СОВРЕМЕННЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В МЕХАНОФЕРМЕНТАТИВНОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Алексей (Aleksei) Леонидович (Leonidovich) Бычков (Bychkov), Олег (Oleg) Иванович (Ivanovich) Ломовский (Lomovskii)

Аннотация


В работе проводится обзор современных опубликованных данных по тематике, посвященной механически активированным процессам переработки растительного сырья. Приведены примеры физико-химических процессов, протекающих при механическом воздействии на индивидуальные вещества и материалы природного происхождения. Показано, что механохимическая обработка позволяет увеличивать реакционную способность веществ, входящих в состав растительного сырья, благодаря увеличению удельной площади поверхности (в том числе площади, «пригодной» для взаимодействия с реагентами, в частности с ферментами), снижению кристалличности целлюлозы и общему
разупорядочению супрамолекулярной структуры клеточных стенок. Использование механохимической обработки растительного сырья совместно с ферментами позволяет получать реакционноспособные механокомпозиты, в которых молекулы реагентов равномерно распределены по субстрату недиффузионным способом (механически). Последующие химические реакции с участием данных механокомпозитов протекают эффективнее благодаря уменьшению диффузионных путей и повышению стабильности целевых веществ или ферментов (в случае биотехнологических процессов), а экстракция продуктов протекает более полно. Экономическая эффективность, часто являющаяся лимитирующим фактором внедрения новых технологий, включающих в качестве одной или нескольких стадий измельчение или механическую активацию, определяется затратами на механическую обработку.


Ключевые слова


растительное сырьё; механохимия; структура; разупорядочение; дефектность; переработка; технология

Полный текст:

PDF

Литература


Kuznetsov B.N., Chesnokov N.V., Yatsenkova O.V., Sharypov V.I. Russian Chemical Bulletin, 2013, vol. 62, no. 7, pp. 1493–1502.

Kushnir E.Y., Autlov S.A., Bazarnova N.G. Russian Journal of Bioorganic Chemistry, 2015, vol. 41, no. 7, pp. 713–718.

Mikhailenko M.A., Shakhtshneider T.P., Drebushchak V.A., SkvortsovaG.P., Boldyrev V.V. Chemistry of Natural Compounds, 2011, vol. 47, no. 2, pp. 229–233.

Seliutina O.Iu., Poliakov N.E., Meteleva E.S., Dushkin A.V. Khimiia v interesakh ustoichivogo razvitiia, 2015, vol. 23, no. 5, pp. 549–560. (in Russ.).

Manaenkov O.V., Filatova A.E., Makeeva O.Y., Kislitsa O.V., Doluda V.Yu., Sidorov A.I., Matveeva V.G., Sul’man E.M. Catalysis in Industry. 2014. Vol. 6. N2. Pp. 150–157.

Bazarnova N.G., Markin V.I., Katrakov I.B., Kolosov P.V., Cheprasova M.Y., Kalyuta E.V. Russian Journal of Gen-eral Chemistry, 2015, vol. 82, no. 5, pp. 947–954.

Shapolova E.G., Lomovsky O.I. Russian Journal of Bioorganic Chemistry, 2013, vol. 39, no. 7, pp. 765–770.

Galbe M., Zacchi G. Applied Microbiology and Biotechnology, 2002, vol. 59, pp. 618–628.

Lynd L.R., Weimer P.J., Zyl W.H., Pretorius I.S. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2002, vol. 66, no. 3, pp. 506–577.

Zheng Y., Pan Z., Zhang R. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2009, vol. 2, no. 3, pp. 51–68.

Taherzadeh M.J., Karimi K. International Journal of Molecular Sciences, 2008, vol. 9, pp. 1621–1651.

Bai F.W., Anderson W.A., Moo-Young M. Biotechnology Advances, 2008, vol. 26, no. 1, pp. 89–105.

Skiba E.A., Budaeva V.D., Makarova E.I., Pavlov I.N., Zolotukhin V.N., Sakovich G.V. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 2013, vol. 16, no. 22, pp. 202–205. (in Russ.).

Makarova E.I., Budaeva V.V., Skiba E.A., Sakovich G.V. Catalysis in Industry, 2014, vol. 6, no. 1, pp. 67–71.

Sørensen A., Teller P.J., Hilstrøm T., Ahring B.K. Bioresource Technology, 2008, vol. 99, no. 14, pp. 6602–6607.

Ge X., Burner D.M., Xu J., Phillips G.C., Sivakumar G. Biotechnology Journal, 2011, vol. 6, no. 1, pp. 66–73.

Gaveau D.L.A., Balzter H., Plummer S. Forest Ecology and Management, 2003, vol. 174, no. 1–3, pp. 65–75.

Goliazimova O.V. Mekhanicheskaia aktivatsiia fermentativnogo gidroliza tselliulozy i lignotselliuloznykh mate-rialov: dis. … kand. khim. nauk. [Mechanical activation of enzymatic hydrolysis of cellulose and lignocellulosic materials: dis. ... cand. Chem. Sciences]. Novosibirsk, 2010, 164 p. (in Russ.).

Sinitsyn A.P., Gusakov A.V., Chernoglazov V.M. Biokonversiia lignotselliuloznykh materialov. [Bioconversion of lignocellulosic materials]. Moscow, 1995, 224 p. (in Russ.).

Kumar P., Barrett D.M., Delwiche M.J., Stroeve P. Industrial and Engineering Chemistry Research, 2009, vol. 48, no. 8, pp. 3713–3729.

Fang Z. Pretreatment techniques for biofuels and biorefineries. Berlin, 2013, 457 p.

Kumakura M., Kojima T., Kaetsu I. Biomass., 1982, vol. 2, no. 4, pp. 299–308.

Chaturvedi V., Verma P. 3 Biotech., 2013, vol. 3, no. 5, pp. 415–431.

Bychkov A.L., Lomovskii O.I. Russian Journal of Applied Chemistry, 2010, vol. 83, no. 6, pp. 1106–1108.

Lomovsky O.I., Lomovsky I.O. Enhancing Extraction Processes in the Food Industry, London, New York, 2011, pp. 61–398.

Boldyrev V.V. Materials Science Forum, 1996, vol. 225, pp. 511–520.

Politov A., Golyazimova O. Faraday Discussions, 2014, vol. 170, pp. 345–356.

Bychkov A.L., Korolev K.G., Lomovsky O.I. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2010, vol. 162, pp. 2008–2014.

Grigoryeva T.F., Barinova A.P., Ancharov A.I., Lyakhov N.Z. Journal of Alloys and Compounds, 2007, vol. 434–435, pp. 540–541.

Grigor'eva T.F., Barinova A.P., Liakhov N.Z. Mekhanokhimicheskii sintez v metallicheskikh sistemakh. [Mechanochemical synthesis in metallic systems]. Novosibirsk, 2008, 312 p. (in Russ.).

Avvakumov E.G. Mekhanicheskie metody aktivatsii khimicheskikh protsessov. [Mechanical methods of activation of chemical processes]. Novosibirsk, 1986, 303 p. (in Russ.).

Boldyrev V.V. Powder Technology, 2002, vol. 122, pp. 247–254.

Radtsig V.A. Khimicheskaia fizika, 2004, vol. 23, no. 10, pp. 70–109. (in Russ.).

Simionescu C.I., Oprea C.V. Mecanochimia compusilor macromoleculari, Bucharest, 1967, 344 p.

Butyagin P.Yu. Colloid journal of the Russian Academy of Sciences, 1997, vol. 59, no. 4, pp. 460–467.

Avvakumov E., Senna M., Kosova M. Soft mechanochemical synthesis: a basis for new chemical technologies, Boston, 2001, 207 p.

Tanaka K. Solvent-free organic synthesis, Weinheim, 2006, 442 p.

Toda F. Organic solid-state reactions, Dordrecht, 2013, 275 p.

Toda F. Accounts of Chemical Research, 1995, vol. 28, no. 12, pp. 480–486.

Xie J., Lin Y.-S., Shi X.-J., Zhu X.-Y., Su W.-K., Wang P. Industrial Crops and Products, 2013, vol. 43, pp. 276–282.

Meullemiestre A., Breil C., Abert-Vian M., Chemat F. Bioresource Technology, 2016, vol. 211, pp. 190–199.

Xu W., Yu J., Feng W., Su W. Molecules, 2016, vol. 21, no. 5, article number 540, doi:10.3390/molecules21050540

Korolev, K.G.; Lomovskii, O.I.; Rozhanskaya, O.A.; Vasi’ev, V.G. Chemistry of Natural Compounds, 2003, vol. 39, pp. 366–372.

Pankrushina N., Nikitina I., Chernjak E., Myz C., Shakhtshneider T., Boldyrev V. Materials and Manufacturing Pro-cesses, 2008, vol. 23, no. 6, pp. 561–565.

Gama F.M., Mota M. Biocatalysis and Biotransformation, 1997, vol. 15, no. 3, pp. 221–236.

Yeh A.-I., Huang Y.-C., Hsin S. Carbohydrate Polymers, 2010, vol. 79, no. 1, pp. 192–199.

Rahikainen J., Mikander S., Marjamaa K., Tamminen T., Lappas A., Viikari L., Kruus K. Biotechnology and Bioen-gineering, 2011, vol. 108, no. 12, pp. 2823–2834.

Singh R., Shukla A., Tiwari S., Srivastava M. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, vol. 32, pp. 713–728.

Kumar R., Hu F., Hubbell C.A., Ragauskas A.J., Wyman C.E. Bioresource Technology, 2013, vol. 130, pp. 372–381.

Cantarella M., Mucciante C., Cantarella L. Bioresource Technology, 2014, vol. 156, pp. 48–56.

Umikalsom M.S., Ariff A.B., Karim M.I.A. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1998, vol. 46, no. 8, pp. 3359–3364.

Hames B.R., Thomas S.R., Sluiter A.D. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2003, vol. 105-108, pp. 5–16.

Bychkov A.L., Ryabchikova E.I., Korolev K.G., Lomovsky O.I. Biomass and Bioenergy, 2012, vol. 47, pp. 260–267.

Goliazimova O.V., Politov A.A., Lomovskii O.I. Khimiia rastitel'nogo syr'ia, 2009, no. 2, pp. 53–57. (in Russ.).

Goliazimova O.V., Politov A.A., Lomovskii O.I. Khimiia rastitel'nogo syr'ia, 2009, no. 2, pp. 59–63. (in Russ.).

Hall M., Bansal P., Lee J.H., Realff M.J., Bommarius A.S. FEBS Journal, 2010, vol. 277, no. 6, pp. 1571–1582.

Sinitsyn A.P., Kovalev G.V., Messa-Manresa S.R. Khimiia drevesiny, 1984, no. 5, pp. 60–71. (in Russ.).

Yoshida M., Liu Y., Uchida S., Kawarada K., Ukagami Y., Ichinose H., Kaneko S., Fukuda K. Bioscience, Biotech-nology and Biochemistry, 2008, vol. 72, no. 3, pp. 805–810.

Hermans P.H., Weidinger A. Journal of American Chemical Society, 1946, vol. 68, pp. 2547–2552.

Yakunin N.A., Zavadskii A.E., Yakunina E.N., Moryganov A.P. Polymer Science. Series A, 2010, vol. 52, no. 2, pp. 134–138.

Iyer P.B., Sreenivasan S., Chidambareswaran P.K., Patil N.B. Textile Research Journal, 1984, vol. 54, no. 11, pp. 732–735.

Nakamura K., Hatakeyama T., Hatakeyama H. Textile Research Journal, 1981, vol. 72, no. 9, pp. 607–613.

Ouajai S., Shanks R.A. Cellulose, 2006, vol. 13, pp. 31–44.

Paes S.S., Sun S., MacNaughtan W., Ibbett R., Ganster J., Foster T.J., Mitchell J.R. Cellulose, 2010, vol. 17, pp. 693–709.

Bertran M.S., Dale B.E. Biotechnology and Bioengineering, 1985, vol. 27, pp. 177–181.

Wormald P., Wickholm K., Larsson P.T., Iversen T. Cellulose, 1996, vol. 3, pp. 141–152.

Liang X.H., Gu L.Z., Ding E.Y. Wood Science and Technology, 1993, vol. 27, no. 6, pp. 461–467.

Orlov D.V., Bychkov A.L., Lomovsky I.O. VIII International Conference of Mechanochemistry and Mechanical Al-loying, Crakow, 2014, p. 43.

Orlov D.V., Lomovskii I.O., Lomovskii O.I. II Vserossiiskaia konferentsiia «Goriachie tochki khimii tverdogo tela: mekhanizmy tverdofaznykh protsessov». [II All-Russian Conference "Hot Spots of Solid State Chemistry: Mechanisms of Solid-Phase Processes"]. Novosibirsk, 2015, p. 36. (in Russ.).

Zhou C., Liu G., Wang X., Qi C. Bioresource Technology, 2016, vol. 218, pp. 418–427.

Patent 4706903 (USA). 17.11.1987.

Patent 5366558 (USA). 22.11.1994.

Akhtar M. Holzforschung, 1994, vol. 48, pp. 199–202.

Zhao H., Kwak J.H., Wang Y., Franz J.A., White J.M., Holladay J.E. Energy & Fuels, 2006, vol. 20, pp. 807–811.

Burdukov A.P., Popov V.A., Chernetskii M.Iu., Dekterev A.A., Lomovskii O.I., Bychkov A.L. Polzunovskii vestnik, 2013, no. 4/3, pp. 16–27. (in Russ.).

Piriou B., Vaitilingom G., Veyssiere B., Cuq B., Rouau X. Progress in Energy and Combustion Science, 2013, vol. 39, pp. 169–188.

Siyi L., Bo X., Zhiquan H., Shiming L., Maoyun H. Energy Conversion and Management, 2010, vol. 51, pp. 2098–2102.

Burdukov A.P., Popov V.I., Iusupov T.S., Lomovskii O.I. Khimiia v interesakh ustoichivogo razvitiia, 2009, vol. 17, no. 5, pp. 471–478. (in Russ.).

Burdukov A.P., Popov V.I., Faleev V.A., Iusupov T.S. Polzunovskii vestnik, 2010, no. 1, pp. 93–98. (in Russ.).

Iusupov T.S., Shumskaia L.G., Burdukov A.P. Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznykh iskopaemykh, 2009, no. 4, pp. 111–116. (in Russ.).

Iusupov T.S., Burdukov A.P. VIII Vserossiiskaia konferentsiia s mezhdunarodnym uchastiem «Gorenie tverdogo topliva». [VIII All-Russian Conference with International Participation "Combustion of Solid Fuel"]. Novosibirsk, 2012, pp. 112.1–112.3. (in Russ.).

Luo S., Liu C., Xiao B., Xiao L. Renewable Energy, 2011, vol. 36, pp. 578–582.

Repellin V., Govin A., Rolland M., Guyonnet R. Biomass and Bioenergy, 2010, vol. 34, pp. 923–930.

Phanphanich M., Mani S. Bioresource Technology, 2011, vol. 102, pp. 1246–1253.

Grethlein H.E., Converse A.O. Bioresource Technology, 1991, vol. 36, no. 2, pp. 77–82.

Kenealy W., Klungness J., Tshabalala M. 2003 TAPPI Fall Technical Conference: Engineering, Pulping & PCE&I. Atlanta, 2003, p. 9

Klesov A.A., Sinitsyn A.P. Bioorganicheskaia khimiia, 1981, vol. 7, no. 12, pp. 1801–1812. (in Russ.).

Namazi A.B., Jia C.Q., Allen D.G. Water Science & Technology, 2010, vol. 62, no. 11, pp. 2637–2646.

Horstmann B.J., Kennedy C.N., Chase H.A. Journal of Chromatography, 1986, vol. 361, pp. 179–190.

Wiman M., Dienes D., Hansen M.A.T., Van Der Meulen T., Zacchi G., Lidén G. Bioresource Technology, 2012, vol. 126, pp. 208–215.

Patent 7709042 (USA). 4.05.2010.

Patent 5114488 (USA). 19.05.1992.

Patent 101085994 (China). 12.12.2007.

Patent 2514408 (RU). 27.04.2014. (in Russ.).

Akhtar M., Lentz M.J., Horn E.G. Resources. Conservation and Recycling, 2010, vol. 28, pp. 241–252.

Masarin F., Pavan P.C., Vicentim M.P., Souza-Cruz P.B., Loguercio-Leite C., Ferraz A. Holzforschung, 2009, vol. 63, pp. 259–263.

Lin Z., Huang H., Zhang H., Zhang L., Yan L., Chen J. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2010, vol. 162, pp. 1872–1880.

Hilgert J., Meine N., Rinaldi R., Schüth F. Energy & Environmental Science, 2013, vol. 6, pp. 92–96.

Millett M.A., Effland M.J., Caulfield D.F. Hydrolysis of cellulose: mechanisms of enzymatic and acid catalysis. American Chemical Society Advances in Chemistry, Series 181, Washington, 1979, pp. 71–89.

Silva G.G., Couturier M., Berrin J.-G., Buleon A., Rouau X. Bioresource Technology, 2012, vol. 103, pp. 192–200.

Alekseeva O.V., Rozhkova O.V., Prusov A.N. Fibre Chemistry, 1997, vol. 29, no. 2, pp. 103–105.

Prusov A.N., Zheleznov K.N., Alekseeva O.V., Padokhin V.A., Rozhkova O.V. Colloidal Journal, 2002, vol. 64, no. 5, pp. 601–604.

Kokko L., Tolvanen H., Hamalainen K., Raiko R. Biomass and Bioenergy, 2012, vol. 42, pp. 219–223.




DOI: http://dx.doi.org/10.14258/jcprm.2017021546

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.





Контакты: 656049, Барнаул, пр. Ленина, 61, АлтГУ,
редакция журнала "Химия растительного сырья".
Тел./факс: (3852) 29-81-36, e-mail: journal@chemwood.asu.ru.

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 3.0 License

Старая версия сайта:http://www.chem.asu.ru/chemwood_old/