Е. В. Каплев, Е. А. Слизикова // Хвойные бореальной зоны. 2023; № 4: 361-368. – DOI: http://doi.org/10.53374/1993-0135-2023-4-361-368. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=54398267.

33. Патент № 2803626 C1 Российская Федерация, МПК D21C 1/04. Способ получения микрокристаллической целлюлозы : № 2023103933 : заявл. 20.02.2023 : опубл. 18.09.2023 / Ю. Д. Алашкевич, В. И. Ковалев, Л. В. Юртаева, Е. В. Каплёв, Е. А. Слизикова; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнёва". – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=54659924.


Войти или Создать
* Забыли пароль?