Поведение зольных элементов древесины в процессе кислотного гидролиза древесины

Минеральные вещества, помимо большого физиологического значения в развитии растений, оказывают значительное влияние на процессы химической и термохимической переработки древесины. В особенности, это важно при проведении кислотных гидролитических процессов углеводного комплекса и связанных с этим процессами нейтрализации кислоты зольными элементами растительных материалов. Исследование поведения зольных элементов древесины в процессе кислотного гидролиза древесины явилось целью настоящей работы. В работе было показано, что зольные вещества древесины березы легко экстрагируются водой и слабыми растворами кислот при комнатной температуре. При этом водорастворимые вещества составляют 42,4%, а кислоторастворимые – 63,6% от общего содержания золы в древесине. Анализ способности зольных веществ древесины березы к нейтрализации кислоты показал, что полная нейтрализация составляет 72,5 мг-экв/кг сухой массы (3,55 г серной кислоты на 1 кг древесины); после водной экстракции – 34,0 мг-экв/кг, а после экстракции растворами кислоты – 9,4-13,6 мг-экв/кг. При проведении гемицеллюлозного гидролиза древесины березы происходит удаление более 85% массы зольных элементов древесины, в том числе более 85% солей кальция, 90% солей магния, 90% фосфора и 63% калия. Нейтрализующая способность золы при этом составила 62,4 мг-экв/кг сухой массы (3,1 г серной кислоты на 1 кг древесины). Выбранный на основании полученных данных режим малокислотного гемицеллюлозного гидролиза древесины, при условии 50% нейтрализации серной кислоты зольными элементами (6,25 г/кг сухого сырья), показал значительно лучшие показатели по скорости гидролиза, содержанию моносахаридов и цветности экстракта по сравнению с автогидролизом.

1. Корольков И.И. Перколяционный гидролиз растительного сырья / М.: Лесн. пром-сть», 1990. 272 с.

2. Aston J.E., Thompson D.N., Westover T.L. Performance assessment of dilute-acid leaching to improve corn stover quality for thermochemical conversion // Fuel. 2016. №186. Р. 311–319. DOI: 10.1016/j.fuel.2016.08.056

3. Bin Y., Hongzhang C. Effect of the ash on enzymatic hydrolysis of steam- exploded rice straw // Bioresour Technol. 2010. № 101. Р. 9114–9119. DOI: 10.1016/j.biortech.2010.07.033

4. Chin K.L., H'ng P.S., Paridah M.T., Szymona K., Maminski M., Lee S.H., Lum W.C., Nurliyana M.Y., Chow M.J., Go W.Z. Reducing ash related operation problems of fast growing timber species and oil palm biomass for combustion applications using leaching technique // Energy. 2015. № 90. Р. 622–630. DOI: 10.1016/j.energy.2015.07.094

5. He Y, Fang Z, Zhang J, Li X, Bao J. De-ashing treatment of corn stover improves the efficiencies of enzymatic hydrolysis and consequent ethanol fermentation // Bioresour Technol. 2014. № 169. Р. 552–558. DOI: 10.1016/j.biortech.2014.06.088

6. Hörhammer H., Dou C. et al. Removal of non‐structural components from poplar whole‐tree chips to enhance hydrolysis and fermentation performance // Biotechnol Biofuels. 2018. № 11. Р. 222–234. doi.org/10.1186/s13068-018-1219-4

7. Lambert M.J. Inorganic constituents in wood and bark. Forestry commission of new south wales // Sydney, 1981. 45 р.

8. Lloyd T.A., Wayman C.E. Predicted effects of mineral neutralization and bisulfate formation on hydrogen ion concentration for dilute sulfuric acid pretreatment // Appl. Biochem. Biotech. 2004. № 115. Р. 1013–1022. DOI: 10.1385/ABAB:115:1-3:1013

9. Rowell R.M. Handbook of wood chemistry and wood composites // Wiskonsin – Madison, 2005. 703 р. DOI: 10.1201/b12487

10. Santucci B.S., Maziero P., Rabelo S.C., Curvelo A.S., Pimenta M.B. Аutohydrolysis of Hemicelluloses from Sugarcane Bagasse During Hydrothermal Pretreatment: a Kinetic Assessment // BioEnergy Research. 2015. №8. Р. 1778–1787. DOI 10.1007/s12155-015-9632-z

11. Springer E.L., Harris J.F. Procedures for Determining the Neutralizing Capacity of Wood during Hydrolysis with Mineral Acid Solutions // Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 1985. № 24. Р. 485–489