Основные способы подготовки лигниноцеллюлозных отходов к скармливанию
19.11.2014
Лигниноцеллюлозные отходы содержат различные полисахариды, которые концентрируются в опорных тканях растений. Полисахариды растений подразделяются на волокнистые и матричные.
Волокнистые полисахариды являются, как правило, кристаллическими микрофибриллами (канатиками), состоящими в основном из целлюлозы. Микрофибриллы соединены друг с другом водородными мостиками и уложены в матричных полисахаридах, таких, как лигнин и некоторые протенны.
Матричные полисахариды подразделяются на пектиновые вещества, (галактураны, арабинаны, галактаны, арабиногалактаны) и гемицеллюлозы (ксиланы и глюкомананы).
Гемицеллюлозы хотя и вторично, но прочно связаны с целлюлозой. Лигнин связан с полисахаридами и, по-видимому, ковалентной связью с гемицеллюлозой, препятствуя таким образом ферментативному гидролизу полисахаридов.
Растительная клетка дерева или соломы имеет первичную и вторичную оболочку. Первичная оболочка состоит из немногочисленных неупорядоченных микрофибрилл из целлюлозы и большого количества нецеллюлозных частиц. Вторичная оболочка состоит из нескольких слоев с раздельной фибриллярной структурой, образующихся при разложении целлюлозных и гемицеллюлозных молекул.
На стадии роста клетки идет интенсивное образование лигнина, который откладывается вначале в первичной, а затем и во вторичной оболочке.
Ученые установили взаимосвязь между переваримостью in vitro различных целлюлозных материалов (образцов) и их «индексом кристаллизации», рассчитанными рентгеноспектрометрическим методом. Переваримость уменьшается прямо пропорционально росту кристаллизации.
В начале сороковых годов нашего века рентгенооптическим методом удалось определить обратно пропорциональную зависимость между уровнем кристаллической целлюлозы и адсорбцией йода, обработанной концентрированным NaOH целлюлозой с последующей ее промывкой. Однако при механическом сжатии (повреждении) целлюлозных волокон мембраны кристаллической целлюлозы частично разрушаются, при этом освобождаются соседние валентности и адсорбция йода повышается. Вместе с тем если после размятия образцы увлажняют и высушивают, то целлюлозные волокна не будут характеризоваться повышенной адсорбцией йода. Аморфная часть целлюлозы после влажной обработки вновь переходит в кристаллическое состояние. Давно известно, что микроорганизмы для своего роста используют в первую очередь размятые целлюлозные волокна. При жевании растительная целлюлоза размягчается (разрушается), в ней повышается доля аморфных частиц, а значит, и переваримость.
Существуют два основных способа повышения переваримости деревянистых растительных материалов:
1) при воздействии растворов сильных щелочей разрушаются гомополярные связи лигнина с целлюлозой или гемицеллюлозой;
2) при прессовании (сжатии) с одновременной обработкой щелочами структура целлюлозы становится аморфной, а водородные мостики частично разрушаются. В результате такой обработки межфибриллярные полости значительно расширяются.
Типичной субстанцией, разрушающей водородные связи, являются NH3, который легко проникает в межфибриллярные полости растительных клеток (особенно при повышенном давлении). Вода, содержащаяся в клетках, способствует его диссоциации с образованием катионов NH4+.
Константа диссоциации аммиака равна:
Это значит, что 0,1 молярный водный раствор аммиака диссоциирует при комнатной температуре только на 1 % (в то время как раствор NaOH такой же концентрации диссоциирует практически полностью).
Межмолекулярные, как и внутримолекулярные связи водородных мостиков, можно разрушить с помощью избыточных катионов (в данном случае NH4+), Если 1 мг соломы содержит примерно 0,4 мг целлюлозы, то это будет соответствовать 1,5*10в18 молекулам глюкозы. Под притоком NH3 один катион NH4 может разрушить пятьсот связей водородных мостиков. Нейтрализованные NH1+ сдвигают равновесие реакции (1) в сторону диссоциации NH3 и образования новых катионов.
