Крупнотоннажным и доступным вторичным ресурсом сельскохозяйственного производства и перерабатывающей промышленности в России является солома злаковых культур. Растущий интерес к использованию растительной биомассы, богатой полисахаридами, обуславливает поиск оптимальных методов её переработки. Практический интерес представляет исследование кинетики химического гидролиза соломы с целью получения моносахаридов и других ценных продуктов гидролиза, необходимых для химической промышленности и биотехнологических производств.
В опубликованных ранее работах [1-3] существует большой разброс в значениях констант скоростей гидролиза, что обусловлено различиями в применяемом виде сырья, гидролизующего агента, условиях предварительной обработки, используемых реакторах и математических моделях. Для разработки кинетической модели, учитывающей состав и содержание моносахаридов в получаемых гидролизатах, использованы данные, полученные при предобработке пшеничной соломы разбавленной сернистой кислотой на лабораторной установке оригинальной конструкции в диапазоне температур 150-200°С [4]. Моносахаридный анализ гидролизатов проводили с помощью метода высокоэффективной анионообменной жидкостной хроматографии на колонке «CarboPacPA-1» (4x250 мм, «Dionex», США), используя импульсный амперометрический детектор PAD («Dionex»). Скорость элюирования 1 мл/мин. Температура колонки 30 ºС. Буферы: А – 100 мM NaOH в 1 M AcNa, В – 15 мM NaOH.
Исследование фракции легкогидролизуемых полисахаридов пшеничной соломы показало, что в составе моносахаридов преобладали ксилоза, глюкоза и арабиноза, содержание которых достигает 60,2 % от массы абсолютно сухого вещества [4]. В моносахаридном составе гидролизатов пшеничной соломы данные углеводы также преобладали. Поэтому для моделирования кинетики процесса предобработки использовались экспериментальные данные по выходу ксилозы, арабинозы и глюкозы.
Поскольку в процессе предобработки растительного сырья разбавленными кислотами деполимеризация целлюлозы незначительна, были рассмотрены особенности математического моделирования кинетики гидролиза связующих гликанов. В связи с трудностями в поиске четкого механизма реакции гидролиза полисахаридов обычно используют упрощенные модели. В общем виде последовательность превращений углеводов при кислотно-каталитическом воздействии можно представить в следующем виде:
,
где Pn, Dn, С, R – соответственно полисахариды, промежуточные продукты (олигосахариды, декстрины), моносахариды и продукты деструкции моносахаридов; n, n/(m+1) – степень полимеризации полисахаридов и олигосахаридов; m, n-m – число молекул воды, вступивших в реакцию; k1 – константа скорости гидролиза соответствующего полисахарида; k2 – константа скорости гидролиза промежуточного продукта Dn; k3 – константа скорости деструкции соответствующего моносахарида.
Математическая модель описывает многоступенчатый гидролиз большого количества полисахаридов, входящих в состав соломы
Константа скорости гидролиза рассчитывалась в соответствии с температурной зависимостью Аррениуса по уравнению:
где k01 – предэкспоненциальный множитель для индивидуального моносахарида; Eа – энергии активации; Т – температура; 
– концентрация кислотного катализатора; s – показатель степени по катализатору.
При полном гидролизе полисахаридов выход моносахаридов составляет
[С0] = μ ·[Рn0] ,
где μ – стехиометрический коэффициент пересчета соответствующего полисахарида в моносахарид, величина которого в зависимости от состава полисахарида находится в пределах 1,1 – 1,14.
Идентификация параметров кинетики проводилась путем решения задачи многомерной оптимизации
,
где Сэi, Срi – соответственно экспериментальные и расчетные значения концентраций индивидуального моносахарида; Z – число аппроксимационных точек.
Полученные теоретические зависимости выхода моносахаридов (ксилозы, глюкозы и арабинозы) адекватно описывают их содержание в гидролизатах пшеничной соломы во всем интервале изменений технологических параметров.
Смоделированы прогнозные значения констант скоростей реакций при более высоких температурах (210 °С – 230 °С) и исследовано влияние температуры процесса на скорость гидролиза полисахаридов различной природы. Согласно расчетным данным оптимальные условия протекания процесса предобработки пшеничной соломы сернистой кислотой будут наблюдаться при температуре 230 °С и низкой концентрации кислотного катализатора.
Библиографическая ссылка
Аблаев А.Р., Клещевников Л.И., Логинова И.В., Харина М.В., Емельянов В.М. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫХОДА МОНОСАХАРИДОВ В ПРОЦЕССЕ ПРЕДОБРАБОТКИ ПШЕНИЧНОЙ СОЛОМЫ // Успехи современного естествознания. – 2014. – № 5-1. – С. 210-211;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=33895 (дата обращения: 20.04.2024).