Ученые из Института проблем химико-энергетических технологий СО РАН (Бийск) разработали технологию для получения из мискантуса гигантского двух типов полимеров — нитрата целлюлозы и бактериальной целлюлозы с использованием раствора кислоты и чайного гриба. 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 вывели искусственно, его родина - Восточная Азия. В России выращивают собственные сорта мискантуса специально для получения целлюлозы. Растение характеризуется стойкостью к болезням, долговечностью и высоким содержанием целлюлозы (44-50%).


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.

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.

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 об 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.

«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.