Ученые разработали безопасный для окружающей среды метод переработки древесины березы в наноцеллюлозу и другие ценные химические продукты. Для этого они объединили два известных ранее нетоксичных и простых химических процесса. Полученные продукты могут использоваться в медицине, ветеринарии, косметической и пищевой промышленности.

Результаты исследования опубликованы в журнале Wood Science and Technology.

Древесина содержит большое количество ценных химических веществ, например, целлюлозу, лигнин, ксилоолигосахариды. Поэтому древесные отходы, такие как опилки, могут перерабатываться и использоваться в медицине, косметологии, пищевой промышленности и других областях. Однако для этого необходимо разработать и подобрать эффективные, но при этом нетоксичные методы превращения древесины в полезные компоненты.

Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» и СФУ научились перерабатывать древесину березы в наноцеллюлозу, ксилозу и адсорбенты экологически безопасным методом. Для этого они разработали единый технологический цикл, объединяющий разные безвредные способы переработки.

Обычно для приготовления целлюлоз используются токсичные серо- и хлорсодержащие компоненты, наносящие вред окружающей среде. Специалисты предложили впервые объединить экологически безопасные процессы гетерогенного каталитического гидролиза и перекисной делигнификации, в которых используются нетоксичные реагенты – перекись водорода, вода и органические кислоты. В результате ученые получили из опилок березы микрокристаллическую, микрофибриллированную и нанокристаллическую целлюлозы, а также ксилозу и адсорбенты с поглощающей активностью в два раза выше, чем у коммерческих аналогов.

Изображения со сканирующего атомно-силового микроскопа полученных образцов микрокристаллической (а), микрофибриллированной (b) и нанокристаллической © целлюлозы. Источник: ФИЦ КНЦ СО РАН

Для того чтобы реакция прошла успешно и наиболее эффективно, исследователи определили оптимальные условия ее проведения: температуру, время, необходимые реагенты и их концентрацию. Например, одним из важных решений было использовать вместо токсичных минеральных кислот твердые кислотные катализаторы диоксид циркония и оксид титана. Это позволило не только повысить безопасность проводимых реакций, но и увеличить число получаемых продуктов.

«Наноцеллюлозные материалы благодаря своим уникальным свойствам очень востребованы для производства аэрогелей, биокомпозитов, биоразлагаемых материалов, медицинских имплантатов и армированных композитов на полимерной основе, пленок и покрытий. Мы предложили новый подход к получению этих ценных химических продуктов, а также ксилозы, лигнина и энтеросорбентов из древесины березы. В этом подходе мы объединили процессы гетерогенно-каталитического гидролиза и пероксидной делигнификации. Использование твердых кислотных катализаторов вместо минеральных кислот позволяет повысить экологическую безопасность процесса и предотвратить коррозионное воздействие на аппаратуру и, следовательно, уменьшить финансовые затраты. К тому же разработанный метод производства целлюлозных продуктов основан на использовании нетоксичных органических и водно-органических растворителей. Полученные продукты биопереработки могут быть использованы в пищевой и химической промышленности, медицине, ветеринарии, при синтезе новых биополимеров и композитов», — рассказал доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией химии природного органического сырья Института химии и химической технологии СО РАН Борис Кузнецов.

Исследование поддержано Российским научным фондом (№ 21–13–00250).