Області застосування геміцелюлоз

Геміцелюлози на відміну від целюлози не знайшли широкого безпосереднього застосування у зв'язку зі складністю їх виділення в чистому вигляді. Одним з небагатьох винятків є арабогалактан (який не є полісахаридом геміцелюлоз), який виділяєте екстракцією з деревини модрини з отриманням модрини, що використовується в парфумерії, косметиці і кондитерському виробництві.

Основна маса полісахаридів геміцелюлоз використовується опосередковано або у складі деревини при її хімічній, мікробіологічній або механохімічній переробці, або у складі технічних целюлоз або інших волокнистих напівфабрикатів при отриманні матеріалів з них.

Основними напрямками використання геміцелюлоз нині є.

Хімічна переробка з отриманням моносахаридів, фурфуролу, оксиметилфурфуролу, ксилолтріоксиглутарової та щавлевої кислот, ]ксиліту, гліцерину, етиленгліколю, пентаеритриту, метанолу.

Мікробіологічна переробка моносахаридів, що утворюються з отриманням (кормових дріжджів), етанолу, ацетону, лимонної та інших кислот.

Механохімічна переробка з використанням геміцелюлоз та продуктів їх часткового гідролізу як сполучні матеріали при отриманні деревних пластиків і плит.

Гуміфікація відходів лісопиляння та деревообробки культурами грибів та термофільних бактерій з метою створення гумусоподібних матеріалів для підвищення родючості ґрунтів.

Підвищення поживності грубих рослинних кормів при лужних обробках, що призводять до відщеплення ацетильних груп та поліпшення засвоюваності сільськогосподарськими тваринами, а також для отримання кормової патоки для тих же цілей.

Спільне виділення з технічними целюлозами (целюлоза високого виходу,напівцелюлоза) з виходом волокнистого напівфабрикату до 80 – 85 % від маси деревини.

При виробництві паперу невеликі кількості геміцелюлоз покращують її якості (щільність, міцність, непрозорість) та збільшують швидкість набухання та фібрилювання волокна, великі знижують деякі з них. Присутність геміцелюлоз у технічних целюлозах, призначених для хімічної переробки, є небажаною.

Розроблено кілька перспективних технологій для виробництва різних хімічних продуктів з полісахаридів геміцелюлоз, але в даний час вони не є конкурентоспроможними в порівнянні з продуктами нафтопереробки, проте перспективність цих методів у майбутньому безперечна.

Хімія лігнінів

За розповсюдженням лігніни посідають друге місце серед органічних сполук на поверхні нашої планети після целюлози.

Вважають, що лігнін надає клітин рослини гідрофобність, що дозволяє їм зберігати форму при зіткненні з водою і водними розчинами, а також міцність і жорсткість, граючи роль сполучного в деревині як в природному армованому пластику.

Утворення лігніну в рослинних клітинах є наслідком їх життєдіяльності з одного боку, накопичення ж лігніну в рослинній клітині є причиною припинення її життєдіяльності - з іншого.

Класифікація лігнінів

Всеосяжної класифікації як лігнінів взагалі, так і деревних лігнінів нині не розроблено. Причиною цього є такі фактори.

Надзвичайна складність процесів біосинтезу, недостатнявивченість окремих його стадій як наслідок неповна ясність у питаннях будови природних лігнінів.

Складність виділення лігнінів з деревини в незміненому вигляді, внаслідок протікання в них конденсаційних та деструкційних процесів, що іноді накладаються один на одного.

Існування великої кількості ізольованих лігнінів, а також продуктів їхньої глибокої конденсації або деградації - «технічних лігнінів», склад яких суттєво залежить від умов впливу на деревину та змінюється в широких межах.

У зв'язку з вищевикладеним, що наводиться нижче класифікація, основою якої покладено різні ознаки далека від досконалості. I.

Лігніни хвойних порід.

Лігніни листяних порід. П. За місцезнаходженням.

Лігніни деревної зелені.

ІІІ. за структурою.

За методами виділення

За рівнем змінене.

Природні (протолігніни) - дуже лобільні, що легко змінюються під впливом зовнішніх факторів.

Нативні – найменш змінені порівняно з протолігнінами, внаслідок виділення м'якими методами (лігнін Бьоркмана, Браунса, Пеппера).

Ізольовані лігніни, у тій чи іншій мірі змінені в порівнянні з протолігнінами - виділені різними за жорсткістю методами (лігнін Парвеса, Фрейденберга, Вільштетгера, Классона тощо).

Технічні лігніни, що є, як правило, або глибокозміненими продуктами конденсації протолігнінів.

Методи виділення лігнінів

Майже всім методам виділення лігнінів властиві недоліки виділені препарати не ідентичні і більшою чи меншою мірою відрізняються від протолігнінів. Існуючі методи виділення лігнінів можна поділити на такі групи:

Методи, засновані на звільненні лігніну відвуглеводів шляхом їхнього гідролізу.

Методи, засновані на екстракції з деревини органічними розчинниками.

Методи, засновані на екстракції лігніну після спеціального розмолу деревини.

Методи вилучення неорганічними розчинниками.

Деякі методи I групи лежать в основі кількісного методу визначення лігніну в деревині (лігніни Классона, Вилиптеттера), за допомогою методів, що відносяться до П і Ш групі, виділяють нативні лігніни (лігніни Браунса, Пеппера, Б'єркмана), за допомогою методів IV групи здійснюють делігніфікацію. метою одержання целюлози, а глибоко змінені продукти деструкції лігнінів, що утворюються при цьому, називаються технічними липшнами (натронний, сульфатний, сульфітний лігніни).

Нижче наводяться основні методи виділення лігнінів, що стосуються перелічених груп, у більшості випадків для цього використовується проекстрагована деревина.

I група методів

Сірчанокислотний метод (метод Кеніга): обробка деревини 72% сірчаною кислотою протягом 48 годин, препарат лігніну являє собою нерозчинний порошок коричневого кольору (лігнін Классона).

Солянокислий метод: обробка деревини надконцентрованою 42%-ною соляною кислотою за низьких температур, препарат лігніну світло-коричневого кольору, менш змінений ніж лігнін Классона, але не розчинний в органічних розчинниках і частково розчинний у розчинах лугів при тривалому нагріванні (лігнін Вілінтетера).

Медноаміаковий метод: багаторазова обробка деревини, що чергується, реактивом Швейцера і 1%-ною соляною кислотою, препарат темно-жовтого кольору з виходом

16% від деревини (купруксамлігнін чи лігнін Фрейденберга).

Періодатний метод Парвеса: обробка деревини 4 – 5 %розчином періодату натрію, препарат золотисто-коричневого кольору з виходом -80% від лігніну Классону містить близько 20% вуглеводів, не розчинний в органічних розчинниках, але розчинний у водному розчині гідросульфіту натрію і дає типові кольорові реакції, що дозволять припустити його малу зміненість у порівнянні з протолігніном (періо-датний лігнін).

5. Промисловий гідроліз деревини обробка деревини 0,5% розчином сірчаної кислоти при температурі 180 -190°С, маса темно-коричневого кольору з виходом 35 - 40 % від деревини, містить 13 - 30 % полісахаридів, 8 - 15 % смол і жирів, 1,5-2 % сірчаної кислоти та 1 - 5 % золи (технічний гідролізний лігнін), є одним із найбільш законденсованих препаратів лігніну.

ІІ група методів

1. Екстракція спиртами без каталізаторів: обробка деревини етанолом при кімнатній температурі, препарат із виходом менше 3 % від деревини (нативний лігнін Браунса), при екстракції деревини частково зруйнованої гнилями отримують ензіматично виділений лігнін (біолігнін).

2. Екстракція спиртами із застосуванням кислих каталізаторів (0,2 % НС1): обробка деревини метанолом, етанолом, етиленг-ліколем, препарати світло-коричневого кольору (метанол-,етанол-, глікольлігнін).

Екстракція діоксаном: обробка деревини сумішшю діоксану з водою у співвідношенні 9.1 з додаванням 0,2% соляної кислоти в атмосфері інертного газу, порівняно мало змінений препарат лігніну (лігнін Пеппера).

Екстракція диметилсульфоксидом: малозмінений препарат світло-коричневого кольору з виходом б % від лігніну Классона, розчинний в органічних розчинниках.

5 Обробка гідротропними розчинами: обробка деревини 40 - 50 %-ними розчинами натрієвих солей, ксилол-, толуол-, цимолсульфоновихабо бензойної кислоти протягом 5-6 годин при температурі 150 - 180°С, препарати світло-коричневого кольору, розчинні в органічних розчинниках і розчинах лугів.

6. Обробка різними кислотами.

підвищеній температурі (сульфатний лігнін), препарати жовто-кремового кольору, розчинні в етанолі, ацетоні та розчинах лугів.

Кислотні способи делігніфікації деревини: обробка деревини сірчистою кислотою, розчинами її кислих або середніх солей натрію, кальцію або амонію при підвищеній температурі (сульфітні лігніни або лігносульфонати), добре розчиняються у воді, продукти темно-коричневого кольору.

Лігнінні препарати, одержані IV групою методів, є низькомолекулярними продуктами глибокої деструкції природних лігнінів.

Таблиця 14 Елементний склад різних препаратів лігніну деревини ялини

ЕлементиВміст у % у препаратах лігніну
БьоркманаФрейденбергЕкстракція димеїлсульфоксидом
Вуглець63,8466,162,09
Водень6,045,96,07
Кисень29,6828,031,84