Энергетические аспекты механохимической переработки полимеров растительного сырья

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-73-10074

НазваниеЭнергетические аспекты механохимической переработки полимеров растительного сырья

Руководитель Бычков Алексей Леонидович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-407 - Фундаментальные проблемы химической технологии

Ключевые слова механохимия, полимеры, энергетический выход механохимических процессов, ултраструктура, супрамолекулярное строение, эффективность, переработка, растительное сырьё, механохимические технологии

Код ГРНТИ31.25.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время отмечается увеличение интереса к использованию механохимических методов обработки материалов в технологических цепочках по переработке растительного сырья и сельскохозяйственной продукции. Особо прочные позиции механохимические методы занимают в нише получения компонентов функциональных, лечебно-профилактических и спортивных продуктов питания, содержащих нестабильные при нагревании вещества полифенольной и белковой природы – антиоксиданты, ферменты, витамины, некоторые пробиотики. Научная проблема, решение которой предполагается в Проекте, заключается в практически полном отсутствии фундаментальных данных об энергетике механохимических процессов с участием веществ органической и биоорганической природы. Это приводит к тому, что новые механохимические технологии сталкиваются с большими трудностями при переходе с лабораторного уровня на (полу-) промышленный. Отсутствие фундаментальной базы не позволяет заранее оценить энергетическую эффективность технологии, комплексно и безотходно перерабатывать сырьё, вовлекать в процесс труднодоступные и нереакционноспособные вещества, повышать скорость, выход и селективность реакций. Исследователи вынуждены на своём опыте снова и снова приходить к очевидному выводу – энергия, которая требуется на измельчение (активацию) материала до одного и того же размера (поверхности, реакционной способности), может отличаться в несколько раз, в зависимости от выбора оборудования. При этом имеющиеся к текущему моменту результаты в области измерения и математического моделирования энергозатрат на механохимическую обработку неорганических материалов не удовлетворяют потребности, возникающие при работе с нестабильными веществами, содержащимися в растительном сырье. Заявляемый проект направлен на комплексное изучение физико-химических процессов, протекающих при механохимическом воздействии на отдельные природные полимеры и растительное сырьё в целом, на определение энергии, требующейся для протекания процессов. Решение данной задачи для ряда объектов с постепенно усложняющейся структурой позволит дать ответ на вопрос, по каким каналам релаксации расходуется энергия, передаваемая обрабатываемым материалам в процессе механического воздействия, а установленные физико-химические закономерности будут востребованы при решении смежных проблем химической технологии переработки природных полимеров. Исследование процессов, протекающих в растительном сырье при механической и механохимической обработке, проводилось в основном классическими методами органической химии, химической технологии и даже ботаники. В настоящей работе предлагается рассмотреть растительное сырьё как композитный материал, состоящий из полимеров и имеющий несколько уровней структурной организации «молекула – супрамолекулярный комплекс – модельный материал – реальное сырьё» и применить к его изучению подходы и методы из химии полимеров, материаловедения, химии и физики твёрдого тела. Командой заявителей в течение последнего десятилетия накоплен большой опыт именно на данных стыках наук, разработаны оригинальные методики и подходы. В рамках предлагаемого исследования планируется провести обобщение имеющихся и планируемых к получению знаний. Для достижения поставленных целей будут использованы как хорошо зарекомендовавшие себя в механохимии растительного сырья хроматографические, спектроскопические, рентгеновские методы, отражённые в отчётных публикациях предыдущих проектов РНФ, так и развиваемые коллективом авторов новые методы и методики – электронномикроскопическое исследование результатов механохимической обработки на уровне супрамолекулярных структур и оболочек клеток растительного сырья, математический анализ микрофотографий путем кластеризации структуры по признакам разупорядочения, фрактального анализа изображений с использованием новых нейросетевых самообучающихся алгоритмов, суперкомпьютерное моделирование энергии связывания и ИК-спектров. Будет продолжено междисциплинарное сотрудничество со специалистами математического, информационного, компьютерного, биологического, сельскохозяйственного и физиологического направлений. Кроме того, для выполнения заявленного проекта создан уникальный электротехнический стенд, способный с частотой в 1 миллисекунду – что обеспечивает непрерывность регистрируемой кривой и точность интегрирования – детектировать характеристики электрического тока, потребляемого механохимическим оборудованием. Встроенный в стенд блок обработки позволяет точно определять количество энергии, затраченной на процесс, а также разделять параллельно протекающие процессы «холостого хода» оборудования, работу с загрузкой обрабатываемых веществ, начало и конец обработки. Таким образом, внедрение современных механохимических технологий сдерживается отсутствием общей теории механохимических процессов, в частности – теории механохимических процессов переработки растительного сырья. Этап разработки механохимических технологий методом проб и ошибок исчерпан и заканчивается, необходимо установление фундаментальных закономерностей в данной области, прежде всего, установление энергетических закономерностей механохимических технологий переработки полимеров растительного сырья.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Доме К.В., Подгорбунских Е.М., Бычков А.Л. Ломовский О.И. Changes in the crystallinity degree of starch having different types of crystal structure after mechanical pretreatment Polymers, V. 12. # 641 (год публикации - 2020)
10.3390/polym12030641

2. Скрипкина Т.С., Бычков А.Л., Рожанская О.А., Ломовский О.И. Scaling up the mechanochemical technology for producing materials enriched in humic acids IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, V. 733. # 012042 (год публикации - 2020)
10.1088/1757-899X/733/1/012042

3. Подгорбунских Е.М., Бычков А.Л., Рябчикова Е.И., Ломовский О.И. The Effect of thermomechanical pretreatment on the structure and properties of lignin-rich plant biomass Molecules, V. 25. # 995 (год публикации - 2020)
10.3390/molecules25040995

4. Ломовский И.О., Бычков А.Л., Ломовский О.И., Скрипкина Т.С. Mechanochemical and size reduction machines for biorefining Molecules, V. 25. # 5345 (год публикации - 2020)
10.3390/molecules25225345

5. Доме К., Акименко З., Бычков А., Каламбет Ю., Ломовский О. On the applicability of electrophoresis for protein quantification Polymers, 2021. V. 13. # 3971 (год публикации - 2021)
10.3390/polym13223971

6. Доме К.В., Подгорбунских Е.М., Бычков А.Л., Ломовский О.И. Influence of Mechanical Treatment on the Crystalline Structure of Pea Starch AIP Conference Proceeding, 2390, # 030013 (год публикации - 2022)
10.1063/5.0069197

7. Бычков А.Л., Матвеева А.Г. Introducing Students to Energy-Efficient Mechanochemistry of Biopolymers Journal of Chemical Education, 99, 7, 2630–2635 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.jchemed.1c01164

Публикации