Целлюлоза в одну стадию и без вреда окружающей среде!

Продолжаем рубрику «у нас». Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» вместе с коллегами из Сибирского федерального университета и Института исследований катализа и окружающей среды Лиона (Франция) разработали новые методы производства микрофибриллированной и нанокристаллической целлюлозы и ванилина из древесины лиственницы. Технология позволит сократить количество стадий и повысить экологическую безопасность производства продуктов из древесины по сравнению с традиционными подходами. Результаты исследования опубликованы в журнале Catalysis Today.

Лиственница и сосна – хвойные породы широко распространенные в лесах по всему миру. Древесина лиственницы имеет высокую плотность и содержит большое количество экстрактивных соединений, сосны – много смолистых веществ. Эти особенности усложняют их использование в целлюлозно-бумажной промышленности.

Напомним, что древесная биомасса, в основном, состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Эти растительные полимеры сложным образом структурируются в клетках растений. Такая биомасса довольно устойчива к химическим реагентам, поэтому при производстве целлюлозы используются химически агрессивные и опасные для окружающей среды реагенты, повышенные температура и давление.

Красноярские химики совместно с иностранными коллегами оптимизировали процессы каталитического окисления мягкой древесины экологически безопасными окислителями двумя способами. Один из них основан на окислении пероксидом для получения микрокристаллических, микрофибриллированных, нанокристаллических целлюлоз, моносахаров и смеси алифатических и ароматических кислот.

Другой путь основан на окислении древесины лиственницы кислородом в присутствии катализатора гидроксида меди для производства ванилина и целлюлозы. Полученная продукция востребована во многих областях, в том числе в пищевой, фармацевтической, химической промышленности, медицине, синтезе новых функциональных полимеров и нанокомпозитов.

— Предлагаемые новые процессы биопереработки хвойных пород имеют ряд преимуществ перед традиционными технологиями производства целлюлозы и гидролиза. Эти процессы обеспечивают комплексную переработку всех основных компонентов древесной биомассы для получения набора ценных химических продуктов. Стоимость получения целевых продуктов ванилина или наноцеллюлозы снижается, если одновременно получать дополнительные продукты с высокой добавленной стоимостью, например, биологически активный полимер дигидрокверцетин и полисахарид арабиногалактан – вещества, применяемых в медицине, фармацевтической и пищевой промышленности. Использование малотоксичных реагентов, а именно, воды, кислорода, перекиси водорода, уксусной кислоты и этанола в новых процессах биопереработки древесины снижает воздействие на окружающую среду, – рассказал доктор химических наук, заместитель директора по научной работе Института химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН Борис Кузнецов.

Для сравнения, из одной тонны древесины можно получить почти 400 килограмм как обычной, так и микрокристаллической целлюлозы, 200 килограмм арабиногалактана, 50 килограмм ванилина, 40 килограмм наноцеллюлозы. При этом стоимость конечных продуктов сильно различается. Так, один килограмм наноцеллюлозы стоит порядка 150 долларов США, один килограмм ванилина — 12 долларов США, а один килограмм обычной целлюлозы – лишь один доллар. В целом, стоимость продуктов, которые можно получить из одной тонны лиственницы, комбинируя различные методы, может превышать 5000-7000 долларов США.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и очень надеемся, заинтересует крупные целлюлозно-бумажные предприятия, расположенные на территории нашего и соседних регионов.