Российские исследователи изучили изменения структуры клеточных стенок растений после механической обработки при разной температуре. Оказалось, что при сильном нагревании получившийся материал становится пористым и выделяет из клеточных стенок лигнин, а значит, этот материал может быть использован для создания поглощающих веществ — сорбентов — для борьбы с загрязнениями тяжелыми металлами. Исследование поддержано Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда.
Фото: Алексей Бычков
Фото: Алексей Бычков
Лигнин содержится в клеточных стенках растений. Он отвечает за прочность ствола или стебля и является важным компонентом древесины. Это один из самых распространенных органических полимеров в мире. Сейчас его не слишком активно используют в промышленности, но высокая теплота сгорания порождает интерес к сжиганию богатых лигнином материалов в малой и распределенной энергетике — относительно небольших генераторах недалеко от потребителя энергии. В результате работы сельского хозяйства и деревообрабатывающего производства в качестве отходов образуется биомасса, содержащая лигнин. Она имеет большой потенциал как возобновляемый ресурс для химической и топливной промышленности. Однако разные технологические операции — например, предварительная механическая обработка сырья — значительно и иногда непредсказуемо меняют физические и химические свойства растительных полимеров. Из-за этой неопределенности растительное сырье все еще недостаточно вовлечено в технологический процесс. Российские ученые из Института химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения
Российской академии наук (Новосибирск) исследовали, как механическая и термическая обработка влияет на физико-химические и структурные особенности богатой лигнином биомассы. Для изучения они взяли уникальное сырье — стебли тростника, которые содержат много этого вещества. Их выдерживали при температурах –196°С, 10°С, 100°С и 180°С, а также подвергали механической обработке в специальных механохимических аппаратах. Ученые выяснили, что в условиях, когда все полимеры находятся в состоянии, схожем с состоянием стекла (при –196°С), структура клеточных стенок сохраняется, сырье измельчается, словно хрупкий хрусталь. При повышении температуры часть полимеров «оттаивает», сырье уже не может хрупко «колоться», и это способствует протеканию химических превращений. Так, при 180°С, когда «оттаяли» практически все полимеры (кроме кристаллитов целлюлозы), в клеточной стенке образуется множество пор.
Это происходит из-за того, что при механическом воздействии расплавленный лигнин выдавливается из клеточной стенки на поверхность частиц. Этот процесс можно продемонстрировать на примере намыленной губки для мытья посуды. Без механического воздействия она может лежать на столе, но стоит на нее нажать — вода и пена выжимаются наружу, а внутри остаются пустые поры.
Эта особенность имеет практическое применение, например, если нужно извлечь полезное вещество из клетки. Режим хрупкого измельчения, в который переходила биомасса при –196°С, поможет это сделать. Клетки можно будет разрушить, но само нужное вещество не пострадает. А режим пластической деформации, возникающий при нагревании, позволит проводить реакции ферментативного или кислотного гидролиза (взаимодействия веществ с водой в присутствии кислот или ферментов).
«В самых экстремальных условиях, когда лигнин выжимается на поверхность частиц, этот продукт тоже можно применять. Пористая структура и слой полифенольных, то есть с несколькими присоединенными к молекуле группами связанных водорода и кислорода, соединений, который образуется при высокотемпературной механической обработке биомассы, делают этот материал весьма перспективным для создания комплексных сорбентов на основе гуминовых кислот. Это вещества, которые поглощают тяжелые металлы из окружающей среды. Молекулы лигнина на поверхности частиц могут связываться с гуминовыми кислотами, образуя рукотворную частицу сорбента. Ядро из растительного сырья обеспечивает плавучесть, а гуминовые кислоты сорбируют тяжелые металлы»,— прокомментировал руководитель проекта Алексей Бычков, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории химии твердого тела Института химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук.
По материалам статьи The Effect of Thermomechanical Pretreatment on the Structure and Properties of Lignin-Rich Plant Biomass; Ekaterina M. Podgorbunskikh, Aleksey L. Bychkov, Elena I. Ryabchikova, Oleg I. Lomovsky; журнал Molecules, март 2020 г.