Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Агропромышленность arrow Биоконверсия вторичных продуктов агропромышленного комплекса

Растительные вторичные продукты

Вторичные продукты растениеводства представляют собой излишки сельскохозяйственной продукции, не используемые эффективно. Рециркуляция и повторная переработка открывают возможность их полезного применения в противоположность традиционным методам удаления с почвой и перемешивания с почвой.

Органическое вещество синтезируется в природе главным образом благодаря фотосинтетической активности растений, в первую очередь высших растений, а также водорослей и цианобактерий. Культивируемые микроскопические водоросли представляют собой одну из наиболее продуктивных систем (50-100 т/га в год). Производство биомассы их осуществляется путем выращивания фитопланктона в простейших искусственных водоемах.

Структурный каркас почти всех наземных растений состоит из полимеров: лигнина, гемицеллюлозы и целлюлозы. В разных соотношениях они образуют лигноцеллюлозный материал, на долю которого приходится основная часть биомассы Земли. Остается также и огромное количество вторичных продуктов сельского хозяйства, деревообрабатывающей промышленности и других отраслей хозяйственной деятельности человека.

Лигноцеллюлозные материалы для получения целлюлозы можно разделить на три класса:

  • - дикие растения и древесина, а также специально выращиваемые культуры (хлопок и др.), которые служат строительными материалами и кормом для скота;
  • -растительные вторичные продукты, остающиеся после сбора и переработки урожая (солома, рисовая шелуха, багасса сахарного тростника и пр.), отходы после обработки древесины (опилки, древесная щепа, скоп и т.д.);
  • - бытовые вторичные продукты (использованная бумага, картон и т. д.).

Целлюлоза (клетчатка) - (С6Н10О5)п - полисахарид клеточных стенок растений, линейные молекулы которого построены из остатков ппокозы; один из самых распространенных природных полимеров. В составе целлюлозы содержится более 50% всего органического углерода биосферы. Это самый «крупнотоннажный» из всех возобновляемых видов сырья на нашей планете. Естественный ежегодный прирост целлюлозы составляет около 100 млрд т. Использование человеком части этого сырья приводит к накоплению значительного количества целлюлозосодержащих вторичных продуктов. Если даже их малую долю превращать ферментативным путем в полезные продукты, это даст ощутимый (и возобновляемый!) источник пищевых углеводов и заменителей нефти. Поэтому данной проблемой в последние годы столь упорно занимаются технологи всего мира.

Углеродсодержащие вторичные продукты, такие как солома, стерня, листья, подсолнечная лузга, рисовая шелуха, мякина и др., составляют сотни миллионов тонн. Чтобы избавиться от них и предотвратить распространение сорняков и болезней растений, их часто сжигают, какую-то часть возвращают в почву в виде мульчи или после использования на подстилку скоту - в виде органического удобрения. Иногда их просто скармливают скоту. Но все эти традиционные методы утилизации, как правило, неэффективны и неэкологичны. Шансы их утилизации для питания человека зависят от местных экономических и технологических возможностей.

Наиболее распространенные субстраты, подвергающиеся микробному разложению, - это природные биополимеры, в том числе растительный материал, который состоит примерно на 50% из целлюлозы. В состав растений также входят (в расчете на сухое вещество клеток): лигнин (10-25%), гемицеллюлоза и пектин (10—25%), белки (5-10%), липиды (2-5%) и нуклеиновые кислоты (до 2%) (табл. 8).

Таблица 8

Состав лигноцеллюлозного растительного сырья,%

Сырье

Лигнин

Целлюлоза

Гемицеллюлоза

Прочие

Сосновая древесина

27,8

44,0

26,0

2,2

Березовая древесина

19,5

40,0

39,0

1,5

Багасса сахарного тростника

18,9

33,4

30,0

17,7

Солома: риса

12,5

32,1

24,0

-

пшеницы

14

30

22

-

ржи

-

34

-

-

ячменя

14

40

19

-

овса

14

43

30

-

Стебли кукурузы

19

38

26

17

Хлопок

-

80

19

1

Отходы промышленности:

текстильной

-

90

5

5

деревообрабатывающей

30

56

14

-

Многие растительные полимеры химически связаны с другими соединениями, что препятствует их биодеградации. Так, целлюлоза - довольно легко разлагаемый субстрат в виде чистого полимера, более устойчива - в виде комплекса с лигнином в составе древесины (рис. 30).

Строение лигнина и номенклатура его компонентов

Рис. 30. Строение лигнина и номенклатура его компонентов:

А - три спирта-предшественника лигнина: кумаровый, конифериловый и синаповый. При синтезе лигнина они подвергаются одноэлектронному окислению, после чего полимеризуются с образованием трёхмерной структуры. Стрелками показано положение межмономерных связей в молекуле лигнина;

Б - модель связывания мономеров в составе лигнина через простую

эфирную связь;

В - ароматические кислоты, обнаруживаемые в гидролизате лигнинсодержащих углеводных структур

Главный структурный компонент растительных клеток - целлюлоза - представляет собой полисахарид, элементарные звенья которого являются остатками глюкозы. При полном гидролизе целлюлозы, в концентрированных кислотах, образуется D-глюкоза (рис. 31).

Строение гексоз, пентоз (альдоз и кетоз), глюкозидов, аминосахаров, гексуроновых кислот, гексуронндов, гексуронатов

Рис. 31. Строение гексоз, пентоз (альдоз и кетоз), глюкозидов, аминосахаров, гексуроновых кислот, гексуронндов, гексуронатов

и и оли с it и ртов

Особенностью целлюлозы является наличие длинных и жестких прямоцепочечных молекул. Рентгеноструктурный анализ показал, что молекулы целлюлозы соединены в пучки или волокна, состоящие из параллельных цепей, имеющих поперечные водородные связи. Эти волокна совершенно нерастворимы в воде и имеют правильную, почти кристаллическую упаковку. Они цементируются матриксом, состоящим из трех других полимеров: гемицеллюлозы, пектина и экс- тенсина (белок с высоким содержанием оксипролина, ковалентно увязанного с целлюлозными волокнами).

Прежде всего важное значение имеет классификация углеродсодержащих соединений, в которой учитывается их растворимость, часто обусловливающая скорость разложения и доступность микроорганизмам. Можно выделить:

  • - хорошо растворимые соединения: простые сахара, органические кислоты;
  • - плохо растворимые соединения: гемицеллюлозы;
  • - нерастворимые соединения: клетчатка, жиры, воска и смолы;
  • - лигнин, выделяется в самостоятельную группу на основании его высокой устойчивости к биологическим воздействиям.

В таблице 9 представлено относительное содержание наиболее важных в количественном отношении составных частей в растительных тканях.

Таблица 9

Состав растительных тканей,%

Растительная ткань

Клетчатка

Пентозаны

Лигнин

Жиры и воска

Белки

Сено

28,50

13,52

28,25

2,00

9,31

Овсяная солома

25,43

21,33

20,40

2,02

4,70

Пшеничная солома

34,27

21,67

21,21

0,67

3,00

Кукуруза (кочерыжки)

37,66

31,50

14,70

1,37

2,11

Кукуруза(зерно)

30,56

23,54

15,13

0,77

3,50

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы