С сучком и задоринкой

Красноярские химики синтезировали новые сорбенты на основе природных полисахаридов, которые помогут бороться с токсичными загрязнениями. Основой для них стала… кора лиственницы. О том, как сделать из коры и щепок сорбент, рассказывает журналу «Наука и жизнь» кандидат химических наук Юрий Маляр, старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН.

– Юрий, как появился ваш метод? 

– В нашем Институте много лет ведутся работы по комплексной переработке природной биомассы. В данном контексте комплексная – значит безотходная, с максимально полезным использованием всех компонентов древесного сырья – коры, отходов рубки и т.д. В настоящее время преимущественно используется только древесина, и объёмы отходов могут составлять до 50% от общего объёма лесозаготовок.

Один из продуктов такой комплексной переработки лиственницы (и другой древесины) – короткие полисахариды, называемыме гемицеллюлозами. Сейчас гемицеллюлозы активно не используются, хотя перспективы их применения лежат в различных областях технологии – пищевой, фармацевтической, экологической и д
Юрий Маляр, кандидат химических наук старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН. Фото: Анастасия Тамаровская / ФИЦ КНЦ СО РАН.

Одна из наиболее интересных гемицеллюлоз – арабиногалактан из древесины лиственницы. Он легко извлекается, имеет отличную растворимость в воде, легко может быть модифицирован. И вот химической модификацией арабиногалактана мы и занимаемся (исследование выполнено за счёт гранта РНФ № 22-73-10212).

– Как эта модификация выглядит?

– Одним из предложенных методов была химическая сшивка – образование межмолекулярных связей с формированием прочных структур с новыми свойствами. При этом важно было сохранить экологичность и биоразлагаемость такого материала. Поэтому от классических активных молекул, которые могут выступать в роли «образующих мостики» было решено отказаться в пользу менее реакционноспособных, но при этом «экологичных» многоосновных карбоновых кислот, которые сами по себе являются биологически активными и встречаются в качестве природных консервантов и компонентов лекарственных субстанций.

– Как же вы получаете сорбенты?

– Сначала мы выяснили, что сочетание арабиногалакатана с карбоновой кислотой позволило бы создать прочный сшитый биоразлагаемый композит. Для получения такого материала пришлось решить несколько технологических вопросов. Дело в том, что сами по себе вещества достаточно плохо вступают в реакцию между собой, поэтому были подобраны условия, оптимальные для протекания реакции. Сначала компоненты растворялись по отдельности, затем реакционные массы смешивались, и при определенной температуре и уровне кислотности достигались условия, оптимальные для протекания реакции по определённому пути.

Образец арабиногалактана. Фото: Анастасия Тамаровская / ФИЦ КНЦ СО РАН.

В итоге самым сложным оказался процесс выделения продукта из раствора. При варьировании температуры и способа высушивания удалось получить целый спектр материалов – от плёночных до объёмных пористых структур. В зависимости от итоговой структуры такие материалы можно использовать в разных областях: плёнки – как упаковочный материал, для систем доставки лекарственных средств; пористые материалы – в качестве биологически активных материалов и сорбентов.

– В чём заключается механизм действия таких сорбентов?

– В основном механизм действия всех сорбентов одинаков: в материале имеется развитая пористая структура с активными центрами, на которых физически и химически связываются загрязнители и токсины. В нашем материале на основе арабиногалакатана и многоосновных карбоновых кислот при высушивании замороженной реакционной массы удалось добиться как раз такой структуры – пористой с активными центрами.

– Оригинальна ли ваша разработка? 

– Сам метод модификации полисахаридов карбоновыми кислотами известен давно, но только в последнее десятилетие он получил достаточное распространение – в том числе из-за тренда на экологичность и использование возобновляемого сырья в предпочтение ископаемому.

Фотографии образцов арабиногалактана и его производных, сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Фото: Анастасия Тамаровская / ФИЦ КНЦ СО РАН.

Для модификации в основном используются распространенные высокомолекулярные полисахариды, такие как крахмал, целлюлоза и др. Оригинальность нашей разработки состоит в использовании древесных гемицеллюлоз с невысокой молекулярной массой для получения востребованных материалов с интересными свойствами.

– Нет ли тут экологических рисков? В том числе для лиственницы, которую вы используете.

– Как я уже сказал, цель комплексной переработки древесины – использование новых веществ и материалов, в том числе отходов деревопереработки, которые в настоящее время либо ограниченно используются, либо сжигаются. Так, арабиногалактан можно выделять из щепы, опилок, сучков лиственницы. В таком случае экологические риски, наоборот, снижаются – утилизируются отходы, повышается экономическая эффективность деревоперерабатывающих производств.

– Применяется ли где-то ваша разработка? 

– Пока нет. На данный момент это чисто фундаментальная работа. Наша группа исследователей ведёт поиски вариантов получения композитов из древесных гемицеллюлоз с заданными свойствами, но по модифицированным методикам – с уменьшением времени синтеза, с добавлением новых свойств, улучшением стабильности материалов.

– Как думаете, получится её внедрить? Какие видите перспективы?

– Думаю, получится. Это направление актуально для химической и лесоперерабатывающей промышленности. Так, к нашим разработкам в этой области уже проявляют интерес некоторые представители промышленности России. Поэтому при удачной реализации наших задумок как в лабораторных экспериментах, так и в дальнейшей технологии для организации крупнотоннажного производства, возможно, в обозримом будущем воспользоваться новыми материалами на основе древесных гемицеллюлоз.

26 июля 2023

Автор: Наталия Лескова