Chemical composition of fiber and shive in bast-fiber crops and the products of their alkaline delignification

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The present article examines the chemical composition of fiber and shive from fiber flax and hemp obtained in Russia under industrial conditions, as well as that of the products of their alkaline delignification. Alkaline delignification was carried out at atmospheric pressure with a 4% sodium hydroxide solution; the chemical composition was determined via wet analysis. The chemical composition of hemp shive from Russian producers was studied for the first time. In the studied objects, the mass fraction of cellulose was found to range from 42.3 to 66.1%, and after alkaline delignification, the yield of products reached 47.0–50.0%. The behavior of fiber flax and hemp fiber is similar during alkaline delignification: cellulose content increases by 1.2–1.3 times, pentosan content decreases by 4.3–6.3 times, and lignin content is virtually the same. The behavior of fiber flax and hemp shive is dramatically different during alkaline delignification. The shive of fiber flax is resistant to alkaline delignification: cellulose content increases by 1.4 times, pentosan content decreases by 4.2 times, and lignin content increases by 1.4 times, which is due to the nature of lignin. Hemp shive is easily alkaline delignified: cellulose content increases by 1.8 times; the content of pentosans decreases by 5.8 times, and lignin content decreases by 2.2 times; the product of alkaline delignification contains cellulose (87.3%), pentosans (5.4%), and lignin (8.2%). The use of hemp shive for chemical and biotechnological transformation is expected to have high prospects.

About the authors

A. A. Korchagina

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS

Email: yakusheva89_21.ru@mail.ru

E. K. Gladysheva

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS

Email: gladysheva@yandex.ru

V. V. Budaeva

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS

Email: budaeva@ipcet.ru

E. A. Skiba

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS

Email: eas08988@mail.ru

References

  1. Ma H., Guna V., Raju T., Murthy A.N., Reddy N. Converting flax processing waste into value added biocomposites // Industrial Crops and Products. 2023. Vol. 195. P. 116434. doi: 10.1016/j.indcrop.2023.116434.
  2. Yano H., Fu W. Hemp: a sustainable plant with high industrial value in food processing // Foods. 2023. Vol. 12, no. 3. P. 651. doi: 10.3390/foods12030651.
  3. Wawro A., Batog J., Gieparda W. Chemical and enzymatic treatment of hemp biomass for bioethanol production // Applied Sciences. 2019. Vol. 9, no. 24. P. 5348. doi: 10.3390/app9245348.
  4. Wawro A., Batog J., Gieparda W. Polish varieties of industrial hemp and their utilisation in the efficient production of lignocellulosic ethanol // Molecules. 2021. Vol. 26, no. 21. P. 6467. doi: 10.3390/molecules26216467.
  5. Макаров И.С., Голова Л.К., Виноградов М.И., Егоров Ю.А., Куличихин В.Г., Михайлов Ю.М. Новое гидратцеллюлозное волокно из льняной целлюлозы // Российский химический журнал. 2020. Т. 64. N 1. С. 13–21. doi: 10.6060/rcj.2020641.2. EDN: RDRPRG.
  6. Дымникова Н.С., Ерохина Е.В., Морыганов А.П. Лубяные волокна – новые возможности для «зеленой» нанотехнологии // Российский химический журнал. 2020. Т. 64. N 1. С. 22–31. doi: 10.6060/rcj.2020641.3. EDN: ZEWAPE.
  7. Kozłowski R.M., Mackiewicz-Talarczyk M., Wielgusz K., Praczyk M., Allam A.M. Bast fibres: flax // Handbook of natural fibres. Vol. 1: Types, properties and factors affecting breeding and cultivation. Woodhead Publishing, 2020. Р. 93–162. doi: 10.1016/B978-0-12-818398-4.00006-2.
  8. Yan L., Chouw N., Jayaraman K. Flax fibre and its composites – a review // Composites Part B: Engineering. 2014. Vol. 56. P. 296–317. doi: 10.1016/j.compositesb.2013.08.014.
  9. Khan S.H., Rahman M.Z., Haque M.R., Hoque M.E. Characterization and comparative evaluation of structural, chemical, thermal, mechanical, and morphological properties of plant fibers // Annual Plant: Sources of Fibres, Nanocellulose and Cellulosic Derivatives. Singapore: Springer, 2023. P. 1–45. doi: 10.1007/978-981-99-2473-8_1.
  10. Ji A., Jia L., Kumar D., Yoo C.G. Recent advancements in biological conversion of industrial hemp for biofuel and value-added products // Fermentation. 2021. Vol. 7, no. 1. P. 6. doi: 10.3390/fermentation7010006.
  11. Каретникова Н.В., Чендылова Л.В., Пен Р.З. Делигнификация льняной костры // Химия растительного сырья. 2018. N 1. С. 155–162. doi: 10.14258/jcprm.2018012757. EDN: YRVTOE.
  12. Shaimerdenov Zh.N., Temirova I.Zh., Aldieva A.B., Iztayev A. Use of oilseed flax waste for production of technical cellulose // ылым ж не білім. 2020. No. 1-2 (58). P. 12–16.
  13. Azhar S.W., Xu F., Qiu Y. Evaluation and characterization of cellulose nanofibers from flaxseed fiber bundles // AATCC Journal of Research. 2021. Vol. 8, no. 4. P. 8–14. doi: 10.14504/ajr.8.4.2
  14. Lialina N., Yudicheva O., Samoilenko A., Berezovskyi Yu., Moroz O., Bondar-Pidhurska O., et al. Evaluation of the quality of cellulose semi-finished products from technical hemp and the possibility of their further use // Fibres and Textiles. 2023. Vol. 30, no. 3. P. 48–54. doi: 10.15240/tul/008/2023-3-006.
  15. Малюшевская А.П., Малюшевский П.П., Ющишина А.Н. Получение целлюлозы из льняного волокна с использованием электроразрядной объемной кавитации // Электронная обработка материалов. 2020. Т. 56. N 2. С. 49–54. doi: 10.5281/zenodo.3747835.
  16. Валишина З.Т., Александров А.А., Хасанова К.В., Момзякова К.С., Дебердеев Т.Р., Дебердеев Р.Я. Оптимизация фазы делигнификации конопляного волокна // Вестник технологического университета. 2023. Т. 26. N 8. С. 47–51. doi: 10.55421/1998-7072_2023_26_8_47. EDN: DNBWKW.
  17. Pen R.Z., Shapiro I.L. Microcrystalline peracetic cellulose from hemp // Practice Oriented Science: UAE – RUSSIA – INDIA: Materials of International University Scientific Forum (United Arab Emirates, 24 February 2023). United Arab Emirates, 2023. P. 61–66. doi: 10.1016/j.indcrop.2022.115582.
  18. Aguado R., Tarrés Q., Mutjé P., Pèlach M.À., Delgado-Aguilar M. Non-covalently cationized nanocellulose from hemp: kinetics, key properties, and paper strengthening // Industrial Crops and Products. 2022. Vol. 188. Part A. P. 115582. doi: 10.1016/j.indcrop.2022.115582.
  19. Ye D., Farriol X. Preparation and characterization of methylcelluloses from some annual plant pulps // Industrial Crops and Products. 2007. Vol. 26, no. 1. P. 54–62. doi: 10.1016/j.indcrop.2007.01.004.
  20. Аксенчик К.В. Получение натрий-карбоксиметилцеллюлозы из льняной целлюлозы твердофазным способом в лабораторных условиях // Ползуновский вестник. 2018. N 2. С. 91–95. doi: 10.25712/ASTU.20728921.2018.02.017. EDN: VADOBE.
  21. Городнев И.О., Иванова И.П., Ибрагимов Н.Г., Голубев А.Е. Изучение кинетики пластификации и надмолекулярной структуры нитратов целлюлозы, полученных из различного целлюлозосодержащего сырья // Российский химический журнал. 2017. Т. 61. N 4. С. 14–34. EDN: VNQLFS.
  22. Rizkiah R., Kencanawati K., Rosidin A., Wibowo L. Sintesis nitroselulosa dari serat rami (Boechmerianivea) menggunakan trietilamin // Jurnal Sains dan Teknik. 2021. Vol. 3, no. 1. P. 21–26. doi: 10.37577/sainteks.v3i1.231.
  23. Lawson L., Degenstein L.M., Bates B., Chute W., King D., Dolez P.I. Cellulose textiles from hemp biomass: opportunities and challenges // Sustainability. 2022. Vol. 14, no. 22. P. 15337. doi: 10.3390/su142215337.
  24. Mostafa N.A., Farag A.A., Abo-dief H.M., Tayeb A.M. Production of biodegradable plastic from agricultural wastes // Arabian Journal of Chemistry. 2018. Vol. 11, no. 4. P. 546–553. doi: 10.1016/j.arabjc.2015.04.008.
  25. Plazonić I., Džimbeg-Malčić V., Bates I., Barbarić-Mikočević Ž. Effects of photo-oxidation on the properties of hemp office papers // International Journal of Technology. 2020. Vol. 11, no. 2. P. 215–224. doi: 10.14716/ijtech.v11i2.3196.
  26. Akl M.A., El-Zeny A.S., Hashem M.A., El-Gharkawy E.-S.R.H., Mostafa A.G. Flax fiber based semicarbazide biosorbent for removal of Cr(VI) and Alizarin Red S dye from wastewater // Scientific Reports. 2023. Vol. 13. P. 8267. doi: 10.1038/s41598-023-34523-y.
  27. Golshenas P. The usage of flax as biodiesel and biomass // The Canadian Science Fair Journal. 2023. Vol. 5, no. 1. Available from: https://csfjournal.com/volume5-issue-4-1/2023/1/12/the-usage-of-flax-as-biodieseland-biomass (accessed: 20.09.2023).
  28. Batog J., Wawro A., Gieparda W., Bujnowicz K., Foksowicz-Flaczyk J., Rojewski S., et al. Effective use of flax biomass in biorefining processes // Applied Sciences. 2023. Vol. 13, no. 13. P. 7359. doi: 10.3390/app13137359.
  29. Asquer C., Melis E., Scano E.A., Carboni G. Opportunities for green energy through emerging crops: biogas valorization of Cannabis sativa L. residues // Climate. 2019. Vol. 7, no. 12. P. 142. doi: 10.3390/cli7120142.
  30. Bochek A.M., Shevchuk I.L., Lavrent’ev V.N. Fabrication of microcrystalline and powdered cellulose from short flax fiber and flax straw // Russian Journal of Applied Chemistry. 2003. Vol. 76. P. 1679–1682. doi: 10.1023/B:RJAC.0000015737.07117.12.
  31. Пучков Е.М., Галкин А.В., Ущаповский И.В. Технология производства сорбентов из костры масличного льна // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2019. Т. 20. N 5. С. 517–525. doi: 10.30766/20729081.2019.20.5.517-525. EDN: HXBOZL.
  32. Badretdinova I., Kasatkina N., Khrameshin A., Spiridonov A., Litvinyuk A. Universal eco-friendly biodegradable packaging for storage and transportation of food and industrial goods based on shives of bast plants // E3S Web of Conferences. 2023. Vol. 380. P. 01014. doi: 10.1051/e3sconf/202338001014.
  33. Скворцова Н.К., Матыс Е.Г., Филимонова Л.А., Валиуллина Е.Р. Поиск способов решения проблем переработки отходов: биоразлагаемые материалы из конопли // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Экономика и право. 2021. N 11. С. 90–99. doi: 10.37882/2223-2974.2021.11.31. EDN: MVLHQO.
  34. Жарких О.А. О перспективах глубокой переработки коноплепродукции // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства. 2021. N 23. С. 184–187. EDN: RDKSUU.
  35. Исламутов Д.Р., Бикбаева Г.Г. Состояние и перспективы развития коноплеводства // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2020. N 4. С. 36–40. doi: 10.31563/1684-7628-202056-4-36-40. EDN: UQQQBA.
  36. Белопухов С.Л., Хамидреза Б., Байбеков Р.Ф. Влияние гуминово-фульватного комплекса на рост, развитие и качество продукции базилика (Ocimum basilicum L.) // Молочнохозяйственный вестник. 2020. N 2. С. 31–40. EDN: CSNTST.
  37. Белопухов С.Л., Барыкина Ю.А., Федяев В.В., Жарких О.А., Дмитревская И.И. Мелиоранты из отходов льняного комплекса // Природообустройство. 2019. N 2. С. 28–34. doi: 10.34677/1997-6011/2019-2-28-34. EDN: VNGCFN.
  38. Kim J.S., Lee Y.Y., Kim T.H. A review on alkaline pretreatment technology for bioconversion of lignocellulosic biomass // Bioresource Technology. 2016. Vol. 199. Р. 42–48. doi: 10.1016/j.biortech.2015.08.085.
  39. Karimi K., Taherzadeh M.J. A critical review of analytical methods in pretreatment of lignocelluloses: composition, imaging, and crystallinity // Bioresource Technology. 2016. Vol. 200. P. 1008–1018. doi: 10.1016/j.biortech.2015.11.022.
  40. Shavyrkina N.A., Budaeva V.V., Skiba E.A., Gismatulina Y.A., Sakovich G.V. Review of current prospects for using miscanthus-based polymers // Polymers. 2023. Vol. 15, no. 14. P. 3097. doi: 10.3390/polym15143097.
  41. Ovchinnikovа E.V., Mironova G.F., Banzaraktsaeva S.P., Skiba E.A., Budaeva V.V., Kovgan M.A., et al. Bioprocessing of oat hulls to ethylene: Impact of dilute HNO3- or NaOH-pretreatment on process efficiency and sustainability // ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2021. Vol. 9, no. 49. Р. 16588–16596. doi: 10.1021/acssuschemeng.1c05112.
  42. Skiba E.A., Gladysheva E.K., Golubev D.S., Budaeva V.V., Aleshina L.A., Sakovich G.V., Self-standardization of quality of bacterial cellulose produced by Medusomyces gisevii in nutrient media derived from Miscanthus biomass // Carbohydrate Polymers. 2021. Vol. 252. P. 117178. doi: 10.1016/j.carbpol.2020.117178.
  43. Kashcheyeva E.I., Gismatulina Y.A., Budaeva V.V. Pretreatments of non-woody cellulosic feedstocks for bacterial cellulose synthesis // Polymers. 2019. Vol. 11, no. 10. P. 1645. doi: 10.3390/polym11101645.
  44. Liu M., Thygesen A., Summerscales J., Meyer A.S. Targeted pre-treatment of hemp bast fibres for optimal performance in biocomposite materials: a review // Industrial Crops and Products. 2017. Vol. 108. P. 660–683. doi: 10.1016/j.indcrop.2017.07.027.
  45. Shadhin M., Rahman M., Jayaraman R., Chen Y., Mann D., Zhong W. Natural biomass & waste biomass fibers – structures, environmental footprints, sustainability, degumming methods, & surface modifications // Industrial Crops and Products. 2023. Vol. 204. Part A. P. 117252. doi: 10.1016/j.indcrop.2023.117252.
  46. Tarabanko V.E., Vigul D.O., Kaygorodov K.L., Kosivtsov Yu., Tarabanko N., Chelbina Yu.V. Influence of mass transfer and acid prehydrolysis on the process of flax shives catalytic oxidation into vanillin and pulp // Biomass Conversion and Biorefinery. 2022. doi: 10.1007/s13399-022-02366-8.
  47. Baksi S., Saha D., Saha S., Sarkar U., Basu D., Kuniyal J.C. Pre-treatment of lignocellulosic biomass: review of various physico-chemical and biological methods influencing the extent of biomass depolymerization // International Journal of Environmental Science and Technology. 2023. Vol. 20. P. 13895–13922. doi: 10.1007/s13762-023-04838-4.
  48. Богданова О.Ф., Домбровська О.П., Бабіч С.С., Домбровський А.Г. Визначення можливості одержання волокнистих напівфабрикатів з ненаркотичних конопель // Вiсник Херсонського нацiонального технiчного унiверситету. 2018. N 1. С. 67–74.
  49. Шавыркина Н.А., Скиба E.А. Получение молочной кислоты из шелухи овса // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2021. Т. 11. N 1. С. 99–106. doi: 10.21285/2227-2925-2021-11-1-99-106. EDN: NRZZIE.
  50. Скиба Е.А. Биосинтез кормовых дрожжей на средах, полученных из плодовых оболочек овса // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6. N 3. С. 140–142. doi: 10.21285/2227-29252016-6-3-140-142. EDN: WZQKFV.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».