International Journal of Agriculture and Environmental Research



Yüklə 0,84 Mb.
Pdf görüntüsü
tarix04.07.2018
ölçüsü0,84 Mb.
#53238


International Journal of Agriculture and Environmental Research

 

ISSN: 2455-6939

 

Volume:03, Issue:04 "July-August 2017"



 

 

www.ijaer.in                                 



Copyright © IJAER 2017, All right reserved

 

Page 3429 



 

CATALYTIC PROCESSING OF PLANT WASTE RESULTS  

IN PULP AND LIQUID PRODUCTS CAPABLE OF REGULATING  

THE GROWTH OF PLANTS 

 

Irina F. Rusina*, Zoya S. Kartasheva, Leonid M. Pisarenko, Olga T. Kasaikina., Ludmila M. 



Apasheva, Natalia A. Rubtsova, Anton V. Lobanov. 

 

N.N. Semenov Institute of Chemical Physics RAS, Kosygin str., 4, 119991 Moscow, Russia 



*Corresponding author 

 

ABSTRACT 

We  previously  developed  a  simple  biomimetic  model  of  the  enzyme  complex  for  the  catalytic 

decomposition  of  organic  plant  waste.  The  catalyst  is  based  on  iron  (III)  oxides,  obtained  by 

hydrolysis of Fe (III) salts in water in the presence of a surfactant. It decomposes H2O2 actively 

and  catalyzes  the  oxidative  destruction  of  lignobiomass  under  atmospheric  pressure  in  water 

media at mild temperature (60-70° C). The oxidative destruction of biomass results in dissolved 

in liquid phase low molecular oxidation products derived from lignin, hemicellulose, lipoproteins 

and sugars and the solid residue which represent mainly cellulose. The influence of liquid phase 

products  (LPP) on  the  growth  and  development  of  plants  was  studied  оn  the  following  crops: 

sorghum  (Sorghum  сaffrorum  Beauv.,  Jakuschev), oat  (Avéna  sativa  L),  wheat  Inna  (Tríticum 

aestivum  L),  pea  (Pisum  sativum  L)  and  potatoes  (Solánum  tuberósum  L).  The  treatment  of 

agriculture  plants  by  the  liquid  fraction  of  the  products  of  catalytic  oxidation  of  lignobiomass 

was  found to  have a positive effect on the development of plants and can  be used as a growth-

stimulating factor in crop production. 

Keywords: catalytic oxidation, lignobiomass, iron(III) oxides, plant growth stimulation 

1. INTRODUCTION 

Recycling  of  organic  wastes  and  biomasses  is  a  significant  scientific  and  technical  problem 

(Kuznetsov and Gradova, 2006; Michel, 2012). Currently, direct combustion is used, but, at the 

same  time,  technologies  of  thermochemical  processing  of  biomasses,  such  as  gasification  and 

pyrolysis  are  being  developed.  In  recent  decades  considerable  attention  has  been  paid  to  the 



International Journal of Agriculture and Environmental Research

 

ISSN: 2455-6939

 

Volume:03, Issue:04 "July-August 2017"



 

 

www.ijaer.in                                 



Copyright © IJAER 2017, All right reserved

 

Page 3430 



 

chemical  processing  of  biomasses  to  biofuels.  This  trend  is  developing,  despite  the  reasonable 

objection  that  the  production  of  biofuels  from  biomasses  is  fundamentally  uneconomic.  It 

requires  a  lot  of  energy  and  increases,  in  the  end,  the  production  of  CO2;  therefore,  it  is 

preferable  to  recycle  the  biomass  by  direct  combustion  or  processing  in  the  chemical  and 

pharmaceutical production of commercial products, (Michel, 2012).  

In  nature,  lignin-containing  biomass  is  processed  by  microorganisms,  for  their  development, 

reproduction and functioning water, containing metal ions is necessary (Kirk, 1984; Boerjan and 

Ralph, 2003). 

We  have  developed  a  simple  biomimetic  model  of  the  enzyme  complex  for  the  catalytic 

oxidative  decomposition  of  organic  plant  waste  with  the  use  of  H

2

O



2

  and/or  oxygen  as  the 

oxidant.  The  catalyst  is  a  fine  dispersion  of  iron  (III)  oxide  and  hydroxide  with  inclusions  of 

silicon and carbon (Kasaikina et al., 2012; Kasaikina et al., 2013; .Kasaikina et al., 2014; Lesin 

et  al.,  2011;  Pisarenko  et,  al.,  2014).  The  catalyst,  adsorbed  on  the  waste  surface,  actively 

decomposes H

2

O

2



 into free radicals and destroys the solid waste via catalytic oxidation. 

 

2. MATERIALS AND METHODS 

The catalyst was prepared by  hydrolysis of  iron (III) chloride  in water (Kasaikina et  al., 2014). 

The  processing  of  wood  shavings  and  other  plant  materials  was  carried  out  in  a  stainless  steel 

reaction vessel filled with 3 liters of a water solution containing 

1M H



2

O

2



. During the reaction, 

samples  were  taken,  in  which  the  concentrations  of  H

2

O

2



  and  acids  were  determined  by  the 

iodometric  method  and  titration  with  alcoholic  KOH  solution  accordingly.  The  escape  of  ions 

Fe(III) and Fe(II) to the volume of aqueous phase was controlled by specific qualitative reactions 

with  potassium  thiocyanates,  red  and  yellow  blood  salts  respectively.  The  IR  spectra  of  the 

reaction  products  were  recorded  on  a  Perkin-Elmer  FTIR-1725  spectrometer,  equipped  with  a 

special attachment for the recording of spectra of diffuse reflection. 



3. RESULTS AND DISCUSSION 

3.1. Catalytic process and products description 

Using  H


2

O

2



  as  the  oxidizing  agent,  catalyst,  located  on  the  surface  of  the  biomass,  sharply 

increases  the  rate  of  generation  of  radicals  which  react  with  macromolecules  of  biomass  and 

initiate their degradation. The ability of hydrogen peroxide to form oxo- and peroxo-complexes 

with iron and copper, and to hydroxylate organic compounds is well known (Carvalho and Horn, 

2006;  Elizarova  et  al.,  2000;  Kozlov  et  al.,  2003).  Catalytic  oxidation  of  biomacromolecules 

facilitates their biodegradation. 




International Journal of Agriculture and Environmental Research

 

ISSN: 2455-6939

 

Volume:03, Issue:04 "July-August 2017"



 

 

www.ijaer.in                                 



Copyright © IJAER 2017, All right reserved

 

Page 3431 



 

As a result of the oxidative degradation of wooden biomass, first of all, lignin and hemicellulose 

are  oxidized  and  washed  away  from  the  surface.  During  this  process  cellulose  also  partially 

oxidizes,  supplying  the  solution  with  polyols,  hydroxy  acids,  oligosaccharides,  and  esters 

(Harmsen et al., 2010; Pisarenko et al., 2014; Zhao et al., 2012). 

After all H

2

O



had been consumed, the solid residue was separated from the aqueous solution by 

filtration and then centrifugation, followed by drying in flowing air. For qualitied (by FTIR) and 

quantitative  analysis  of  content,  water-soluble  non-volatile  products  of  oxidative  degradation 

were isolated from the aliquot of liquid phase by evaporation in a current of warm air. 

The catalytic process of thermo-oxidative treatment of  biomasses  leads to the formation of  low 

molecular  oxidation  products  of  hemicellulose,  lignin,  and  lipoproteins.  The  solid  residue 

contains mainly cellulose and its derivatives. The yield of solid residue depends on the nature of 

the  biomasses  (see  Table  1),  the  ratio  biomass:  H

2

O

2



:  catalyst  and  the  processing  time.  In  the 

presence of adequate concentrations of hydrogen peroxide, pure cellulose with a qualification E-

460 is produced via the processing of fir and pine wood shavings that is suitable for the food and 

pharmaceutical industries. Water phase contains low molecular oxidation products. 

 

Fig.1. IR spectra of products of processing of pine shavings: upper blue graph - the solid 

product: red lower graph - water-soluble product obtained after evaporation of the water. 

The results of catalytic processing of  vegetable raw  materials of a  different nature are given  in 

Table 1. 

 



International Journal of Agriculture and Environmental Research

 

ISSN: 2455-6939

 

Volume:03, Issue:04 "July-August 2017"



 

 

www.ijaer.in                                 



Copyright © IJAER 2017, All right reserved

 

Page 3432 



 

Table 1. The influence of biomass nature on the yield of main products 

Biomass 


Cellulose(%)* 

Water-soluble products (%)* 

Acid, mmol/g** 

Pine sawdust 

42 

32 


18 

Eucalyptus chips  

24 

22 


19 

Oat straw  

20 

17 


Rice straw  

29 

31 


46 

Waste of flax treatment 

20 

21 


21 

*In the ratio to amount of the initial biomass; ** the ratio of total acid content  in water phase (mmol) to the 

amount of biomass (g)  

 

At the end of processing, water phase contains various acids pH



2-2.5.  We have found that after 

neutralization  to  a  pH  5-6,  products of  wooden  biomass  (solid  and  water-soluble  products)  can 

be applied as a useful nutritional additive to soils and stimulant for plant growth. In experiments 

on plants, liquid phase products (LPP) were used, neutralized to a pH 6 by treatment with sodium 

or potassium bicarbonate. 



3.2 The effect of catalytic processing products on the growth and development of plants 

The effect of catalytic processing products on the growth and development of plants was studied 

on  the  following  crops:  sorghum  Pischevoe-614  (Sorghum  сaffrorum  Beauv.,  Jakuschev),  oat 

Kormovoy (Avéna sativa L), wheat Inna(Tríticum aestivum L), pea Sakharny (Pisum sativum L) 

and potatoes Udacha (Solánum tuberósum L).  

3.2.1 Oats and sorghum 

Table 2 shows the results of the influence of the liquid fraction of processed products of wooden 

biomass on the growth of green masses in cultures of oats and sorghum. Seeds of sorghum and 

oats were soaked in water (control) and in an aqueous solution of the liquid fraction at a dilution 

of (1:10) before seedlings emerged. Sprouted seeds were sown in an environment of “Agronom”, 

a peat soil used for the cultivation of seedlings, with  pH 5,0 – 6,5. In the control, there was peat 

soil  moistened with water, but  in the experiment, the soil was  moistened with a solution of the 

liquid  fraction diluted with water at a ratio of (1:10). On the 22-nd day of cultivation all green 

mass was weighed, and after was dried in a current of warm air until there was a constant weight.  



International Journal of Agriculture and Environmental Research

 

ISSN: 2455-6939

 

Volume:03, Issue:04 "July-August 2017"



 

 

www.ijaer.in                                 



Copyright © IJAER 2017, All right reserved

 

Page 3433 



 

Table 2. The influence of the liquid fraction of catalytic oxidation products of wooden 

biomass on the growth of green masses of cereals. 

Cereals 


Green weight 

control, g 

Green mass 

of experience, 

Gain (relative 



to control), % 

Dry mass, 

control, g 

Dry mass, 

experiment, g 

Gain (relative 

to control), % 

Oats 


9,83 

14,8 


151 

0,92 


1,45 

157 


Sorghum 

6,22 


7,96 

128 


0,74 

0,98 


132 

 

The  Table  2.  shows,  that  the  growth  of  both  green  and  dried  mass  of  plant  stems  treated  with 

10% LPP water solution is 157% for oat and 132% for sorghum. 

3.2.2 Potatoes tubers and etiolated tuberous cuttings 

For  the  experiment,  potato  tubers  Udacha  of  a  specific  size  were  selected:  3  to  4  cm  in  mах. 

dimension, which were then planted in the cultivation medium.  The control tubers were planted 

in sand moistened with water, while the experiment tubers were planted in sand moistened with 

LPP water solution. The tubers were then placed in a dark chamber with the temperature of 10  – 

12° C. In 45 days the sprouted tubers were counted. 

Each  experiment  involved  the  planting  of  20  tubers.  The  tubers  were  counted  if  their  sprouts 

were at least 1 mm. long. The results are shown in Table 3. 



Table 3. The effect of LPP on the sprouting of potato tubers 

Variant of the experiment  

 

Number of sprouted tubers, (%) 



Control tubers (moistened with water) 

15 


Experiment tubers (moistened with LPP 1:0)  

None 


Experiment tubers (moistened with 1:1 LPP: water solution) 

10 


Experiment tubers (moistened with 1:10 LPP water solution) 

90 


 

Table 3 shows that the treatment with 10% LPP water solution leads to a six-fold increase in the 

number  of  sprouted  potato  tubers  as  against  control  tubers.  The  use  of  more  concentrated 

solutions (1:1) and (1:0) has led to a dramatic inhibition of potato sprouting. 

 

 



International Journal of Agriculture and Environmental Research

 

ISSN: 2455-6939

 

Volume:03, Issue:04 "July-August 2017"



 

 

www.ijaer.in                                 



Copyright © IJAER 2017, All right reserved

 

Page 3434 



 

In order to produce etiolated tuberous cuttings, the tubers of potatoes  Udacha  were placed  in  a 

dark  chamber  until  the  sprouts  were  6  to  8  cm  long  and  0.5  cm  in  diameter.  Then  they  were 

separated from tubers and, by 30 pieces each, were placed in cultivation media. Control sprouts 

were  planted  in  vessels  filled  with  water,  while  the  experiment  sprouts  were  placed  in  vessels 

filled with LPP solutions. The vessels were placed in a luminostat with a light-darkness mode set 

to 12:12 hours. In 15 days, the cuttings that had formed a developed root system were counted. 

The results are presented in Table 4. 



Table 4. The effect of LPP on the formation of root system of etiolated tuberous cuttings 

Variant of the experiment 

Number of etiolated cuttings that formed roots, % 

Control tubers (planted in water) 

 

20 


Experiment tubers (planted in undiluted LPP) 

 



Experiment tubers (planted in 1:10 LPP water solution) 

80 


 

Table  4  shows  that  the  placement  of  tubers  into  10%  LPP  water  solution  leads  to  a  four-fold 

increase  in  the  number  of  etiolated  cuttings  that  have  formed  root  system,  as  against  control 

cuttings. The cultivation tubers in the undiluted LPP medium resulted in a sharp inhibition of the 

root formation (five-fold decrease as against control sprouts). 

3.2.3 Wheat and pea 

Germination of Inna wheat seeds and Sakharny pea has been studied as follows. The wheat and 

pea seeds were placed in a growing medium. Control seeds were planted in sand moistened with 

water, while experiment seeds were planted in sand  moistened with original undiluted LPP and 

(1:10) LPP water solution. The results are shown in Table 5. 

Table 5. The effect of treatment with undiluted LPP and (1:10) LPP solution on the 

germination of wheat and pea seeds. 

Variant of the experiment 

Number of sprouted wheat 

seeds, (%) 

Number of sprouted pea seeds, 

(%) 


Control seeds (planted in sand 

moistened with water) 

 

40 


 

25 


Experiment seeds (planted in 

sand moistened with (1:10) 

LPP solution) 

 

70 



 

45 


Experiment seeds (planted in 

sand moistened with undiluted 

LPP) 

 

20 



 

10 


 


International Journal of Agriculture and Environmental Research

 

ISSN: 2455-6939

 

Volume:03, Issue:04 "July-August 2017"



 

 

www.ijaer.in                                 



Copyright © IJAER 2017, All right reserved

 

Page 3435 



 

Table 5 shows that the treatment with 10% LPP solution leads to a 1.75 increase in the number 

of wheat germs and 1.8 increase in the number of pea seedlings, as against control seeds. The use 

of  original  LPP  without  dilution  has  led  to  a  sharp  inhibition  of  seed  germination  in  both 

examined cultures. 

4. CONCLUSIONS 

Thus, the data obtained show that neutralized to pH 6 liquid water-soluble products resulted from 

catalytic  oxidative  processing  of  plant  biomass  can  be  used  in  agriculture  for  a  growth 

stimulation. 

It is known, growth stimulation or inhibition properties of most growth regulators are determined 

by  the  concentrations  used.  In  our  experiments,  the  maximum  stimulation  effect  on  the 

germination and subsequent development of plants was obtained in diluted solutions using 1:10 

and 1:20 solutions of LPP diluted with tap water. The use of more concentrated LPP solutions — 

1:5 and 1:1 — has led to inhibition of both seed germination and further development of plants. 

This latter effect also appears important, as long as more concentrated LPP solutions can be used 

for  the  treatment  of  vegetable  crops  and  plant  intended  for  long-term  storage.  It  is  well 

understood for potato tuber treatment: the acceleration of potato tuber germination occurs at low 

doses (10%) LPP, and inhibition of germination at higher LPP concentrations (>50%), which is 

useful for a long storage of potatoes. 

Thus, the application of catalytic oxidative treatment of waste biomass facilitates the solution of 

two problems: the utilization of agricultural wastes and the improvement of the agricultural, and 

greenhouse soils by returning to the soil the chemicals needed by the plants. 

REFERENCES  

Boerjan, W., Ralph, J. and Baucher, M. (2003), “Lignin  biosynthesis”,  Annual Review of  plant 



Biology, 54, pp.519-546. 

Carvalho,  N.M.F.,  Horn,  A.  Jr.  and  Antunes,  O.A.C.  (2006),“Cyclohexane  oxidation  catalyzed 

by mononuclear iron (III) complexes.” Applied Catalysis A, V. 305, № 2, pp. 140-145. 

Elizarova, G.L., Matvienko, L.G. and Parmon, V.N. (2000), “Iron Hydroxides. New Catalysts for 

Oxidation Reactions  in Aqueous Solutions”.  Kinetics and Catalysis, V. 41, N. 6, pp.760-

766.  



International Journal of Agriculture and Environmental Research

 

ISSN: 2455-6939

 

Volume:03, Issue:04 "July-August 2017"



 

 

www.ijaer.in                                 



Copyright © IJAER 2017, All right reserved

 

Page 3436 



 

Harmsen, P.F.H., Huijgen, W.J., Bermudez, L.M. and Bakker, X R.S. (2010),  Literature review 



of physical and chemical pretreatment processes for lignocellulosic biomass. Wageningen 

UR Food & Biobased Research. 

Michel,  H.  (2012),  “Editorial:  The  Nonsense  of  Biofuels”,  Angewandte  Chemie  International 

Edition, 51(11), pp.2516-2518. 

Kasaikina,  O.T.,  Lesin,  V.I.  and  Pisarenko,  L.M.  (2014),  “Colloidal  Catalysts  on  the  base  of 

iron(III)  Oxides  for  Oxidative  Treatment of  Biomass”.  Catalysis  for  Sustainable  Energy, 

V. 1, pp. 21-27. 

Kasaikina, O.T., Pisarenko, L.M. and Lesin, V.I. (2012), “Colloid catalysts  based on  iron (III) 

oxides. 1. Decomposition of hydrogen peroxide”, Colloid Journal, V. 74(1), pp. 85-90.  

Kasaikina, O.T., Pisarenko, L.M. and Zinoviev, I.V. (2013), In Patent RF 2488445. 

Kirk, K. T. (1984) In “Microbial degradation of organic compounds”, ed. Gibson, D. T. Marcel 

Dekker, Inc. New York, 13, pp.399-438. 

Kozlov,  Yu.N.,  Gonzalez-Cuervo,  L.,  Süss-Fink,  G.  and  Shul’pin,  G.B.  (2003),  “The  kinetics 

and  mechanism  of  cyclohexane  oxygenation  by  hydrogen  peroxide  catalyzed  by  a 

binuclear iron complex”, Russian Journal of Physical Chemistry A, V. 77, N. 4, pp. 575–

579. 

Kuznetsov,  A.  E.  and  Gradova,  N.  B.  (2006),  Scientific  foundations  of  environmental 



biotechnology, Mir, Moscow. 

Lesin,V.I., Pisarenko, L. M. and Kasaikina, O.T. (2011), In Patent RF 2425715. 

Pisarenko, L.M., Kasaikina, O.T. and Lesin, V.I. (2014), “Oxidative treatment of biomass using 

catalysts based on iron (III) oxides”. Russian Chemical Bulletin, V. 63(3), pp. 688-692.  

Zhao, X., Zhang, L. and Liu, D. (2012), “Effect of several factors on peracetic acid pretreatment 

of sugarcane bagasse for enzymatic hydrolysis. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. V. 



6, N 4, pp.465-482. 

Yüklə 0,84 Mb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə