Гидролизная: Страница не найдена — Women365.Ru
Гидролизная или паровая очистка духовки что это такое
Очистка духового шкафа – трудоемкий процесс, который требует много времени, усилий. Благодаря техническому прогрессу, хозяйки могут приводить духовку в порядок быстрее: используя гидролизную систему очистки. Не каждая женщина знакома с этим методом, поэтому не всегда может по достоинству оценить все его преимущества.
Что собой представляет система
Гидролизная очистка проводится с использованием воды. Благодаря повышению температуры, из воды, смешанной с порошком для чистки, образуется пар. Воздействие паром на стенки духовки размягчает имеющиеся загрязнения.
Такую систему очистки можно использовать для газовых и электрических духовок.
Чтобы поверхность духового шкафа стала чистой, действуйте по следующему алгоритму:
- Достаньте противень с высокими бортиками и налейте в него воды (пол-литра).
- К воде добавьте специальное средство для чистки (уксус, сок лимона или апельсина, пару капель эфирного цитрусового масла).
- Поставьте противень в духовой шкаф.
- Нагрейте духовку до температуры 90 градусов.
- Оставьте духовку на полчаса включенной для проведения очистки.
- По истечении положенного времени, удалите со стенок духового шкафа остатки загрязнения с помочью губки или салфетки.
- Протрите внутреннюю поверхность духового шкафа сухой мягкой тканью.
Достоинства метода очистки паром
Очищение внутренней поверхности духовки с помощью гидролиза имеет преимущества:
- Низкая ценовая категория средств для проведения очистки.
- Невысокий расход электроэнергии.
Хозяйки относят к преимуществам данного метода небольшие затраты сил на его проведение, отсутствие необходимости уделять чистке много времени. Им нравится, что не требуется постоянно следить за процессом чистки во время его проведения.
- Паровая система подходит для духовых шкафов с функцией самоочистки. Такие бытовые приборы имеют на внутренних стенках специальные поверхности, которые покрыты эмалью высокого качества. Благодаря такому покрытию не происходит проникновение жира в стенки. Внутренняя поверхность такого прибора более устойчива и не страдает от воздействия кислотной среды, которая создается во время гидролиза.
- Метод удаления загрязнений гидролизом эффективен, только если пятна, отложения жира свежие, не засохшие.
- Гидролизная система не является системой самоочистки, так как удалять загрязнения с поверхности необходимо вручную. Однако она значительно упрощает процесс удаления загрязнений с поверхности духовки.
что это такое и как использовать
Гидролизная очистка духовки — это первый метод удаления следов загрязнений с внутренних поверхностей. Данный способ появился практически одновременно с введением в обиход подобных бытовых приборов. Эффективность гидролизной чистки проверена годами. Такой метод применяется для удаления жира и следов других загрязнений.Что такое гидролизная очистка духовки
- каталитический;
- пиролитический;
- гидролизный.
Первые два метода ограничены в применении. Для каталитического способа очистки необходимо, чтобы внутренние поверхности были покрыты специальным слоем, а последний предусматривает нагрев до +500 градусов, что не выдерживают некоторые материалы.
Гидролизный метод предполагает оказание воздействия на внутренние стенки духового шкафа паром. Такая очистка отличается высокой эффективностью и подходит для удаления загрязнений с любых поверхностей. Пар оказывает мягкое воздействие на внутренние поверхности. По окончании такой процедуры поверхность достаточно протереть сухой тряпкой.
Принцип работы
Суть данного метода сводится к следующему: в духовой шкаф ставится ёмкость с водой, которая нагревается до 80–90 градусов.Под воздействием такой температуры жидкость начинает испаряться. Образовавшийся пар размягчает жир, налёт и другие отложения, облегчая тем самым очистку поверхностей.
В некоторых моделях духового шкафа предусматривается собственная гидролизная система. Последняя представлена в виде небольшой ниши, предназначенной для залива чистой воды.
Плюсы и минусы гидролизной очистки
Гидролизный метод имеет несколько выраженных достоинств:
- Универсальность. Гидролизный метод подходит для очищения любых духовых шкафов. Такой универсальностью обладает только традиционные способы удаления пятен. Но гидролизный ускоряет процесс очистки.
- Одновременная чистка каждой поверхности. Пар воздействует на все части духовки, а также на противни, сковородки и другую посуду. Благодаря этому можно сразу удалить жир как с внутренних поверхностей, так и с кастрюль и сковородок.
- Дешевизна. Чтобы очистить духовой шкаф, достаточно налить и нагреть воду. В остальных случаях потребуется приобретать специализированные средства. А если говорить о духовках с каталитическими поверхностями, то эти приборы стоят заметно дороже.
- Безопасность. Очистка духового шкафа проводится при минимальном участии человека.
- Щадящее воздействие на поверхности. При температуре в 90 градусов ни внутренние части, ни установленная посуда, которая предназначена для духовки, не повреждаются.
Во избежание негативных последствий не рекомендуется добавлять в воду агрессивные вещества. Последние усиливают эффект от данного способа, но способны вызвать аллергическую реакцию и способствуют образованию коррозии на внутренних поверхностях.
К недостаткам гидролизного метода относится то, что такая чистка занимает много времени. Для достаточного размягчения следов загрязнений нередко приходится нагревать духовку в течение 10 и более минут. Посредством каталитического и пиролитического методов духовка очищается быстрее. Продолжительность воздействия паром зависит от:
- степени загрязнения;
- характеристики чистящих, которые добавляются в воду;
- особенности пятен.
Гидролизный метод не помогает при застарелых следах жира. В этом случае потребуется провести данную процедуру несколько раз, чтобы размягчить все въевшиеся пятна.
Кроме того, если в процессе очистки используются химические вещества, возникает стойкий резкий запах. В этом случае нужно запускать вытяжку на максимальной мощности. Аналогичный недостаток характерен и для пиролитического метода, из-за которого при определённых условиях возможно задымление кухни.
Как пользоваться
Гидролизная очистка духового шкафа проводится в несколько этапов.Для удаления загрязнений потребуется:
- Убрать из духовки всю посуду, решётки и противень (это рекомендуемая, но не обязательная мера).
- Если бытовой прибор дополняется функцией гидролизной очистки, то нужно включить этот режим, залив жидкость в соответствующее углубление. В ином случае следует установить жаропрочную миску с чистой водой внутрь духового шкафа.
- Запустить духовку и включить режим гидролизной очистки. Если такая функция не предусматривается в конструкции бытового прибора, то нужно нагреть шкаф до температуры в 90 градусов.
- Выждать около 30–40 минут. За это время вода преобразуется в пар, который размягчит загрязнения.
- Отключить духовку и дождаться полного остывания.
После этого нужно с помощью сухой или влажной тряпки протереть внутренние поверхности, удалив остатки загрязнений. На данном этапе запрещено использовать абразивные вещества или жёсткие щётки.
Гидролизный метод упрощает процесс очистки внутренних поверхностей духового шкафа. Данная процедура занимает около получаса и не требует использования специализированных составов.
Название | Значение |
---|---|
Дата заполнения / внесения изменений: | 25.05.2016 |
Тип фундамента | Свайный |
Тип перекрытий | Железобетонные |
Материал несущих стен | Каменные, кирпичные |
Фасады | |
Тип фасада | Соответствует материалу стен |
Крыши | |
Тип крыши | Скатная |
Тип кровли | Из волнистых и полуволнистых асбестоцементных листов (шиферная) |
Подвалы | |
Площадь подвала по полу (кв.м) : | 739 |
Мусоропроводы | |
Тип мусоропровода | Отсутствует |
Лифты | |
Лифты | Нет |
Общедомовые приборы учета | |
Вид коммунального ресурса | Холодное водоснабжение |
Наличие прибора учета | Отсутствует, требуется установка |
Вид коммунального ресурса | Горячее водоснабжение |
Наличие прибора учета | Отсутствует, требуется установка |
Вид коммунального ресурса | Водоотведение |
Наличие прибора учета | Отсутствует, установка не требуется |
Вид коммунального ресурса | Электроснабжение |
Наличие прибора учета | Установлен |
Тип прибора учета | Без интерфейса передачи данных |
Единица измерения | кВт |
Дата ввода в эксплуатацию | 2010-11-25 |
Дата проверки / замены прибора учета | 2026-11-25 |
Вид коммунального ресурса | Отопление |
Наличие прибора учета | Отсутствует, требуется установка |
Вид коммунального ресурса | Газоснабжение |
Наличие прибора учета | Отсутствует, установка не требуется |
Тип системы электроснабжения | Центральное |
Количество вводов в МКД (ед.): | 1 |
Тип системы теплоснабжения | Центральное |
Тип системы горячего водоснабжения | Центральное (закрытая система) |
Тип системы холодного водоснабжения | Центральное |
Тип системы водоотведения | Центральное |
Объем выгребных ям (куб.м) (при наличии): | 0 |
Тип системы газоснабжения | Центральное |
Тип системы вентиляции | Приточная вентиляция |
Тип системы пожаротушения | Отсутствует |
Тип системы водостоков | Наружные водостоки |
Гидролизная очистка духовки что это такое?
Функцию Aqva Clean сложно назвать самоочисткой, процесс происходит при низких температурах 60-80 градусов, продолжительность 15-50 мин. После того как внутренняя поверхность остынет остатки жира удаляют влажной тряпкой. Для этого типа приборов используют кислотоустойчивую эмаль высокого качества, этот способ подходит для любых жарочных шкафов, кроме каталитических.
Данный тип работает по принципу очистки паром, в противень или специальное углубление наливается вода, процесс длиться 30-50 мин при температуре 60-90 градусов. После этого размягчённый жир смывают вручную.
Как пользоваться функцией гидролиза
Другое название гидролизной очистки: функция Aqva Clean, производители отмечают её на панели по-разному. Допустим, у духовок Electrolux нарисована тучка с дождём, а компания Gorenje использует значок с ладонью и каплей. Внимательно изучите инструкцию прибора, там сказано, как найти программу гидролиза на панели управления. Можно приступать к очистке:
- В глубокий противень или специальное углубление налейте 1 литр фильтрованной воды, добавьте в него специальное средство для гидролиза, если такового не имеется, то налейте любое средство для очистки духовок от жира.
- Включите программу Aqva Clean, если у вас обычный духовой шкаф, то включите режим «нагрев снизу».
- Терморегулятор поставьте на отметку 60-80 С, таймер на 30-50мин.
- Когда прибор остынет тщательно помойте все поверхности мягкой тряпкой.
- Вытрите все части аппарата насухо и оставьте ещё на час с открытой дверцей, чтобы всё хорошо просохло.
Если быть объективным, то гидролиз едва ли можно назвать самоочисткой. Ведь после процедуры размягчённый жир нужно будет убрать вручную, вымыть решётки и противни, хорошо потереть под грилем, но, несомненно, это намного проще, чем отскребать присохший жир.
Приборы с очисткой паром встречаются как среди газовых, так и среди электрических духовок. Эмаль этих приборов очень качественная, носит «фирменное» название Ecoclean, она ровная и гладкая, относится к покрытиям, имеющим уровень кислотности «ААА» – это значит, что данный тип эмали рассчитан на то, что за ней будут ухаживать с помощью средств, содержащих кислоту.
На самом деле вы можете производить гидролизную очистку любой духовки самостоятельно, независимо от того предусмотрена в ней функция Aqva Clean или нет. Просто налейте в противень или любую другую ёмкость литр воды с уксусом, установите таймер на 50 минут, темперу на 60-80 градусов и включите духовку. После вытрите размягчённый жир тряпкой.
Желательно проводить процедуру гидролиза как только загрязнения появились, чем раньше вы это сделаете тем легче будет удалить жир и меньше времени (а значит электроэнергии) будет потрачено, гидролиз может занять всего 15 мин, если вы начнёте его сразу после готовки.
Этот способ не стоит использовать в духовках с каталитической эмалью, ведь обилие пара и уксусные испарения могут испортить деликатное покрытие.
Другие виды очистки духовок
На данный момент в бытовой технике появилось немало полезных дополнительных функций. Например: самоочищающиеся духовки разных типов позволяют сэкономить немало времени и сил, которые раньше тратились на мытьё жирных внутренностей духовки. Самые популярные типы самоочистки это:
- Пиролитическая очистка происходит при температуре 500 градусов Цельсия, органические остатки превращаются в пепел, который легко выметают щёткой или ветошью. Процесс занимает 1,5-3,5 часа и связан с дополнительными энергозатратами.
- Каталитическая очистка происходит сама собой, в то время пока готовится пища. Это происходит потому что задняя и боковая стенки покрыты специальной пористой эмалью в которой содержится катализатор (разлагающий загрязнения на сажу и воду) и нано-частицы, впитывающие запах. Требует деликатного обращения с эмалью, замены каталитических панелей раз в 5 лет. Решётки, задняя стенка, дверца, противни очищаются вручную.
Как легко и быстро помыть газовую плиту от жира и пригоревшей еды читайте на сайте “Современное Домоводство”.
Гидролизная очистка духовки — что это такое и как правильно ее проводить
Процесс очищения духовых шкафов занимает немало времени, поскольку из-за высоких температур нет возможности удалять жир и загрязнения сразу же после их появления на стенках, дне или смотровом окне духовки. Значительно упростить уход за духовым шкафом плиты можно, если воспользоваться методом гидролизной очистки. Такую процедуру можно проводить в домашних условиях, и после ее проведения избавиться от загрязнений станет намного проще.
Проведение гидролиза
Гидролизная очистка духовки и духового шкафа — что это такое?
Метод гидролизного удаления твердых частиц предполагает удаление загрязнений при помощи пара. Именно поэтому этот способ и получил название гидролиз, поскольку при взаимодействии с водой, а точнее с паром, вещества и имеют свойство расщепляться. Соединяясь со средствами для очистки, они создают эмульсированные вещества, которые можно удалить с поверхности при помощи влажной губки. Процесс проведения процедуры заключается в следующем:
- Внутрь шкафа устанавливается поднос с водой.
- Духовой шкаф разогревается до температуры 90°.
- Нагретая вода отделяет пар, который соединяется с жиром и загрязнениями. Они стекают на дно.
- Размягченные жиры стираются салфетками вручную после остывания всех внутренних поверхностей.
Удаление жира салфеткой
Современные духовые шкафы обработаны изнутри эмалью, которая препятствует скоплению жира. Это значительно упрощает процесс проведения гидролизной чистки.
Как проводить гидролизную чистку
Для поддержания плиты в хорошем состоянии рекомендуется проводить гидролизную мойку после каждого приготовления пищи. В таком случае получится избежать скопления затвердевшего жира, процесс удаления которого занимает много времени.
Чистая духовка
Поэтапный процесс проведения гидролизного очищения выглядит так:
- Из духового шкафа плиты необходимо удалить все содержимое, в том числе противни.
- Если плита электрическая, скорее всего в ней есть на дне углубление, предназначенное для проведения гидролиза. Если же плита старая, и такого углубления нет, можно воспользоваться любой широкой емкостью, которая устанавливается на дно на решетку. В эту емкость необходимо налить воду, в которую добавлено моющее средство. Такими могут выступать, как специальные гели для проведения гидролиза, так и домашние вспомогательные средства (поваренная соль, уксус и другие).
- После этого необходимо включить функцию очистки или установить нагревание в духовом шкафу до температуры 90 градусов. Разогревшись до этой температуры, вода переходит из жидкого состояния в парообразное. Горячий пар размягчает загрязнения, которые скопились на стенках и дне.
- Нагревание проводится в течение 20-30 минут.
- После завершения нагревания необходимо обработать внутренние стенки и дно салфетками, которые легко удалят размягченные загрязнения.
Духовка после гидролиза
При отсутствии специальных моющих или чистящих средств для проведения такой чистки, можно использовать уксус, лимон, хозяйственное мыло или соль. Уксус следует добавлять в воду в пропорции 1:4 и данным раствором проводить операцию при температуре 90 градусов.
Уксус для гидролиза
При использовании лимона в противень с водой следует поместить несколько нарезанных долек. Кроме лимона желательно добавить в воду небольшое количество обычного геля для мытья посуды (1-2 столовых ложки). В таком случае проводить чистку следует в течение 30 минут, а духовой шкаф разогревать до температуры 150 градусов.
Лимон для гидролиза
При использовании хозяйственного мыла около трети бруска необходимо натереть на терке и растворить в теплой воде (количество указано на 1 л воды). При использовании хозяйственного мыла духовка разогревается до 150 градусов, а после удаления всего жира и загрязнений следует на 8-10 часов оставить дверцу открытой, чтобы выветрился запах мыла. После проведения чистки с помощью хозяйственного мыла желательно не пользоваться духовкой в течение суток.
Мыло для гидролиза
При использовании соли на 400 грамм воды используется 300 грамм соли. Предварительно необходимо растворить соль и в противень заливать уже солевой раствор. Его можно заранее процедить. Кроме того, разогревать духовку следует до температуры 200 градусов и проводить чистку в течение 30 минут, а загрязнения удалять после некоторого остывания.
Преимущества и недостатки гидролизного метода очистки
Как и любой метод очищения, гидролизный имеет ряд преимуществ и недостатков. К преимуществам использования данного метода очищения духового шкафа плиты можно отнести:
- низкую стоимость проведения процедуры. Чистящее средство для проведения процедуры используются в очень малом объеме, к тому же стоит недорого. Потребление электроэнергии или газа во время процедуры также является минимальным, поскольку используются невысокие температуры;
- возможность использования данного алгоритма и для газовых плит, и для электрических;
- сохранение эмали в неповрежденном состоянии. При чистке жесткой металлической щеткой или губкой повреждается эмаль, при удалении загрязнений паром она остается неповрежденной;
- безопасность проведения данной процедуры из-за использования низких температур и короткого срока их воздействия;
- возможность использовать этот метод для духовок старого и даже советского производства;
- возможность проводить такую чистку после каждого приготовления пищи без вреда для внутреннего покрытия.
Удаление жира
Как видно из выше перечисленного списка, у гидролизного метода очистки есть большое количество позитивных сторон. Тем не менее, у данного способа есть и ряд недостатков. К таковым можно отнести:
- необходимость произведения ручного удаления загрязнений после растворения жира паром;
- невозможность устранения старых загрязнений, затвердевшего жира;
- необходимость освобождения духовки от содержимого перед каждым проведением процедуры;
- возможность получения ожогов, если после проведения гидролиза внутренние стенки не остыли полностью;
- невозможность очищения гидролизом решеток и противней;
- необходимость проводить процедуру после каждого приготовления пищи.
Очищенная духовка
Таким образом, видно, что гидролитическая очистка — достаточно бюджетный и простой способ постоянного поддержания духовки в чистом виде. Тем не менее, нельзя рассматривать этот способ как возможность раз и навсегда удалить давно скопившиеся загрязнения, поскольку гидролиз — способ бережной очистки, который подходит для постоянного использования и справляется со свежим жиром.
Спрей для очистки
Проводить гидролизную очистку духового шкафа плиты можно регулярно, после каждого приготовление пищи. Тем не менее, по ряду причин данный способ очищения внутренней поверхности духовки нельзя назвать универсальным, хотя он и подходит для плит любого производства. Основной особенностью гидролиза является то, что он удаляет жир и загрязнения очень бережно и мягко, и хотя это помогает сохранить внешний вид плиты, удалить застаревшую грязь гидролизом невозможно. Однако если проводить такую чистку после каждого использования духового шкафа, необходимость удалять твердый давний жир исчезнет, и при помощи гидролиза можно будет добиться сохранения духовки в идеально чистом виде.
Тулуна: Тулун — Иркутская область, Россия: УЛ. ГИДРОЛИЗНАЯ СОДРУЖЕСТВО » outdooractive.com
__(function () { if (data.x != null) { return ((data.x*1000.0)).toFixed(typeof data.digits === ‘number’ ? data.digits : 1) } else { return ‘–’ }})()__ mm
__(function () { if (data.x != null) { return ((data.x*100.0)).toFixed(typeof data.digits === ‘number’ ? data.digits : 0) } else { return ‘–’ }})()__ cm
__(function () { if (data.x != null) { return ((data.x*0.001)).toFixed(typeof data.digits === ‘number’ ? data.digits : 1) } else { return ‘–’ }})()__ km
__(function () { if (data.x != null) { return (data.x).toFixed(typeof data.digits === ‘number’ ? data.digits : 0) } else { return ‘–’ }})()__ m
__(function () { if (data.x != null) { return (data.x).toFixed(typeof data.digits === ‘number’ ? data.digits : 1) } else { return ‘–’ }})()__ km/h
__(function () { if (data.x != null) { return (data.x).toFixed(typeof data.digits === ‘number’ ? data.digits : 0) } else { return ‘–’ }})()__
__(function () { if (data.x != null) { return ((data.x*1000.0)).toFixed(typeof data.digits === ‘number’ ? data.digits : 1) } else { return ‘–’ }})()__
__(function () { if (data.x != null) { return ((data.x*100.0)).toFixed(typeof data.digits === ‘number’ ? data.digits : 0) } else { return ‘–’ }})()__
__(function () { if (data.x != null) { return ((data.x*0.001)).toFixed(typeof data.digits === ‘number’ ? data.digits : 1) } else { return ‘–’ }})()__
__(function () { if (data.x != null) { return (data.x).toFixed(typeof data.digits === ‘number’ ? data.digits : 0) } else { return ‘–’ }})()__
__(function () { if (data.x != null) { return (data.x).toFixed(typeof data.digits === ‘number’ ? data.digits : 1) } else { return ‘–’ }})()__
__(function () { if (data.x != null) { return (data.x)} else { return data }})()__
__(function () { if (data.x != null) { return ((data.x*1000.0))} else { return data }})()__
__(function () { if (data.x != null) { return ((data.x*100.0))} else { return data }})()__
__(function () { if (data.x != null) { return ((data.x*0.001))} else { return data }})()__
__(function () { if (data.x != null) { return (data.x)} else { return data }})()__
__(function () { if (data.x != null) { return (data.x)} else { return data }})()__
{value} h:min
Гидролизная кислота — Справочник химика 21
В производстве двуокиси титана (титановых белил) после фильтрации метатитановой кислоты образуется отход гидролизной кислоты, содержащей 22—25% серной кислоты и 8—12% моногидрата железного купороса. [c.166]Гидролиз растворов титана проводят в реакторе 32, снабженном мешалкой и змеевиком для подачи пара или воды Зародыши дозируются в реактор мерниками 30 и 31 Предгидролизный раствор поступает из емкости 22, а вода — через жидкостной счетчик 33 По окончании гидролиза полученную суспензию сливают в емкость 34, откуда ее подают на вакуум-фильтр 35 с намывным слоем для отделения гидролизной кислоты, которую затем направляют иа утилизацию, а продукт гидролиза подают в репульпатор 37, где его отмывают водой Из репульпатора 37 суспензия поступает на вакуум-фильтр 38 Вторая отмывка продукта гидролиза проводится аналогично Отмытый продукт разбавляют водой в емкости 39 и подают на отбелку в аппарат 40 Сюда же подают серную кислоту из мерника 41 и цинковую пыль, [c.274]
Эта же фирма разработала установки для выпаривания отходов гидролизной кислоты в производстве двуокиси титана производительностью от 3000 до 20 000 кГ ч исходного раствора. Такие установки могут располагаться как встроенные в здание основного производства, так и в отдельно размещенном здании. На фиг. 5 показан внешний вид установки для концентрирования серной кислоты, построенной в отдельном корпусе. [c.16]
Установка для концентрации растворов гидролизной кислоты содержит вспомогательное оборудование, имеющее большое значение для организации нормальной работы концентратора, а также ряд контрольно-измерительных приборов, предназначенных для управления и автоматизации всего производства. К такому вспомогательному оборудованию относятся центробежные насосы, компрессоры, хранилища сырья и готовой продукции, а также подогреватели мазута и питатели. [c.169]
На некоторых предприятиях отходы гидролизной кислоты достигают 20 000 кГ, и вопросы утилизации их имеют большое [c.166]
Технологическая схема концентрации гидролизной кислоты в производстве двуокиси титана показана на фиг. 69. [c.167]
Ванна оросительного теплообменника изготовлена из малоуглеродистой стали, внутри защищена кислотоупорным кирпичом на кислотостойкой замазке. Ванна находится внизу оросительного теплообменника н служит сборником для циркулирующего раствора гидролизной кислоты. Кожух и верхний колпак теплообменника изготовлены также из малоуглеродистой стали, но все внутренние поверхности гуммированы кислотостойкой рези-цой. Изнутри к колпаку прикреплены покрытые кислотостойкой резиной жалюзные брызгоуловители. [c.169]
Раствор с температурой 80° С из сборника подается центробежным насосом 2 в ванну оросительного теплообменника 3. Избыток раствора переливается через переливной штуцер в трубу и возврашается обратно в сборник. Уровень кислоты в ванне оросительного теплообменника регулируется автоматическим клапаном 5, установленным на линии подачи раствора в концентратор 6. Находящийся в ванне раствор гидролизной кислоты с помощью встроенного центробежного насоса циркулирует, т. е. подается на орошение теплообменника. [c.167]
В аппаратах с погружными горелками действительная точка кипения раствора, полученная при определенной концентрации кислоты, понижается. В условиях работы концентратора 50%-ный раствор гидролизной кислоты кипит при 110° С, а 60%-ный раствор при 128° [c.168]
Оросительный теплообменник для предварительного нагрева и испарения раствора гидролизной кислоты, в котором утилизируется тепло парогазовой смеси, поступающей из концентратора, представляет собой сложную конструкцию и состоит из ванны (бака), трубчатки и кожуха с колпаком. [c.169]
Концентратор представляет собой сосуд с конусным дном, в котором производится упарка (концентрирование) раствора гидролизной кислоты с помощью тепла, полученного при сгорании природного газа в погружной горелке. В крышке концентратора располагаются три погружные горелки, конструкция [c.169]
Для успешного осуществления непрерывного технологического процесса концентрирования гидролизной кислоты установка снабжена средствами автоматизации, параметры [c.171]
Стабилизация уровня раствора в ванне оросительного теплообменника путем изменения подачи гидролизной кислоты. [c.171]
В результате гидролиза раствора сернокислого титана образуется суспензия метатитановой кислоты в неразбавленной гидролизной кислоте, предназначенная для получения малярной двуокиси титана. Содержание твердой фазы в суспензии составляет примерно 12—13% [c.328]
На фиг. 2 показана технологическая схема концентрации гидролизной кислоты в производстве двуокиси титана. [c.203]
При сернокислотном способе на 1 т Т102 получаете до 4 т железного купороса и до 5 гидролизной НаЗОь загрязненной примесями. Гидролизную кислоту целесообразно было бы возвращать в производственный цикл, но этому препятствует присутствующая в ней тончайшая взвесь гидроокиси титана, которая может стать причиной преждевременного гидролиза растворов. Ее упаривают до 78% и используют в производстве суперфосфата. Лучший метод утилизации железного купороса — термическое разложение с получением из образующегося при этом ЗОа серной кислоты. [c.256]
В целях определения и выбора материалов для защиты оборудования упарки гидролизной кислоты были исследованы следующие материалы [c.205]
Образцы, после нахождения в гидролизной кислоте, вынимали через 5 10 15 30 суток и испытывали на изменение веса, непроницаемость, адгезию с керамикой, и на изменение механической прочности их (разрыв, изгиб и сжатие). Ниже приводятся результаты этих испытаний. [c.205]
Кислотоупорный цемент на натриевом стекле обладает высокой устойчивостью к воздействию 23%-ной гидролизной кислоты при 20 °С. [c.206]ВИЯ гидролизной кислоты, но, наоборот, значительно возрастает. [c.207]
Еще более устойчивы образцы цемента к воздействию 23%-ной гидролизной кислоты при температуре 60 °С. Уже после 5 дней испытания образцов в кислоте, их механическая прочность превышает контрольную почти в 1,5 раза. [c.207]
Особенно резко механические свойства образцов цемента повышаются после испытания их в гидролизной кислоте при 120 °С. [c.207]
Кислотоупорный цемент также очень устойчив к воздействию 56%-ной гидролизной кислоты при 20 °С (графики фиг. 5 и 6). [c.207]
После воздействия 55%-ной гидролизной кислоты непроницаемость замазки сохраняется до конца испытания только при комнатной температуре. При 60 °С замазки становятся проницаемыми после 20 суток воздействия, а при 120°С уже после [c.210]
Few, >2 TiOSD — I.I // о — 64,2 сульфаты алюминия, магния, марганца, ванадия, хрома, кальция. Присутствуют также скандий, цЕфконий и гафний. На I т готового продукта образуется 2,294 т железного купороса и 8,599 т гидролизной серной кислоты. Как правило, гидролизная кислота концентрифуется упариванием, а шлам, включающий до 45-55 % сульфата железа и 16-25 % , не [c.6]
Отходами производства диоксида титана сульфатным методом являются значительные количества гидролизной кислоты (2 т 10%-ной h3SO4 на 1 т Т1О2) и железного купороса (3,5— [c.274]
По техническим условиям работы выпарного аппарата концентрация гидролизной кислоты составляет 56% Н2304 и температура кипения ее не превышает 120° С. Следовательно, автоматический клапан устанавливают на нижнем пределе температуры 120—118° С. [c.168]
Как только установка начнет работать равномерно и содержание раствора гидролизной кислоты достигнет 567о, растворимость железного купороса понижается и он кристаллизуется в виде Ре304 НгО, осаждаясь в качестве тонкой пульпы на дно выпарного аппарата-концентратора. [c.168]
Вакуум-фильтры с намывным слоем. На крупных заводах пигментной двуокиси титана (с регенерацией гидролизной кислоты) для фильтрации метатитановой кислоты применяются барабанные вакуум-фильтры о намывньш слоем. В качестве намьгвного слоя используется облагороженный диатомит и древесная мука. Барабанные вакуум-фильтры с намывным слоем предназначаются для фильтрации коллоидальных и липких веществ, быстро забивающих поры ткани, а также сильно разбавленных суспензий, содержащих небольшое количество взвесей и не образующих слоя осадка, толщина которого была бы достаточна для нормальной работы фильтра непрерывного действия [c.327]
В 1968г. в лаборатории рвгвиврации и использования отработанных кислот НИУИФа изучались различные способы утилизации гидролизной кислоты, очистки оерной кислоты от углеводородов, утилизации отработанной серной киолоты, получаемой в производг стве сульфоугля. [c.95]
ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИОННОСТОИКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОБОРУДОВАНИЯ УПАРКИ ГИДРОЛИЗНОЙ КИСЛОТЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ ДВУОКИСИ ТИТАНА [c.202]
В аппаратах с погружными горелками действительная точка кипения раствора, полученная при определенной концентрации КИСЛ01Ы, понижается вследствие частичного давления, оказываемого инертными газами, полученными при сжигании горючих газов с воздухом в погружной горелке. Таким образом, в условиях работы концентратора, 50%-ный раствор гидролизной кислоты кипит ири 110°С, а 60%-ный — при 128°С. [c.202]
Как только установка начнет работать равномерно и содержание раствора гидролизной кислоты достигнет 56%, растворимость железного купороса понижается, и он кристаллизуется в виде Ре304-НгО, осаждаясь в качестве тонкой пульпы на дно выпарного аппарата концентратора. Для улучшения кристаллизации эта пульпа должна непрерывно и энергично переме- [c.204]
Образцы из выбранных материалов испытывали в гидролизной кислоте, полз ченной с Ярославского завода Свободный труд , состава 12—16% Н2304 11% Ре504 1% 1102504 2,6%—прочие сульфаты и остальное вода. [c.205]
Гидролиз — обзор | Темы ScienceDirect
3.1 Кислотный гидролиз
В химии кислотный гидролиз — это процесс, в котором протонная кислота используется для катализа разрыва химической связи посредством реакции нуклеофильного замещения с добавлением элементов воды (H 2 О). Обычный тип гидролиза происходит, когда соль слабой кислоты или слабого основания (или того и другого) растворяется в воде. Вода спонтанно ионизируется на катионы гидроксония (H 3 O + , для простоты обычно обозначаемые как H + ) и гидроксид-анионы (OH — ).Соль (например), используя ацетат натрия (CH 3 COONa) в качестве примера, диссоциирует на составляющие катионы (Na + ) и анионы (Ch4COO — ). Ионы натрия имеют тенденцию оставаться в ионной форме (Na + ) и очень мало реагируют с ионами гидроксида (OH —), тогда как ионы ацетата объединяются с ионами гидроксония с образованием уксусной кислоты (CH 3 COOH). В этом случае чистым результатом является относительный избыток гидроксид-ионов, и раствор имеет основные свойства.С другой стороны, сильные кислоты также подвергаются гидролизу, и когда серная кислота (H 2 SO 4 ) растворяется (смешивается с) водой, растворение сопровождается гидролизом с образованием иона гидроксония (H 3 O + ) ион бисульфата (HSO 4 — ), который является сопряженным основанием серной кислоты.
Примером химического гидролиза является гидролиз хлорида железа (FeCl 3 ) ионами воды, который происходит потому, что соль (хлорид железа) образуется из слабого основания [гидроксид железа, гидроксид железа, Fe (OH) 3 ] и сильная кислота (соляная кислота, HCl):
FeCl 3 + 3H 2 O → Fe (OH) 3 + 3HCl
Обратить реакцию трудно, потому что гидроксид трехвалентного железа отделяется от водный раствор в виде осадка.
Таким образом, реакция гидролиза — это разрыв химических связей путем добавления воды или основания, доставляющего гидроксильный ион (OH — ). Химическая связь разрывается, и образуются две новые связи, каждая из которых имеет либо водородный компонент (H), либо гидроксильный компонент (OH) молекулы воды. Это приводит к сильной зависимости от кислотности или щелочности (pH) раствора, часто наблюдаемой, но в некоторых случаях гидролиз может происходить в нейтральной (pH = 7) среде.Адсорбция на минеральных отложениях (например, на глинистых отложениях, обладающих сильной адсорбционной способностью) обычно снижает скорость гидролиза для реакций, катализируемых кислотой или основанием.
Например, силиконовые полимеры, которые часто трудно восстановить (Rücker and Kümmerer, 2015), подвергаются гидролитическому разложению, катализируемому глиной (Xu, 1998). В этом примере было исследовано влияние уровней влажности и обменных катионов на разложение полидиметилсилоксановой жидкости на глинистые минералы.Каолинит, тальк и монтмориллонит Аризоны, насыщенный ионами натрия (Na + ), ионами кальция (Ca 2+ ) или ионами алюминия (Al 3+ ), были использованы для разрыва его кремний-кислород-кремний ( SiOSi) магистраль. Гидролитическая деградация проходит в две стадии — обе являются реакциями нулевого порядка. Хотя высокая влажность может привести к образованию некоторых летучих циклических производных метилсилоксана на искусственном катализаторе (насыщенном алюминием монтмориллоните), конечным продуктом разложения в остальном был водорастворимый диметилсиландиол.Таким образом, на скорость разложения и продукты силиконовых полимеров влияли (1) тип обменного катиона, (2) уровень влажности и (3) тип глины.
Есть также свидетельства того, что скорость ферментативного гидролиза глюкозо-1-фосфата (G1P), адсорбированного на гетите кислой фосфатазой (AcPase), может быть того же порядка величины, что и в водном растворе. В результате поверхностного процесса в раствор выделяется углерод, тогда как ортофосфат остается адсорбированным на гетите. Эта реакция гидролиза является строго межфазным процессом, который определяется свойствами поверхности раздела.Высокая поверхностная концентрация субстрата опосредует образование каталитически активного слоя, и хотя адсорбция, вероятно, снижает каталитическую эффективность фермента, это снижение почти уравновешивается тем фактом, что фермент и субстрат концентрируются на минеральных поверхностях. Таким образом, минеральные поверхности с подходящими поверхностными свойствами могут быть очень эффективными для концентрирования субстратов и ферментов, тем самым создавая микрохимические среды с высокой ферментативной активностью. Следовательно, сильно адсорбированные молекулы в почве и водной среде также могут подвергаться биоразложению внеклеточными ферментами (Olsson et al., 2012).
Кроме того, адсорбция не влияет на нейтральные реакции (Глава 5), хотя всегда существует вероятность того, что минеральный осадок может вызвать катализируемые реакции химического превращения. Многие химические вещества можно изменить в результате прямой реакции с водой. Скорость реакции гидролиза обычно выражается в терминах констант скорости гидролиза, катализируемого кислотой, катализатором нейтральным путем и катализируемым основанием.
Многие химические вещества подвергаются гидролизу в условиях, типичных для различных экосистем.Фактически, существует четыре возможных общих правила, касающихся реакций солей в водной среде: (1) если соль образована из сильного основания и сильной кислоты , то раствор соли нейтрален, что указывает на то, что связи в солевом растворе не распадается (указывает на отсутствие гидролиза) и раствор является основным, (2) если соль образована из сильной кислоты и слабого основания , связи в солевом растворе разрываются и раствор становится кислым, (3) если соль образована из сильного основания и слабой кислоты , раствор соли является основным и гидролизуется, и (4) если соль образована из слабого основания и слабой кислоты, она будет гидролизуют, но кислотность или основность зависит от констант равновесия K a и K b .Если значение K a больше, чем значение K b , полученный раствор будет кислым, а если значение K b больше, чем значение K a , полученное решение будет основным. Более того, существует необходимость в оценке относительной восприимчивости некоторых потенциальных загрязнителей окружающей среды к реакциям гидролиза, чтобы определить потенциальные полезные эффекты или потенциальные неблагоприятные эффекты, которые продукт может оказывать на окружающую среду (Rahm et al., 2005).
Обычно в реакции гидролиза гидроксильная группа (OH — ) заменяет другую химическую группу в молекуле, и реакции гидролиза обычно катализируются ионами водорода или гидроксильными ионами. Это приводит к сильной зависимости от кислотности или щелочности (pH) раствора, часто наблюдаемой, но в некоторых случаях гидролиз может происходить в нейтральной (pH = 7) среде. Адсорбция на минеральных отложениях (таких как глинистые отложения, обладающие сильной адсорбционной способностью) обычно снижает скорость гидролиза реакций, катализируемых кислотой или основанием.Адсорбция не влияет на нейтральные реакции, хотя всегда существует вероятность того, что минеральный осадок может вызвать реакции каталитического химического превращения.
Гидролитические процессы обеспечивают базовую скорость потерь любого химического вещества в водной среде. Хотя различные гидролитические пути объясняют значительную деградацию определенных классов химических веществ, другие структуры полностью инертны. Строго говоря, в гидролизе должны участвовать только те химические вещества, которые предоставляет вода, то есть H +, OH — и H 2 O, но полная картина включает аналогичные реакции и, таким образом, эквивалентные эффекты других химических веществ, присутствующих в местном масштабе. окружающей среде, такой как SH — в анаэробных болотах, хлорид-ион (Cl —) в морской воде и различные ионы в лабораторных буферных растворах (Jiang et al., 1994; Вулф и Джефферс, 2000).
Многие химические вещества могут быть изменены путем прямой реакции химического вещества с водой (гидролиз), при которой химическая связь разрывается и образуются две новые связи, каждая из которых имеет либо водородный компонент (H + ), либо гидроксильный компонент. (OH — ) молекулы воды. Обычно гидроксил заменяет другую химическую группу в молекуле, и реакции гидролиза обычно катализируются ионами водорода или гидроксильными ионами. Это приводит к сильной зависимости от кислотности или щелочности (pH) раствора, часто наблюдаемой, но в некоторых случаях гидролиз может происходить в нейтральной (pH = 7) среде.Адсорбция на минеральных отложениях (таких как глинистые отложения, обладающие сильной адсорбционной способностью) обычно снижает скорость гидролиза реакций, катализируемых кислотой или основанием. Адсорбция не влияет на нейтральные реакции, хотя всегда существует вероятность того, что минеральный осадок может вызвать реакции каталитического химического превращения.
Кроме того, на гидролиз химикатов влияет состав растворителя, и константы скорости в воде могут быть намного выше, чем в растворителях.Фактически, можно ожидать, что введение сложной смеси химических веществ в водоем приведет к значительному сдвигу кислотности или щелочности среды, и поэтому не удивительно ожидать, что гидролиз будет затронут в сложных смесях.
Гидролиз: определение и примеры (химия)
Определение : Гидролиз — это тип реакции разложения, в которой одним из реагентов является вода; и обычно вода используется для разрыва химических связей в другом реагенте.
Гидролиз можно рассматривать как обратную реакцию конденсации, в которой две молекулы соединяются друг с другом, образуя воду в качестве одного из продуктов.
Происхождение : Термин происходит от греческого префикса hydro — (вода) и lysis (разделять).
Общая формула реакции гидролиза:
AB + H 2 O → AH + BOH
Органический гидролиз реакции включают реакцию воды и сложного эфира:
RCO-OR ‘+ H 2 O → RCO-OH + R’-OH
(Дефис слева обозначает ковалентную связь, которая разрывается во время реакции.)
Примеры гидролиза
Первое коммерческое применение гидролиза было в производстве мыла. Реакция омыления происходит, когда триглицерид (жир) гидролизуют водой и основанием (обычно гидроксидом натрия, NaOH или гидроксидом калия, КОН). Жирные кислоты реагируют с основанием с образованием глицерина и солей (которые превращаются в мыло).
Соль
Растворение соли слабой кислоты или основания в воде является примером реакции гидролиза.Также могут быть гидролизованы сильные кислоты. Например, растворение серной кислоты в воде дает гидроксоний и бисульфат.
Сахар
Гидролиз сахара имеет собственное название: осахаривание. Например, сахарная сахароза может подвергаться гидролизу с разложением на составляющие ее сахара: глюкозу и фруктозу.
Кислотно-щелочная
Кислотно-щелочной катализируемый гидролиз представляет собой другой тип реакции гидролиза. Примером может служить гидролиз амидов.
Каталитический гидролиз
В биологических системах гидролиз обычно катализируется ферментами.Хорошим примером является гидролиз энергетической молекулы аденозинтрифосфата или АТФ. Каталитический гидролиз также используется для переваривания белков, углеводов и липидов.
2.4C: Гидролиз — Биология LibreTexts
Реакции гидролиза приводят к распаду полимеров на мономеры с использованием молекулы воды и ферментативного катализатора.
Гидролиз
Полимеры распадаются на мономеры в процессе, известном как гидролиз, что означает «расщепление воды», реакция, в которой молекула воды используется во время разложения.Во время этих реакций полимер распадается на два компонента. Если компоненты неионизированы, одна часть получает атом водорода (H-), а другая — гидроксильную группу (OH–) от расщепленной молекулы воды. Вот что происходит, когда моносахариды высвобождаются из сложных углеводов в результате гидролиза.
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Реакция гидролиза с образованием неионизированных продуктов. : В показанной здесь реакции гидролиза дисахарид мальтоза расщепляется с образованием двух мономеров глюкозы с добавлением молекулы воды.Одна глюкоза получает гидроксильную группу на месте бывшей ковалентной связи, другая глюкоза получает атом водорода. Это обратная реакция синтеза дегидратации, соединяющая эти два мономера.Если компоненты ионизируются после разделения, одна часть получает два атома водорода и положительный заряд, а другая часть получает атом кислорода и отрицательный заряд. Вот что происходит, когда аминокислоты высвобождаются из белковых цепей в результате гидролиза.
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Реакция гидролиза с образованием ионизированных продуктов.: В показанной здесь реакции гидролиза дипептид расщепляется с образованием двух ионизированных аминокислот с добавлением молекулы воды. Одна аминокислота получает атом кислорода и отрицательный заряд, другая аминокислота получает два атома водорода и положительный заряд. Это обратная реакция синтеза дегидратации, соединяющая эти два мономера.Эти реакции отличаются от реакций синтеза дегидратации (также известных как конденсация). В реакциях синтеза дегидратации молекула воды образуется в результате образования ковалентной связи между двумя мономерными компонентами в более крупном полимере.В реакциях гидролиза молекула воды расходуется в результате разрыва ковалентной связи, удерживающей вместе два компонента полимера.
Реакции дегидратации и гидролиза — это химические реакции, которые катализируются или «ускоряются» определенными ферментами; реакции дегидратации включают образование новых связей, требующих энергии, в то время как реакции гидролиза разрывают связи и высвобождают энергию.
В нашем организме пища сначала гидролизуется или расщепляется на более мелкие молекулы каталитическими ферментами в пищеварительном тракте.Это позволяет легко усваивать питательные вещества клетками кишечника. Каждая макромолекула расщепляется определенным ферментом. Например, углеводы расщепляются амилазой, сахарозой, лактазой или мальтазой. Белки расщепляются ферментами трипсином, пепсином, пептидазой и другими. Липиды расщепляются липазами. После того, как более мелкие метаболиты, образующиеся в результате этих гидролитических ферментов, абсорбируются клетками организма, они далее расщепляются другими ферментами. Распад этих макромолекул является общим процессом высвобождения энергии и обеспечивает энергией клеточную деятельность.
ЛИЦЕНЗИИ И АТРИБУЦИИ
CC ЛИЦЕНЗИОННЫЙ КОНТЕНТ, ПРЕДЫДУЩИЙ РАЗДЕЛ
CC ЛИЦЕНЗИОННОЕ СОДЕРЖАНИЕ, СПЕЦИАЛЬНАЯ АТРИБУЦИЯ
- Колледж OpenStax, Биология. 16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44395/latest…ol11448/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
- Колледж OpenStax, Синтез биологических макромолекул.23 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44397/latest/ . Лицензия : CC BY: Attribution
- Введение в молекулярную биологию / макромолекулы и клетки. Источник : Викиучебники. Расположен по адресу : en.wikibooks.org/wiki/An_Introduction_to_Molecular_Biology/Macromolecules_and_Cells . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
- Бесплатный проект научных текстов для старших классов, Органические макромолекулы: биологические макромолекулы.23 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m39433/latest/ . Лицензия : CC BY: Attribution
- мономер. Источник : Викисловарь. Адрес: : en.wiktionary.org/wiki/monomer . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike Полимер
- . Источник : Викисловарь. Адрес: : en.wiktionary.org/wiki/polymer . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
- Колледж OpenStax, Введение. 16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44395/latest…e_03_00_01.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
- Сахароза-чернила.svg.png. Источник : Викимедиа. Расположен по адресу : commons.wikimedia.org/wiki/File:Sucrose-inkscape.svg . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
- Building_blocks_of_life.png. Источник : Викимедиа. Расположен по адресу : https://upload.wikimedia.org/Wikipedia/commons/0/0a/Building_blocks_of_life.png . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
- Колледж OpenStax, Биология.16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44397/latest…ol11448/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
- мономер. Источник : Викисловарь. Адрес: : en.wiktionary.org/wiki/monomer . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
- ковалентная связь. Источник : Викисловарь. Адрес: : en.wiktionary.org/wiki/covalent_bond . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
- Колледж OpenStax, Введение. 16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44395/latest…e_03_00_01.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
- Сахароза-чернила.svg.png. Источник : Викимедиа. Расположен по адресу : commons.wikimedia.org/wiki/File:Sucrose-inkscape.svg . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
- Building_blocks_of_life.png. Источник : Викимедиа. Расположен по адресу : https://upload.wikimedia.org/Wikipedia/commons/0/0a/Building_blocks_of_life.png . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
- Колледж OpenStax, Синтез биологических макромолекул.16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44397/latest…e_03_01_01.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
- Колледж OpenStax, Биология. 16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44397/latest…ol11448/latest . Лицензия : CC BY: Attribution Фермент
- . Источник : Викисловарь. Расположен по адресу : en.wiktionary.org/wiki/enzyme . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
- гидролиз. Источник : Викисловарь. Адрес: : en.wiktionary.org/wiki/hydrolysis . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
- Колледж OpenStax, Введение.16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44395/latest…e_03_00_01.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
- Сахароза-inkscape.svg.png. Источник : Викимедиа. Расположен по адресу : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sucrose-inkscape.svg . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
- Building_blocks_of_life.png. Источник : Викимедиа. Расположен по адресу : https://upload.wikimedia.org/Wikipedia/commons/0/0a/Building_blocks_of_life.png . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
- Колледж OpenStax, Синтез биологических макромолекул. 16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44397/latest…e_03_01_01.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
- Колледж OpenStax, Синтез биологических макромолекул. 16 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44397/latest…e_03_01_02.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
Определение гидролиза по Merriam-Webster
гидросистема | \ hī-drä-lə-səs \ : химический процесс разложения, включающий расщепление связи и добавление катиона водорода и аниона гидроксида воды.границ | Реакции гидролиза с участием металлов с участием липидов: обзор
Введение
Ионы металлов и комплексы, которые гидролизуют биологические молекулы, становятся все более важными для областей химии и биологии (Grant and Kassai, 2006; Mancin et al., 2012, 2016; Wezynfeld et al., 2016; Ю. и др., 2016). Большинство исследований в этой области сосредоточено на обратимом добавлении воды через фосфодиэфирные связи рибо- и дезоксирибонуклеиновой кислоты, а также пептидные и амидные связи белка. Гидролитически активные центры ионов металлов, такие как Ce (IV), Co (II), Co (III), Cu (II), Fe (III), Ln (III), Ni (II), Mo (IV), Pd (II) ), Zn (II) и Zr (IV) рассматривались для ряда разнообразных приложений, например, в качестве зондов для изучения функции белков и структуры раствора, в качестве моделей ферментов, которые исследуют активность металлогидролазы, и в качестве гидролитических агентов в нуклеиновых кислотах. кислотные и белковые инженерные эксперименты.Хотя гидролиз липидов с помощью металлов остается относительно неизученным, он, несомненно, не менее важен. Липиды играют центральную роль в биологических системах как молекулы-накопители энергии и как химические посредники в передаче сигналов клетки (Wenk, 2010). Как основные компоненты биологических мембран, которые окружают все клетки и органеллы, фосфолипиды имеют особое значение почти для всех известных форм жизни (рис. 1А).
Рисунок 1 . Описаны структуры липида (A – G) и лиганда (J) , реакции гидролиза липидов с помощью металлов (D, E, I) и механизмы гидролиза липидов с помощью металлов (D, H, K) в рукописи.R, углеводородная цепь; R ‘, диацилглицерин для фосфатидилхолина и церамид для сфингомиелина; М, металл; n +, заряд. Ножничные сложноэфирные связи выделены красным цветом. Нуклеофилы отмечены зеленым цветом. Связь, гидролизованная фосфолипазой C (PLC) и кислой сфингомиелиназой (ASM), обозначена синими стрелками.
Выделение и переработка жирных кислот из биологических источников
Жирные кислоты (рис. 1B) являются ключевыми строительными блоками сложных липидных молекул, включая фосфолипиды, триглицериды и сложные эфиры стеролов.Липиды, содержащие звенья 2-гидрокси жирных кислот (рис. 1C), обнаруживаются в шерстяном воске, микроорганизмах, а также в центральной нервной системе, коже и почках животных (Kishimoto and Radin, 1963). В фосфолипидных бислоях 2′-OH группа 2-гидроксилипидов образует водородные связи, которые укрепляют структуру мембраны (Hama, 2010).
В одном из самых ранних отчетов, появившихся о гидролизе липидов с помощью металлов, Вернетт и его сотрудники выделили свободные 2-гидроксижирные кислоты, используя Cu (NO 3 ) 2 для гидролиза метиловых эфиров 2-гидроксижирных кислот (50 ° C в воде или метанол-вода, от 3 до 6 ч) (Boyer et al., 1979). Было высказано предположение, что расщепление метилового эфира происходит посредством образования бис-комплекса, содержащего центральный ион меди (II) и два лиганда 2-гидроксижирных кислот (рис. 1D). Взаимодействие металлического ионного центра комплекса с карбонильным атомом кислорода метилового эфира каждой единицы жирной кислоты активировало соответствующий карбонильный углерод в направлении нуклеофильной атаки водой (или гидроксидом), что приводило к образованию двух эквивалентов. метанола и осадка Cu (2-гидроксикислоты) 2 . Последующая обработка ЭДТА высвободила лиганды 2-гидроксижирных кислот с выходом 80–82% (запись 1 в таблице S1, дополнительный материал).Вернетт предположил, что можно использовать ионы Cu (II) для гидролиза сложных липидов, присутствующих в биологических экстрактах, что позволяет легко выделять встречающиеся в природе 2-гидроксижирные кислоты.
Графический реферат . Центры ионов металлов, гидролизующие сложноэфирные связи в липидах и фосфатные сложноэфирные связи фосфолипидных липосом, с ножничными связями и группами полярных головок, соответственно, выделенными красным и синим цветом.
Строительные блоки свободных жирных кислот также были получены с использованием ионов металлов для гидролиза триглицеридов (рис. 1E).Помимо их важности в качестве ключевых компонентов биологических липидов, жирные кислоты представляют значительный коммерческий интерес как сырье для производства моющих средств, мыла, смазок, пластификаторов и биодизельного топлива, топлива, состоящего из моноалкиловых эфиров, полученных с использованием жирных кислот из растительное масло и животный жир (Knothe, 2010). Переработка жирных кислот из отработанных масел привела к новым важным экологически безопасным процессам производства биодизельного топлива (Hajjari et al., 2017).С этой целью Ratnasamy et al. прореагировал твердый Fe (II) -Zn (II) двухметаллический цианиновый катализатор K 4 Zn 4 [Fe (CN) 6 ] 3 • H 2 O (Fe-Zn DMC) с растительные масла и животные жиры в реакторах периодического действия (Satyarthi et al., 2011). Катализаторы DMC имеют цеолитоподобную клеточную структуру и традиционно используются при производстве простых полиэфирполиолов (Almora-Barrios et al., 2015). По сравнению с выходом гидролиза 14%, полученным без катализатора, Ratnasamy et al.использовали Fe-Zn DMC для преобразования триглицеридов в исходном материале в свободные жирные кислоты с выходом 72% и числом оборотов 25 (190 ° C в воде, 8 ч; запись 2 в таблице S1). Было предложено, что тетраэдрически координированные центры кислоты Льюиса Zn (II) в катализаторе активируют ациловые сложноэфирные связи в триглицеридах в направлении нуклеофильной атаки водой.
В качестве инновационного подхода к производству биодизеля Ismadji et al. использовали синтетические сточные воды , содержащие Cu (II) , для гидролиза ацилглицеридов в отработанном кулинарном масле (Ong et al., 2016, 2017). Авторы рассматривали предложенный метод как процесс, который не только дает свободную жирную кислоту, но и устраняет токсичность сточных вод и сохраняет большое количество воды, потребляемой при традиционном расщеплении нефти. Используя водный раствор CuSO 4 и отработанное масло для жарки из местного ресторана, всего 83,0% ацилглицеридов в масле было гидролизовано до жирных кислот (выход 77,6%, 225 ° C, 8 ч; запись 3 в таблице S1) (Онг и др., 2016). В то время как эти значения были лишь немного ниже в реакциях, протекающих с водой, не содержащей меди (75.Конверсия ацилглицерида 7%, выход жирных кислот 69,6%), 51,8% меди (II) в сточных водах было успешно удалено гидролизованной масляной фазой реакции. Кумулятивная детоксикация меди (II) была увеличена с 51,8 до 85,2%, когда тот же образец сточных вод был использован для обработки второй партии кулинарного масла (конверсия ацилглицерида 77,6%, выход жирных кислот 72,2%).
Хотя мировое производство и потребление биодизеля увеличилось, существуют опасения, что атомы кислорода, присутствующие в липидах биодизеля, отрицательно влияют на стабильность, плотность энергии и другие свойства топлива (Knothe, 2010).Таким образом, триглицериды из растительных масел и животных жиров подвергаются прямым реакциям гидродеоксигенации с образованием бескислородного возобновляемого (зеленого) дизельного топлива на углеводородной основе (Knothe, 2010). Куманс и Хенсен недавно изучили взаимодействия между гетерогенным сульфидированным зеленым дизельным катализатором NiMo / γ-Al 2 O 3 и метилолеатом «модельного триглицерида» (рис. 1F) (Coumans and Hensen, 2017). Катализатор NiMo / γ-Al 2 O 3 был приготовлен путем измельчения и просеивания пористого твердого носителя из γ-оксида алюминия (γ-Al 2 O 3 ), предварительно обработанного Ni (NO 3 ). 2 • 6H 2 O и (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 • 7H 2 O.Реакции между метилолеатом и катализатором проводили в однопроходном микропоточном реакторе в условиях струйного потока (260 ° C в тетралине, 60 бар, ~ 2 ч; запись 4 в таблице S1). Наблюдали почти полное превращение метилолеата в углеводороды C17 и C18. Основываясь на распределении промежуточных продуктов и продуктов реакции, Куманс и Хенсен предложили путь реакции, в котором гидролиз метилолеата до промежуточных продуктов жирных кислот катализируется координационно-ненасыщенными центрами Al (III) с высокой силой кислоты Льюиса, расположенными на поверхности γ-оксида алюминия ( Wischert et al., 2014). Прямое гидродеоксигенирование жирных кислот фазой сульфида металла Ni (II) / Mo (VI) катализатора затем приводило к углеводородам C18, тогда как декарбонилирование (или декарбоксилирование) с участием H 2 давало углеводороды C17.
Синтетические аналоги липидов: анализ двухслойной проницаемости и динамики
Ионы металлов и комплексы, которые гидролизуют липиды в неденатурирующих условиях температуры и pH, были использованы для исследования свойств фосфолипидных бислоев в физиологических условиях (Mancin et al., 2016). В этих исследованиях Moss et al. смоделированные бислои путем включения двухцепочечных синтетических аналогов липидов, содержащих п-нитрофенола, активировали связи сложного эфира фосфата в однослойные липосомы (рис. 2). Хотя p -нитрофенол является отличным колориметрическим инструментом, интеграция этого хромофора в синтетический фосфолипид (рис. 1G) увеличивает восприимчивость ножниц к гидролизу. Липосомы реагировали в мягких условиях при добавлении ионов металлов лантаноидов Eu (III), Lu (III), Tb (III), Tm (III) и / или Yb (III) во внешний объемный раствор (25–2). 27 ° C и pH 7.0–7,3; Записи 5 и 6 в таблице S1) (Moss et al., 1995; Scrimin et al., 1998, 2000). За реакциями следили с помощью колориметрического определения p -нитрофенолят-аниона, который высвобождался при гидролизе с помощью металлов (рис. S1). Затем была обнаружена соответствующая информация, касающаяся скорости поперечной диффузии липидов (flip-flop). При температурах ниже температуры фазового перехода ( T c ) липосомы гидролиз липидных связей фосфатного эфира, активированных p -нитрофенолом, происходил только на поверхности экзолипосомного бислоя, обращенной к основной массе раствора, независимо от заряда, положительный или отрицательный, двухслойных липидов (рис. 2).Это подтвердило, что свободные ионы обычно не могут проникать через биологические мембраны. Однако выше T c быстрая поперечная диффузия синтетических липидов от внутренней эндо-поверхности к экзо-поверхности липосом приводила к дополнительному расщеплению с участием металлов. Гидролитически активные лантаноиды также использовались для управления свойствами бислоя. Например, Moss et al. показали, что барьер проницаемости липосом может быть преодолен за счет использования липофильных аминовых лигандов для координации с ионами металлов и последующего их переноса путем поперечной диффузии от внешнего к внутреннему листку мембраны (Scrimin et al., 1998). Когда ионы Ln (III) использовались для гидролиза одной из двух алифатических цепей экзоповерхностных липидов, активированных p, -нитрофенолом (рис. S2), быстрое воздействие на эндолипосомную поверхность ионов металлов вызвало усиление расщепления, сопровождающееся высвобождением флуоресцентных репортерных молекул, хранящихся внутри липосом (Scrimin et al., 2000).
Рисунок 2 . Поперечный разрез однослойной липосомы.
Ионы металлов как имитаторы фосфолипазы
В дополнение к синтетически активированным сложным фосфатным эфирам ионы лантаноидов могут гидролизовать неактивированные связи сложного эфира фосфата в природных фосфолипидах.Как сильные кислоты Льюиса, обладающие высокой плотностью заряда, высокими координационными числами и быстрой скоростью обмена лигандов, лантаноиды идеально подходят в качестве оксофильных гидролитических агентов (Franklin, 2001). В соответствии с электростатической природой взаимодействий лантаноид-лиганд, эти центры ионов металлов притягиваются к отрицательно заряженным атомам кислорода в фосфолипидных фосфатных сложноэфирных связях (Hauser and Phillips, 1976). Когда гидролиз неактивированных фосфолипидов происходит при физиологической температуре и pH, ионы лантаноидов могут имитировать активность фосфолипазы.
Фосфолипазы — это ферменты, гидролизующие сложноэфирные или сложноэфирные связи фосфата. Они могут иметь цитоплазматическое или лизосомное происхождение. Важным примером цитоплазматической фосфолипазы является фосфатидилинозитол-специфическая фосфолипаза C (PLC), которая превращает фосфоглицерид фосфатидилинозитол (PI; Рисунок 1A) в диацилглицерин и фосфорилированный инозитол, важные вторичные мессенджеры (Рисунок S3 и др.) (Передача сигналов Cocco и др.) 2015). Лизосома — клеточная органелла, содержащая кислотные гидролазы, которые гидролитически расщепляют макромолекулы на их исходные мономерные строительные блоки (Appelqvist et al., 2013). В отличие от цитоплазматических ферментов, активность кислой гидролазы обычно оптимальна при pH лизосом (~ pH 4,8) и значительно ниже при pH цитоплазмы (~ 7,2). Примеры кислых гидролаз, которые участвуют в гидролизе фосфатных сложноэфирных связей, включают: (i) кислую сфингомиелиназу (ASM) (Jenkins et al., 2009), которая действует на сфинголипидный сфингомиелин (SM), высвобождая церамид, и (ii) лизосомальную фосфолипазу C ( Matsuzawa and Hostetler, 1980), который гидролизует фосфоглицериды, такие как фосфатидилхолин (PC) и фосфатидилинозитол, с образованием диацилглицерина (рис. 1A).
Миметики цитоплазматической фосфолипазы: инструменты для изучения передачи сигналов
Первые имитаторы фосфолипазы были открыты исследовательскими группами Комиямы и Лю, которые использовали ионы металлов Ce (III), Eu (III), La (III), Tb (III), Tm (III) и Y (III). соли в условиях, близких к физиологическим (30–37 ° C, pH 7,5–8,5; записи 7 и 8 в таблице S1) для гидролиза природного неактивированного фосфатидилинозита (рис. 1A) в липосомах (Matsumura and Komiyama, 1994) и интактных мембранах эритроцитов (Лю и др., 2001). Ионы редкоземельных элементов «имитировали» активность цитоплазматической фосфатидилинозитол-специфической фосфолипазы C, превращая фосфатидилинозитол в диацилглицерин и фосфорилированный инозит (Рисунок S3). Двумя наиболее активными ионами металлов были Y (III) в липосомах PI (выход 32%, 30 ° C и pH 8,0, 24 ч) и La (III) в мембранах эритроцитов, нагруженных PI. Напротив, гидролиз не наблюдался, когда липосомы ПК обрабатывали Y (III). Комияма, таким образом, предложил гидролитический механизм, в котором ион редкоземельного элемента связывается с отрицательно заряженным фосфатным атомом кислорода PI, активируя атом фосфора в направлении нуклеофильной атаки со стороны 2-гидроксигруппы, специфичной для инозита (рис. 1H).Результаты этих исследований предполагают возможность использования гидролитически активных ионов редкоземельных металлов в качестве «имитаторов цитоплазматической фосфолипазы» для изучения путей передачи сигнала, например, посредством образования диацилглицерина и фосфорилированного инозитола в клеточных линиях с дефицитом фосфолипазы и моделях на животных ( Ли и др., 2000).
Имитация лизосомальной фосфолипазы: потенциальное терапевтическое применение церия (IV)
Уильямс, Грант и др. сосредоточились на фосфатидилхолине (рис. 1A) и сфингомиелине (рис. 1A) (Kassai et al., 2011; Cepeda et al., 2012), которые составляют примерно 50% фосфолипидов, содержащихся в двуслойных мембранах эукариот. Авторы использовали неактивированные липосомы для моделирования биологических мембран и фосфат-специфического колориметрического обнаружения на основе малахитового зеленого для количественного определения гидролиза. При обработке липосом PC и SM солями ионов металлов Ce (IV), Zr (IV), Hf (IV), Co (II), Cu (II), Eu (III), La (III), Ni (II) ), Pd (II), Y (III), Yb (III) и Zn (II) при 60 ° C (20 ч), церий (IV) показал значительно более высокие уровни расщепления фосфодиэфира, высвобождая неорганический фосфат с заметными выходами при лизосомальный pH (~ 4.8; PC 41%, SM 22%) и с низким выходом в условиях, близких к нейтральным (~ pH 7,2; PC 13%, SM 5%; записи 9 и 10 в таблице S1; рисунок 1I). Было предложено учитывать два основных фактора, объясняющих предпочтение Ce (IV) для умеренно кислых условий. Значение p K a воды, связанной с Ce (IV), составляет приблизительно -1,1 (Wulfsberg, 1987), что позволяет этому центру ионов металла генерировать гидролитически активные гидроксидные нуклеофилы даже при низких значениях pH. Во-вторых, многоядерные гидроксо-разновидности Ce (IV), ответственные за гидролиз фосфодиэфиров, теряют положительный заряд и силу кислоты Льюиса при повышении pH реакции (Maldonado and Yatsimirsky, 2005).Среди протестированных ионов лантанида (III) липосомы расщеплялись только при pH 7,2, хотя и с чрезвычайно низкими выходами <2%. В отличие от церия (IV), молекулы воды, связанные с ионами Ln (III), имеют значения p K a , которые поддерживают гидролиз фосфатных сложноэфирных связей в нейтральных или слабощелочных условиях, например, ~ 8.0 для Eu (III), ~ 8.0 для Yb (III) и ~ 8.5 для La (III) (Burgess, 1978; Wulfsberg, 1987). Гидролитическое превосходство церия, вероятно, связано с его степенью окисления +4 (Bracken et al., 1997). Помимо увеличения кислотности воды, связанной с металлами, повышенная плотность заряда Ce (IV) усиливает его кислотную силу Льюиса.
Высокая активность церия (IV) при лизосомном pH в сочетании со способностью гидролизовать SM и PC фосфатные сложноэфирные связи на церамид / диацилглицериновой стороне фосфата позволяет предположить, что этот ионный центр металла может служить имитатором кислой сфингомиелиназы или лизосомальной фосфолипазы C (рис. 1I). Чтобы такой имитатор фермента был оптимальным, расщепление должно происходить при физиологической температуре и должно значительно уменьшаться в нейтральной среде.Для дальнейшего улучшения и настройки химии церия (IV) Williams et al. превратился в хелатирующий лиганд бис-трис пропан (BTP; Рисунок 1J) (Williams et al., 2015). После добавления BTP к оптимизированным реакциям при 37 ° C церий (IV) гидролизовал неактивированные липосомы ПК, высвобождая в 5,7 раз больше неорганического фосфата при ~ pH 4,8, чем при ~ pH 7,2, что является значительным улучшением по сравнению с ~ 2,1-кратным увеличением, которое наблюдалось. в контроле без лиганда (20 ч). В присутствии BTP выход неорганического фосфата при pH 4.8 и 37 ° C составило 67%, значение, которое примерно эквивалентно проценту молекул фосфолипидов, обнаруженных на доступной для металлов экзо-поверхности небольших липосом (запись 11 в таблице S1). Исследования ЯМР показали, что pH-зависимое «включение-выключение» лиганда BTP связано со значениями p K a его донорных атомов азота (p K a1 = 6,8, p K a2 = 9.1) (Мальдонадо, Яцимирский, 2005; Williams et al., 2015). При pH 4,8 почти полное протонирование донорного атома сводит к минимуму взаимодействия между церием (IV) и BTP.Гидролитически активные многоядерные гидроксо-разновидности Ce (IV) беспрепятственны и свободны, чтобы способствовать гидролизу посредством механизма, в котором Ce (IV) связывается с отрицательно заряженными атомами кислорода фосфата в липиде, активируя фосфор для атаки, одновременно доставляя гидроксид-нуклеофил к соседнему фосфодиэфирная связь (рис. 1K) (Komiyama et al., 1999). При pH 7,2 депротонирование азота позволяет BTP связываться с Ce (IV) и препятствовать его способности ускорять расщепление. Многообещающие результаты in vitro , указывающие на церий (IV) как на «лизосомальный имитатор фосфолипазы», согласуются с подходом малых молекул к обращению патогенного лизосомального накопления сфингомиелина, которое происходит при болезни Ниманна-Пика типа A, смертельной лизосомной болезни. болезнь накопления, вызванная мутациями в гене ASM человека (Schuchman and Desnick, 2017).
В аналогичном исследовании Кёниг и его сотрудники изучили влияние липосом фосфатидилхолина на взаимодействия между активированным модельным соединением ДНК бис-4-нитрофенилфосфатом (BNPP) и Fe (III), Cu (II), Zn (II). , Al (III), La (III), Ce (III), Eu (III), Tb (III) и Yb (III) (25 ° C и pH 7,4, 24 ч; запись 12 в таблице S1; рисунок S4 ) (Позник и др., 2015). В то время как ионы металлов d- и p- были менее активными, пять металлических центров Ln (III) ускоряли гидролиз фосфодиэфирных связей внешнего субстрата BNPP.Когда в реакционные смеси добавляли неактивированные липосомы PC, гидролитическая активность только ионов лантаноидов по отношению к BNPP заметно повышалась (конечный выход ~ 11-19%). Затем было показано, что лантаноиды подавляют флуоресценцию встроенного в мембрану карбоксифлуоресцеина, что привело авторов к предложению гидролитического механизма, в котором плотно упакованные Ln (III) кислотные центры Льюиса, собранные на границе раздела липид-вода липосом ПК, ускоряют гидролиз фосфодиэфиров в кооперативном режиме. мода. В отличие от Williams et al.По данным (Kassai et al., 2011; Williams et al., 2015), не сообщалось о расщеплении неактивированных двухслойных молекул фосфатидилхолина с помощью металлов.
Заключительные замечания
В этом обзоре мы суммировали и прокомментировали ключевые исследования, в которых ионы и комплексы металлов использовались для гидролиза липидных связей сложного эфира и сложного фосфатного эфира. Мы обнаружили, что центры ионов металлов Al (III), Cu (II) и Zn (II) расщепляют нейтральные, неактивированные сложноэфирные связи в ацилглицеридах и сложных эфирах жирных кислот, в основном при повышенных температурах (50–260 ° C).Напротив, ионы лантаноидов / редкоземельных элементов Ce (III), Eu (III), La (III), Lu (III), Tb (III), Tm (III), Yb (III), Y (III) и Ce (IV) хорошо работает при 25–37 ° C с липидами, содержащими отрицательно заряженные фосфатноэфирные связи. Эти мягкие температурные условия позволяют расщеплять фосфолипиды в полностью собранных липосомах. Среди лантаноидов ионы Ln (III) в основном использовались для гидролиза липидных связей фосфатного эфира, активированного p -нитрофенолом, в средах с нейтральным или слабощелочным pH (pH 7,0–8.5). В случае фосфатидилинозитола 2-гидроксильная группа инозита служит внутренним нуклеофилом, позволяя Ln (III) гидролизу липосом протекать в отсутствие активирующей группы сложного фосфатного эфира. Ион лантанида Се (IV) благоприятствует умеренно кислым условиям по сравнению с pH, близким к нейтральному, и при 37 ° C обладает высокой реакционной способностью по отношению к гидролитическому расщеплению неактивированных связей фосфатного эфира фосфатидилхолина. В дополнение к описанию механистических аспектов гидролиза липидов, исследовательские статьи, представленные в этом обзоре, подчеркивают потенциал ионов и комплексов металлов в качестве гидролитических агентов в различных приложениях, от производства биотоплива до терапии.
Взносы авторов
Все перечисленные авторы внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее к публикации.
Финансирование
Наша программа исследования фосфолипидов получила финансовую поддержку от Программы молекулярных основ заболеваний (DW) Университета штата Джорджия и Национального научного фонда (CHE-0718634, KG).
Заявление о конфликте интересов
Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Дополнительные материалы
Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fchem.2019.00014/full#supplementary-material
Список литературы
Альмора-Барриос, Н., Погодин, С., Беллароса, Л., Гарсия-Мельчор, М., Ревилья-Лопес, Г., Гарсия-Рейтс, М. и др. (2015). Структура, активность и механизмы дезактивации в катализаторах на основе цианидов двойных металлов для получения полиолов. Chem. Кот.Chem . 7, 928–935. DOI: 10.1002 / cctc.201402907
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Аппельквист, Х., Вестер, П., Когедал, К., и Оллингер, К. (2013). Лизосома: от мешка для мусора к потенциальной терапевтической мишени. J. Mol. Cell Biol. 5, 214–226. DOI: 10.1093 / jmcb / mjt022
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Бойер Р. Ф., Вернетт М. Э., Ван Уилен С., Фаустман Э. и Титус Р. (1979). 2-Гидроксикислоты как биохимические лиганды.Гидролиз эфиров 2-гидроксикислот с помощью меди (II). J. Inorg. Биохим. 10, 205–213. DOI: 10.1016 / S0162-0134 (00) 80280-9
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Бракен К., Мосс Р. А. и Рагунатан К. Г. (1997). Замечательно быстрое расщепление модельного фосфодиэфира комплексными ионами церия в водных мицеллярных растворах. J. Am. Chem. Soc. 119, 9323–9324. DOI: 10.1021 / ja971448b
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Берджесс, Дж.(1978). Ионы металлов в растворе . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Halstead Press.
Сепеда, С. С., Уильямс, Д. Э., и Грант, К. Б. (2012). Оценка солей ионов металлов как имитаторов кислотной гидролазы: гидролиз фосфолипидов с участием металлов при лизосомном pH. Биометаллы 25, 1207–1219. DOI: 10.1007 / s10534-012-9583-1
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Кокко, Л., Фолло, М. Ю., Манзоли, Л., и Сух, П. Г. (2015). Фосфоинозитид-специфическая фосфолипаза C в здоровье и болезнях. J. Lipid Res. 56, 1853–1860. DOI: 10.1194 / мл. R057984
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Куманс, А. Э., и Хенсен, Э. Дж. М. (2017). Исследование гидродеоксигенации триглицеридов над сульфидом NiMo на оксиде алюминия на модельном соединении (метилолеат, олеиновая кислота, триолеин). Заявл. Катал. B. Environ. 201, 290–301. DOI: 10.1016 / j.apcatb.2016.08.036
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Грант, К. Б., Кассай, М.(2006). Основные достижения в гидролизе пептидов и белков ионами металлов и комплексами. Curr. Орг. Chem. 10, 1035–1049. DOI: 10.2174/138527206777435535
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Хаджари М., Табатабаи М., Агбашло М. и Ганавати Х. (2017). Обзор перспектив устойчивого производства биодизеля: глобальный сценарий с упором на утилизацию биодизельного топлива из отработанного масла. Обновить. Sust. Energ. Ред. 72, 445–464. DOI: 10.1016 / j.rser.2017.01.034
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Дженкинс, Р. В., Каналс, Д., и Ханнун, Ю. А. (2009). Роль и регуляция секреторной и лизосомальной кислой сфингомиелиназы. Cell Signal. 21, 836–846. DOI: 10.1016 / j.cellsig.2009.01.026
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Кассай, М., Теопипитапорн, Р., и Грант, К. Б. (2011). Гидролиз фосфатидилхолина церием (IV) высвобождает значительные количества холина и неорганического фосфата при лизосомном pH. J. Inorg. Биохим. 105, 215–223. DOI: 10.1016 / j.jinorgbio.2010.11.007
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Кишимото Ю. и Радин Н. С. (1963). Наличие 2-гидрокси жирных кислот в тканях животных. J. Lipid Res. 4, 139–143.
PubMed Аннотация | Google Scholar
Узел, Г. (2010). Биодизель и возобновляемое дизельное топливо: сравнение. Прог. Энергия сгорания. Sci. 36, 364–373. DOI: 10.1016 / j.печ.2009.11.004
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Комияма М., Такеда Н. и Сигекава Х. (1999). Гидролиз ДНК и РНК ионами лантаноидов: механистические исследования, ведущие к новым применениям. Chem. Commun. 1443–1451. DOI: 10.1039 / a1j
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ли, З., Цзян, Х., Се, В., Чжан, З., Смрикка, А. В., и Ву, Д. (2000). Роль PLC-beta2, -beta3 и PI3Kgamma в передаче сигнала, опосредованной хемоаттрактантами. Science 287, 1046–1049. DOI: 10.1126 / science.287.5455.1046
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Лю Х. Х., Ху Дж., Лю Х. Т., Ли Р. К. и Ван К. (2001). Влияние ионов лантаноидов на гидролиз фосфатидилинозитола в мембранах эритроцитов человека. Chinese Sci. Бык. 46, 401–403. DOI: 10.1007 / BF03183274
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Мальдонадо А. Л., Яцимирский А. К. (2005).Кинетика расщепления фосфодиэфира различными образующимися гидроксо-частицами церия (IV) в нейтральных растворах. Org. Biomol. Chem. 3, 2859–2867. DOI: 10.1039 / b506170a
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Мансин, Ф., Принс, Л. Дж., Пенго, П., Паскуато, Л., Тесилла, П., и Скримин, П. (2016). Гидролитические металло-нанозимы: от мицелл и везикул до наночастиц золота. Молекулы 21: 1014. DOI: 10,3390 / молекулы21081014
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Мацумура, К., и Комияма, М. (1994). Гидролиз фосфатидилинозитола ионом редкоземельного металла в качестве миметика фосфолипазы-C. J. Inorg. Биохим. 55, 153–156. DOI: 10.1016 / 0162-0134 (94) 85037-2
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Мацузава Ю., Хостетлер К. Ю. (1980). Свойства фосфолипазы С, выделенной из лизосом печени крысы. J. Biol. Chem. 255, 646–652.
PubMed Аннотация | Google Scholar
Мосс, Р. А., Парк, Б. Д., Скримин, П.и Гирланда Г. (1995). Расщепление фосфодиэфирных липосом лантанидами. Chem. Commun. 1627–1628. DOI: 10.1039 / c39950001627
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Онг, Л. К., Нгуен, П. Л. Т., Соэтареджо, Ф. Э., Исмаджи, С., Джу, Ю. Х. (2016). Прямое повторное использование сточных вод, содержащих медь, для гидролиза непищевых масел: основной механизм извлечения металлов и производства жирных кислот. RSC Adv. 6, 25359–25367. DOI: 10.1039 / C5RA23153A
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Онг, Л.К., Нгуен, П. Л. Т., Соэтареджо, Ф. Э., Исмаджи, С., Джу, Ю. Х. (2017). Кинетическая оценка одновременного гидролиза отработанного кулинарного масла и реактивного жидкостно-жидкостного извлечения Cu из синтетических Cu-содержащих сточных вод: влияние различных сопутствующих примесей. Сентябрь Purif. Technol. 187, 184–192. DOI: 10.1016 / j.seppur.2017.06.049
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Позник, М., Майтра, У., Кёниг, Б. (2015). Интерфейс имеет значение: везикулы, покрытые ионами лантаноидов, гидролизуют фосфодиэфиры. Org. Biomol. Chem. 13, 9789–9792. DOI: 10.1039 / C5OB01265A
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Сатьярти, Дж. К., Шринивас, Д., и Ратнасами, П. (2011). Гидролиз растительных масел и жиров до жирных кислот на твердых кислотных катализаторах. Заявл. Катал. A. Gen. 391, 427–435. DOI: 10.1016 / j.apcata.2010.03.047
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Скримин П., Карузо С., Паджарин Н. и Тесилла П. (2000).Ln (III) -катализируемое расщепление фосфатно-функционализированных синтетических липидов: мониторинг декапсуляции везикул в реальном времени. Langmuir 16, 203–209. DOI: 10.1021 / la9w
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Скримин П., Тесилла П., Мосс Р. А. и Бракен К. (1998). Контроль проникновения ионов лантанидов через функционализированные фосфатом липосомальные мембраны. J. Am. Chem. Soc. 120, 1179–1185. DOI: 10.1021 / ja972041 +
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Везинфельд, Н.Э., Фрацик Т., Бал В. (2016). Гидролиз пептидных связей с участием металлов: химия, биотехнология и токсикологические последствия. Coord. Chem. Ред. 327, 166–187. DOI: 10.1016 / j.ccr.2016.02.009
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Уильямс Д. Э., Баснет К. и Грант К. Б. (2015). Настройка гидролиза фосфатидилхолиновых липосом с помощью церия (IV) в умеренно кислых и нейтральных условиях. ChemBioChem 16, 1474–1482. DOI: 10.1002 / cbic.201500041
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Wischert, R., Florian, P., Coperet, C., Massiot, D., and Sautet, P. (2014). Видимость участков поверхности Al гамма-оксида алюминия: комбинированная расчетная и экспериментальная точки зрения. J. Phys. Chem. C 118, 15292–15299. DOI: 10.1021 / JP503277m
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Вульфсберг, Г. (1987). Принципы описательной неорганической химии . Монтерей, Калифорния: Издательство Brooks / Cole Publishing Company.
Google Scholar
Yu, L., Li, F. Z., Wu, J. Y., Xie, J. Q., и Li, S. (2016). Разработка металлокомплексов азакраун-эфира в качестве искусственной гидролазы. J. Inorg. Биохим. 154, 89–102. DOI: 10.1016 / j.jinorgbio.2015.09.011
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
границ | Двухступенчатый термохимический гидролиз целлюлозы с частичной нейтрализацией для получения глюкозы
Введение
В течение последних двух десятилетий наблюдается огромный интерес к биотопливу в результате постоянно растущего мирового спроса на энергию и чрезмерной зависимости от нефти (Lee and Lavoie, 2013).Существенное падение цен на баррель нефти со 107,26 доллара США в 2014 году до 29,64 доллара США в 2016 году негативно повлияло на отрасль биотоплива, поскольку две крупные компании подали заявление о банкротстве (Lavoie, 2016). Однако интерес к увеличению производства биотоплива по-прежнему очень высок. Поскольку возобновляемые виды топлива имеют баланс углерода, близкий к нейтральному (Lee and Lavoie, 2013), они имеют важное значение для смягчения неблагоприятных последствий изменения климата и глобального потепления, вызванных выбросами парниковых газов из жидкого топлива, полученного из нефти.
Жидкое биотопливо первого поколения, производимое в основном из продовольственных культур, таких как сахарные, масличные и зерновые, представляет собой зрелую коммерческую технологию и рынок, но вызывает разногласия с точки зрения их устойчивости и потенциала для достижения государственных целей. В некоторой степени это биотопливо конкурирует за землю и воду, используемые для производства продуктов питания и волокна. Более того, затраты на их производство и переработку часто высоки по сравнению с ископаемым топливом, и, следовательно, они требуют государственных субсидий, чтобы иметь возможность конкурировать с нефтепродуктами.Кроме того, на их сокращение выбросов парниковых газов может повлиять рассмотрение изменений в землепользовании (Sims et al., 2010). Этанол из кукурузного крахмала является примером жидкого биотоплива первого поколения, и, как и крахмал, целлюлоза представляет собой полимер на основе глюкозы, который можно гидролизовать для высвобождения моносахаридов, которые затем можно ферментировать до этанола. Целлюлоза является привлекательным сырьем, поскольку ее легко получить из относительно дешевого сырья, такого как сельскохозяйственные и лесные отходы, по цене от 60 до 80 долларов США за тонну (Lee and Lavoie, 2013).Однако самая большая проблема с целлюлозой — это ее стойкая структура, что затрудняет ее эффективное преобразование с использованием химических или биологических подходов.
Целлюлоза представляет собой линейный полимер мономеров D-ангидроглюкопиранозы, соединенных β-1,4-гликозидными связями (Zhang et al., 2012), и его степень полимеризации обычно варьируется от 2000 до 27000 единиц глюкана, в зависимости от типа растения ( Тахердазе и Карими, 2007). Он находится в виде стопки линейных цепей с повторяющимися звеньями D-целлобиозы, и эти цепи плотно упакованы, с внутримолекулярной водородной связью внутри каждой отдельной цепи глюкана и межмолекулярной водородной связью между соседними цепями.Образовавшаяся волокнистая структура и высокая степень кристалличности целлюлозы являются причиной стойкости целлюлозы (Xiang et al., 2003; Pulidindi et al., 2014). В качестве первого шага к преодолению этого упорства обычно выполняется предварительная обработка биомассы. Когда основной целью является производство этанола из целлюлозной части, этап предварительной обработки также служит цели удаления лигнина и гемицеллюлозы, уменьшения кристалличности целлюлозы при одновременном увеличении пористости материала и высвобождении целлюлозы из плотно сплетенной структуры лигноцеллюлозной биомассы (Sun and Cheng, 2002; El-Zawawy et al., 2011).
Кислотный гидролиз целлюлозы — классический способ расщепления целлюлозы на глюкозу, который можно проводить с использованием разбавленной или концентрированной кислоты. Основное преимущество гидролиза целлюлозы с использованием разбавленной кислоты состоит в том, что кислоту не нужно восстанавливать (Ni et al., 2013), но несколько его недостатков включают необходимость высокой температуры (не менее 180 ° C) и давления (около 10 атм. ), который по-прежнему обеспечивает низкий выход глюкозы (Iranmahboob et al., 2002). Например, целлюлоза, гидролизованная 0.4 мас.% Кислоты при 215 ° C в течение 3 минут после предварительной обработки (гидролиз гемицеллюлозы) 0,7 мас.% Серной кислоты при 190 ° C в течение 3 минут дали выход глюкозы только 50% (Hamelinck et al., 2005). С другой стороны, гидролиз целлюлозы с использованием концентрированной кислоты происходит при умеренной температуре и давлении и приводит к более высокому выходу глюкозы (около 90%; Hamelinck et al., 2005), но обычно требует более длительного времени реакции (2-6 часов) и трудно экономично отделить глюкозу при извлечении кислоты.
Концентрированный кислотный гидролиз целлюлозы исторически начался в 1883 году, когда был изобретен метод растворения и гидролиза хлопковой целлюлозы концентрированной серной кислотой. С 1937 по 1948 год применялись три процесса концентрированного кислотного гидролиза целлюлозы, а именно процесс Бергиуса-Рейнау (Kent, 2013; Amarasekara, 2014), процесс Пеория и процесс Хоккайдо (Wenzl, 1970; Clausen and Gaddy, 1993). развернуты в больших масштабах. Однако они были успешными только во время национального кризиса, когда нефть с Ближнего Востока была недоступна и вышла из употребления после Второй мировой войны из-за низкой урожайности, значительных потоков отходов и большого количества неликвидных побочных продуктов (Arkenol , 1999).Сложные технологические установки, высокое потребление энергии и трудности с рециркуляцией кислоты также упоминались как препятствия на пути коммерциализации этих технологий (Fan et al., 1987). В середине 1970-х годов процесс Пеории был усовершенствован в Университете Пердью и Управлении долины Теннесси (TVA) путем рециркуляции разбавленной кислоты и стал известен как процесс TVA. В 1989 году американская компания Arkenol разработала двухступенчатый процесс концентрированного кислотного гидролиза с использованием хроматографического метода для разделения сахара и кислоты (Amarasekara, 2014).BlueFire Renewables Inc., созданная в 2010 году для внедрения технологии Arkenol (BlueFire Renewables, 2010), получила финансирование от Министерства энергетики США, а письмо о намерениях от Экспортно-импортного банка Китая было продлено в феврале 2015 года, чтобы предоставить до 270 миллионов долларов США в виде заемного финансирования для предполагаемого коммерческого завода в Фултоне, штат Миссисипи. После завершения финансирования завод будет построен (BlueFire Renewables, 2015).
CRB Innovations Inc., один из промышленных спонсоров этой работы, работает над повышением ценности остаточной биомассы с момента своего создания в 2006 году.На основе широко опубликованных работ, выполненных с 90-х годов в Университете Шербрука, лигноцеллюлозная биомасса сначала разделяется на четыре фракции, а именно гемицеллюлозу, целлюлозу, лигнин и экстрактивные вещества (при желании) (Lavoie et al., 2011). Затем целлюлозную фракцию подвергают набуханию и декристаллизации с использованием концентрированной серной кислоты; целлюлоза «разжижается» в высокоионной среде. С этого момента олигосахариды, полученные в результате «ионного разжижения», превращаются в мономерные сахара на стадии постгидролиза с использованием разбавленной кислоты.Варианты этого метода потенциально могут быть экономически привлекательными, если на стадии ионного разжижения используется минимальное соотношение кислота / целлюлоза и после постгидролиза достигается высокий выход глюкозы. Дополнительные требования включают восстановление и переработку использованных ионов, а также кондиционирование конечного раствора глюкозы для последующей ферментации с использованием установленных микробных систем.
Конкретный процесс, рассматриваемый в этом исследовании (см. Рисунок 2), включает частичную нейтрализацию кислоты и смеси декристаллизованной целлюлозы путем добавления водного раствора аммиака или гидроксида натрия перед стадией постгидролиза.Частичная нейтрализация проводится для уменьшения количества воды, необходимой для разбавления серной кислоты для постгидролиза (Chornet et al., 2010). После стадии постгидролиза можно использовать различные методы восстановления для отделения и регенерации кислоты из полученного раствора глюкозы. Мембранный электролиз позволяет одновременно отделить и регенерировать серную кислоту и основание из их соли посредством реакций на электродах. Используя электродиализ, серную кислоту и сульфат натрия или сульфат аммония можно отделить от раствора глюкозы, но требуется дополнительная методика для отделения серной кислоты от соли и регенерации основания.Хроматографические методы также могут использоваться для разделения ионов и глюкозы, и они широко описаны в литературе (Neuman et al., 1987; Foody and Tolan, 2006; Wahnon, 2008; Heinonen and Sainio, 2010; Mahnon, 2010; Heinonen et al. др., 2012). После отделения сульфата аммония от раствора глюкозы соль можно подвергнуть пиролизу с получением серной кислоты и гидроксида аммония (Hansen, 2004). Каждый из этих методов рекуперации имеет свои преимущества и недостатки, и лучший выбор зависит от многих факторов, таких как эффективность извлечения (разделения) и связанные с этим затраты на энергию (Berberi, 2010).
Цели данной работы — изучить влияние ключевых параметров двухстадийного процесса гидролиза с частичной нейтрализацией на выход глюкозы и определить условия, приводящие к максимальному выходу глюкозы.
Материалы и методы
Сырье
Целлюлоза, используемая в качестве сырья, была получена из тритикале ярового вилорогого. Биомасса была посажена 19 мая 2009 г. компаниями CÉROM ( Center de recherche sur les grains, ) и CRSAD ( Centre de recherche en Sciences animales de Deschambault ) и обработана гербицидом Buctril M. 14 июня 2009 г.Тритикале собирали по достижении зрелости 16 сентября 2009 г., и выход биомассы составил 175 кг / м 2 . Учитывая волокнистую структуру соломы (несъедобной части растения), последнюю механически разрезали на куски длиной примерно 3 см, чтобы облегчить последующую обработку. Соломинки тритикале фракционировали с использованием метода FIRSST (быстрая и последовательная обработка паром пропитки сырья), состоящего из двух обработок паром (как показано на рисунке 1). Первая обработка солюбилизирует фракцию гемицеллюлоз, тогда как вторая обработка, проводимая с использованием щелочного катализатора, позволяет солюбилизировать лигнин (Lavoie et al., 2011). Оставшаяся твердая фракция состояла в основном из целлюлозы.
Рисунок 1 . Схематическая диаграмма метода FIRSST, используемого для разделения составляющих фракций лигноцеллюлозной биомассы (адаптировано из Lavoie et al., 2011).
Перед первой обработкой паром биомассу пропитывали водой в течение 24 ч при комнатной температуре. После растворения вторичных метаболитов в воде биомассу фильтровали и пять раз промывали водой путем последовательной пропитки и прессования.Затем экстрагированное сырье подвергали первой обработке паром, проводимой при 200 ° C в течение 2 минут. Полученную смесь фильтровали для извлечения гемицеллюлоз в растворе, а затем биомассу пять раз промывали водой. После этого биомассу пропитывали 8 мас.% Раствором гидроксида натрия и подвергали второй обработке паром при 180 ° C в течение 2 мин. Смесь после этой второй обработки паром фильтровали, и полученную твердую фракцию использовали в качестве исходного сырья целлюлозы в этой исследовательской работе.
Все реактивы, использованные в работе, были марки ACS. К ним относятся 95–98 мас.% Серной кислоты, используемой для предварительной обработки, и основания (29 мас.% Водного аммиака и 20 мас.% Гидроксида натрия), используемые для частичной нейтрализации. Более того, водный 32,8% -ный раствор гидроксида натрия вместо этого использовали в качестве катализатора (основного) в экспериментах, направленных на определение влияния времени, концентрации кислоты и температуры постгидролиза на выход глюкозы.
Стандартный тест на гидролиз целлюлозы (ASTM E1758-01)
Стандартную процедуру количественного определения углеводов в целлюлозе проводили в соответствии с методом ASTM International (E1758-01), где: 4.92 г 72 мас.% Серной кислоты добавляли к 0,3 г целлюлозы в течение 1 ч при 30 ° C с перемешиванием каждые 15 мин. Затем раствор разбавляли до 4 мас.% Серной кислоты путем добавления 84 мл воды перед помещением в автоклав при 121 ° C на 1 час. После 20 мин охлаждения и нейтрализации до pH 5–6 смесь фильтровали (0,2 мкм) и измеряли концентрацию глюкозы с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) (ASTM International, 2007).
Влажность целлюлозы
Перед гидролизом сначала определяли влажность целлюлозы, вручную раздвигая целлюлозу на мелкие кусочки и помещая приблизительно 5 г в алюминиевую чашку для взвешивания, предварительно высушенную при 105 ° C.Алюминиевую чашку для взвешивания и целлюлозу помещали в печь при 105 ° C на 24 ч и взвешивали после охлаждения в эксикаторе. Измеренная разность масс по отношению к исходной массе влажной целлюлозы рассчитывалась как процентная влажность целлюлозы. Каждое испытание проводили в трех экземплярах, и рассчитывали среднюю влажность, которая использовалась в качестве эталона для баланса масс при испытаниях на гидролиз.
Процесс гидролиза целлюлозы
Процесс гидролиза целлюлозы включает семь основных параметров, и влияние каждого параметра на выход глюкозы исследовали по очереди, при этом остальные параметры оставались постоянными.Эти параметры и диапазон их значений приведены в таблице 1.
Таблица 1 . Исследованы основные параметры процесса гидролиза и диапазон значений.
Влияние массового процента серной кислоты и молярного отношения кислота / основание было исследовано при всех трех значениях массового отношения (12, 24, 36) серной кислоты / сухой целлюлозы, но с использованием лучших значений времени предварительной обработки, концентрации основание, время постгидролиза и температура, обеспечивающие самый высокий выход глюкозы.Затем исследовали влияние времени предварительной обработки на выход глюкозы при массовом соотношении серная кислота / сухая целлюлоза, равном 36, с найденными наилучшими значениями для остальных параметров . Наконец, влияние концентрации основания, времени постгидролиза и температуры на выход глюкозы определяли одно за другим, используя наиболее желаемое (наименьшее) значение массового отношения серная кислота / сухая целлюлоза (12) и наиболее эффективные значения остальных параметров.
Поскольку стадия частичной нейтрализации является новаторским аспектом этого процесса, испытания, изучающие влияние молярного отношения кислота / основание на выход глюкозы, были проведены в трех экземплярах.Что касается других экспериментов, только испытания с условиями, дающими самый высокий выход глюкозы, были проведены в трех повторностях для подтверждения результатов. Результаты испытаний, проведенных в трех экземплярах, представлены с полосами ошибок, представляющими стандартное отклонение на соответствующих рисунках.
Сам протокол гидролиза целлюлозы сначала включал приготовление кислотного раствора путем смешивания примерно 95–98% серной кислоты с водой, чтобы получить требуемое массовое соотношение серная кислота / сухая целлюлоза ( R 1 ) и массовый процент серной кислоты ( C 1 ) (с учетом влажности целлюлозы) и охлаждают до 5–10 ° C на ледяной водяной бане.Затем этот кислотный раствор добавляли к 5 г измельченной целлюлозы (влажность 60–65%) в колбе Эрленмейера на 250 мл при одновременном перемешивании стеклянной палочкой. Колбу Эрленмейера помещали в баню с регулируемой температурой при 30 ° C на желаемое время ( t 1 ) и ее содержимое перемешивали с помощью стеклянной палочки с 15-минутными интервалами. В конце этого процесса предварительной обработки целлюлозы колбу Эрленмейера быстро охлаждали, погружая ее в стакан емкостью 1 л, содержащий ледяную воду, и по каплям добавляли соответствующее количество щелочного раствора [NaOH или NH 3 (водн.) ]. при перемешивании до достижения желаемого молярного отношения кислота / основание ( R 2 ).Затем эту реакционную смесь подвергали постгидролизу, используя желаемое время ( t 2 ) и температуру ( T 1 ). Постгидролиз при 121 ° C проводили в автоклаве, а постгидролиз при 97 ° C проводили на бане с регулируемой температурой. Колбу Эрленмейера охлаждали до 20 ° C и ее содержимое фильтровали под вакуумом с использованием стеклянного микроволоконного фильтра с пористостью 1,5 мкм (марка VWR) для частиц со средним удерживанием с использованием воронки Бюхнера. Гидролизат, полученный на этом этапе, был проанализирован для определения его концентрации глюкозы и 5-гидроксиметилфурфурола (5-HMF, продукта разложения глюкозы) (см. Раздел Определение концентраций глюкозы и 5-HMF) и для расчета выхода глюкозы при гидролизе целлюлозы.Эти шаги изображены на рисунке 2.
Рисунок 2 . Принципиальная схема двухэтапного процесса гидролиза, используемого для преобразования тритикале целлюлозы в сахара второго поколения.
Определение концентраций глюкозы и 5-HMF
Концентрации глюкозы и 5-HMF измеряли с помощью ВЭЖХ марки Agilent, оснащенной детектором показателя преломления и колонкой с RoA-органической кислотой (8%) (Phenomenex). Колонка была откалибрована глюкозой и 5-HMF в диапазоне концентраций 10–1000 ppm.Элюент представлял собой 5 мМ водную смесь H 2 SO 4 , работающую при скорости потока 0,6 мл / мин и поддерживаемую при 60 ° C. Для каждого анализа вводили 30 мкл образца. Выход глюкозы при гидролизе целлюлозы рассчитывали как отношение общей массы полученной глюкозы к массе, полученной гидролизом той же целлюлозы с использованием стандартного метода ASTM E1758-01.
Результаты и обсуждение
Соломинка из тритикале, использованная в этой работе, была такой же, как солома, описанная Beauchet et al.(2013) в своем исследовании, и было обнаружено, что они содержат 12,4 мас.% Экстрактивных веществ, 31,7 мас.% Гемицеллюлозы, 34,0 мас.% Целлюлозы, 17,0 мас.% Лигнина и 4,7 мас.% Золы. Кроме того, двойная обработка паром позволила восстановить 94% целлюлозной фракции, которая имела влажность 60–65% и состояла примерно из 7 мас.% Лигнина и 90 мас.% Глюкозы (в виде цепочек глюкана) в пересчете на сухое вещество.
Предварительная обработка водным концентрированным раствором кислоты
Влияние концентрации кислоты
Как показано на рисунке 3, при массовом соотношении кислота / сухая целлюлоза 12 и массовом процентном содержании кислоты 62 мас.% Выход глюкозы составил 24% и увеличился до 85%, когда массовый процент кислоты достиг 72 мас.%. .При этом соотношении (12) увеличение массового процента кислоты немного снижает выход глюкозы, поскольку последний, как было установлено, составляет 78% при массовом процентном содержании кислоты 82 мас.%. При использовании более высокого массового отношения серная кислота / сухая целлюлоза, равного 24, выход глюкозы увеличивался с 34 до 94%, когда массовый процент кислоты увеличивался с 62 до 72 мас.%. Опять же в этой ситуации увеличение массового процента кислоты до более чем 72 мас.% Не улучшило выход глюкозы. При еще более высоком массовом соотношении серная кислота / сухая целлюлоза, равном 36, и в сочетании с массовым процентным содержанием H 2 SO 4 , равным 72 мас.%, Был получен выход глюкозы 98% с гораздо меньшим стандартным отклонением среди в трех экземплярах, чем при более низком массовом соотношении серная кислота / сухая целлюлоза.Таким образом, было обнаружено, что семьдесят два процента по массе являются наилучшим массовым процентным содержанием серной кислоты, независимо от массового отношения H 2 SO 4 / сухой целлюлозы. Более того, 5-HMF был обнаружен в гидролизатах, но его концентрация была ниже нижнего предела количественного определения ВЭЖХ.
Рисунок 3 . Влияние массового процента и количества H 2 SO 4 , использованного во время предварительной обработки, на выход глюкозы при массовом соотношении H 2 SO 4 / сухая целлюлоза = 12 (♦), 24 (■) , 36 ( — ), предварительная обработка в течение 2 ч при 30 ° C, мольное соотношение H + / OH — = 2.3 для частичной нейтрализации и 10 мин и 121 ° C для постгидролиза.
Xiang et al. (2003) также обнаружили, что массовый процент серной кислоты 72 мас.% Является оптимальным для гидролиза целлюлозы, хотя массовое соотношение кислоты / сухой целлюлозы, использованное в их случае, составляло всего 19,6, а самый высокий массовый процент исследованной кислоты составлял 72 мас. %.
Этот результат можно объяснить тем фактом, что при 72 мас.% H 2 SO 4 молярное отношение H 2 O / H 2 SO 4 равно 2, так что каждый сульфат-анион оказывается между двумя протонированными молекулами воды.Таким образом, водный раствор серной кислоты с концентрацией 72 мас.% Имеет некоторое сходство с ионной жидкостью, поскольку это жидкость, состоящая исключительно из анионов и катионов. Сообщается, что ионные жидкости использовались для разрушения кристаллической структуры целлюлозы перед гидролизом или для одновременного растворения и гидролиза целлюлозы (Vo et al., 2014), хотя механизм растворения целлюлозы ионными жидкостями (и 72 мас.% Серной кислоты) в настоящее время известен. не совсем понятно. Фен и Чен (2008) предложили механизм растворения целлюлозы в ионной жидкости, и последний может быть легко применен для растворения целлюлозы в 72% -ном водном растворе серной кислоты.Сульфат-ионы и ионы гидроксония образуют электронодонорно-акцепторные комплексы с -ОН-группами в целлюлозе. В результате взаимодействий между целлюлозой и серной кислотой внутри- и межмолекулярные водородные связи между гидроксильными группами в целлюлозе разрушаются, что приводит к разделению молекулярных цепей целлюлозы (что воспринимается как набухание) и, в конечном итоге, к растворению целлюлозы (Рисунок 4). .
Рисунок 4 . Механизм растворения целлюлозы в 72 мас.% Серной кислоте (на основе Feng and Chen, 2008).
Следовательно, нарушение кристаллической структуры целлюлозы, вероятно, является одним из наиболее важных аспектов предварительной обработки концентрированной серной кислотой. Результаты также показали, что более высокое массовое отношение H 2 SO 4 / сухая целлюлоза приводит к более высокому выходу глюкозы.
Влияние времени предварительной обработки
Было обнаружено, что выход глюкозы, полученный без предварительной обработки в концентрированной серной кислоте перед постгидролизом, составляет 20%, что в основном может быть связано с аморфной фракцией целлюлозы.Всего после 15 минут предварительной обработки в 72 мас.% Серной кислоте выход глюкозы быстро увеличился до 72%, а затем продолжил увеличиваться более медленными темпами, достигнув примерно 100% через 2 часа (Рисунок 5). Такое длительное время предварительной обработки можно объяснить тем фактом, что необходимо достаточное время для превращения почти всех кристаллических частей в аморфную целлюлозу, которую затем можно легко гидролизовать до глюкозы на стадии постгидролиза. За исключением гидролизата, полученного после предварительной обработки в течение 2 часов, в которой 5-HMF был обнаружен при концентрации ниже нижнего предела количественного определения ВЭЖХ, пика 5-HMF не наблюдалось на хроматограммах, полученных с других предварительных измерений. время лечения.Таким образом, был сделан вывод, что эти условия предварительной обработки недостаточно жесткие, чтобы вызвать значительную деградацию глюкозы, что делает этот процесс пригодным для последующей ферментации глюкозы в этанол.
Рисунок 5 . Влияние времени предварительной обработки на выход глюкозы при массовом соотношении H 2 SO 4 / сухая целлюлоза = 36, серная кислота 72 мас.% И молярное соотношение H + / OH — = 2,5, в сочетании с постгидролиз при 121 ° C в течение 10 мин.
Согласно этим результатам, наиболее эффективное время предварительной обработки составляло 2 часа для достижения 100% выхода глюкозы. Хотя влияние времени предварительной обработки на выход глюкозы не исследовалось для массового отношения серная кислота / сухая целлюлоза, равного 12 и 24, лучшее время предварительной обработки в 2 часа было проверено для наиболее желательного (самого низкого) отношения 12 в течение другие испытания, определяющие влияние концентрации основания, времени постгидролиза и температуры на выход глюкозы.
Camacho et al. (1996) изучали образование глюкозы путем предварительной обработки микрокристаллической целлюлозы 70% (мас. / Об.) Серной кислотой при массовом соотношении кислота / сухая целлюлоза в диапазоне от 1,8 до 9,1 без какой-либо стадии постгидролиза. Они получили выход глюкозы не выше 35%, даже если время предварительной обработки составляло 30 часов. Таким образом, предварительной обработки 72 мас.% Серной кислоты явно недостаточно для достижения высоких выходов глюкозы, а для превращения аморфной целлюлозы в глюкозу необходим постгидролиз при пониженной концентрации кислоты.Однако добавление воды для разбавления серной кислоты с 72 до 4–10 мас.% Приводит к получению большого объема смеси, что подразумевает более высокие затраты на транспортировку. Вот почему частичная нейтрализация серной кислоты путем добавления основания рассматривалась как эффективный метод минимизации количества воды, добавляемой для разбавления.
Частичная нейтрализация
Влияние молярного отношения кислота / основание
H + / NH 3 или H + / OH — молярные отношения были непосредственно использованы для сравнения между NH 3 (водн.) и NaOH, поскольку оба случая включают нейтрализацию H 2 SO 4 .Более того, оба соотношения легко вычислить, поскольку известны массы добавленных 95–98 мас.% Серной кислоты и 29 мас.% Водного аммиака (или 20 мас.% NaOH). На рисунке 6 представлен выход глюкозы для трех значений массового отношения серная кислота / сухая целлюлоза как функция молярного отношения H + / NH 3 , используемого для частичной нейтрализации водным раствором аммиака (рисунок 6A), и как функция молярного отношения H + / OH — , используемого для частичной нейтрализации гидроксидом натрия (рис. 6B).
Рисунок 6 . Влияние молярного отношения H + / NH 3 (A) или H + / OH — ( B ) на выход глюкозы при массовом соотношении H 2 SO 4 / сухой соотношение целлюлозы = 12 (♦), 24 (■), 36 (▴) в сочетании с предварительной обработкой при 30 ° C и 72 мас.% H 2 SO 4 в течение 2 часов и постгидролизом в течение 10 минут. при 121 ° С.
Плохая повторяемость наблюдалась для испытаний с молярными отношениями H + / NH 3 , изменяющимися от 1.От 0 до 1,4, что, вероятно, было связано с переменным испарением аммиака во время экспериментов. Это наблюдение было особенно важным при низких молярных отношениях H + / NH 3 , где относительное количество NH 3 по сравнению с количеством кислоты больше, чем при высоких молярных отношениях H + / NH 3 . Выход глюкозы составил 30% при использовании молярного отношения H + / NH 3 , равного 1 (низкое), и массового отношения серная кислота / сухая целлюлоза, равного 12. Низкое молярное соотношение H + / NH 3 Соотношение означает, что концентрация серной кислоты во время постгидролиза была низкой и, следовательно, недостаточной для проведения эффективного гидролиза целлюлозы до глюкозы.При более высоких молярных соотношениях H + / NH 3 концентрация серной кислоты во время постгидролиза была выше, а наблюдаемые более низкие выходы глюкозы могли быть связаны с разложением глюкозы, хотя концентрация 5-HMF в гидролизате была ниже нижний предел количественного определения ВЭЖХ при этих молярных соотношениях H + / NH 3 . В условиях, протестированных в этой работе, наиболее эффективное молярное соотношение H + / NH 3 находилось в диапазоне от 1.6 и 1.8.
Что касается использования гидроксида натрия для частичной нейтрализации смеси целлюлозы и кислоты перед постгидролизом, испытания сначала проводили с массовым соотношением серная кислота / сухая целлюлоза, равным 12, и после наблюдения, что самый высокий выход глюкозы был получен при диапазон молярного отношения H + / OH — 2,3–2,5, только этот диапазон был исследован для массовых соотношений серная кислота / сухая целлюлоза 24 и 36. Наиболее эффективный H + / OH — молярный отношения (2.3–2,5), как впоследствии выяснилось, выше наиболее эффективных соотношений H + / NH 3 (1,6–1,8). Это наблюдение можно объяснить тем фактом, что аммиак является слабым основанием и, следовательно, для получения необходимого количества молей гидроксид-ионов для получения такого же эффекта частичной нейтрализации, как и в случае гидроксида натрия, требовалось больше аммиака.
Тем не менее, в обоих случаях, когда молярное отношение H + / NH 3 равно 1,7 или молярное отношение H + / OH — , равное 2.4, конечный массовый процент серной кислоты на стадии постгидролиза был близок к 19 мас.%, Хотя концентрация основных растворов, используемых для частичной нейтрализации, составляла 29 мас.% Для аммиака и 20 мас.% Для гидроксида натрия. Таким образом, было обнаружено, что молярное соотношение H + / NH 3 или H + / OH —, обеспечивающее самый высокий выход глюкозы, в значительной степени зависит от конечного массового процента серной кислоты, используемой во время постгидролиза, а не в зависимости от типа используемой базы.Несмотря на это наблюдение, выход глюкозы в наиболее эффективных условиях был выше с гидроксидом натрия, чем с водным аммиаком.
Влияние концентрации NaOH
Было исследовано влияние концентрации NaOH на выход глюкозы, и результаты представлены на рисунке 7. Растворы 20 мас.% NaOH и 40 мас.% NaOH сравнивали, подвергая целлюлозу предварительной обработке в течение 2 часов при 30 ° C и 72 ° C. мас.% H 2 SO 4 для массового отношения H 2 SO 4 / сухой целлюлозы, равного 12, с последующим постгидролизом при 121 ° C в течение 10 мин.Было обнаружено, что зависимость выхода глюкозы от молярного отношения H + / OH —, полученного с растворами NaOH как с 20, так и с 40 мас.%, Была одинаковой. Результаты показали, что выход глюкозы увеличивался с увеличением молярного отношения H + / OH — до тех пор, пока он не достиг максимума при наиболее эффективном соотношении H + / OH — , а затем постепенно снижался выше этой точки. Однако кривая, полученная для раствора NaOH с концентрацией 20 мас.%, Дает более высокий максимальный выход глюкозы при более высоких молярных отношениях H + / OH —.Наиболее эффективные соотношения H + / OH — с 40 мас.% NaOH и 20 мас.% NaOH находились между 1,9–2,1 и 2,3–2,5 соответственно, а самый высокий выход глюкозы, полученный с раствором NaOH 20 мас. 88%, что примерно в 1,1 раза выше, чем полученное с 40 мас.% NaOH.
Рисунок 7 . Влияние соотношения H + / OH — на выход глюкозы при концентрации NaOH 20 мас.% (♦) и 40 мас.% (■) с предварительной обработкой при 30 ° C, 72 мас.% H 2 SO 4 в течение 2 часов, массовое отношение H 2 SO 4 / сухая целлюлоза 12, и постгидролиз в течение 10 минут при 121 ° C.
При молярном соотношении H + / OH —, равном 2 для 40 мас.% NaOH и 2,5 для 20 мас.% NaOH, полученный раствор после частичной нейтрализации имел массовый процент серной кислоты, близкий к 20 мас.% В обоих случаях. . Таким образом, разница в выходе глюкозы, наблюдаемая между 20 и 40 мас.% Растворами NaOH, используемыми для частичной нейтрализации, скорее всего, была связана с количеством воды, добавленной с основанием на стадии постгидролиза. Эта разница в количестве воды, добавляемой вместе с основанием, также объясняет наблюдения, представленные в разделе «Влияние молярного отношения кислота / основание», а именно: выход глюкозы в наиболее эффективных условиях выше при 20 мас.% NaOH, чем при 29 мас.% NH 3 .Таким образом, для получения высокого выхода глюкозы во время постгидролиза важно учитывать не только массовый процент кислоты, но также количество воды, добавленной на стадии частичной нейтрализации, поскольку последняя, как было показано, оказывает сильное влияние. по эффективности постгидролиза.
Постгидролиз
Влияние времени и концентрации кислоты
Влияние времени постгидролиза на выход глюкозы с использованием различных молярных соотношений H + / OH — представлено на рисунке 8.Во-первых, можно заметить, что стандартное отклонение среди трех повторов при наиболее эффективных условиях (дающих самые высокие выходы глюкозы) очень мало, так что соответствующие полосы ошибок едва различимы на рисунке 8. С H + / OH — молярное соотношение , равное 1,7, увеличение периода варки увеличивало выход глюкозы, тогда как при молярном соотношении H + / OH —, равном 2,3, увеличение времени постгидролиза обычно приводило к противоположному сценарию.При низком молярном соотношении H + / OH — концентрация кислоты в постгидролизном растворе также была низкой, так что увеличение времени варки приводило к гидролизу оставшейся аморфной целлюлозы. Однако увеличение времени постгидролиза при более высоком соотношении H + / OH —, вероятно, привело к деградации глюкозы, хотя концентрация 5-HMF в гидролизатах оставалась ниже нижнего предела количественного определения ВЭЖХ. Было обнаружено, что наиболее эффективное время постгидролиза, дающее самый высокий выход глюкозы, уменьшается по мере увеличения концентрации серной кислоты для постгидролиза, а именно за счет увеличения молярного отношения H + / OH — (см. Фигуру 8).Это может представлять интерес для промышленного процесса, поскольку для более короткого времени постгидролиза с получением богатого глюкозой гидролизата потребуется меньше основания. Например, наиболее эффективное время постгидролиза при 121 ° C и молярном соотношении H + / OH — , равном 2,3, было менее 10 минут, в то время как для молярного отношения H + / OH — оно составляло 60 минут или более. коэффициент 1,7.
Рисунок 8 . Влияние времени постгидролиза и молярного отношения 1 H + / OH — .7 (♦), 2,0 (■), 2,3 (▴), по выходу глюкозы с предварительной обработкой в течение 2 часов при 30 ° C, 72 мас.% H 2 SO 4 и массовом соотношении H 2 SO 4 / сухая целлюлоза 12, частичная нейтрализация 32,8 мас.% Раствором NaOH и постгидролиз при 121 ° C.
Влияние времени и температуры
На рис. 9 показан выход глюкозы как функция времени постгидролиза при температуре 97 и 121 ° C. Другие условия поддерживались постоянными, а именно предварительная обработка 72 мас.% Серной кислоты в течение 2 ч и массовое соотношение кислота / сухая целлюлоза 12 в сочетании с частичной нейтрализацией с использованием 32.8 мас.% Раствор NaOH с молярным соотношением H + / OH — , равным 2. Стандартное отклонение для трех повторов в условиях, дающих самый высокий выход глюкозы, очень мало (около 0,4), так что соответствующие полосы погрешностей едва видны. на фиг.9. При 97 ° C выход глюкозы увеличивался с увеличением времени приготовления до максимума примерно 76%, стабилизируясь через 60 мин. Это явление, вероятно, было связано с одновременным осахариванием аморфной целлюлозы в сочетании с деградацией глюкозы.При 121 ° C выход глюкозы достиг наивысшего значения 78% (через 20 минут), а затем постепенно снизился до 68% через 60 минут. Разложение глюкозы, по-видимому, происходило быстрее, чем осахаривание, при 121 ° C по сравнению с температурой 97 ° C.
Рисунок 9 . Влияние времени постгидролиза и температуры 97 ° C (♦) и 121 ° C (■) на выход глюкозы после 2-часовой предварительной обработки при 30 ° C, 72 мас.% H 2 SO 4 и мас. соотношение H 2 SO 4 / сухая целлюлоза 12 с последующей частичной нейтрализацией 32.8 мас.% Раствора NaOH и H + / OH — молярное соотношение 2.
Таким образом, самые высокие выходы глюкозы были получены при более коротком времени постгидролиза и более высоких температурах постгидролиза (например, 20 мин при 121 ° C). При температуре постгидролиза 121 ° C и в тех же условиях, что и на рисунке 9, за исключением частичной нейтрализации с молярным соотношением H + / OH — 2,3 и 20 мас.% NaOH, самый высокий выход глюкозы составляет 88 % (см. фиг. 7) для времени постгидролиза 10 мин.
Удельное влияние использования 32,8% -ного раствора NaOH для частичной нейтрализации было рассчитано с учетом выхода глюкозы, полученного после 2-часовой предварительной обработки при 30 ° C, 72 мас.% H 2 SO 4 и массового отношения H 2 SO 4 / сухая целлюлоза 12, частичная нейтрализация с молярным соотношением H + / OH — , равным 2, и постгидролиз при 121 ° C в течение 10 мин. Как видно из фиг. 8, 9, выход глюкозы 72% был получен с 32,8% -ным по весу раствором NaOH, тогда как более высокий выход глюкозы 77% был получен с использованием 20% -ного по весу раствора NaOH для частичной нейтрализации (фиг. 7).Это подтвердило то, что было отмечено в разделе «Влияние концентрации NaOH»: количество воды, добавляемой на стадии частичной нейтрализации, сильно влияет на эффективность постгидролиза.
В своем двухстадийном процессе гидролиза Yoon et al. (2014) предварительно обработанная биомасса или целлюлоза с массовым соотношением кислота / сухое сырье 19 при 30 ° C с использованием водной смеси 72 мас.% H 2 SO 4 в течение 1 часа с последующим постгидролизом. при 4 мас.% H 2 SO 4 .Наивысшее превращение целлюлозы в глюкозу составило около 90% при времени постгидролиза 90 минут и температуре 100 ° C. Также сообщалось, что, независимо от времени и температуры постгидролиза, более высокая конверсия была получена при гидролизе чистой целлюлозы по сравнению с гидролизом смеси целлюлозы и гемицеллюлозы или смеси целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, что подтверждает важность сначала фракционируют биомассу и разделяют ее на составляющие.
Наиболее эффективные экспериментальные условия для гидролиза целлюлозы
Для постгидролиза при 121 ° C в течение 10 минут с использованием 20 мас.% NaOH для частичной нейтрализации, испытанные условия, обеспечивающие самый высокий выход глюкозы, были следующими: предварительная обработка при 30 ° C 72 мас.% H 2 SO 4 в течение 2 ч, массовое соотношение H 2 SO 4 / сухая целлюлоза 36 и молярное отношение H + / OH — , равное 2.3–2,5.
При тех же условиях постгидролиза, но с использованием 29 мас.% NH 3 (водн.) для частичной нейтрализации, соответствующие условия, дающие самые высокие выходы глюкозы, были следующими: предварительная обработка при 30 ° C 72 мас.% H 2 SO 4 в течение 2 ч, массовое отношение H 2 SO 4 / сухая целлюлоза 36 и молярное отношение H + / NH 3 1,6–1,8.
Высокие выходы (близкие к 100%), полученные при указанных выше наилучших наборах условий, показывают, что этот процесс может быть почти таким же эффективным, как и стандартный метод ASTM E1758-01.Более того, этот процесс гидролиза привлекателен с промышленной точки зрения, поскольку он может использовать целлюлозу, полученную методом фракционирования (влажность 60–65%), требует меньших объемов и дает гидролизаты с более высокой концентрацией глюкозы.
Iranmahboob et al. (2002) использовали аналогичный двухэтапный процесс гидролиза для получения глюкозы из высушенной, измельченной и смешанной древесной щепы (50 мас.% Древесины твердых пород и 50 мас.% Древесины мягких пород). Их этап предварительной обработки проводился при массовом соотношении H 2 SO 4 / сухая древесная щепа 2.5 и 80 мас.% H 2 SO 4 , и к полученной таким образом пасте добавляли дистиллированную кипящую воду, чтобы получить 26 мас.% H 2 SO 4 . После перемешивания смеси в течение 30 минут при 100 ° C и фильтрации фильтрат нагревали еще 2 часа. Эти условия были признаны оптимальными и привели к общей эффективности преобразования 78–82% на основе теоретических значений. Хотя в их способе для предварительной обработки использовалось меньше кислоты, для него требовалось высушенное сырье и гораздо более длительное время постгидролиза, чем в способе, используемом в настоящей работе.
Заключение
В данной работе изучалось индивидуальное влияние семи ключевых параметров на выход глюкозы в двухстадийном процессе гидролиза целлюлозы с частичной нейтрализацией, и полученные результаты позволили определить условия, дающие наибольший выход глюкозы. В наиболее эффективном случае может быть достигнут выход глюкозы, достигающий 100%, и это включало предварительную обработку «набуханием», выполняемую при 30 ° C в течение 2 часов, 72 мас.% H 2 SO 4 и с использованием массового отношения H 2 SO 4 / сухая целлюлоза 36; с последующей частичной нейтрализацией 20 мас.% NaOH и молярным соотношением H + / OH —, равным 2.3–2,5; и постгидролиз при 121 ° C в течение 10 мин. Для стадии частичной нейтрализации гидроксид натрия был предпочтительным основанием для более высоких выходов глюкозы после постгидролиза, но водный аммиак также давал очень высокий выход глюкозы (около 95%).
Взносы авторов
JK-WC: сформировал результаты путем анализа и интерпретации полученных данных, а также написал, подготовил и отредактировал статью; XD: подготовил, проверил результаты и рассмотрел статью; VB: провел эксперименты и получил данные; HZ-N: контролировал работу, обеспечивая промышленную ориентацию и предлагал технические руководства; J-ML: руководил и контролировал исследование, обеспечивал научное и техническое руководство, проверял результаты, тщательно проверял и одобрил статью.
Заявление о конфликте интересов
VB и HZ-N были наняты компанией CRB Innovations Inc.
Другие авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Благодарности
Авторы благодарны кафедре промышленных исследований целлюлозного этанола и биоматериалов Университета Шербрука и особенно его спонсорам: Le Ministère de l’Energie et des Ressources Naturelles du Québec (MERNQ), CRB Innovations Inc., Enerkem и GreenField Global. Авторы также благодарны MITACS за зарплаты JK-WC и XD и BioFulNet Canada за финансирование части этой работы.
Список литературы
Амарасекара, А. С. (2014). Справочник по целлюлозному этанолу . Беверли, Массачусетс: Scrivener Publishing LLC.
Google Scholar
ASTM International (2007). E1758− 01 Стандартный метод определения углеводов в биомассе с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии .Вест Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International.
Beauchet, R., Berberi, V., Corcos, P.O., Guimont-Montpetit, G., Dion, Y., Eudes, F., et al. (2013). Ферментация углеводов C6 из гемицеллюлозной фракции соломы тритикале в качестве предварительной обработки для очистки ксилозы. Ind. Crops Prod . 51, 463–469. DOI: 10.1016 / j.indcrop.2013.08.070
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Бербери В. (2010). Hydrolyse Thermochimique de la Cellulose et Récupération des Acides / Bases Utilisés Dans un Contexte de Production D’ethanol Cellulosique .Шербрук, королевский адвокат, Университет Шербрука.
Камачо, Ф., Гонсалес-Телло, П., Хурадо, Э., и Роблес, А. (1996). Гидролиз микрокристаллической целлюлозы концентрированной серной кислотой. J. Chem. Technol. Биотехнология . 67, 350–356. DOI: 10.1002 / (SICI) 1097-4660 (199612) 67: 4 <350 :: AID-JCTB564> 3.0.CO; 2-9
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Чорнет М., Чорнет Э. и Лавуа Дж. М. (2010). Преобразование целлюлозной биомассы в сахар .US20100163019 A1.
Клаузен, Э. К., и Гэдди, Дж. Л. (1993). Процесс концентрированной серной кислоты для превращения лигноцеллюлозных материалов в сахара . Ведомство США по патентам и товарным знакам. US005188673 A.
Эль-Завави, В. К., Ибрагим, М. М., Абдель-Фаттах, Ю. Р., Солиман, Н. А., и Махмуд, М. М. (2011). Кислотный и ферментный гидролиз для преобразования предварительно обработанных лигноцеллюлозных материалов в глюкозу для производства этанола. Carbohydr. Полим . 84, 865–871.DOI: 10.1016 / j.carbpol.2010.12.022
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Fan, L. T., Gharpuray, M. M., and Lee, Y.-H. (1987). Гидролиз целлюлозы . Берлин; Гейдельберг: Springer-Verlag.
Google Scholar
Фэн Л. и Чен З. (2008). Прогресс исследований растворения и функциональной модификации целлюлозы в ионных жидкостях. J. Mol. Liq . 142, 1–5. DOI: 10.1016 / j.molliq.2008.06.007
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Фуди, Б.и Толан Дж. С. (2006). Способ получения потока сахара из целлюлозной биомассы . Ведомство США по патентам и товарным знакам. WO2006007691 A1.
Хамелинк, К. Н., Хоэйдонк, Г., и ван Файдж, А. П. (2005). Этанол из лигноцеллюлозной биомассы: технико-экономические показатели в краткосрочной, среднесрочной и долгосрочной перспективе. Биомасса Биоэнергетика 28, 384–410. DOI: 10.1016 / j.biombioe.2004.09.002
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Хансен, Т.(2004). Химическое и термическое разложение сульфата аммония на аммиак и серную кислоту . US20040234441 A1.
Хейнонен, Дж., И Сайнио, Т. (2010). Хроматографическое восстановление моносахаридов для производства биоэтанола из древесины. Ind. Eng. Chem. Res . 49, 2907–2915. DOI: 10.1021 / ie
8z
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Хейнонен, Дж., Тамминен, А., Ууситало, Дж., И Сайнио, Т. (2012). Производство этанола из древесины путем концентрированного кислотного гидролиза, хроматографического разделения и ферментации. J. Chem. Technol. Биотехнология . 87, 689–696. DOI: 10.1002 / jctb.2766
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Иранмахбуб Дж., Надим Ф. и Монеми С. (2002). Оптимизация кислотного гидролиза: критический этап производства этанола из смешанной древесной щепы. Биомасса Биоэнергетика 22, 401–404. DOI: 10.1016 / S0961-9534 (02) 00016-8
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Кент, Дж. А. (2013). Справочник по промышленной химии и биотехнологии .Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer Science and Business Media.
Google Scholar
Lavoie, J.-M. (2016). Внедрение жидкого биотоплива 2-го поколения на рынке с преобладанием ископаемого топлива: правильный выбор. Curr. Opin. Зеленая устойчивость. Chem. 2, 45–47. DOI: 10.1016 / j.cogsc.2016.09.009
CrossRef Полный текст
Лавуа, Ж.-М., Боше, Р., Бербери, В., и Черне, М. (2011). «Биопереработка лигноцеллюлозной биомассы посредством быстрой пропитки сырья и последовательной обработки паром», в Biofuel’s Engineering Process Technology , ред М.А. Душ Сантос Бернардес (Риека: InTech).
Google Scholar
Ли, Р. А., Лавуа, Ж.-М. (2013). От биотоплива первого к третьему поколению: проблемы производства товара из биомассы все большей сложности. Anim. Передний . 3, 6–11. DOI: 10.2527 / af.2013-0010
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Махнон, Д. (2010). Способ получения органической соли или кислоты из водного потока сахара . Ведомство США по патентам и товарным знакам.US7718070 B2.
Нойман Р. П., Радж С. Р. и Ладиш М. Р. (1987). Разделение серной кислоты и сахара методом исключения ионов. React. Polym. Ion Exch. Сорбенты 5, 55–61. DOI: 10.1016 / 0167-6989 (87)
-6
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ni, J., Wang, H., Chen, Y., She, Z., Na, H., and Zhu, J. (2013). Новый простой двухэтапный метод получения глюкозы из целлюлозы. Биоресурсы. Технол . 137, 106–110. DOI: 10.1016 / j.biortech.2013.03.104
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Пулидинди, И. Н., Кимчи, Б. Б., и Геданкен, А. (2014). Может ли целлюлоза быть устойчивым сырьем для производства биоэтанола? Обновить. Энергия 71, 77–80. DOI: 10.1016 / j.renene.2014.05.032
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Симс, Р. Э. Х., Маби, В., Сэдлер, Дж. Н. и Тейлор, М. (2010). Обзор технологий биотоплива второго поколения. Биоресурсы. Технол .101, 1570–1580. DOI: 10.1016 / j.biortech.2009.11.046
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Тахердазе, М. Дж., И Карими, К. (2007). Процессы кислотного гидролиза этанола из лигноцеллюлозных материалов: обзор. BioResources 2, 472–499. DOI: 10.15376 / biores.2.3.472-499
CrossRef Полный текст
Во, Х. Т., Видьяя, В. Т., Джэ Дж., Ким, Х. С. и Ли, Х. (2014). Гидролиз ионной целлюлозы до глюкозы. Биоресурсы.Technol. 167, 484–489. DOI: 10.1016 / j.biortech.2014.06.025
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ванон Д. (2008). Способ получения органической соли или кислоты из водного потока сахара . Гатино, королевский представитель: Канадское ведомство интеллектуальной собственности. CA2661531 A1.
Google Scholar
Венцль, Х. Ф. Дж. (1970). «Кислотный гидролиз древесины», в Химическая технология древесины , ред. Ф. Э. Браунс и Д. А.Браунс (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Academic Press), 157–252.
Сян, К., Ли, Ю. Ю., Петтерссон, П. О., и Торгет, Р. В. (2003). Гетерогенные аспекты кислотного гидролиза α-целлюлозы. Заявл. Биохим. Biotechnol. 107, 505–514. DOI: 10.1007 / 978-1-4612-0057-4_42
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Юн, С.-Й., Хан, С.-Х., и Шин, С.-Дж. (2014). Влияние гемицеллюлозы и лигнина на кислотный гидролиз целлюлозы. Energy 77, 19–24. DOI: 10.1016 / j.energy.2014.01.104
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Чжан З., Лю Б. и Чжао З. (2012). Эффективный кислотно-катализируемый гидролиз целлюлозы в растворах органических электролитов. Polym. Деграда. Укол . 97, 573–577. DOI: 10.1016 / j.polymdegradstab.2012.01.010
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Гидролиз | Протокол
3,6: Гидролиз
Обзор
Гидролиз — это химическая реакция, при которой вода разрывает связь внутри молекулы.Например, он расщепляет пептиды на аминокислоты, углеводы на простые сахара и ДНК на нуклеотиды. Ферменты часто облегчают эти процессы.
Гидролиз отменяет синтез дегидратации
Чтобы расщепить сложные углеводы, необходимо разорвать связь между отдельными сахарными единицами. Реакция разрыва гликозидной связи называется гидролизом, поскольку к соединению добавляется вода. Гликозидные связи между молекулами сахара стабильны, поэтому гидролазы часто катализируют гидролиз.Гидролазы — это ферменты, которые специализируются на катализе гидролиза.
Различные типы гликозидных связей (например, 1-4 связи, 1-6 связи) требуют разных гидролаз. Тип необходимого фермента также зависит от расположения сахарной единицы в полимере. Например, крахмал в основном состоит из 1-4 связанных глюкозы с относительно небольшим количеством 1-6 гликозидных связей. В то время как α-амилаза может расщеплять 1-4 гликозидные связи в середине полимера, фермент амилоглюкозидаза разрывает только 1-6 или 1-4 связи на конце (т.е.е., последняя единица глюкозы в конце цепочки).
Недостаток лактазы может вызвать желудочно-кишечные симптомы
Младенцы человека вырабатывают фермент лактазу, который катализирует гидролиз молочного сахара или лактозы. Лактоза — это дисахарид, состоящий из глюкозы и галактозы. Во многих регионах мира люди перестают вырабатывать лактазу по достижении взрослого возраста, что приводит к непереносимости лактозы. Неспособность или пониженная способность гидролизовать лактозу означает, что лактоза проходит через кишечник в толстую кишку, не расщепляясь на глюкозу и галактозу.Некоторые бактерии в толстой кишке могут метаболизировать лактозу. Побочные продукты этой бактериальной активности — приток газа и воды в толстую кишку, что вызывает желудочно-кишечные симптомы, такие как вздутие живота, метеоризм и диарея. Эти симптомы можно смягчить, потребляя лактазу с любой едой, содержащей молочные продукты, или полностью исключив молочные продукты из рациона.