Экстенсивное использование ископаемых ресурсов, таких как нефть, уголь и природный газ, ведет к их истощению и экологическим проблемам, включая выбросы парниковых газов. Это требует разработки новых методов использования возобновляемых растительных материалов, в частности, сельскохозяйственных отходов.
Валентин Сычев. Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
Красноярские ученые разрабатывают новые технологии переработки сельскохозяйственных растительных отходов в ценное сырье. Для этих целей специалисты Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» создают катализаторы, разлагающие биомассу на компоненты, которые могут найти применение в разных отраслях промышленности. В одной из последних работ они проверили эффективность созданных биметаллических катализаторов на основе никеля, нанесенных на окисленные углеродные материалы. Тестирование катализатора проводилось на льняном костре — одревесневшей части стебля, являющейся основным отходом льняного целлюлозного производства. В ней содержится около 25% лигнина, 50% целлюлозы и 20% гемицеллюлоз в зависимости от спелости растений, места их произрастания и части стебля льна. Использование катализаторов позволило впервые достичь теоретического предела выхода наиболее ценных продуктов деполимеризации лигнина – метоксифенолов. Результаты исследования опубликованы в журнале International Journal of Molecular Sciences.
Работа учёных из Красноярска основана на идее частичного перехода от использования ископаемого сырья, такого как нефть, природный газ и уголь, на возобновляемый ресурс — лигноцеллюлозную биомассу. Лигноцеллюлозная биомасса включает не только растения, но и отходы деревообработки и сельского хозяйства. Один из таких отходов — костра, побочный продукт переработки льна, составляющий примерно 60% массы стебля после отделения волокна. Это очень большое количество отходов, которое можно перерабатывать в широкий спектр полезных продуктов. По своей природе лигноцеллюлозная биомасса — это биополимеры: лигнин, гемицеллюлозы и целлюлоза, которые ученые подвергают глубокой переработке.
«Одно из основных направлений, которое реализуется в Институте химии и химической технологии СО РАН — разработка твёрдых катализаторов для переработки растительной биомассы. Использование твёрдых катализаторов — экологичная альтернатива известным растворимым токсичным катализаторам, таким как серная и соляная кислоты. Классический твердый катализатор состоит из наноразмерных частиц активного металла, закрепленных на определённом каркасе материала нанометрового размера», — поясняет младший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Валентин Сычев.
В основе дизайна катализатора лежит структурная и химическая модификация носителя. Сначала ученые создают мезопористую твердую кислоту, и затем на неё закрепляют активный металл, тем самым предавая катализатору необходимую кислотную функциональность. Активный металл обеспечивает стабилизацию промежуточных продуктов, что позволяет свести образование нежелательных продуктов реконденсации к минимуму. Так, красноярские химики разрабатывают сложные каталитические системы, которые обеспечивают селективное протекание ряда химических процессов.
Твердый бифункциональный катализатор. Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
Применение твёрдых катализаторов позволяет производить широкий спектр ценных продуктов из полимера. Например, использование гетерогенных каталитических систем дает возможность избирательно получать определённые продукты, такие как мономеры лигнина — метоксифенолы, обладающие широким спектром применения и даже рассматриваемые как реагенты для тонкого химического синтеза противораковых препаратов нового поколения. При классической переработке лигноцеллюлозной биомассы эти продукты получить нельзя.
Проект по глубокой переработке лигноцеллюлозной биомассы реализуется в рамках стратегии лигнин-фёрст. Эта стратегия подразумевает первичное удаление лигнина с получением метоксифенолов и дальнейшую переработку полисахаридной части лигноцеллюлозной биомассы, которая представлена целлюлозой и гемицеллюлозами. Стратегия основана на применении экологичных твёрдых бифункциональных катализаторов.
Специалисты занимались восстановительным каталитическим фракционированием костры льна. Им удалось достичь теоретического предела выхода наиболее ценных продуктов деполимеризации лигнина – метоксифенолов. Такую эффективность процесса ученые смогли обеспечить благодаря разработке биметаллического катализатора на основе наночастиц рутения и никеля, которые оказывают совместное действие на биополимеры, предотвращая образование нежелательных продуктов.
«Наша текущая стратегия направлена на максимальное извлечение выгоды из каждого биополимера. Она предполагает избирательный подход к переработке компонентов растительной биомассы. Фундаментальная проблема, которая перед нами стоит, — это дизайн катализатора. Варьируя размеры частиц металла вплоть до десятых нанометра, мы можем управлять активностью и селективностью катализатора. Это уже нанодизайн материала. Мы разрабатываем фундаментальные основы дизайна твердых бифункциональных катализаторов для селективной переработки компонентов растительной биомассы в ценные химические продукты», — рассказывает младший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Валентин Сычев.
Ранее ученые также проводили комплексные исследования процесса разделения на полезные компоненты древесины ели. Благодаря селективному дизайну катализатора и оптимизации условий процесса удалось обеспечить высокие выходы как жидких продуктов, представленных гликолями и мономерами лигнина, так и сохранить твердый продукт, представленный целлюлозой. Специалистам удалось получить микрокристаллическую целлюлозу, которая по индексу кристалличности соответствует промышленной. После дополнительной очистки от компонентов реакционной массы среди потенциальных сфер применения данного продукта можно рассмотреть даже фармацевтическую промышленность.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»