From Chemistry Towards Technology Step-By-Step From Chemistry Towards Technology Step-By-Step От химии к технологии шаг за шагом 2782-1900 82563 10.52957/27821900_2021_03_36 Научные статьи Scientific articles Научные статьи Assessment of changes in the chemical composition of oat husk during pretreatment by autohydrolysis Оценка изменения химического состава шелухи овса при проведении предварительной обработки методом автогидролиза https://orcid.org/0000-0003-4883-5325 Павлов Игорь Николаевич Pavlov Igor N. pawlow-in@mail.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 ФГБОУ ВО Бийский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова» Бийск Россия Biysk Technological Institute is a Subsidiary of Polzunov Altai State Technical University Biysk Russian Federation 23 09 2021 23 09 2021 2 3 36 45 07 09 2021 14 09 2021 https://chemintech.ru/en/nauka/article/82563/view

Проведена предварительная обработка автогидролизом биомассы шелухи овса при изменении температуры процесса в интервале 160-220 °С, времени обработки в диапазоне 5-60 мин и при гидромодуле обработки 1:10. Для характеристики условий предварительной обработки использовался фактор жесткости автогидролиза, который изменялся от 2,50 до 5,37. Эффективность проводимого автогидролиза оценивали по изменению химического состава твердой фазы обработанной шелухи овса. Показано, что автогидролиз биомассы шелухи овса при росте жесткости условий обработки приводит к значительному снижению гемицеллюлоз в твердой фазе при достижении на первом этапе фактора жесткости 4,17 и к последующему практически полному удалению. Также на первом этапе происходит незначительное изменение концентрации лигнина и повышение доли целлюлозы в твердой фракции. Дальнейшее повышение жесткости условий на втором этапе при изменении фактора жесткости от 4,17 до 5,37 приводит к накоплению лигнина в твердом остатке до максимального значения 45,7 % в результате протекания реакции конденсации лигнина. Из-за роста содержания лигнина доля целлюлозы в твердой фракции снижается. Эффективность предварительной обработки оценивали по конечному накоплению редуцирующих веществ, полученных в результате ферментативного гидролиза с использованием ферментного комплекса, состоящего из препаратов «Целлолюкс-А» и «Брюзайм BGX». На первом этапе при снижении концентрации гемицеллюлоз доступность целлюлозы для ферментов значительно увеличивается и выход редуцирующих веществ достигает максимального значения 66,7 % при факторе жесткости автогидролиза 4,17. На втором этапе повышение жесткости условий обработки до значения фактора 5,37 приводит к накоплению лигнина в твердом остатке, что ограничивает действие ферментов. В результате заметно сокращается выход редуцирующих веществ до 30,0 %.

We carry out the preliminary processing of oat husk biomass by autohydrolysis. There was a change in the process temperature in the range of 160-220 °C, the processing time in the range of 5-60 minutes and the treatment hydromodule 1:10. To characterize the pre-treatment conditions, we use the autohydrolysis severity factor, which varied from 2.50 to 5.37. We assessed the effectiveness of the autohydrolysis performed by changing the chemical composition of the solid phase of the treated oat husk. The auto-hydrolysis of oat husk biomass with increasing hardness of the treatment conditions leads to a significant decline of hemicelluloses in the solid phase when the severity factor reaches 4.17 at the first stage and to a subsequent almost complete removal. Also, at the first stage, there is a slight change in the concentration of lignin and an increase in the proportion of cellulose in the solid fraction. A further increase in the severity of the conditions at the second stage with a change in the severity factor from 4.7 to 5.37 leads to the accumulation of lignin in the solid residue up to a maximum value of 45.7% as a result of the lignin condensation reaction. Due to the increase in the lignin content, the proportion of cellulose in the solid fraction decreases. The authors assessed the effectiveness of the pretreatment by the final accumulation of reducing substances obtained as a result of enzymatic hydrolysis using an enzyme complex consisting of the preparations "Cellolux-A" and "Bruzime BGX. At the first stage, with a decrease in the concentration of hemicelluloses, the availability of cellulose for enzymes significantly increases and the yield of reducing substances reaches a maximum value of 66.7% with a severity factor of autohydrolysis of 4.17. At the second stage, an increase of the severity of the processing conditions to a value of a factor of 5.37 leads to the accumulation of lignin in the fixed residue, which limits the effect of enzymes. It reduced the yield of substances during enzymatic hydrolysis to 30.0%.

 шелуха овса предварительная обработка автогидролиз гидротермическая обработка целлюлоза ферментативный гидролиз oat husk pretreatment auto-hydrolysis hydrothermal treatment cellulose enzymatic hydrolysis Исследование выполнено в рамках госзадания ИПХЭТ СО РАН "Фундаментальные основы создания интегрированной технологии переработки легковозобновляемого непищевого растительного сырья в востребованные экономикой РФ продукты" с номером госрегистрации проекта 121061500030-3. The research was carried out within the framework of the state task of IPCET SB RAS "Fundamental bases of creation of integrated technology for processing light renewable non-food plant raw materials into products demanded by the Russian economy" with the state registration number of the project 121061500030-3.

Liu C.G., Xiao Y., Xia X.X., Zhao X.Q., Peng L., Srinophakun P., Bai F.W. Cellulosic ethanol production: Progress, challenges and strategies for solutions. Biotechnology Advances. 2019. Vol. 37. N 3. P. 491-504. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2019.03.002 Liu C.G., Xiao Y., Xia X.X., Zhao X.Q., Peng L., Srinophakun P., Bai F.W. Cellulosic ethanol production: Progress, challenges and strategies for solutions. Biotechnology Advances. 2019. Vol. 37. N 3. P. 491-504. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2019.03.002 Гладышева Е.К., Голубев Д.С., Скиба Е.А. Исследование биосинтеза бактериальной наноцеллюлозы продуцентом Medusomyces gisevii Sa-12 на ферментативном гидролизате продукта щелочной делигнификации мискантуса. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2019. Т. 9. N 2. С. 260–269. DOI: 10.21285/2227-2925-2019-9-2-260-269. Gladysheva E.K., Golubev D.S., Skiba E.A. Issledovanie biosinteza bakterial'noy nanocellyulozy producentom Medusomyces gisevii Sa-12 na fermentativnom gidrolizate produkta schelochnoy delignifikacii miskantusa. Izvestiya vuzov. Prikladnaya himiya i biotehnologiya. 2019. T. 9. N 2. S. 260–269. DOI: 10.21285/2227-2925-2019-9-2-260-269. Kashcheyeva E.I., Gismatulina Y.A., Budaeva V.V. Pretreatments of Non-Woody Cellulosic Feedstocks for Bacterial Cellulose Synthesis. Polymers. 2019. Vol. 11. P. 1645. DOI:10.3390/polym11101645. Kashcheyeva E.I., Gismatulina Y.A., Budaeva V.V. Pretreatments of Non-Woody Cellulosic Feedstocks for Bacterial Cellulose Synthesis. Polymers. 2019. Vol. 11. P. 1645. DOI:10.3390/polym11101645. Чащилов Д.В. Опыт исследования процесса разволокнения целлюлозных материалов и анализ работы оборудования: от лабораторного стенда - к промышленной установке. От химии к технологии шаг за шагом. Т. 2. № 1. 2021. С. 29-39. DOI: 10.52957/27821900_2021_01_29. Chaschilov D.V. Opyt issledovaniya processa razvolokneniya cellyuloznyh materialov i analiz raboty oborudovaniya: ot laboratornogo stenda - k promyshlennoy ustanovke. Ot himii k tehnologii shag za shagom. T. 2. № 1. 2021. S. 29-39. DOI: 10.52957/27821900_2021_01_29. Bychkov A.L., Podgorbunskikh E.M., Ryabchikova E.I., Lomovsky O.I. The role of mechanical action in the process of the thermomechanical isolation of lignin. Cellulose. 2018. Vol. 25. P. 1-5. DOI: 10.1007/s10570-017-1536-y Bychkov A.L., Podgorbunskikh E.M., Ryabchikova E.I., Lomovsky O.I. The role of mechanical action in the process of the thermomechanical isolation of lignin. Cellulose. 2018. Vol. 25. P. 1-5. DOI: 10.1007/s10570-017-1536-y Макарова Е.И., Будаева В.В. Биоконверсия непищевого целлюлозосодержащего сырья. Часть 1. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6. N 2. С. 43–50. DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-2-43-50. Makarova E.I., Budaeva V.V. Biokonversiya nepischevogo cellyulozosoderzhaschego syr'ya. Chast' 1. Izvestiya vuzov. Prikladnaya himiya i biotehnologiya. 2016. T. 6. N 2. S. 43–50. DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-2-43-50. Jiang K., Li L., Long L., Ding S. Comprehensive evaluation of combining hydrothermal pretreatment (autohydrolysis) with enzymatic hydrolysis for efficient release of monosaccharides and ferulic acid from corn bran. Industrial Crops and Products. 2018. Vol. 113. P. 348-357. DOI: 10.1016/j.indcrop.2018.01.047. Jiang K., Li L., Long L., Ding S. Comprehensive evaluation of combining hydrothermal pretreatment (autohydrolysis) with enzymatic hydrolysis for efficient release of monosaccharides and ferulic acid from corn bran. Industrial Crops and Products. 2018. Vol. 113. P. 348-357. DOI: 10.1016/j.indcrop.2018.01.047. Lyu H., Zhou J., Geng Z., Lyu C., Li Y. Two-stage processing of liquid hot water pretreatment for recovering C5 and C6 sugars from cassava straw. Process Biochemistry. 2018. Vol. 75. P. 202-211. DOI: 10.1016/j.procbio.2018.10.003. Lyu H., Zhou J., Geng Z., Lyu C., Li Y. Two-stage processing of liquid hot water pretreatment for recovering C5 and C6 sugars from cassava straw. Process Biochemistry. 2018. Vol. 75. P. 202-211. DOI: 10.1016/j.procbio.2018.10.003. Cardona E., Llano B., Penuela M., Juan Pena J., Rios L.A. Liquid-hot-water pretreatment of palm-oil residues for ethanol production: An economic approach to the selection of the processing conditions. Energy. 2018. Vol. 160. P. 441-451. DOI: 10.1016/j.energy.2018.07.045. Cardona E., Llano B., Penuela M., Juan Pena J., Rios L.A. Liquid-hot-water pretreatment of palm-oil residues for ethanol production: An economic approach to the selection of the processing conditions. Energy. 2018. Vol. 160. P. 441-451. DOI: 10.1016/j.energy.2018.07.045. Pavlov I.N., Denisova M.N., Makarova E.I., Budaeva V.V., Sakovich G.V. Versatile thermobaric setup and production of hydrotropic cellulose therein. Cellulose Chemistry and Technology. 2015. Vol. 49. N 9-10. P. 847-852. Pavlov I.N., Denisova M.N., Makarova E.I., Budaeva V.V., Sakovich G.V. Versatile thermobaric setup and production of hydrotropic cellulose therein. Cellulose Chemistry and Technology. 2015. Vol. 49. N 9-10. P. 847-852. Кащеева Е.И., Будаева В.В. Определение реакционной способности к ферментативному гидролизу целлюлозосодержащих субстратов. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. N 10. С. 5-11. DOI: 0.26896/1028-6861-2018-84-10-5-11. Kascheeva E.I., Budaeva V.V. Opredelenie reakcionnoy sposobnosti k fermentativnomu gidrolizu cellyulozosoderzhaschih substratov. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov. 2018. T. 84. N 10. S. 5-11. DOI: 0.26896/1028-6861-2018-84-10-5-11. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М.: Экология, 1991. 320 с. Obolenskaya A.V., El'nickaya Z.P., Leonovich A.A. Laboratornye raboty po himii drevesiny i cellyulozy. M.: Ekologiya, 1991. 320 s. Liu L., Liu, W., Hou Q., Chen J., Xu N. Understanding of pH value and its effect on autohydrolysis pretreatment prior to poplar chemi-thermomechanical pulping. Bioresource Technology. 2015. Vol. 196. P. 662–667. DOI: 10.1016/j.biortech.2015.08.034. Liu L., Liu, W., Hou Q., Chen J., Xu N. Understanding of pH value and its effect on autohydrolysis pretreatment prior to poplar chemi-thermomechanical pulping. Bioresource Technology. 2015. Vol. 196. P. 662–667. DOI: 10.1016/j.biortech.2015.08.034. Batista G., Souza R.B.A., Pratto B., Dos Santos-Rocha M.S.R, Cruz A.J.G. Effect of severity factor on the hydrothermal pretreatment of sugarcane straw. Bioresource Technology. 2019. Vol. 275. P. 321-327. Batista G., Souza R.B.A., Pratto B., Dos Santos-Rocha M.S.R, Cruz A.J.G. Effect of severity factor on the hydrothermal pretreatment of sugarcane straw. Bioresource Technology. 2019. Vol. 275. P. 321-327. Michelin M., Teixeira J.A. Liquid hot water pretreatment of multi feedstocks and enzymatic hydrolysis of solids obtained thereof. Bioresource Technology. 2016. Vol. 216. P. 862–869. DOI: 10.1016/j.biortech.2016.06.018. Michelin M., Teixeira J.A. Liquid hot water pretreatment of multi feedstocks and enzymatic hydrolysis of solids obtained thereof. Bioresource Technology. 2016. Vol. 216. P. 862–869. DOI: 10.1016/j.biortech.2016.06.018. Moniz P., Pereira H., Duarte L.C., Carvalheiro F. Hydrothermal production and gel filtration purification of xylo-oligosaccharides from rice straw. Industrial Crops and Products. 2014. Vol. 62. P. 460-465. DOI: 10.1016/j.indcrop.2014.09.020. Moniz P., Pereira H., Duarte L.C., Carvalheiro F. Hydrothermal production and gel filtration purification of xylo-oligosaccharides from rice straw. Industrial Crops and Products. 2014. Vol. 62. P. 460-465. DOI: 10.1016/j.indcrop.2014.09.020. Podgorbunskikh E.M., Ryabchikova E.I., Bychkov A.L., Lomovskii O.I. Changes in the structure of cell wall polymers in thermomechanical treatment of highly lignified plant feedstock. Doklady Physical Chemistry. 2017. Vol. 473. Part 1. P. 49-51. DOI: https://doi.org/10.1134/S0012501617030046. Podgorbunskikh E.M., Ryabchikova E.I., Bychkov A.L., Lomovskii O.I. Changes in the structure of cell wall polymers in thermomechanical treatment of highly lignified plant feedstock. Doklady Physical Chemistry. 2017. Vol. 473. Part 1. P. 49-51. DOI: https://doi.org/10.1134/S0012501617030046. Ko J.K, Kim Y, Ximenes E, Ladisch M.R. Effect of liquid hot water pretreatment severity on properties of hardwood lignin and enzymatic hydrolysis of cellulose. Biotechnology and Bioengineering. 2015. Vol. 112. N 2. P. 252–262. DOI: 10.1002/bit.25349. Ko J.K, Kim Y, Ximenes E, Ladisch M.R. Effect of liquid hot water pretreatment severity on properties of hardwood lignin and enzymatic hydrolysis of cellulose. Biotechnology and Bioengineering. 2015. Vol. 112. N 2. P. 252–262. DOI: 10.1002/bit.25349. Zhu R., Yadama V. Effects of hot water extraction pretreatment on physicochemical changes of Douglas fir. Biomass and Bioenergy. 2016. Vol. 90. P. 78-89. DOI: 10.1016/j.biombioe.2016.03.028. Zhu R., Yadama V. Effects of hot water extraction pretreatment on physicochemical changes of Douglas fir. Biomass and Bioenergy. 2016. Vol. 90. P. 78-89. DOI: 10.1016/j.biombioe.2016.03.028. Chen T-Y., Wen J-L., Wang B., Wang H-M., Liu C-F., Sun R-C. Assessment of integrated process based on autohydrolysis and robust delignification process for enzymatic saccharification of bamboo. Bioresource Technology. 2017. Vol. 244. P. 717–725. DOI: 10.1016/j.biortech.2017.08.032. Chen T-Y., Wen J-L., Wang B., Wang H-M., Liu C-F., Sun R-C. Assessment of integrated process based on autohydrolysis and robust delignification process for enzymatic saccharification of bamboo. Bioresource Technology. 2017. Vol. 244. P. 717–725. DOI: 10.1016/j.biortech.2017.08.032.