Технология получения микрокристаллической целлюлозы с предгидролизным размолом на примере образцов биоповрежденной древесины хвойных пород

Показана возможность получения микрокристаллической целлюлозы с использованием предгидролизного размола на примере образцов сухостойной древесины хвойных пород. Целлюлозу из биоповрежденной древесины выделяли варочным раствором, основными компонентами которого являлись гидроксид и сульфид натрия (NaOH и Na2S). Варка проводилась в лабораторном автоклаве при максимальной температуре 170 °С в течение 3 часов, жидкостный модуль – 4,8, степень сульфидности варочного раствора – 18 %. Для повышения содержания в целлюлозе альфа-целлюлозы, проводили двухступенчатую отбелку и облагораживание. Размол волокнистой массы проходил на экспериментальной безножевой установке типа «струя–преграда» (условия размола: концентрация волокнистой массы – 1 %, степень помола варьировалась от 15…85 °ШР). Определен химический состав волокнистой массы после размола. Химическая обработка образцов целлюлозы с разной степенью помола проводилась при параметрах: температура гидролиза от 80 до 100 °С, концентрация соляной кислоты от 54,75 до 91,25 г/л, время гидролитической деструкции от 60 до 120 мин. Проанализирован характер изменения степени полимеризации микрокристаллической целлюлозы в зависимости от степени помола. Установлено, что с ростом степени помола волокнистой массы с 15 до 85 °ШР индекс кристалличности МКЦ изменяется от 0,64 до 0,78; степень полимеризации от 350 до 95. Получено линейное уравнение регрессии для определения влияния технологических параметров на величину степени полимеризации. Выяснено, что на степень полимеризации микрокристаллической целлюлозы решающее действие оказывает степень помола по Шоппер–Риглеру. Разработанная технология получения микрокристаллической целлюлозы, позволяет решить проблему утилизации биоповрежденной древесины и сократить расходы на получение МКЦ в 1,5 раза.

1. Bio-damaged wood processing in microcrystalline cellulose production / L. V. Yurtayeva, Yu. D. Alashkevich, E. V. Kaplyov [et al.] // BioResources. 2023. Vol. 18, No. 4. P. 8284–8295. DOI 10.15376/biores.18.4.8284-8295.

2. Obtaining microcrystalline cellulose based on biodamaged wood as a way to improve the sanitary and forest pathological state of forests / E. V. Kaplyov, L. V. Yurtaeva, R. A. Marchenko, Yu. D. Alashkevich // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2023. Vol. 1231, No. 1. P. 012031. DOI 10.1088/1755-1315/1231/1/012031.

3. Патент № 2813723 C1 Российская Федерация, МПК C08B 15/00, D21C 1/04, D21C 3/00. способ получения гидрогеля микрокристаллической целлюлозы : № 2023113733 : заявл. 24.05.2023 : опубл. 15.02.2024 / Ю. Д. Алашкевич, Л. В. Юртаева, Е. В. Каплев, Е. А. Слизикова ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева».

4. Патент № 2797202 C1 Российская Федерация, МПК D21C 1/04, C08B 15/00. Способ получения микрокристаллической целлюлозы : № 2022132617 : заявл. 13.12.2022 : опубл. 31.05.2023 /; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева».

5. Оболенская А. В., Ельницкая З. П., Леонович А. А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы : учебное пособие для вузов. М., 1991. 320 с.

6. ГОСТ 6840–78. Целлюлоза. Метод определения альфа-целлюлозы. М., 1978. 7с.

7. ISO 5267-1:1999/Cor.1:2001. Целлюлоза. Определение способности к обезвоживанию. Часть 1. Метод Шоппер–Риглера. 2001. 8 с.

8. ГОСТ 9105–74. Целлюлоза. Метод определения средней степени полимеризации. М., 1974. 7 с.

9. Оболенская А. В., Щеголев В. П., Аким Г. Л. и др. Практические работы по химии древесины и целлюлозы. М.,1985. 412 с.

10. Холмова М. А., Комаров В. И., Гурьев А. В. / Целлюлоза высокого выхода. Способы получения. Свойства (обзор) // Химия растительного сырья. 2007. № 2. С. 5–12.

11. Industrial hemp hurd processing for microcrystalline cellulose production and its usage as a filler in paper / L. V. Yurtayeva, Yu. D. Alashkevich, E. V. Kaplyov [et al.] // BioResources. 2024. Vol. 19, No. 2. P. 2811–2825. DOI 10.15376/biores.19.2.2811-2825.

12. Роль предгидролизного размола при получении микрокристаллической целлюлозы: на примере образцов биоповрежденной древесины Picea abies, Larix sibirica и Populus tremula / Л. В. Юртаева, Ю. Д. Алашкевич, Е. В. Каплев [и др.] // Лесотехнический журнал. 2024. Т. 14, № 1(53). С. 203–218. DOI 10.34220/issn.2222-7962/2024.1/12.

13. Анализ движения потока волокнистой суспензии в размалывающей установке при получении мелкодисперсной целлюлозы / Л. В. Юртаева, Ю. Д. Алашкевич, Е. В. Каплев [и др.] // Химия растительного сырья. 2023. № 3. С. 317–327. DOI 10.14258/jcprm.20230312008.

14. Безножевой размол растительных полимеров при получении мелкодисперсной целлюлозы / Л. В. Юртаева, Ю. Д. Алашкевич, Е. В. Каплев [и др.] // Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов : материалы VII Международной научно-технической конференции имени профессора В. И. Комарова, Архангельск, 14–16 сентября 2023 года / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова». RUS: Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова, 2023. С. 380–384.

15. Обработка безножевым способом макулатурной массы / Л. В. Кутовая, В. В. Конюхова, Ю. Д. Алашкевич, А. Г. Шведов // Хвойные бореальной зоны. 2008. Т. 25, № 3-4. С. 359–361.

16. Каплев Е. В., Юртаева Л. В. Способ размола - фактор, влияющий на качество волокнистой суспензии // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки : сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Красноярск, 17 мая 2018 года. Красноярск : Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева», 2018. С. 73–75.

17. Veno T., Murakami M., Murakami K., Immamura R. Stadies on the manufacture of low DP pulps by irradiation (part 4) / DP distribution of irradiation pulps // Kamipa Gikesi. 1971. 25. № 10. P. 512–521.

18. Ekman К., Eklund V., Hattunen J. J. Use of electron beam treatment adjust DP of cellulose. // J. Ind. Irradiat. Technol. 1984. Vol. 2, № 3-4. P. 345.

19. Фролов М. В. Структурная механика бумаги (бумажных материалов из химических и натуральных волокон). М. : Лесная промышленность, 1982. С. 212.

20. Ektap К., Hattunen J. J. Turnnen О. Т. Sellulose a Karda-maatti alkalilinkoinen Sellulosajaholannaineb. // Kemia-Kemi. 1984. Vol. IL, № 5. Р. 393.

21. Оболенская А. В., Щеголев В. П., Аким Г. Л. и др. Практические работы по химии древесины и целлюлозы. М., 1985. 412 с.