Российские ученые получили 2 важных полимера из гигантского мискантуса. Ученые из Института проблем химико-энергетических технологий СО РАН (Бийск) разработали технологию для получения из мискантуса гигантского, которого еще называют «слоновой травой», два типа полимеров — нитраты целлюлозы и бактериальную целлюлозу, используя растворы кислоты и чайный гриб. Поскольку это растение является популярной технической культурой, российская технология может стать базой по созданию биозавода по переработке мискантуса с замкнутым циклом реактивов, воды, энергии, воздуха.
Целлюлоза - это полимер, составляющий клеточные стенки всех растений и обеспечивающий их прочность. Производные этого вещества широко используются человеком, например, нитраты целлюлозы, получаемые при обработке целлюлозы смесью азотной и серной кислот, применяются для производства биосенсоров, мягких роботов, биофильтров.
В дополнение к растительной целлюлозе существует бактериальная целлюлоза, производимая некоторыми видами микроорганизмов в наноразмерном виде. Благодаря совместимости с тканями человека, бактериальную целлюлозу используют в медицине для заживления ран и восстановления повреждений кровеносных сосудов. Кроме того, ее применяют для реставрации бумаги, производства суперконденсаторов и гибкой электроники. Поэтому развитие технологий производства нитратов целлюлозы и бактериальной целлюлозы в России является актуальной задачей.
Ученые из Института проблем химико-энергетических технологий СО РАН (Бийск) выяснили, что можно одновременно производить нитраты целлюлозы и бактериальную целлюлозу из доступного и дешевого сырья - травянистого растения мискантуса гигантского (Miscanthus giganteus). Этот гибрид мискантуса является искусственно выведенным и его родиной является Восточная Азия. В России выращивают собственные сорта мискантуса специально для получения целлюлозы. Растение характеризуется стойкостью к болезням, долговечностью и высоким содержанием целлюлозы (44-50%).
Мискантус. Автор: Екатерина Кащеева.
Для получения растительной целлюлозы исследователи обработали измельченный до частиц миллиметрового размера мискантус растворами азотной кислоты и щелочи. Затем провели обработку целлюлозы ферментами в течение двух, восьми и 24 часов, после чего извлекли твердые образцы целлюлозы и жидкую глюкозосодержащую среду. Далее все образцы целлюлозы подверглись обработке смесью серной и азотной кислот, что привело к получению нитратов целлюлозы.
Исследования показали, что увеличение времени воздействия ферментов на целлюлозу от двух до 24 часов увеличивает синтез нитратов целлюлозы с 116% до 132% от изначального количества целлюлозы. Кроме того, продолжительность обработки ферментами влияет на эффективность нитрования. Под микроскопом авторы обнаружили, что структура полученного продукта сохранила форму волокон исходного сырья.
Используя чайный гриб Medusomyces gisevii, ученые получили бактериальную целлюлозу из глюкозы. Гриб был помещен в питательную среду, состоящую из глюкозосодержащего раствора, полученного после обработки ферментами целлюлозы мискантуса. Это привело к образованию слоев бактериальной целлюлозы на поверхности жидкости.
Бактериальная целлюлоза. Автор: Екатерина Кащеева.
Мискантус оказался отличным источником питательных веществ, поскольку микроорганизмы произвели значительное количество целлюлозы. Выход целлюлозы составил 11,1% и 9,6% за восемь и 24 часа соответственно, что соответствует международному опыту. Полученные образцы целлюлозы имели наноразмерные волокна и высокую полимеризацию, что свидетельствует о их высоком качестве.
Авторы отмечают, что процесс производства нитратов целлюлозы и бактериальной целлюлозы из мискантуса представляет собой инновационную технологию переработки растительного сырья в химический и биосинтетический продукт.
Автор статьи, Евгения Гладышева, демонстрирует бактериальную целлюлозу. Автор фото: Екатерина Кащеева.
«С практической точки зрения этот принцип может лечь в основу создания биозавода по переработке мискантуса с замкнутым циклом реактивов, воды, энергии, воздуха. Такой биозавод будет лидером в мировой практике. Мы продолжим заниматься этой темой в рамках новых проектов, в частности, мы планируем получить нитраты из целлюлозы мискантуса и нитраты на основе бактериальной целлюлозы с широким диапазоном вязкости. Каждая марка промышленных нитратов целлюлозы характеризуется индивидуальной массовой долей азота и вязкостью, а наши результаты показывают, что в одном процессе мы можем произвести не одну промышленную марку, а сразу несколько. В этом преимущество нашего предложения. Понятно, что это произойдет не завтра, а в условиях развития технологии», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Екатерина Кащеева, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории биоконверсии ИПХЭТ СО РАН.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Polymers.
Источник: пресс-служба Российского научного фонда.
На заглавном фото часть авторского коллектива статьи с коллегами. Автор фото: Екатерина Кащеева.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.
