ispltaИзвестия Санкт-Петербургской лесотехнической академииIzvestia Sankt-Peterburgskoj lesotehniceskoj akademii2079-43042658-5871СПбГЛТУ10.21266/2079-4304.2024.249.297-309isplta-341Research ArticleХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ. БИОТЕХНОЛОГИЯCHEMICAL TECHNOLOGY OF WOOD. BIO TECHNOLOGYПолучение микрокристаллической целлюлозы из тресты технической коноплиPreparation of microcrystalline cellulose from industrial hemp trustsАлександровА. А.AleksandrovA. A.

Александров Александр Анатольевич - заведующий лабораторией КНИТУ.

420015, ул. К. Маркса, д. 68, Казань, Республика Татарстан

Alexander A. Alexandrov - Head of the Laboratory of the Kazan National Research Technological University.

K. Marksa str. 68, Kazan, Republic of Tatarstan, 420015

alexananat@gmail.comМомзяковаК. С.MomzyakovaK. S.

Момзякова Ксения Сергеевна - лаборант КНИТУ, кандидат технических наук.

420015, ул. К. Маркса, д. 68, Казань, Республика Татарстан

Ksenia S. Momzyakova - PhD (Technical), Laboratory Assistant at Kazan National Research Technological University.

K. Marksa str. 68, Kazan, Republic of Tatarstan, 420015

ksunya-fadeeva@yandex.ruДебердеевТ. Р.DeberdeevT. R.

Дебердеев Тимур Рустамович - профессор КНИТУ, доктор технических наук.

420015, ул. К. Маркса, д. 68, Казань, Республика Татарстан

Timur R. Deberdeev - DSc (Technical), Professor of the Kazan National Research Technological University.

K. Marksa str. 68, Kazan, Republic of Tatarstan, 420015

deberdeev@mail.ruКанарскийА. В.KanarskyA. V.

Канарский Альберт Владимирович - профессор КНИТУ, доктор технических наук.

420015, ул. К. Маркса, д. 68, Казань, Республика Татарстан

Albert V. Kanarsky - DSc (Technical), Professor at Kazan National Research Technological University.

K. Marksa str. 68, Kazan, Republic of Tatarstan, 420015

alb46@mail.ruДебердеевР. Я.DeberdeevR. Ya.

Дебердеев Рустам Якубович - профессор КНИТУ, доктор технических наук.

420015, ул. К. Маркса, д. 68, Казань, Республика Татарстан

Rustam Y. Deberdeev - DSc (Technical), Professor of the Kazan National Research Technological University.

K. Marksa str. 68. Kazan. Republic of Tatarstan, 420015

rudeberdeev@rambler.ruЯмашевТ. А.YamashevT. A.

Ямашев Тимур Анварович - доцент КНИТУ, кандидат технических наук.

420015, ул. К. Маркса, д. 68, Казань, Республика Татарстан

Timur A. Yamashev - PhD (Technical), Associate Professor of Kazan National Research Technological University, Candidate of Technical Sciences.

K. Marksa str. 68, Kazan, Republic of Tatarstan, 420015

yamashev555@mail.ruКанарскаяЗ. А.KanarskayaZ. A.

Канарская Зося Альбертовна - доцент КНИТУ, кандидат технических наук.

420015, ул. К. Маркса, д. 68, Казань, Республика Татарстан

Zosya A. Kanarskaya - PhD (Technical), Associate Professor of Kazan National Research Technological University.

K. Marksa str. 68, Kazan, Republic of Tatarstan, 420015

zosya_kanarskaya@mail.ruКазанский национальный исследовательский технологический университетРоссияKazan National Research Technological UniversityRussian Federation2024090820240249297309Copyright © Александров А.А., Момзякова К.С., Дебердеев Т.Р., Канарский А.В., Дебердеев Р.Я., Ямашев Т.А., Канарская З.А., 20242024Александров А.А., Момзякова К.С., Дебердеев Т.Р., Канарский А.В., Дебердеев Р.Я., Ямашев Т.А., Канарская З.А.Aleksandrov A.A., Momzyakova K.S., Deberdeev T.R., Kanarsky A.V., Deberdeev R.Y., Yamashev T.A., Kanarskaya Z.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestiya-lta.spbftu.ru/jour/article/view/341

Получение микрокристаллической целлюлозы (МКЦ), как одного из широко востребованных продуктов переработки целлюлозы, из альтернативных источников целлюлозосодержащего сырья является актуальнейшей задачей на сегодняшний день. В качестве альтернативного источника микрокристаллической целлюлозы рассматривается техническая конопля, которая имеет ряд преимуществ по сравнению с другим растительным сырьем, таких как большой объём ежегодного воспроизведения биомассы; невысокие затраты на её возделывание; высокая урожайность по стеблю; содержание лигнина значительно ниже по сравнению с древесиной; упрощённая делигнификация. Техническая конопля перед началом варки размалывалась до размеров 10-20 мм. Из-за высокого содержания костры в размолотой технической конопле разработан многостадийный технологический режим получения микрокристаллической целлюлозы. Многостадийный технологический режим получения микрокристаллической целлюлозы состоит из предгидролиза (натронной варки), пероксидно-молибдатной делигнификации, кислотного гидролиза и отбелки. Натронная варка, по сравнению с сульфатной или сульфитной варкой, обусловлена экологичностью из-за отсутствия соединений серы. Пероксидно-молибдатная делигнификация выбрана из-за более полного удаления остаточного лигнина из растительного сырья. Гидролиз полученного полупродукта минеральными кислотами обусловлен тем, что это самый распространенный и доступный способ получения микрокристаллической целлюлозы. Отбелка необходима для придания окончательных свойств, так как полученная МКЦ представляет собой мелкодисперсные частицы кремового цвета. Применение раствора серной кислоты для кислотного гидролиза тресты технической конопли по предлагаемой технологической схеме получения МКЦ приводит к уменьшению степени полимеризации на 55-60 единиц по сравнению с применением раствора соляной кислоты при этой же технологической схеме получения МКЦ. Микрокристаллическая целлюлоза из тресты технической конопли, полученная с использованием более высоких температур при натронной варке, при одинаковых режимах на других стадиях характеризуется более низкой белизной, из чего следует, что более оптимальным технологическим режимом получения МКЦ из тресты технической конопли является применение низкотемпературной натронной варки при начальной стадии.

The production of microcrystalline cellulose (MCC), as one of the widely popular products of cellulose processing, from alternative sources of cellulose-containing raw materials is a pressing task today. Industrial hemp is considered as an alternative source of microcrystalline cellulose, which has a number of advantages compared to other plant raw materials, such as a large volume of annual biomass reproduction; low costs for its cultivation; high yield per stem; lignin content is significantly lower compared to wood; simplified delignification. Before cooking, industrial hemp was ground to a size of 10-20 mm. Due to the high content of buds in ground industrial hemp, a multi-stage technological regime for the production of microcrystalline cellulose has been developed. The multi-stage technological regime for the production of microcrystalline cellulose consists of pre-hydrolysis (sodium cooking), peroxide-molybdate delignification, acid hydrolysis and bleaching. Soda cooking, compared to sulfate or sulfite cooking, is environmentally friendly due to the absence of sulfur compounds. Peroxide-molybdate delignification was chosen due to the more complete removal of residual lignin from plant materials. Hydrolysis of the resulting intermediate product with mineral acids is due to the fact that this is the most common and accessible method for producing microcrystalline cellulose. Bleaching is necessary to impart final properties, since the resulting MCC is fine, cream-colored particles. The use of a sulfuric acid solution for the acid hydrolysis of industrial hemp trusts according to the proposed technological scheme for the production of MCC leads to a decrease in the degree of polymerization by 55-60 units than the use of a hydrochloric acid solution with the same technological scheme for the production of MCC. Microcrystalline cellulose from industrial hemp trust, obtained using higher temperatures during soda cooking, under the same conditions at other stages is characterized by lower whiteness, which means that the more optimal technological mode for obtaining MCC from industrial hemp trust is the use of low-temperature soda cooking at the initial stages.

целлюлозамикрокристаллическая целлюлозатехническая конопляваркаделигнификацияcellulosemicrocrystalline celluloseindustrial hempcookingdelignificationReferencesАлександров А.А., Валишина З.Т., Момзякова К.С., Дебердеев Т.Р., Ямашев Т.А., Канарский А.В., Дебердеев Р.Я. Сравнительный анализ способов получения целлюлозы из конопляного волокна и оценка ее качества // Вестник Технологического университета. 2021. Т. 24. № 8. С. 42-45.Akhmetshin I.R. Preparation of microcrystalline cellulose from lignocellulose material activated by steam explosion treatment: abstract of the dissertation for the degree of candidate of technical sciences / KNRTU. Kazan. 2018. 16 p. (In Russ.)Александров А.А., Печеный Е.А., Нуриев Н.К., Момзякова К.С., Дебердеев Р.Я., Валишина З.Т. Оптимизация фазы делигнификации при выделении целлюлозы из тресты конопли натронным способом // Вестник Технологического университета. 2020. Т. 23. № 11. С. 34-37.Aleksandrov A.A., Pechenyi E.A., Nuriev N.K., Momzyakova K.S., Deberdeev R.Ya., Valishina Z.T. Optimization of the delignification phase when isolating cellulose from hemp trust using the soda method. Bulletin of the Technological University, 2020, vol. 23, no. 11, pp. 34-37. (In Russ.)Атаханов А.А. Получение, структура, свойства и технология производства хлопковой микрокристаллической и наноцеллюлозы: автореф. дисс. ... канд. хим. наук. Ташкент. 2016. 32 с.Aleksandrov A.A., Valishina Z.T., Momzyakova K.S., Deberdeev T.R., Yamashev T.A., Kanarsky A.V., Deberdeev R.Ya. Comparative analysis of methods for producing cellulose from hemp fiber and assessment of its quality. Bulletin of the Technological University, 2021, vol. 24, no. 8, pp. 42-45. (In Russ.)Аутлов С.А., Базарнова Н.Г., Кушнир Е.Ю. Микрокристаллическая целлюлоза: структура, свойства и области применения (обзор) // Химия растительного сырья. 2013. № 3. С. 33-41.Atakhanov A.A. Preparation, structure, properties and production technology of cotton microcrystalline and nanocellulose: abstract of the dissertation for the degree of candidate of chemical sciences. Tashkent. 2016. 32 p. (In Russ.)Ахметшин И.Р. Получение микрокристаллической целлюлозы из лигноцеллюлозного материала, активированного паровзрывной обработкой: автореф. дисс. ... канд. техн. наук / КНИТУ. Казань, 2018. 16 с.Boltovsky V.S. Application of the autohydrolysis-explosion method in the processing of plant biomass. Proceedings of BSTU, series 2, 2021, 1, рр. 40-50. (In Russ.)Болтовский В.С. Применение метода автогидролиза-взрыва при переработке растительной биомассы // Труды БГТУ серия 2. 2021. 1. С. 40-50.Denisova M.N., Kukhlenko A.A., Pavlov I.N. Study of the influence of hydrotropic delignification parameters on the physicochemical characteristics of cellulose from oat husks. Polzunovsky Bulletin, 2017, no. 2, рр. 95-98. (In Russ.)Валишина З.Т., Александров А.А., Матухин Е.Л., Храмова Е.В., Косточко А.В. Целлюлоза на основе альтернативных источников отечественного сырья: целлюлоза из пенькового волокна // Вестник Технологического университета. 2015. Т. 18. № 2. С. 259-262.Dufresne A. Nanocellulose from nature to High Performance Tailored Materials. Berlin, 2012. 477 p.Вураско А.В., Минакова А.Р., Дрикер Б.Н., Сиваков В.П., Косачева А.М. Технология получения целлюлозы из недревесного растительного сырья // Химия растительного сырья. 2010. № 2. С. 165-168.Kushnir E.Yu., Outlov S.A., Bazarnova N.G. Preparation of MCC directly from wood under the influence of microwave radiation. Chemistry of plant raw materials, 2014, no. 2, pp. 41-45. (In Russ.)Денисова М.Н., Кухленко А.А., Павлов И.Н. Исследование влияния параметров гидротропной делигнификации на физико-химические характеристики целлюлозы из шелухи овса // Ползуновский вестник. 2017. № 2. С. 95-98.Marchenko G.N., Nugmanov O.K., Shakirov R.I., Deberdeev R.Ya. Structural and chemical properties of cellulose and its analogues. New sources of raw materials, methods of their processing. Kazan: Print-Service-XXI century, 2017. 293 p. (In Russ.)Кушнир Е.Ю., Аутлов С.А., Базарнова Н.Г. Получение МКЦ непосредственно из древесины под воздействием микроволнового излучения // Химия растительного сырья. 2014. № 2. С. 41-45.Momzyakova K.S., Deberdeev T.R., Aleksandrov A.A., Pecheny E.A., Nuriev N.K., Yamashev T.A., Kanarsky A.V., Deberdeev R.Ya. Controlling the brightness of grass pulp at the stage of its bleaching. Bulletin of the Technological University, 2021, vol. 24, no. 2, pp. 49-55. (In Russ.)Марченко Г.Н., Нугманов О.К., Шакиров Р.И., Дебердеев Р.Я. Структурно-химические свойства целлюлозы и её аналогов. Новые источники сырья, методы их переработки. Казань: Печать-Сервис-XXI век, 2017. 293 с.Momzyakova K.S., Deberdeev T.R., Valishina Z.T., Shinkarev A.A., Deberdeev R.Ya., Ibragimov A.V. Preparation, structure, properties of microcrystalline and nanocellulose from cotton. Chemical industry, 2019, no. 6, pp. 22-26. (In Russ.)Момзякова К.С., Дебердеев Т.Р., Александров А.А., Печеный Е.А., Нуриев Н.К., Ямашев Т.А., Канарский А.В., Дебердеев Р.Я. Управление яркостью травянистой целлюлозы на стадии её отбелки // Вестник Технологического университета. 2021. Т. 24. № 2. С. 49-55.Outlov S.A., Bazarnova N.G., Kushnir E.Yu. Microcrystalline cellulose: structure, properties and applications. (review) Chemistry of plant raw materials, 2013, no. 3, pp. 33-41. (In Russ.)Момзякова К.С., Дебердеев Т.Р., Валишина З.Т., Шинкарёв А.А., Дебердеев Р.Я., Ибрагимов А. В. Получение, структура, свойства микрокристаллической и наноцеллюлозы из хлопка // Химическая промышленность. 2019. № 6. С. 22-26.Pen R.Z., Karetnikova N.V., Vshivkova I.A., Shapiro I.L. Properties of cellulose peroxide from annual plants. 7. Bleaching of cellulose from annual plants. Chemistry of plant raw materials, 2015, no. 2, pp. 37-42. (In Russ.)Пен Р.З., Каретникова Н.В., Вшивкова И.А., Шапиро И.Л. Свойства пероксидной целлюлозы из однолетних растений. 7. Отбелка целлюлозы из однолетних растений // Химия растительного сырья. 2015. № 2. С. 37-42.Valishina Z.T., Aleksandrov A.A., Matukhin E.L., Khramova E.V., Kostochko A.V. Cellulose based on alternative sources of domestic raw materials: cellulose from hemp fiber. Bulletin of the Technological University, 2015, vol. 18, no. 2, pp. 259-262. (In Russ.)Dufresne A. Nanocellulose from nature to High Performance Tailored Materials. Berlin. Germany. 2012. 477 p.Vurasko A.V., Minakova A.R., Driker B.N., Sivakov V.P., Kosacheva A.M. Technology for producing cellulose from non-wood plant raw materials. Chemistry of plant raw materials, 2010, no. 2, рр. 165-168. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.