ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЧ-ЭНЕРГИИ ДЛЯ ГИДРОЛИТИЧЕСКОЙ И БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ: ВОЗМОЖНОСТИ, СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ (ОБЗОР)

УДК 630*863

  • Болтовский Валерий Станиславович – доктор технических наук, доцент, профессор кафедры химической переработки древесины. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: v-boltovsky@rambler.ru

Ключевые слова: целлюлоза, растительное сырье, СВЧ-энергия, полисахариды, гидролиз, биоконверсия, белок, биоэтанол, пентозы, фурфурол.

Для цитирования: Болтовский, В. С. Использование СВЧ-энергии для гидролитической и биотехнологической переработки растительного сырья: возможности, состояние и перспективы : обзор / В. С. Болтовский // Труды БГТУ. Сер. 2, Химические технологии, биотехнологии, геоэкология. - Минск : БГТУ. 2020. - № 1 (229). - С. 82-92.

Аннотация

В статье приведен обзор литературы по изучению влияния электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона на целлюлозу и лигноцеллюлозную растительную биомассу и использованию СВЧ-энергии для гидролитической и биотехнологической переработки растительного сырья. Применение постоянно возобновляемой в процессе фотосинтеза растительной биомассы (фитомассы) взамен интенсивно сокращающихся запасов ископаемых видов органического сырья в настоящее время и на перспективу является актуальной задачей. Гидролитическая и биотехнологическая переработка растительного сырья обеспечивает получение этилового спирта, кормовых дрожжей, фурфурола, разнообразных фурановых производных на его основе, ксилита и других продуктов. Одним из перспективных способов повышения реакционной способности целлюлозы, эффективности процессов кислотного и ферментативного гидролиза, биоконверсии растительного сырья в биоэтанол и для обогащения его белком, дегидратации пентоз в гомогенных условиях в фурфурол является использование СВЧ-энергии.

Скачать

Список литературы

  1. Карливан В. Л. Древесина – перспективное органическое сырье будущего // Перспективы использования древесины в качестве органического сырья будущего. Рига: Зинатне, 1982. С. 5–16.
  2. Глубокая переработка биомассы и отходов сельскохозяйственного производства. Научный аналитический обзор / В. С. Тихонравов [и др.]. М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2014. 250 с.
  3. Болтовский В. С. Актуальные проблемы гидролизного производства и пути их решения // Труды БГТУ. Сер. 2, Химические технологии, биотехнология, геоэкология. 2017. № 2. С. 233–240.
  4. 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. Gurgel [et al.] // Ind. and Eng. Chem. Res. 2012. Vol. 51, no. 3. P. 1173–1185.
  5. Um Byung-Hwan, Bae Sung-Ho. Statistical methodology for optimizing the dilute acid hydrolysis of sugarcane bagasse // Korean J. Chem. Eng. 2011. Vol. 28, no. 5. P. 1172–1176.
  6. Моделирование кинетики процессов высокотемпературного гидролиза растительного сырья / И. В. Логинова [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. 2012. Т. 15, № 12. С. 102–104.
  7. Mc. Donald Armando G., Clark Tomas A. Characterization of oligosaccharides releazed by steam explosion of sulphar dioxide impregnated Pinus radiata // J. Wood Chem. and Technol. 1992. Vol. 12, no. 1. P. 55–78.
  8. Kupiainen L., Ahola J. Tanskanen Distinct effect of formic and sulfuric acids on cellulose hydrolysis at high temperature // Ind. and Eng. Chem. Res. 2012. Vol. 51, no. 8. P. 3295–3300.
  9. Dilute acid hydrolysis of Loblolly pine: a comprehensive approach / T. Marzialetti [et al.] // Ind. and Eng. Chem. Res. 2008. Vol. 47, no. 19. P. 7131–7140.
  10. Kim Tae Hyun. Sequential hydrolysis of hemicellulose and lignin in lignocellulosic biomass by two-stage percolation process using dilute sulfuric acid and ammonium hydroxide // Korean J. Chem. Eng. 2011. Vol. 28, no. 11. P. 2156–2162.
  11. Zhang Z., Liu B., Zhao (Kent) Z. Efficient acid-catalyzed hydrolysis of cellulose in organic electrolyte solution // Polym. Degrad. and Stab. 2012. Vol. 97, no. 4. P. 573–577.
  12. Direct hydrolysis of cellulose to glucose using ultra-high temperature and pressure steam explosion / Sasaki Chizuru [et al.] // Carbohydr. Polym.: Scientific and Technological Aspects of Indastrially Important Polysccarides. 2012. Vol. 89, no. 1. P. 293–301.
  13. Ефремов А. А., Кротова И. В. Комплексная переработка древесины методом взрывного автогидролиза // Сибирский химический журнал. 1992. № 6. С. 29–33.
  14. Калунянц К. А., Шаненко Е. Ф., Зайцева Л. В. Современные способы ферментативного гидролиза целлюлозосодержащих материалов // Итоги науки и техники. Сер. Химия и технология пищевых продуктов. 1981. Т. 1. С. 185.
  15. Лобанок А. Г., Бабицкая В. Г., Богдановская Ж. Н. Микробный синтез на основе целлюлозы. Белок и другие ценные продукты. Минск: Наука и техника, 1988. 261 с.
  16. Sohrabi Morteza, Movagharnejad Kamyar. Modeling the process of enzymatic hydrolysis of cellulosic waste materials to fermentable sugars in solid-liquid systems // 18 International Congress of Chemical and Process Engineering, Prague, 24–28 Aug., 2008. Prague, 2008. P. 2114–2115.
  17. Enzymatic hydrolysis of cellulose with different crystallinities studied by means of SEG-MALLS / V. Zhang [et al.] // Chin. J. Chem. Eng. 2011. Vol. 19, no. 5. P. 773–778.
  18. Иоелович М. Я. Изучение кинетики ферментативного гидролиза целлюлозных материалов // Химия растительного сырья. 2014. № 1. С. 61–64.
  19. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина (химия, ультраструктура, реакции). М.: Лесная пром-cть, 1988. 512 с.
  20. Коваленко В. И. Кристаллическая целлюлоза: структура и водородные связи // Успехи химии. 2010. Т. 79, № 3. С. 261–272.
  21. Синицын А. П., Леонова И. Л., Наджемин Б. Сравнительный анализ реакционной способности целлюлозосодержащего сырья по отношению к ферментативному // Прикладная биохимия и микробиология. 1986. Т. 22, вып. 4. С. 517–525.
  22. Голязимова О. В., Политов А. А., Ломовский О. И. Механическая активация ферментативного гидролиза лигноцеллюлозы // Химия растительного сырья. 2009. № 2. С. 59–63.
  23. Синицын А. П., Ковалев С. Р. Сравнительное изучение влияния различных методов предобработки на скорость ферментативного гидролиза природных целлюлозосодержащих материалов // Химия древесины. 1984. № 5. С. 60–71.
  24. Синицын А. П. Влияние физико-химических и структурных факторов целлюлозы на эффективность ее ферментативного гидролиза // Микробиология и биохимия разложения растительных материалов. М., 1988. С. 3–29.
  25. Improved enzymatic hydrolysis of rise strau using electron beam irradiation pretreatment / J. S. Bak [et al.] // Bioresour. Technol. 2009. Vol. 100, no. 3. P. 1285–1290.
  26. Enhanced enzymatic hydrolysis of poplar bark by combined use of gamma ray and dilute acid for bioethanol / Chung Byung Yeoup [et al.] // Radiat. Phys. and Chem. 2012. Vol. 81, no. 8. P. 1003–1007.
  27. Enhancement of cellulose hydrolysis in sugarcane bagasse by the selective removal of lignin with sodium chlorite / Siqueira Germano [et al.] // Appl. Energy. 2013. Vol. 102. P. 399–402.
  28. Improved enzyme efficiency of rapeseed straw through the two-stade fractionation process using sodium hydroxide and sulfuric acid / Choi Chang Ho [et al.] // Appl. Energy. 2013. Vol. 102. P. 640–646.
  29. Методы подготовки растительного сырья к биоконверсии в кормовые продукты и биоэтанол / В. И. Сушкова [и др.] // Химия растительного сырья. 2016. № 1. С. 93–119.
  30. СВЧ-энергетика: в 3 т. / под ред. Э. Окресса. М.: Мир, 1971. Т. 1: Генерирование. Передача. Выпрямление. 464 с.
  31. СВЧ-энергетика: в 3 т. / под ред. Э. Окресса. М.: Мир, 1971. Т. 2: Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности. 271 с.
  32. СВЧ-энергетика: в 3 т. / под ред. Э. Окресса. М.: Мир, 1971. Т. 3: Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике. 367 с.
  33. Рахманкулов Д. Л., Бикбулатов И. Х. Микроволновое излучение и интенсификация технологических процессов. М.: Химия, 2003. 220 с.
  34. Диденко А. Н., Зверев Б. В. СВЧ-энергетика. М.: Наука, 2012. 264 с.
  35. Торговников Г. И. Диэлектрические свойства древесины. М.: Лесная пром-сть, 1986. 128 с.
  36. Молодцова М. А., Севастьянова Ю. В. Возможности и перспективы использования микроволнового излучения в промышленности (обзор) // Лесной журнал. 2017. № 2. С. 173–187.
  37. Маркин В. И., Чепрасова М. Ю., Базарнова Н. Г. Основные направления использования микроволнового излучения при переработке растительного сырья (обзор) // Химия растительного сырья. 2014. № 4. С. 21–42.
  38. Кошиджима Т. Ферментативное осахаривание лигноцеллюлозы в производстве спирта // Кэмикару эндзиниярингу. 1989. Т. 34, № 12. С. 943–949.
  39. Saito Y., Sato M. Carbonaceous structural changes of wood induced by microwave irradiation // Holzforschung. 2012. Vol. 66, no. 1. P. 85–92.
  40. Chen Q., San K., Zhang C. Using microwaves to process biomass // Linchan huaxue yu gongye = Chem. and Ind. Forest Prod. 2012. Vol. 32. P. 43–46.
  41. Болтовский В. С. Теория и технология комплексной гидролитической переработки растительной биомассы. Минск: БГТУ, 2014. 267 с.
  42. Молодцова М. А., Севастьянова Ю. В., Ладесов А. В. Исследование влияния электромагнитного сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения в процессах отбелки растительного сырья на изменение кристаллической структуры целлюлозы // Физикохимия растительных полимеров: материалы VII Междунар. конф., Архангельск, 3–6 июля 2017 г. / Северный (Арктический) федер. ун-т им. М. В. Ломоносова; под ред. К. Г. Боголицина. Архангельск, 2017. С. 155–159.
  43. Boltovskii V. S., Gal’perin A. S., Tsedrik T. P. Effect of preliminary treаtment in an electromagnetic field of microwave frequencies on efficience of hydrolytic destruction of polysaccharides of wood and cellolignin // Hydrolysis and Wood Chemistry. 1993. No. 1. Р. 7–16.
  44. Болтовский В. С. Комплексная гидролитическая и микробиологическая переработка растительной биомассы с использованием энергии сверхвысоких частот и ферментативных процессов: дис. … д-ра техн. наук: 05.21.03. Минск, 2012. 230 л.
  45. Болтовский В. С., Некрасов В. Д., Цедрик Т. П. Кинетические закономерности процесса термодеструкции целлюлозы в электромагнитном поле СВЧ // Разработка импортозамещающих технологий и материалов в химико-лесном комплексе: материалы Междунар. науч.-техн. конф., Минск, 27–28 окт. 1997 г. / Белорус. гос. технол. ун-т; редкол.: Н. И. Воробьев [и др.]. Минск, 1997. С. 223–226.
  46. Изучение влияния СВЧ-воздействия на микрокристаллическую целлюлозу / Д. В. Некрасов [и др.] // Труды БГТУ. Сер. III, Химия и химическая технология. 1996. Вып. IV. C. 33–36.
  47. Некрасов Д. В., Болтовский В. С., Цедрик Т. П. Термодеструкция микрокристаллической целлюлозы в электромагнитном поле СВЧ // Труды БГТУ. Сер. III, Химия и химическая технология. 1996. Вып. IV. C. 3–6.
  48. Якобсон М. К., Эриньщ П. П. Температурные переходы целлюлозы // Химия древесины. 1981. № 3. C. 3–20.
  49. Болтовский В. С., Цедрик Т. П., Некрасов Д. В. Структурные превращения целлюлозы под действием электромагнитного поля СВЧ // Труды БГТУ. Сер. III, Химия и химическая технология. 1997. Вып. V. C. 82–86.
  50. Magara K., Azuma J., Koshijima T. Microwave irradiation of lignocellulosic materials. X. Conversion of microwave irradiated agricultural wastes into ethanol // Wood Res. 1989. No. 76. P. 1–9.
  51. Магара К. Облучение лигноцеллюлозных материалов в микроволновом поле. IX. Конверсия облученной лигноцеллюлозы в этанол // J. Jap. Wood Res. 1988. Vol. 34, no. 5. Р. 462–468.
  52. Способ получения раствора лигноцеллюлозного материала с помощью микроволновой обработки: пат. 2-209901 Япония, МКИ5 С 08 В 1/00, С 07 G1/00. № 1-29757; заявл. 10.02.1989; опубл. 21.08.1990 // Коккай токке кохо. Сер. 3 (3). 1990. № 94. С. 1–7.
  53. Azuma J., Koshijima T. Enzimatic saccarification of woody plant. II. Synergistic effects on enzimatic saccarification // Wood Res. 1984. No. 70. P. 17–24.
  54. Болтовский В. С., Гальперин А. С., Безъязычная А. В. Повышение эффективности биоконверсии древесины путем ее предварительной обработки в электромагнитном поле сверхвысоких частот // Химия древесины. 1991. № 6. С. 57–61.
  55. Болтовский В. С., Цедрик Т. П. Повышение эффективности биоконверсии отходов деревообработки // Деревообрабатывающая промышленность. 1996. № 3. С. 29–31.
  56. Болтовский В. С. Повышение эффективности гидролитической переработки растительного сырья с использованием СВЧ-энергии // Химия и химическая технология переработки растительного сырья: материалы Междунар. науч.-техн. конфер., посвященной 100-летию со Дня рождения В. М. Резникова. Минск, 10–12 окт. 2018 г. / Белорус. гос. технол. ун-т. Минск, 2018. С. 23–27.
  57. Boltovskii V. S., Gal’perin A. S. Hydrolytic destruction of wood polysaccaharides in a microwave field // Hydrolysis and Wood Chemistry. 1993. No. 5. P. 14–18.
  58. Некрасов Д. В., Цедрик Т. П., Болтовский В. С. Гидролитическая деструкция полисахаридов в электромагнитном поле сверхвысоких частот // Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Сер. хім. навук. 1995. № 3. С. 54–57.
  59. Кислотная предобработка стеблей кукурузы, усиленная микроволновым воздействием в процессе этанологенеза / Li Jing [et al.] // Nongye gongcheng huebao = Nrans. Chin. Soc. Arg. Eng. 2007. Vol. 23, no. 6. P. 199–202.
  60. Перспективы использования микроволнового излучения в процессе переработки целлюлозосодержащего сырья / И. В. Кисурин [и др.] // Башк. хим. журн. 2010. Т. 17, № 3. С. 167–170.
  61. Микроволновая интенсификация процесса гидролиза целлюлозосодержащего сырья для производства этанола / А. В. Савин [и др.] // Башк. хим. журн. 2011. Т. 18, № 4. С. 214–218.
  62. Мельников Н. П., Цирлин Ю. А. Получение фурфурола из пентозных растворов // Сб. тр. ВНИИГС. 1959. Т. 7. С. 84–96.
  63. Цирлин Ю. А. Дегидратация пентозных гидролизатов с получением фурфурола // Гидролизная и лесохимическая промышленность. 1991. № 4. С. 12–14.
  64. Остроух О. В., Болтовский В. С., Цедрик Т. П. Влияние сверхвысоких частот на образование фурфурола из ксилозы // Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Сер. хім. навук. 2002. № 1. С. 59–61.
  65. Способ получения фурфурола: пат. 3346 Респ. Беларусь, МПК С 07 D 307/48. № 970377; заявл. 11.07.1997; опубл. 20.12.1999 // Афiцыйны бюл. 2000. № 2. C. 108.
  66. Способ получения фурфурола дегидратацией пентозных гидролизатов: пат. 6997 Респ. Беларусь, МПК С 07 D 307/50. № а20001157; заявл. 26.12.2000; опубл. 27.12.2004 // Афiцыйны бюл. 2005. № 2. C. 166.
Поступила 17.09.2019