Алтайский Краевой Инновационный Банк Данных
Министерство экономического развития Алтайского края
Управление инновационного развития и кластерной политики 
Алтайский Центр
Кластерного Развития
Инновации

Фундаментальные исследования гидротропной целлюлозы: способ получения, характеристики, химическая модификация и ферментативный гидролиз

Отношение к критическим технологиям:
Технологии производства топлив и энергии из органического сырья


Контактная информация

Название организации
Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН


ФИО руководителя организации
Сысолятин Сергей Викторович


Юридический адрес
659322, Россия, Алтайский край, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1


Почтовый адрес
659322, Россия, Алтайский край, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1


ФИО руководителя проекта:
Сакович Геннадий Викторович


Аннотация проекта

Постановка и описание научной или научно-технической проблемы, решаемой в рамках Проекта
Совершенствование технологии гидротропной делигнификации целлюлозосодержащего сырья позволит получать продукт высокого качества из дешевого, доступного для Алтайского края сырья (энергетические растения и отходы сельскохозяйственной переработки), что позволит компенсировать спрос на целлюлозу, пригодную не только для целей прямого назначения (картон, бумага, упаковка), но и для химической переработки (эфиры целлюлозы) и биотехнологии (глюкозные гидролизаты ферментативным способом). Синтез нитроэфиров на основе гидротропной целлюлозы с востребованными промышленностью свойствами (прозрачность растворов, прочность клея, тонкость покрытия поверхностей) может быть самым высоким тестом пригодности гидротропной целлюлозы к химической модификации. Исследование ферментативного гидролиза позволит оценить реакционную способность гидротропных целлюлоз к ферментолизу, что открывает второй и независимой путь дальнейшей переработки гидротропной целлюлозы в глюкозные гидролизаты с последующим микробиологическим синтезом в востребованные продукты, в частности биоспирты.


Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым
В последние годы возрос интерес к получению целлюлозы из нетрадиционного сырья, в связи с этим предпринимаются попытки найти новые, более выгодные и экологически безопасные способы выделения целлюлозы необходимого качества с высоким выходом из растительных тканей с использованием новых альтернативных сырьевых баз. Для нашей страны актуальным сырьевым источником являются отходы переработки злаков. Плодовые оболочки (шелуха, лузга) овса составляют 28 % от массы зерна и при низкой удельной плотности 0,2 т/м3 и отсутствии схемы их утилизации являются нерешенной проблемой для зерноперерабатывающих заводов. В то же время в связи с высоким содержанием целлюлозы (до 35 %) плодовые оболочки овса можно рассматривать как концентрированный вид недревесных целлюлозосодержащих отходов, потенциальный источник целлюлозы. Кроме того, большой практический интерес несет и применение в качестве целлюлозосодержащего сырья энергетических культур, таких как мискантус. В настоящее время мискантус рассматривается за рубежом как легко возобновляемый источник целлюлозы. В России проводятся исследования о возможности использования мискантуса для получения целлюлозы наравне со льном, рапсом, камышом. Зарубежные исследователи открывают новые пути переработки мискантуса в востребованные продукты: волокно, топливо, включая этанол и водород. Предлагаемые в литературе способы переработки недревесного сырья в целлюлозу позволяют получить целевые продукты с применением в технологии экологически вредных варочных реагентов и отбеливающих реактивов. Гидротропный способ переработки растительного сырья относится к нейтральным способам получения целлюлозы, исключает деструкцию целлюлозного волокна и основан на растворении лигнина с концентрированием целевой целлюлозы, при этом в качестве гидротропа используют водные растворы ксилолсульфонатов – экологически безопасных солей органических кислот. В настоящее время к гидротропии проявляется большой интерес. Она получила применение в косметической промышленности для получения так называемых прозрачных эмульсий. Проводятся исследования по применению гидротропов в выпуске фармацевтических препаратов. Кроме этого, гидротропы используют в качестве органических компонентов, применяемых для увеличения растворимости моющих средств в воде. Изучается применение гидротропных веществ для образования комплексов железа в водных растворах ПАВ. Использование гидротропов для делигнификации растительного сырья является перспективным направлением в технологии получения целлюлозы по целому ряду причин, в том числе и в связи с обеспечением одновременного получения сразу двух полимеров: целлюлозы и лигнина. В литературе имеются данные о повышенной реакционной способности гидротропного лигнина и возможности его рационального использования в качестве присадок к топливу. В связи с отсутствием научной информации о результатах исследований гидротропного способа переработки мискантуса и плодовых оболочек овса в целлюлозу и изучения возможностей трансформации (химической и биотехнологической) гидротропной целлюлозы в востребованные продукты данные области исследований являются актуальными. Предварительные данному проекту результаты разработки способа получения гидротропной целлюлозы из недревесного сырья защищены авторами проекта патентом РФ 2456394.


Новизна подхода в решении обозначенной проблемы
Заключается в совершенствовании экологически обоснованного гидротропного способа переработки недревесного сырья на примере российского мискантуса и отходов зернопереработки (овса) в целлюлозу и изучении возможностей двух путей (химического и биотехнологического) трансформации гидротропной целлюлозы в сложные эфиры (нитраты целлюлозы) и глюкозные гидролизаты соответственно. Совершенствование технологии получения целлюлозы гидротропным способом из недревесного сырья предполагает различные виды оборудования: качающийся автоклав с электрообогревом и новую (запуск в декабре 2012 года) установку термобарической обработки. В рамках данного проекта будут исследованы различные способы облагораживания гидротропной целлюлозы постадийной обработкой для удаления остаточных нецеллюлозных компонентов; в результате анализа полученных целлюлоз с использованием растровой электронной микроскопии, а также химическими и рентгеноструктурными методами будут показаны особенности морфологического строения гидротропных целлюлоз из различных сырьевых источников. Предполагается изучение процесса нитрования гидротропных целлюлоз промышленными рабочими кислотными смесями и оценка эксплуатационных свойств новых синтезированных продуктов. В связи с отсутствием в научной литературе примеров исследований ферментативного гидролиза гидротропных целлюлоз данным проектом планируется получить новые знания о закономерностях гидролиза гидротропных целлюлоз с использованием коммерчески доступных ферментных препаратов: «Брюзайм BGX», «Целлолюкс А».


Описание области применения результатов научно-исследовательской работы
целлюлозно-бумажная промышленность, производство лаков, эмалей, красок, альтернативное топливо и производство продуктов микробиологического синтеза.


Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту, полученные ранее результаты, разработ
На примере использования в качестве целлюлозосодержащего сырья мискантуса были разработаны физико-химические основы гидротропного способа переработки недревесных видов сырья. Проведение гидротропной варки мискантуса в автоклаве (модуль 1:15) позволило получить техническую целлюлозу с выходом 52 %, степенью полимеризации 1035 единиц (для сравнения: при натронной варке получают целлюлозу со степенью полимеризации – 700 единиц, азотнокислым способом – 500 единиц). При оптимизации модуля варки с 1:15 до 1:8 наблюдалось оседание бензойной кислоты на волокно целлюлозы, что негативно сказывалось на ее качестве. С целью предотвращения закисления варочного раствора была введена стадия предгидролиза, которая позволила удалить экстрактивные вещества и частично гидролизовать гемицеллюлозы. Проведение поисковых экспериментов с варьированием температуры и продолжительности предгидролиза и непосредственно варки позволили выбрать оптимальные условия предгидролиза (140-160 °С без выдержки по времени) в сочетании с гидротропной варкой (160 °С, 1 ч). Получены технические целлюлозы удовлетворительного качества. Операции облагораживания (с использованием перекиси водорода в щелочной среде) позволили получить продукт со следующим содержанием нецеллюлозных компонентов: лигнина – около 6 %, золы – около 3 %, пентозанов – около 10 %. Гидротропная переработка плодовых оболочек овса при выбранных для мискантуса оптимальных условиях позволила получить продукт сопоставимый по основным показателям с целлюлозой из мискантуса. Образцы гидротропной целлюлозы из мискантуса и плодовых оболочек овса были пронитрованы рабочей серно-азотной смесью. В результате получены нитраты целлюлозы с содержанием азота в диапазоне 10-12 %. Было проведено тестовое исследование ферментолиза гидротропных целлюлоз из мискантуса и плодовых оболочек овса, полученных в одинаковых условиях. Выяснено, что целлюлоза из плодовых оболочек овса имеет реакционную способность к ферментации в два раза выше, чем целлюлоза из мискантуса. Изменение параметров делигнификации и облагораживания с оптимизацией этих процессов (критерием качества которой являются физико-химические свойства целлюлоз), на наш взгляд, может позволить сократить содержание нецеллюлозных компонентов до минимума в целевой целлюлозе. Предполагается исследовать нитрование новых образцов целлюлоз с целью получения нитратов целлюлоз с лучшими показателями качества, а также изучить ферментативный гидролиз разных образцов гидротропной целлюлозы с целью определения зависимости реакционной способности от условий получения целлюлоз. Имеющийся у коллектива научный задел подтвержден следующими научными работами: 1. Макарова Е.И., Денисова М.Н., Будаева В. В., Сакович Г.В. Ферментативный гидролиз гидротропных целлюлоз // Ползуновский вестник. – 2013. – № 1. – С. 219-222. 2. Денисова М.Н., Будаева В.В. Характеристики целлюлозы, полученной гидротропным способом на универсальном термобарическом устройстве // Химия в интересах устойчивого развития. – 2013. – Т. 21, № 5. – С. 545-549. 3. Денисова М.Н., Будаева В.В., Ильясов С.Г., Черкашин В.А., Сакович Г.В. Гидротропный способ переработки целлюлозосодержащего сырья // Ползуновский вестник. – 2013. – № 3. – С. 171-182. 4. Будаева В.В., Макарова Е.И., Денисова М.Н., Павлов И.Н., Сакович Г.В. Фундаментальные исследования ферментолиза гидротропных целлюлоз // Ползуновский вестник. – 2013. – № 3. – С. 230-233. 5. Сакович Г.В., Будаева В.В., Денисова М.Н., Макарова Е.И., Павлов И.Н., Якушева А.А., Золотухин В.Н., Скиба Е.А., Обрезкова М.В., Берещинова М.Н. Фундаментальные исследования гидротропной целлюлозы: способ получения, характеристики, ферментативный гидролиз // Вестник Алтайской науки. – 2014. – № 1. – С. 170-174. 6. Денисова М.Н. Исследование сырья и гидротропных целлюлоз методом растровой электронной микроскопии / Молодежь и наука на Севере: материалы III Всероссийской молодежной научной конференции, 22-26 апреля 2013 г., г. Сыктывкар. – В 2 т. / Коми научный центр УрО РАН. – Сыктывкар: Редакционно-издательский отдел Коми научного центра УрО РАН, 2013. – Т. 2. – С. 16-18. 7. Денисова М.Н., Будаева В.В. Гидротропное действие бензоата натрия при обработке мискантуса / Молодежь и наука на Севере: материалы III Всероссийской молодежной научной конференции, 22-26 апреля 2013 г., г. Сыктывкар. – В 2 т. / Коми научный центр УрО РАН. – Сыктывкар: Редакционно-издательский отдел Коми научного центра УрО РАН, 2013. – Т. 2. – С. 15-16. 8. Денисова М.Н. Выделение целлюлозы и лигнина гидротропным методом / Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы 6-й Всерос. научно-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, г. Бийск, 22-25 мая 2013 г. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2013. – C. 142-145. 9. Денисова М.Н., Павлов И.Н. Влияние промывки гидротропным раствором на качество технической целлюлозы / Альтернативные источники сырья и топлива: тезисы докладов IV Международной научно-технической конференции «АИСТ – 2013», Минск, 28-30 мая 2013 г. // Под ред. В.Е. Агабекова и др. – Минск: Изд-во института химии новых материалов НАН Беларуси, 2013. – С. 75. 10. Макарова Е.И., Денисова М.Н., Павлов И.Н., Будаева В.В., Сакович Г.В. Глюкозный гидролизат из гидротропной целлюлозы мискантуса (влияние «Tween 80») / Химия и технология растительных веществ: тез. докл. VIII всерос. науч. конф. – Калининград, 7-10 октября 2013. – C. 139. 11. Денисова, М.Н. Гидротропная варка мискантуса на универсальном термобарическом устройстве / М.Н. Денисова, И.Н. Павлов // III Междунар. конф. по химии и химической технологии: сб. материалов, г. Ереван 16-20 сентября 2013 г. – Ереван: Институт общей и неорганической химии НАН РА, 2013. – С. 523-525. 12. Денисова М.Н. Гидротропная целлюлоза: получение, свойства, трансформация / Материалы и технологии XXI века: доклады III Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (18-20 сентября 2013 года, г. Бийск). – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2013. – С. 208-210. 13. Денисова М.Н., Якушева А.А., Макарова Е.И. Результаты нитрования целлюлозы, полученной гидротропным способом на универсальной термобарической установке // Вестник Алтайской науки. – 2014. – № 1. – С. 175-180. 14. Макарова Е.И., Денисова М.Н., Павлов И.Н., Будаева В.В., Сакович Г.В. Глюкозный гидролизат из гидротропной целлюлозы мискантуса (влияние «Tween 80») // Известия Академии наук. Серия химическая. – 2014. – № 9. – С. 2156-2159. 15. Корчагина А.А., Денисова М.Н., Будаева В.В., Золотухин В.Н. Синтез производных гидротропной целлюлозы // Химия в интересах устойчивого развития. – 2014. – Т. 22, № 5. – С. 461-468. 16. Денисова М.Н., Якушева А.А., Макарова Е.И. Результаты нитрования целлюлозы, полученной гидротропным способом на универсальной термобарической установке // Вестник Алтайской науки. – 2014. – № 1. – С. 175-180. 17. Денисова М.Н., Корчагина А.А. Гидротропная целлюлоза из недревесного сырья и эфиры на ее основе // Вестник Алтайской науки. – 2014. – В печати. 18. Денисова М.Н., Якушева А.А. Нитроэфиры гидротропной целлюлозы мискантуса / Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: VI Всероссийской конференции с международным участием, г. Барнаул, 22-24 апреля 2014 г. / Под ред. Н.Г. Базарновой, В.И. Маркина. – Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2014. – С. 35-37. 19. Денисова М.Н. Определение оптимальных условий гидротропной варки / Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием (21-23 мая 2014 г., г. Бийск). – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2014. – В печати. 20. Денисова М.Н., Макарова Е.И. Зависимость реакционной способности к ферментолизу гидротропной целлюлозы от вида сырья / Биотехнологии в химико-лесном комплексе: материалы международной научной конференции (11-12 сентября 2014 г., г. Архангельск). – Архангельск: ИД САФУ, 2014. – С. 137-140. 21. Денисова М.Н., Якушева А.А., Будаева В.В. Синтез сложных эфиров из гидротропной целлюлозы мискантуса / Перспективы создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов: материалы V Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых (11-12 сентября 2014 г., г. Бийск) – Бийск: изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2014. – С. 121-128. 22. Денисова М.Н., Будаева В.В., Макарова Е.И., Корчагина А.А., Сакович Г.В. Основные направления использования гидротропной целлюлозы из недревесного сырья / Химическая технология и биотехнология новых материалов и продуктов: материалы IV международной конференции Российского химического общества им. Д.И. Менделеева (23 октября 2014 г., г. Москва). – Москва: Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 2014. – С. 26-28. 23. Денисова М.Н., Корчагина А.А., Будаева В.В., Павлов И.Н. Нитраты гидротропной целлюлозы мискантуса и плодовых оболочек овса / Актуальные вопросы химической технологии и защиты окружающей среды: материалы IV Всероссийской конференции с международным участием (21-22 ноября 2014 г., г. Чебоксары). – Чебоксары: изд-во …., 2014. – В печати. 24. Денисова М.Н. Гидротропная делигнификация недревесного сырья: диссертация … на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.21.03 / Сибирский государственный технологический университет. Бийск, 2014. 25. Денисова М.Н. Гидротропная делигнификация недревесного сырья: автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.21.03 / Сибирский государственный технологический университет. Красноярск, 2014.


Перечень основных публикаций и публичных выступлений, в которых отражены достигнутые результаты научно-исследовательских работ по проекту
-


Перечень международных, федеральных, региональных и муниципальных конкурсов, в которых проект был признан победителем
-


Текущая стадия разработки проекта
Научно-исследовательская работа


Патентная чистота научно-технического задела, его защищенность
Данный вопрос не рассматривался


Тип научно-исследовательской работы
Поисковые проблемно-ориентированные исследования


Описание основных ожидаемых научных результатов
Выполнение научно-исследовательской работы позволит определить оптимальные параметры гидротропной делигнификации мискантуса и плодовых оболочек овса, с целью получения образцов целлюлоз с минимальным содержанием компонентов-примесей. Посредством проведения оригинальных исследований будут показаны сравнительные изменения морфологических особенностей и структуры целлюлозы в процессе ее выделения гидротропным способом. В связи с отсутствием в научной литературе сведений об этерификации гидротропных целлюлоз будет показана принципиальная возможность синтеза нитратов гидротропных целлюлоз российского мискантуса и плодовых оболочек овса. С целью дальнейшего масштабирования по объему будет исследован ферментативный гидролиз коммерчески доступными ферментными препаратами продуктов гидротропной варки недревесного сырья, и исследована зависимость реакционной способности полупродуктов и целлюлоз к ферментолизу от вида сырья и способа его обработки. Результаты исследований будут представлены в промежуточном и итоговом отчетах, в виде публикаций в рецензируемых журналах и тезисов докладов научных конференций.


Ожидаемая научная, научно-техническая продукция
-


Срок реализации Проекта (месяцев)
24


Необходимый объем финансирования (тыс. руб.)
300


Ключевые слова

-


Графические, презентационные, текстовые и иные материалы к проекту

-