Ученые выяснили, что из травянистого растения мискантуса гигантского можно получить сразу два типа полимеров — нитраты целлюлозы и бактериальную целлюлозу. В первом случае выделенную из растительного сырья клетчатку нужно обработать смесью серной и азотной кислот, а во втором — расщепить до глюкозы и добавить к ней микроорганизмы. Работа ученых поможет совместить в одном производстве выработку соответствующих полимеров, которые используются в аналитической медицине, производстве упаковочных и перевязочных материалов, а также при изготовлении загустителей. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Polymers.
Целлюлоза — полимер, который входит в состав клеточных стенок всех растений и обеспечивает их прочность. Производные этого вещества активно используются человеком, например, нитраты целлюлозы, получаемые при обработке целлюлозы смесью азотной и серной кислот, применяются для производства биосенсоров, мягких роботов, биофильтров. Помимо растительной, существует еще бактериальная целлюлоза, производимая в наноразмерном виде некоторыми видами микроорганизмов. Благодаря совместимости с тканями человека она используется в медицине для заживления ран и для восстановления повреждений кровеносных сосудов. Кроме того, ее применяют для реставрации бумаг, производства суперконденсаторов и гибкой электроники. Поэтому развитие технологий производства нитратов целлюлозы и бактериальной целлюлозы в нашей стране очень востребовано.
Ученые из Института проблем химико-энергетических технологий СО РАН (Бийск) доказали, что одновременно производить нитраты целлюлозы и бактериальную целлюлозу можно из дешевого легкодоступного сырья — травянистого растения мискантуса гигантского (Miscanthus giganteus). Это искусственно выведенный гибрид мискантуса Miscanthus sinensis, родина которого — Восточная Азия. В России есть собственные сорта мискантуса, которые выращивают специально в качестве целлюлозосодержащего сырья. Растение отличается устойчивостью к болезням, долголетием и высоким содержанием целлюлозы (44-50%).
Чтобы получить растительную целлюлозу, ученые обработали измельченный до частиц миллиметрового размера мискантус разбавленными растворами азотной кислоты и щелочи. Затем авторы воздействовали на целлюлозу ферментами в течение двух, восьми и 24 часов, в результате чего извлекли твердые образцы целлюлозы и жидкую глюкозосодержащую среду. Далее все образцы целлюлозы обработали смесью серной и азотной кислот, что позволило получить нитраты целлюлозы.
Эксперименты показали, что увеличение времени обработки целлюлозы ферментами с двух до 24 часов приводит к повышению количества синтезированных нитратов целлюлозы с 116% до 132% по отношению к изначально взятому количеству обычной растительной целлюлозы. Кроме того, чем дольше длилась обработка ферментами, тем эффективнее шло нитрование. Авторы проанализировали структуру полученного таким образом продукта под микроскопом и обнаружили, что нитраты целлюлозы сохранили форму волокон, характерную для исходного сырья.
Для получения бактериальной целлюлозы ученые использовали чайный гриб (Medusomyces gisevii) — сложное сообщество бактерий и дрожжей, выделяющее ферменты для синтеза бактериальной целлюлозы из глюкозы. Исследователи поместили чайный гриб в питательную среду из глюкозосодержащего раствора, полученного после обработки ферментами целлюлозы мискантуса. Это привело к формированию на поверхности жидкости слоев бактериальной целлюлозы.
Растительное сырье мискантуса оказалось качественной питательной средой, поскольку микроорганизмы произвели из него относительно большое количество биосинтетического продукта. Выход целлюлозы составил 11,1% и 9,6% за восемь и 24 часа соответственно, что соответствует мировому опыту получения этого продукта на синтетической среде. Важно отметить, что образцы бактериальной целлюлозы, полученной на питательной среде из мискантуса, имеют волокна наноразмерной толщины и высокую степень полимеризации, что подтверждает высокое качество.
Авторы также отмечают, что производство нитратов целлюлозы и бактериальной целлюлозы из одного мискантуса представляет собой новую технологию переработки быстровозобновляемого растительного сырья в химический продукт и продукт биосинтеза.
«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.
