Изучение процесса получения целлюлозы из стеблей различных однолетних бахчевых культур

В народном хозяйстве Республики Узбекистан целлюлозно-бумажное производство имеет важное значение. Обретение страной независимости послужило основой для развития многочисленных производственных отраслей, в том числе и целлюлозно-бумажной промышленности [1; 3].

В современных условиях интенсификации производства, когда потребность в различных сырьевых материалах возрастает, некоторые виды ценного целлюлозосодержащего сырья, в том числе стебли однолетних растений, до настоящего времени не находят своего рационального применения. Республика Узбекистан испытывает острый дефицит в древесной целлюлозе, бумаге, картоне и вынуждена затрачивать значительные валютные средства на их импорт.

Одними из ценных природных богатств Республики Узбекистан являются ежегодно возобновляющиеся растительные ресурсы с неограниченными возможностями удовлетворения растущей потребности целлюлозно-бумажной промышленности. Решение проблемы обеспечения целлюлозно-бумажной промышленности отечест­венным целлюлозосодержащим сырьем является важной научной и практической задачей [2; 3].

Исследования выполнялись в соответствии с планом прикладного проекта молодых ученых Наманганского инженерно-технологического инсти­тута МУ-ПЗ-20171025237 – «Разработка технологии получения целлюлозы различного назначения из бахчевых культур».

В работе в качестве объекта исследований использованы различные целлюлозосодержащие отходы однолетних бахчевых культур – стебли тыквы, огурцов, арахиса и арбуза. В начале исследований изучен процесс выделения целлюлозы из стеблей бахчевых культур и ее основные физико-химические характеристики.

Процесс получения целлюлозы на основе отходов растительного сырья проводился по следующей методике. Стебли растений первона­чально отделяли от примесей листьев, мелких веток и высушивали до влажности 6-8%. С целью ускорения технологического процесса выделения целлюлозы стебли вначале укорачивали до размеров волокон 5-8 мм и далее измельчали в лабораторном дезинтеграторе до достижения плотности 0,184 г/см³. Процесс отделения нецеллюлозных полисахаридов, гемицеллюлозы и лигнина из стеблей растений бахчевых культур заключался в следующем. Для удаления полисахаридов стебли первоначально обрабатывали водой при температуре 100-110^оС в автоклаве, снабженном нагревающим и переме­шивающим устройством. В этих же условиях с целью извлечения гемицеллюлозы и лигнина стебли растений обрабатывали 7-10% раствором NaOH при жидкостном модуле 1:20. Степень полного удаления из стеблей нецеллюлозных веществ контролировали путем изучения оптических показателей экстракта в процессе экстракции: оптического коэффициента, τ= и оптической плотности, D = 2 – logτ. Оптические исследования проведены с помощью фотоэлектроколориметра КФК-2 (длина волны
λ=590 нм, чувствительность – 2). Полученные результаты показали, что с возрастанием количества веществ в экстракте, выделяемом из стеблей, изменяются также и его оптические показатели. Известно, что, если в процессе обработки оптические показатели раствора не изменяются, это свидетельствует о полном удалении нецеллюлозных веществ из стеблей растений.

Вещества, которые отделяются в результате обработки водой, называют легкорастворимыми веществами, а вещества, которые трудно отделяются при обработке раствором щелочи, относят к трудновыделяемым веществам. Стебли всех однолетних растений были подвергнуты обработке одинаковым способом. В работе изучена кинетика процесса извлечения нецеллюлозных веществ из стеблей тыквы (рис. 1).

Рисунок 1. Зависимость изменения оптической плотности (1) и оптического коэффициента (2) экстракта из стеблей тыквы от продолжительности процесса кипячения в воде (t)

Из рисунка видно, что в начале процесса скорость извлечения нецеллюлозных примесей из стеблей растений резко возрастает, однако затем (примерно через 30-45 мин.) замедляется и в дальнейшем практически не меняется. Это свидетельствует о полном удалении из состава стеблей легко растворимых в воде углеводов – маннозы, глюкозы и фруктозы.

Сделан вывод, что для полного удаления легкорастворимых веществ достаточно кипячение в течение 90 мин. В табл. 1 приведены результаты определения продолжительности процесса удаления из стеблей различных однолетних бахчевых культур легко растворимых в воде веществ и оптические показатели полученныхэкстрактов (рис. 2).

Рисунок 2. Эксперимент по удалению легко растворимых веществ

Таблица 1.

Продолжительность процесса отделения легко растворимых в воде веществ из стеблей различных растений и оптические показатели экстракта

Для извлечения из стеблей водорастворимых веществ необходимо их кипячение при 105-110^оС в течение 90-120 мин. Исследования показали, что оптический коэффициент экстракта из стеблей тыквы (D=1,7) вдвое превышает аналогичные показатели экстрактов из стеблей арахиса и арбуза. Приведены результаты определения длительности процесса извлечения из стеблей растений веществ, растворимых в NaOH, и оптические показатели выделенных экстрактов (табл. 2).

Таблица 2.

Продолжительность процесса отделения продуктов, растворимых в растворе щелочи, и оптические показатели экстракта

Таким образом, впервые исследован процесс получения целлюлозы из стеблей различных однолетних бахчевых культур, кинетика процесса извлечения из них нецеллюлозных примесей и оптические показатели выделенных экстрактивных веществ. В дальнейших исследованиях предпо­лагается определить физико-химический состав полученной целлюлозы и изучить возможности ее дальнейшего использования в качестве дополнительного целлюлозосодержащего сырья для целлюлозно-бумажной промышленности Республики Узбекистан.