В последние десятилетия человечество сталкивается с необходимостью поиска альтернативных источников сырья для различных отраслей промышленности, включая целлюлозную и бумажную. Традиционные источники древесного волокна, такие как хвойные и лиственные породы деревьев, требуют значительных временных затрат на выращивание и имеют ограниченный ресурс. В этой связи внимание ученых и производителей обращается к быстрорастущим травянистым растениям, среди которых особое место занимает мискантус гигантский (Miscanthus x giganteus). Этот вид многолетнего злака обладает рядом уникальных характеристик, делающих его привлекательным сырьем для производства бумаги и других целлюлозосодержащих продуктов (подробнее >>> Чудо-трава Мискантус Гигантский).
Химический состав и клеточное строение стеблей мискантуса гигантского
Для использования в целлюлозной и бумажной промышленности важно понимать химический состав растительного материала. Стебли мискантуса гигантского содержат:
- Целлюлоза (42-45%),
- Гемицеллюлоза (26-28%),
- Лигнин (14-18 %),
- Водорастворимые вещества 11-13%,
- Зола (1-4%).
Большое содержание целлюлозы и является основным источником для создания бумаги и картона.
Помимо этого, дополнительно изучены типы клеток, из которых состоят отдельные анатомические части стеблей Гигантского Мискантуса, а также распределение клеток по длине волокон, содержащихся в них. Эти тесты проводились с использованием мякоти, полученной в результате мацерации (процесс разъединения растительных клеток в тканях в результате ферментативного или химического растворения межклеточного вещества - прим.ред.) сердцевины, узлов и междоузлий.
Как видно на фотографии, сердцевина мискантуса состоит преимущественно из бочкообразных клеток паренхимы, напоминающих клетки пшеничной соломы, и кирпичеобразных клеток паренхимы.
В узлах наблюдается другой клеточный состав. Они содержат в основном короткие веретенообразные волокнистые клетки и мелкие паренхимные клетки.
Что касается типов клеток в междоузлиях мисканта, то ситуация совсем иная, поскольку они содержат большое количество длинных, прямых и узких волокон, несколько очень узких волокон игловидной формы, крупные и мелкие сосуды, различные клетки паренхимы и клетки эпидермиса.
Оценивая распределение длины волокон в междоузлиях мискантуса гигантского, можно сказать, что это преимущество, поскольку они содержат значительное количество более длинных волокон в диапазоне 1,32–4,11 мм, что делает среднюю длину волокон этой мякоти относительно высокой (1,537 мм).
Таким образом, отделение сердцевины и междоузлий от стеблей данного растения должно позволить получить целлюлозу с длиной волокон, превышающей длину волокон из цельных стеблей мискантуса и превышающей длину волокон большинства целлюлоз из древесины твёрдых пород.
Переработка мискантуса в целлюлозу
В литературе описаны различные способы получения целлюлозного сырья из мискантуса гигантского, но наиболее оптимальным способом считается химико-термомеханический метод, когда измельченная щепа растения подвергается обработке щелочными растворами при высоких температурах.
Компания "Первый Питомник" занимается разработкой технологии производства различных целлюлозосодержащих материалов и изделий из них из биомассы (соломы) Мискантуса Гигантского (подробнее смотрите в видео "ВПФ из нового растительного сырья"). Предлагаемый способ переработки отличается от традиционных тем, что при его применении извлекаемый в раствор лигнин, представляющий собой биополимер сетчатого строения, в процессе переработки трансформируется в гуминовые кислоты, что обеспечивает биохимический круговорот продуктов окисления лигнина в различных биомах и в основных типах почв (серых лесных, черноземах, красноземах и др.), в том числе и почв сельскохозяйственного использования. Получаемый в результате переработки биомассы Мискантуса Гигантского раствор содержит все основные компоненты минеральных жидких удобрений– N-Р-К и Сорганический. Таким образом, вместо образования жидкого отхода, т.н. сульфидных или натронных щелоков, требующих наличия многоступенчатых очистных сооружений и утилизации, образуется жидкое органоминеральное удобрение (ОМУ). В настоящий момент проведены успешные первичные полевые испытания полученного жидкого ОМУ, которые планируется продолжить. По завершении второй стадии испытаний в 2025 году ОМУ будет сертифицировано и разрешено к сельхозприменению.
Второй отличительной особенностью разрабатываемой технологии является низкая энергоёмкость. Все стадии получения целлюлозосодержащих материалов выполняются при температуре 80÷100°С и имеют продолжительность 1÷1,5 часа. Завершающая стадия получения бумажной массы – дефибрирование (размол) требует существенно меньшего времени и энергетических затрат, чем для традиционной бумажной массы, полученной из древесины.
Таким образом, разрабатываемая технология переработки Мискантуса Гигантского может быть отнесена к зеленой, экологически безопасной, с низким энергопотреблением, позволяющей получать различные виды изделий с маркой ЭКО и БИО.
Получаемое в процессе переработки целлюлозосодержащее сырье может быть использовано для производства бумаги, различных видов картона, формованных изделий различного типа, как в индивидуальном виде, так и в виде смеси с макулатурой. Одним из наиболее эффективных вариантов применения является изготовление одноразовой упаковки для пищевых продуктов и посуды, где использование вторичных и экологически небезопасных продуктов не допускается.
Характеристики целлюлозы мискантуса
Преимуществом обычной и твёрдой целлюлозы мискантуса по сравнению с берёзовой и сосновой целлюлозой является более низкий уровень содержания щепы в отбелённой целлюлозе, содержание которой в бумажной целлюлозе является одним из критериев оценки чистоты целлюлозы (Dewhirst and Hopes 1962).
Яркость целлюлозы также является важным технологическим показателем, особенно в случае целлюлозы, полученной с помощью щелочного способа, для которой она низкая. Чем выше этот показатель, тем легче обесцветить целлюлозу и тем ярче упаковочная бумага и картон, изготовленные из неё.
Проведенные исследования показывают, что яркость неотбелённой крафт- и содовой целлюлозы из мискантуса выше, чем яркость аналогичной целлюлозы из берёзы и сосны, особенно в случае мягкой и очень мягкой целлюлозы. Эти характеристики делают её идеальной для применения в упаковке, где важны эстетические и функциональные параметры.
Санитарно-гигиенические показатели и способность к биоразложению
В мае 2023 года в Health, Food &Biotechnology была опубликована научная работа на тему: "Исследование возможности использования биоразлагаемых целлюлозно-содержащих материалов на основе мискантуса в качестве одноразовой посуды и упаковки пищевых продуктов", авторы Кирш И.А., Тверитникова И.С., Баталова В.В. Лабораторные тесты в этом сравнительном исследовании подтвердили, что упаковочные материалы из мискантуса гигантского безопасны для продуктов питания и могут найти применение в пищевой отрасли (в соответствии с требованиями технического регламента таможенного союза 005/2011 «О безопасности упаковки»).
Помимо этого, материалы на основе мискантуса обладают значительным потенциалом к биоразложению. Так, в условиях компостирования в жидком биогумусе образцы упаковки из мискантуса полностью разлагались всего за 6 недель, в то время как для полного разложения материалов из древесной целлюлозы потребовалось целых 12 недель. Таким образом было доказано, что изделия из мискантуса гигантского разлагаются в 2 раза быстрее. С учетом того, что в производственной цепочке с использованием сырья мискантуса гигантского применяются щадящие химические реагенты, мы получаем максимально безопасную для окружающей среды биоразлагаемую продукцию. Эти данные подчеркивают экологичность упаковочных материалов из мискантуса и возможность их использования вместо древесных и пластиковых аналогов.
Таким образом, мискантус гигантский представляет собой многообещающий источник сырья для производства упаковочных материалов и биоразлагаемой посуды. Уникальный химический состав данной культуры делает ее отличной альтернативой традиционным материалам, таким как пластик, который загрязняет окружающую среду и трудно поддается переработке. Помимо этого, внедрение мискантуса в целлюлозно-бумажную промышленность поможет снизить нагрузку на природные ресурсы и уменьшить количество отходов, что является важным шагом на пути к устойчивому развитию.
__________________________________________________________________________________________Данная статья написана на основе следующих источников:
Dariusz Danielewicz, Katarzyna Dybka-Stępień, Barbara Surma-Ślusarska. Processing of Miscanthus × giganteus stalks into various soda and kraft pulps. Part I: Chemical composition, types of cells and pulping effects// Original Paper. - Volume 25, pages 6731–6744, (2018).
Кирш И.А., Тверитникова И.С., Баталова В.В. Исследование возможности использования биоразлагаемых целлюлозосодержащих материалов на основе мискантуса в качестве одноразовой посуды и упаковки пищевых продуктов. Health, Food & Biotechnology. 2023;5(2).
Если вам понравилась статья, не забудьте поставить 👍 и подписаться на наш канал ✅!
Наш сайт: https://misc.farm
Телефон: +7 (495) 177-89-89
Email: info@misc.farm
Мы в соцсетях:
Telegram: https://t.me/miscant
Одноклассники: https://ok.ru/group/70000007152054
