Звоните:8 (985) 613-53-98
Пишите:info@rosflaxhemp.ru
Факты и цифры
Каталог предприятий

Перспективы производства наноцеллюлозы

05.05.2017 - 2453 просмотра
Автор: Ю.Соснова

Представители  редакции РОСЛЕНКОНОПЛЯ.РФ приняли участие в конференции «Наноцеллюлоза», которая прошла в Государственном научном центре Российской Федерации - ФГБУ Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов («ГосНИИгенетика»). Участники мероприятия сделали вывод, что производство наноцеллюлозы – перспективное направление народного хозяйства, в том числе сельскохозяйственного производства. При этом лен и конопля могут стать сырьем для этого производства.

 

 

Уже с первого выступления стало понятно, что наноцеллюлоза – новый, высокодоходный вид материала. В докладе: «Мировой рынок наноцеллюлозных материалов» А.Р. Аблаев (1) проанализировал основные направления народного хозяйства, где может использоваться наноцеллюлоза (далее - НЦ), или CNC как ее обозначают в США и Канаде. На сегодняшний день к НЦ относят материал из микроволокон целлюлозы шириной 5-20 нм и длиной от 10 нм до нескольких микрон. При этом НЦ может находиться в кристаллической, фибриллярной форме и их смеси. В обычных условиях НЦ представляет собой вязкое вещество. При тряске, взбалтывании и ином механическом воздействии она ведёт себя как жидкость, при физико-химическом структурировании - приобретает высокие прочностные свойства. Благодаря этим превращениям, из НЦ можно создавать:

 

- сверхлёгкие и сверхпрочные материалы (отношение прочность/вес в 8 раз большее, чем у нержавеющей стали), такие как аэрогель, прочные бронежилеты, конструкции машин;

- прозрачный, гибкий и прочный материал для супертонких и гибких экранов (вместо пластика и стекла);

- аналоги наноуглеродных трубок, которые не угрожают окружающей среде;

- нитраты наноцеллюлозы имеют перспективу для оборонной промышленности;

- фильтры разного назначения, когда структура НЦ напоминает графен, и может применяться для получения пресной воды из морской, очистки в помещениях воздуха, загрязненного дымом и взвешенными вредными частицами;

- сорбенты для сбора разлившейся нефти, масел и нефтепродуктов (структура в виде губки обладает олефильными и гидрофобными свойствами);

- медицинские и фармакологические клеевые составы и перевязочные материалы, которые плотно покрывают раневую поверхность, предотвращают ее инфицирование, впитывают раневые выделения, а содержащиеся в повязке медицинские препараты, обезболивают, охлаждают температуру воспаленных кожных покровов, способствует заживлению ран. Например, ученые НАН Украины на основе НЦ, синтезированной бактериями рода Komagataeibacter, разработали серию ранозаживляющих и противоожоговых гидрогелей для оказания медицинской помощи в полевых и клинических условиях при повреждениях кожного покрова и ожогах II степени, а также для трансдермальной доставки лекарств и биологически активных препаратов.

- декоративные элементы, текстиль и отпечатанные на 3-D принтере элементы органов животных и человека, необходимых для трансплантации

- загустители и стабилизаторы для производства продуктов питания, которые не окисляются, длительно сохраняют потребительские свойства;

Далее Алексей Равильевич подчеркнул, что стоимость НЦ на 10 % ниже, чем кевлара, и в десятки раз ниже, чем цена наноуглеродных трубок. По прогнозам Института статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ среднегодовой темп роста глобального рынка НЦ с 2016 г. составит 30% и к 2021 году может достигнуть 530 млн. долларов, в том числе 250 миллионов долларов в Северной Америке.

 

 

 

По мнению Пану Лахтинена (2) продукция на основе НЦ имеет высокую добавленную стоимость и экологическую привлекательность. Например, только в Великобритании сегодня производится 5000 кг CMC, обогащенной минеральными составами, а выручка от реализации научных и коммерческих проектов компании VTT к 2020 году составит 268 млн долларов США. Ключевыми точками для бизнеса станут специальные виды бумаги, биоразлагаемая тара и упаковка, биопамперсы, в том числе для пожилых и тяжелобольных людей. Уже сегодня выпускаются памперсы Non Wovens.

 


 П. Лахтинен также продемонстрировал вертикальные упаковки для сухих продуктов, уже выпускающиеся серийно. Создать основу для упаковки, причем с довольно низкими затратами на производство, удалось с помощью нанесения CNF- пленки, которая защищает бумагу от кислородного повреждения, влаги и загрязнения.

 

Покрытие может наноситься с одной стороны или иметь вид сэндвича. Для поиска оптимального источника сырья для получения НЦ в компании VTT с 2008 года проанализировано свыше 2500 образцов, в том числе 90 видов сырья, 50 партий продукции разных поставщиков.

 

В результате запатентована упаковочная бумага для сыпучих продуктов. Производство такой бумаги составляет 2000 тонн.

 

 

 

 

Пану Лахтинен также представил основные направления производства НЦ: переработка древесных отходов (доминирующий) и микробиологичекий синтез. Последний наиболее детально изучен доктором Малькольмом Брауном из Университета Техаса. Ученый сначала опробовал получение НЦ в культуральной среде с помощью чайного гриба (Kombucha tea). Однако выяснилось, что для производства в промышленных масштабах потребуется большое количество питательных веществ, особенно сахара, вместительные бродильные чаны и, соответственно, обширная заводская территория. В связи с чем, М. Браун взял за основу ГМО сине-зеленые водоросли со встроенным геном ацетобактерий. Использование водорослей позволяет создавать целые органические фермы-заводы по производству в промышленных масштабах наноматериала в больших количествах и недорого, так как для жизнедеятельности водорослей нужны лишь свет, углекислый газ и вода. К тому же, водоросли, поглощая из воздуха углекислый газ, помогут справиться с глобальным потеплением.

 

Клеточным синтезом НЦ также активно занимаются в компании Kruger Inc (Канада), в которой ежедневно перерабатывают 5000 кг растительного сырья для дальнейшего производства компонентов, используемых при производстве продуктов питания, косметических и гигиенических средств, изделий для добычи нефти.

 

 

В России по биокатализу НЦ также ведут исследования. Е. Ефременко (4) поделилась уникальным опытом выращивания бактериальной НЦ на гидролизатах из отходов сельскохозяйственных растений (топинамбур, рис, пшеница). Данный вид НЦ может использоваться вместо простыни для защиты раневого или ожогового поражения кожи. В качестве продуцентов микробиологической НЦ используют активный штамм чайного гриба и бактерии из родов Azotobakter, Rizobium, Acetobacter, Agrobakterium, Salmonella. Причем установлено, что синтез НЦ начинается с глюконовой кислоты.

 

Однако при выращивании целлюлозы на гидролизатах отходов сельскохозяйственной продукции выход наноцеллюлозы не превышает 30%. Это обусловлено действием ферментной системы бактерий и грибов. Для сдвига процесса в сторону усиления синтеза нужны биокатализаторы. Несколько таких энзимов было найдено, что позволило увеличить выгод сухого продукта до 40%. На основании результатов исследований подана заявка на патент РФ на изобретение «Иммобилизованный биокатализатор для получения бактериальной целлюлозы».

 

Исследования свободных и иммобилизованных форм микроорганизмов показали, что в зависимости от типа используемой для их фиксации подложки (графит, кремний, слюда), образуются разные виды целлюлозы (МКЦ, нитевидная и сферическая НЦ, а также их смесь). Автор отметила, что микробиологическая НЦ инертна, не имеет вкуса, запаха, а поэтому может применяться при производстве органических продуктов питания. Например, компании General Mills, Kellogg`s, Kraft и Organic Valley применяют микробиологическую НЦ при приготовлении куриных нагетсов, мясных биточков, начинок для блинчиков, кондитерских изделий, сыров, сухих завтраков, йогуртов, мороженого и сладких сиропов.

 

Елена Николаевна подчеркнула, что производство бактериальной НЦ обладает рядом преимуществ: не нужно, как из древесной массы удалять гемицеллюлозы и лигнин, НЦ синтезируется структурированная, количество нанофибрилл в ней в 100 раз больше, чем у НЦ из древесины. Мнение автора, что бактериальное культивирование НЦ отличают простота технологии, гелевая структура сырья, легкость гомогенизации и возможность получения микроразмерного волокна, подтвердили и другие выступающие.

 

Несколько сообщений было посвящено основному способу получения НЦ. Для ее выделения из древесины - одного из самых распространенных видов растительной целлюлозы, применяют метод гомогенизации древесного материала под высоким давлением. При этом древесная целлюлоза разрушается до нанофибрилл, которые примерно в тысячу раз меньше, чем нити целлюлозы, и удерживаются с помощью водородных связей. В США уже несколько лет действует опытный завод стоимостью 1,7 млн долларов по производству нанокристаллической целлюлозы.

Однако этот метод требует больших затрат энергии и дорогостоящего технологического оборудования: наноцеллюлозу получают в сложном шестиэтапном производстве, при этом древесную массу необходимо очищать от лигнина, который цементирует клеточные стенки, формируя «скелет» растений. В связи с чем, активно изучаются способы удешевления производства CNC. Например, ученые Пермского государственного национального исследовательского университета предложили для очистки целлюлозной массы от лигнина использовать специальный штамм плесневых грибов, выделенный из рода Aspergillus niger.

Для удешевления очистки древесного сырья от лигнина был предложен экологичный окислительный вакуумно-инфузионный процесс делигнификации, для которого используются уксусная кислота и перекись водорода.

 

Виктория Иванова (7) представила результаты изучения процессов производства бумаги, нанесения на нее защитных и специальных покрытий, а также получения НЦ из разных источников целлюлозного сырья, в том числе стеблей льна. Во время дискуссии докладчик утвердительно ответила, что конопля, если будет выращен достаточный объем растительной массы, также годится для производства наноцеллюлозы.

 

 

Физико-механические свойства целлюлозных волокон определяют потребительские качества бумажных изделий, в том числе качество печати. Известно, что чем выше бумага способна сжиматься под натиском печатной формы, тем полнее ее контакт и краски, тем лучше качество печати. В связи с чем, важно повышать упругость и пластические свойства бумаги. Не менее важно, увеличивать стойкость бумаги к деформациям при сжатии и растяжении. Для производства пленок, которые делают бумагу более ровной и прочной, требуется химобработка (карбоксиметилирование) целлюлозы. Кроме того, у нанофибрилярной целлюлозы аморфно-кристаллическая структура. Поэтому для уменьшения смачиваемости и газопроницаемости картона необходима поверхностная модификация 1,1,1,3,3,3-гексаметилдиксилазаном. Поскольку использование НЦ улучшает качество, физико-химические показатели изделий, снижает нагрузку на оборудование, очистные сооружения и экологию окружающей среды, нужно форсировать разработку технологий получения и применения НЦ при производстве картона.

 

 

Н.В. Кузнецова (6) сообщила, что использование НЦ изменяет физико-химические и технологические показатели бумаги, дает однородные беленые, небеленые и слоистые (поверхность более гладкая, чем у однородной) композиты. При этом применение НЦ удешевляет производство беленой бумаги на 20%, н/беленой – на 35%. Добавка 5 кг гидрогелей на основе НЦ на 1тонну бумажной массы улучшила печатные свойства бумаги и обеспечила прибыль до 26 млн. руб. При этом затраты на модификатор составили 30 000 руб на 1 тонну. По общему мнению участников конференции для развития рынка НЦ, стоимость 1 кг НЦ должна быть в пределах 3-4 доллара.

 

Хотя интерес к производству и применению НЦ растет во всем мире, для развития научных исследований, технологий и бизнеса НЦ-продукции, необходимо решить несколько узловых моментов. Один из них - отсутствие единой международной классификации НЦ: терминов, методов производства, оценки и применения готового продукта. Одни докладчики в зависимости от размера волокон классифицировали НЦ на фибриллярную (5-6 nm), кристаллическую (2-20) и бактериальную (20-100 nm). Другие - выделяли фибриллярную целлюлозу (ФБ), порошковую (ПЦ) и наноцеллюлозу (НЦ). В западных странах применяют иное разделение целлюлозных материалов из микроволокон: nanocrystalline cellulose (NCC), cellulose nanocrystals (CNC), cellulose whiskers, nanofibrillated cellulose (NFC), cellulose nanofibrils (CNF), microfibrillated cellulose (MFC), carboxymethylated cellulose (CMC), microcrystalline cellulose (MCC) and cellulose filaments (CF).

 

Дифференция наименований НЦ не случайна. В одних случаях целесообразнее использовать nanocrystalline cellulose (NCC), cellulose nanocrystals (CNC), в других - cellulose nanofibrils (CNF), microfibrillated cellulose (MFC). Например, cellulose nanofibrils (CNF) наиболее эффективно использовать для придания устойчивости конечных изделий, легкости материалов, улучшения технологических процессов. Так, добавка 1-2% cellulose nanofibrils (CNF) к бумажной массе дает значительный рост прочности картона и листовой бумаги, облегчает вес изделия без потери им плотности и упругости. Аналогичные данные получены и российскими учеными (РАО «Бумпром»). Фибриллярная НЦ меньше подвержена действию ферментов, слабее биодеградирует, хуже модифицируется химически. Поэтому пленки на основе CNF подходит для производства устойчивых к влаге пленок и изделий на 3-D принтере. Причем соединение поливинилового спирта с CNF позволяет получать пленки толщиной 20 mic при сохранении прочностных характеристик. Докладчики отмечали, что для использования НЦ необходимо учитывать ее характеристики. Так, влагоудерживающая способность значима при производстве косметических товаров, товаров для регенерирующей медицины, в диетологии. Высокая степень стерильности НЦ важна при ее использовании для замены полифосфатов при приготовлении колбасных изделий или желирующих агентов (агар-агар, карагинан).

В связи с чем, разрабатывается новый межгосударственный стандарт ISO standartization. Кстати, участники конференции предложили внести в итоговый документ пункт, инициирующий участие России в разработке этого международного стандарта, который определит ТУ, терминологию, единые требования к продукту, масштабирование разработок.

 

Несколько выступлений, в том числе и во время обсуждения докладов, было посвящено оборудованию для получения НЦ. Например, технология Grinding включает этапы измельчения, гомогенизации, экструзии и концентрации сухого вещества. Для этого используются механические фильтры, сушки, комбинации химических и механических методов. Отдельно рассматривались аспекты гомогенизации целлюлозной массы: от типа гомогенизатора зависит качество НЦ, в том числе возможность получить ее мелкозернистую форму. Качество готового продукта, который выпускается в виде пасты либо гранул, контролируется визуально и с помощью вискозиметрии. Среди вопросов, которые нужно решить, чтобы активизировать наноцеллюлозную отрасль - выбор оптимальной композиции и технологии для получения НЦ, а также логистика производства.

 

Конференция собрала представителей  разных регионов России, из совершенно непересекающихся отраслей народного хозяйства, технарей, технологов, химиков, микробиологов, биотехнологов, аграриев. Однако это лишь способствовало горячему обсуждению докладов. Стремление таких разных участников конференции  «Наноцеллюлоза»найти общий язык свидетельствует о зарождении нового сегмента отечественной экономики.

 

 С докладами выступили:

 

  1. Алексей АБЛАЕВ, к.т.н., генеральный директор, компания Нанотайга, Центр Новых Технологий. Мировой рынок наноцеллюлозных материалов,  Новая технология производства наноцеллюлозы из биомассы.
  2. Пану ЛАХТИНЕН, старший научный сотрудник, руководитель проектов - Наноцеллюлозные и биоматериалы, Технический исследовательский центр VTT Финляндии. Обзор технологий производства и применения наноцеллюлозных материалов
  3. Эльвира ПОЗЮМКО (была), Александр МАКСИМОВ, ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», Пермь, Россия
    Получение наноструктурированной целлюлозы с применением микробиологических процессов.
  4. Елена ЕФРЕМЕНКО, доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией экобио-катализа, Химический факультет, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова Новые биокатализаторы для синтеза бактериальной целлюлозы.
  5. Андрей КИРСАНКИН, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, Институт Химической Физики им. Н.Н. Семенова РАН Исследование структурных свойств нанесенных частиц наноцеллюлозы.
  6. Нина КУЗНЕЦОВА, доцент кафедры "Химическая технология высокомолекулярных соединений", Казанский национальный исследовательский технологический университет. Регулирование структуры и свойств нанофибриллярной целлюлозы и композитов на ее основе.
  7. Виктория ИВАНОВА, Людмила МАХОТИНА, д.т.н., профессор, Кафедра технологии целлюлозы и композиционных материалов, Высшая школа технологии и энергетики СПбГУТД, С.Петербург. Использование различных видов волокнистых полуфабрикатов для получения порошковой и наноцеллюлозы.
  8. Светлана КОНСТАНТИНОВА, к. б. н., ФГУП «Государственный научный центр лесопромышленного комплекса». Создание опытно-промышленной линии ОПЛ-100 по получению древесной нанофибриллярной целлюлозы
  9. Алексей ХАРЧЕНКО, ФГБУ «ННИИТО им. Я.Л.Цивьяна» Минздрава России
    Структурныe особенности наноцеллюлозы нового перспективного материала для регенерации.
  10. Владимир АВЕРКИЕВ, генеральный директор, ООО ИТП "ПРОМБИОФИТ"
    Российское оборудование на базе насосов-гомогенизаторов серии НГД для производства мелкодисперсных эмульсий, суспензий и гелей.

 

Редакция РОСЛЕНКОНОПЛЯ благодарит Оргкомитет за предоставленную  возможность участия  в конференции «Наноцеллюлоза»


Еще статьи
Сообщить об ошибке



Подписка на новости
* Поле обязательное для заполнения
Оформить заказ: