КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 17-19-01054

НазваниеФундаментальные инженерные аспекты технологии получения бактериальной наноцеллюлозы из легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья

РуководительСакович Геннадий Викторович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук, Алтайский край

Годы выполнения при поддержке РНФ 2017 - 2019  , продлен на 2020 - 2021. Карточка проекта продления (ссылка)

КонкурсКонкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые словабактериальная наноцеллюлоза, технология, легковозобновляемое сырье, целлюлозосодержащее сырье, химическая обработка, энзиматический гидролиз, биосинтез, продуцент, физико-химические свойства, инженерные аспекты.

Код ГРНТИ62.13.00, 61.13.21, 31.25.15


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Актуальность исследований фундаментальных инженерных аспектов получения бактериальной наноцеллюлозы (БНЦ) обусловлена необходимостью разработки технологии и стремлением реализации крупномасштабного производства данного уникального нанопродукта из легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья. По мнению мировой науки БНЦ является биоматериалом с малоизученными фундаментальными свойствами, такими как, биосовместимость, высокая влагоудерживающая способность, наноразмерный диаметр и длина микрофибрилл, непревзойденные прочностные характеристики, исключительные сорбционные свойства, высокие степени кристалличности и полимеризации, индивидуальные структурные характеристики, благодаря которым БНЦ проявляет широкие эксплуатационные свойства в зависимости от области применения: в инновационных высокотехнологичных отраслях (биомедицина, биотехнология и электроника). Этапы выполнения проекта включают в себя научно-теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение выбора легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья и способа его предварительной химической обработки для последующего получения БНЦ, энзиматическую трансформацию предобработанного сырья в питательные среды для получения БНЦ, разработку лабораторного технологического регламента на процесс получения БНЦ из данных видов сырья. Неоднозначность выполнения поставленной задачи обусловлена сложностью биохимического процесса получения БНЦ на средах из легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья, характеризующимся непостоянством химического состава, требовательностью продуцентов к составу питательных сред и условиям культивирования и дополнительными рисками при масштабировании биотехнологического процесса. Таким образом, задача получения БНЦ из легковозобновляемого недревесного сырья неоднозначна, и успех ее решения зависит в первую очередь от инженерной организации процесса на всех стадиях технологического процесса. Научная новизна проекта заключается в постановке новой научно-технической концепции получения ценного нанопродукта из легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья – плодовых оболочек овса и мискантуса; в разработке новых методических подходов исследования фундаментальных свойств БНЦ; в выявлении фундаментальных инженерных химико-биотехнологических аспектов технологии получения БНЦ, включающих предварительную химическую обработку легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья, его энзиматический гидролиз в питательные среды с помощью коммерчески доступных ферментных препаратов, биосинтез БНЦ с помощью общедоступной симбиотической культуры. Значимость проекта заключается в разработке технологии получения БНЦ, а также технической документации, отражающей новые технологические решения: технические условия, технологические прописи, лабораторный технологический регламент. Планируемые результаты позволят не только получить новые фундаментальные знания в области инженерных наук, но и выйти на производительность до 325 кг БНЦ в год. Таким образом, БНЦ является уникальным нанопродуктом, обладающим высоким экономическим потенциалом, уверенно занимающим традиционные и новые рынки мирового хозяйства, и общественная потребность в таком продукте огромна. В Российской Федерации отсутствует производство БНЦ, но современный уровень достижений науки и техники определяет необходимость создания собственного высокотехнологичного производства данного нанопродукта, ориентированного не только на импортозамещение, но на создание инновационных наукоёмких технологий, которые позволят динамично развивать научно-технологический комплекс, получать продукты с высокой добавленной стоимостью и создавать новые рабочие места.

Ожидаемые результаты
– Будут предоставлены научно-теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение выбора легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья и способа его предварительной химической обработки для последующего получения БНЦ. – Будут разработаны технологические основы энзиматической трансформации предобработанного сырья в питательные среды для успешного биосинтеза БНЦ. – Будут обобщены полученные результаты; разработаны фундаментальные основы технологии получения БНЦ на питательных средах из легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья. – Будет разработан лабораторный технологический регламент на процесс получения БНЦ из возобновляемого целлюлозосодержащего сырья. – Полученные результаты будут опубликованы в рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science, Scopus, РИНЦ; будет предоставлен отчёт о выполнении проекта (заключительный). Научная значимость ожидаемых результатов заключается в постановке новой научно-технической концепции получения ценной БНЦ из легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья – плодовых оболочек овса и мискантуса; в разработке новых методик предварительной химической обработки легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья, последующего энзимного гидролиза и биосинтеза БНЦ на питательных средах из легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья; новых методических подходов исследования фундаментальных свойств БНЦ; будут разработаны фундаментальные инженерные химико-биотехнологические аспекты технологии получения БНЦ, включающие предварительную химическую обработку легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья, его энзиматический гидролиз в питательные среды с помощью коммерчески доступных ферментных препаратов, биосинтез БНЦ с помощью общедоступной симбиотической культуры. Таким образом, запланированные результаты проекта полностью соответствуют мировому уровню исследований. Общественная значимость ожидаемых результатов заключается в возможности практического использования запланированных результатов проекта в экономике и социальной сфере. Поскольку, в ходе проекта будет разработана техническая документация, отражающая полученные в ходе исследований технологические решения: технические условия, технологические прописи, лабораторный технологический регламент, то очевидна возможность практического использования запланированных результатов. В настоящее время БНЦ – нанопродукт с высоким экономическим потенциалом уверенно занимает традиционные и новые рынки мирового хозяйства, и общественная потребность в таком продукте огромна. Современный уровень достижений науки и техники определяет необходимость создания в Российской Федерации собственного высокотехнологичного производства данного нанопродукта, ориентированного не только на импортозамещение, но на создание инновационных наукоёмких технологий, которые позволят динамично развивать научно-технологический комплекс России, получать продукты с высокой добавленной стоимостью, создавать новые рабочие места.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В отличии от известных способов получения БНЦ данный проект базируется на мотивированном отказе от синтетических сред и пищевых источников и опирается на концепцию использования малоценного целлюлозосодержащего сырья для получения ценной БНЦ. Целью исследований в 2017 г. являлось научно-теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение выбора легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья и способа его предварительной химической обработки для последующего получения БНЦ. Подготовлен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по вопросам исследований биосинтеза БНЦ на альтернативных питательных средах, который показал, что в настоящее время питательные среды для биосинтеза БНЦ, применяемые в мировой практике, условно можно разделить на синтетические, натуральные из отходов пищевых производств и альтернативные среды из целлюлозосодержащего сырья. Производство БНЦ из целлюлозосодержащего сырья наиболее перспективно и является новым направлением в технологии БНЦ. Данный вид сырья представляет собой устойчивое, ежегодно воспроизводимое в промышленных масштабах сырьё, с длительным сроком хранения, имеющее низкую стоимость и не конкурирующее с пищевой продукцией. Однако, состав питательных сред влияет не только на выход БНЦ, но и на физико-химические свойства полученных образцов, причем качество БНЦ из целлюлозосодержащего сырья не коррелируется с выходом продукта. Представленные данные обзора показывают отсутствие сведений по инжинирингу отдельных стадий и технологического процесса синтеза БНЦ в целом. Следовательно, для успешной реализации этого сложнейшего биотехнологического процесса из легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья требуется глубокая инженерная проработка каждой технологической стадии. Проведены патентные исследования биосинтеза БНЦ на альтернативных питательных средах и оформлен отчёт в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96. Представленные технические решения направлены на снижение высокой себестоимости БНЦ. Анализ технического уровня разрабатываемой технологии показал, что конкретные решения по разработке технологии получения БНЦ из целлюлозосодержащего сырья не предлагались. В РФ крайне необходимо проведение собственных исследований по технологии получения БНЦ для создания импортонезависимого высокотехнологического крупномасштабного производства. Сделан вывод о соответствии предлагаемых технологических приемов критерию «новизна» и оценить их технический уровень как высокий. Разработаны программы и методики экспериментальных исследований: скрининг модельных систем для биосинтеза БНЦ, постановка методик исследования. В результате скрининга модельных систем, предусматривающих химический состав сырья и субстрата для ферментативного гидролиза, способ предварительной обработки сырья, определение реакционной способности к ферментативному гидролизу и биологической доброкачественности получаемой питательной среды, разработаны Программы и методики экспериментальных исследований (всего 10 позиций) в соответствии с межгосударственным стандартом ГОСТ 19.301-79. В работе исполнителями проекта использованы стандартные реактивы и оборудование, общепринятые приемы в химии и биотехнологии. Исследованы фундаментальные свойства экспериментальных образцов БНЦ, полученных на синтетической глюкозной среде, а именно реакционная способность к химической трансформации (нитрованию с целью получения нитратов целлюлозы). Впервые синтезированы нитраты целлюлозы из укрупненного образца БНЦ, полученной на синтетической питательной среде в статических условиях в реакторе объёмом 20 л с использованием симбиотической культуры Мedusomyces gisevii. Образцы БНЦ были высушены двумя способами, что обусловило различные характеристики нитратов целлюлозы. Нитрованием серно-азотной кислотной смесью получены образцы нитратов целлюлозы со следующими характеристиками: массовая доля азота на уровне – 10,96-11,42 %, вязкость в диапазоне 916-2035 мПа∙c, растворимость в спиртоэфирной смеси в пределах 13,4-47,2 %. Обнаружено образование органогеля при определении вязкости (растворение 1 г нитратов целлюлозы из БНЦ в 50 мл ацетона). Методом ИК-спектроскопии показано наличие основных характеристических частот, соответствующим колебаниям нитрогрупп в синтезированных образцах. ТГА/ДТА анализ подтвердил высокую чистоту полученных нитратов целлюлозы из БНЦ. Методом ЯМР13С-спектроскопии установлено, что синтезированные нитраты целлюлозы из БНЦ содержат 2,6-, 3,6- и 2,3,6-замещённые фрагменты глюкопиранозного цикла макромолекулы целлюлозы. В рамках проекта научно-теоретически обоснован выбор двух видов массового, ежегодно воспроизводимого в промышленных масштабах целлюлозосодержащего сырья для последующего получения БНЦ: отход зернопереработки – плодовые оболочки овса (ПОО) и «энергетическая», то есть быстрорастущая культура, мискантус (Miscanthus sinensis – Andersson). С целью экспериментального подтверждения выбора легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья и способа его предварительной химической обработки для последующего получения БНЦ исследована предварительная химическая обработка ПОО и мискантуса четырьмя способами, включая авторские подходы: одностадийно разбавленным раствором азотной кислоты с получением продукта азотнокислой обработки (ПАО); одностадийно разбавленным раствором гидроксида натрия с получением продукта щелочной делигнификации (ПЩД); двустадийно разбавленным раствором азотной кислоты и последущей обработкой разбавленным раствором гидроксида натрия с получением технической целлюлозы азотнокислым способом (ТЦ АС); двустадийно разбавленным раствором гидроксида натрия и последующей обработкой разбавленным раствором азотной кислоты с получением технической целлюлозы комбинированным способом (ТЦ КС). Показано, что все четыре вида предварительной химической обработки позволяют примерно в два раза по сравнению с исходным сырьём повысить содержание целлюлозы (от 39,1 % в ПОО и 49,6 % в мискантусе до 71,8-95,8 % в продуктах обработки) и снизить содержание нецеллюлозных компонентов, то есть являются эффективными. По содержанию целлюлозы и по содержанию гидролизуемых компонентов полученные различными способами предварительной обработки субстраты и для ПОО, и для мискантуса можно расположить в ряд: ТЦ АС>ТЦ КС>ПЩД>ПАО. При этом в субстратах из мискантуса целлюлозы больше, чем в субстратах из ПОО на 2,4-7,4 % для каждого соответствующего вида предварительной химической обработки, что логически объясняется химическим составом сырья: в сырье-мискантусе целлюлозы содержалось на 10 % больше, чем в сырье-ПОО. Таким образом, можно предположить, что ТЦ АС ПОО и мискантуса, представляющие собой наиболее химически чистые субстраты, будут предпочтительными для последующего биосинтеза БНЦ. Очевидно, что по выходу от массы сырья, полученному на стадии предварительной химической обработки субстраты для ПОО, и для мискантуса можно расположить в ряд: ПАО>ПЩД> ТЦ КС>ТЦ АС. Для ПОО получены следующие выходы субстратов (%): 37,5>34,7>32,6>22,0; для мискантуса: 39,6>37,7>34,3>24,6, то есть, чем чище химический состав субстрата (с превалированием целлюлозы), тем меньше его выход. Таким образом, получены все ожидаемые в 2017 г. результаты проекта; т.е. план 2017 г. выполнен в полном объеме. Часть результатов исследования предварительной химической обработки плодовых оболочек овса и мискантуса приведены в диссертационной работе Байбаковой Ольги Владимировны «Разработка технологии получения биоэтанола из нетрадиционного целлюлозосодержащего сырья» на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 03.01.06 – Биотехнология (в том числе бионанотехнологии), защищенной 20 октября 2017 г. в Д 006.069.01 при Федеральном государственном бюджетном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности (ФГБНУ ВНИТИБП), Московская область, Щелковский район, пос. Биокомбината. Часть результатов будет приведена в диссертационной работе основного исполнителя гранта Гладышевой Евгении Константиновны «Разработка технологии получения бактериальной целлюлозы из плодовых оболочек овса» на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 03.01.06 – Биотехнология (в том числе бионанотехнологии), защита которой запланирована на 16 марта 2018 г. в Д 006.069.01 при ФГБНУ ВНИТИБП, Московская область, Щелковский район, пос. Биокомбината. Полученные результаты опубликованы в одной статье в журнале Web of Science и/или Scopus (Doklady Biochemistry and Biophysics) и в пяти статьях в журналах РИНЦ Сакович Г.В., Скиба Е.А., Будаева В.В., Гладышева Е.К., Алешина Л.А. Технологические основы получения бактериальной наноцеллюлозы из сырья с нулевой себестоимостью // Доклады академии наук. – 2017, Т. 477, № 1. – С. 109 –112. DOI: 10.7868/S0869565217310231. G.V. Sakovich, Е.А. Skiba, V.V. Budaeva, E.K. Gladysheva, L.A. Alеshina Тechnology fundamentals of bacterial nanocellu-lose production from zero prime-cost feedstock // Doklady Biochemistry and Biophysics. – 2017. – In press. Корчагина А.А. К вопросу нитрования бактериальной целлюлозы // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 9-1. – С. 59-63]. Байбакова О.В. Проблемы масштабирования в водной среде ферментативного гидролиза продукта азотнокислой обработки плодовых оболочек овса – питательной среды для биосинтеза бактериальной целлюлозы // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 9-2. – С. 261-265. Гисматулина Ю.А. Предварительная химическая обработка мискантуса для последующего получения бактериальной целлюлозы // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 9-2. – С. 284-289. Гладышева Е.К. Биосинтез бактериальной целлюлозы на ферментативном гидролизате лигноцеллюлозного материала мискантуса // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 9-2. – С. 290-294. Гладышева Е.К. Исследование влияния различных стимулирующих добавок на биосинтез бактериальной целлюлозы продуцентом Мedusomyces gisevii Sa-12 // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 10-2. – С. 194-198. Ещё 2 статьи отправлены в научные издания Web of Science и Scopus.

 

Публикации

1. - Учёные Алтайского края успешно завершают первый год научных исследований в области биотехнологии по гранту РНФ Управление Алтайского края по пищевой, перерабатывающей, фармацевтической промышленности и биотехнологиям [Электронный ресурс], http://www.ffprom22.ru/info/9499/ (год публикации - ).

2. - Аннотация результатов, полученных в 2017 г. лабораторией биоконверсии ИПХЭТ СО РАН, по гранту РНФ 17-19-01054 Управление Алтайского края по пищевой, перерабатывающей, фармацевтической промышленности и биотехнологиям [Электронный ресурс], http://www.ffprom22.ru/biotechnology/projects/ (год публикации - ).

3. Байбакова О.В. Проблемы масштабирования в водной среде ферментативного гидролиза продукта азотнокислой обработки плодовых оболочек овса – питательной среды для биосинтеза бактериальной целлюлозы Фундаментальные исследования, № 9-2, С. 261-265. (год публикации - 2017).

4. Гисматулина Ю.А. Предварительная химическая обработка мискантуса для последующего получения бактериальной целлюлозы Фундаментальные исследования, № 9-2, С. 284-289 (год публикации - 2017).

5. Гладышева Е.К. Исследование влияния различных стимулирующих добавок на биосинтез бактериальной целлюлозы продуцентом Мedusomyces gisevii sa-12 Фундаментальные исследования, № 10-2, С. 194-198. (год публикации - 2017).

6. Гладышева Е.К. Подходы к исследованию структуры бактериальной целлюлозы Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности, материалы 10-ой Всероссийской научно-практической конференции. Бийск: Издательство Алтайского государственного технического университета, 2017., С. 356-358. (год публикации - 2017).

7. Гладышева Е.К. Биосинтез бактериальной целлюлозы на ферментативном гидролизате лигноцеллюлозного материала мискантуса Фундаментальные исследования, № 9-2, С. 290-294. (год публикации - 2017).

8. Корчагина А.А. К вопросу нитрования бактериальной целлюлозы Фундаментальные исследования, № 9-1, С. 59-63. (год публикации - 2017).

9. Корчагина А.А., Гисматулина Ю.А. Бактериальная целлюлоза – источник для синтеза новых видов нитратов целлюлозы Современные проблемы химической науки и фармации: сборник материалов 6-ой Всероссийской конференции c международным участием. Чебоксары: Изд-во Чувашского университета, 2017., С. 172. (год публикации - 2017).

10. Миронова Г.Ф., Макарова Е.И. Получение питательной среды, предназначенной для биосинтеза бактериальной целлюлозы, в ферментёре объемом 11 л Науки о жизни: от исследований к практике: материалы 1-ой Международной молодежной научной конференции. Издательство Алтайского государственного технического университета, 2017., С. 22-23. (год публикации - 2017).

11. Сакович Г.В., Скиба Е.А., Будаева В.В., Гладышева Е.К., Алешина Л.А. Технологические основы получения бактериальной наноцеллюлозы из сырья с нулевой себестоимостью Доклады академии наук, том 477, № 1, С. 109-112 (год публикации - 2017).

12. Скиба Е.А. Скрининг модельных систем для биосинтеза бактериальной наноцеллюлозы Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности, материалы 10-ой Всероссийской научно-практической конференции. Бийск: Издательство Алтайского государственного технического университета, 2017., С. 332-336 (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе реализации проекта РНФ «Фундаментальные инженерные аспекты технологии получения бактериальной наноцеллюлозы из легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья» (соглашение № 17-19-01054) не только получены все запланированные на 2018 год научные результаты, но и проведены работы по перевыполнению плана, а именно, во-первых, осуществлен биосинтез бактериальной наноцеллюлозы (БНЦ) на питательной среде, полученной из энзиматических гидролизатов четырёх видов субстратов из плодовых оболочек овса, во-вторых, установлены уникальные свойства полученных образцов БНЦ и экспериментально показана возможность их применения в абдоминальной хирургии. Результаты второго этапа проекта в 2018 году: 1. Исследованы фундаментальные свойства экспериментальных образцов БНЦ, полученных на синтетической глюкозной среде (реакционной способности к энзиматическому гидролизу). Установлено, что содержание примесных компонентов в субстрате (компонентов питательной среды и клеток) и влажность оказывают наибольшее влияние на эффективность ферментативного гидролиза БНЦ. Удаление компонентов питательной среды и клеток приводит к увеличению степени конверсии в 1,5 раза (от 56,3-66,6 % до 89,4-99,5 %). Высушивание влажного образца БНЦ приводит к снижению скорости ферментативного гидролиза, но не оказывает влияния настепень конверсии: максимальный выход РВ 99,5 % достигается через 56 ч и 16 ч, соответственно. 2. Установлены зависимости эффективности энзиматической трансформации от способа предварительной химической обработки легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья. Показано, что одностадийные (разбавленным раствором азотной кислоты или гидроксида натрия) и двухстадийные способы (азотнокислый или комбинированный) химической предобработки приводят к увеличению выхода редуцирующих веществ при гидролизе в 6,6-7,3 раз по сравнению с сырьём: от 12,2 % до 79,7-83,4 % в случае плодовых оболочек овса и от 11,1 % до 79,9-80,5 % в случае мискантуса. 3. Разработка технологических основ энзиматической трансформации предобработанного сырья в питательные среды для биосинтеза БНЦ. 3.1. Оптимизирован состав мультиэнзимной композиции для энзиматической трансформации предобработанного сырья, показано, что максимальная концентрация редуцирующих веществ достигается при соотношении ферментных препаратов, мг/г субстрата: «Целлолюкс-А» – 18, «Ультрафло Коре» – 55, «Брюзайм BGX» – 0. В результате симплекс-центроидного математического моделирования состава мультиэнзимной композиции для получения питательных сред, предназначенных для биосинтеза БНЦ, рекомендована мультиэнзимная композиция из ферментных препаратов в следующих дозировках, мг/г субстрата: «Целлолюкс-А» – 54, «Ультрафло Коре» –165. 3.2. Проведены фундаментальные исследования твёрдого остатка, остающегося после энзиматической трансформации продукта азотнокислой обработки плодовых оболочек овса. Установлено, что твердый остаток на 58,2 % представлен неорганическими компонентами, в которых доля кремнезёма составляет 95,4 %. Показаны высокая чистота и рентгеноаморфность кремнезема из твердого остатка, что позволит применять его на практике и раскрывает возможность комплексного использования органических и неорганических компонентов растительного сырья в технологии энзиматического гидролиза. 3.3. Исследован процесс биосинтеза БНЦ на питательных средах, приготовленных на основе энзиматических гидролизатов четырёх видов субстратов из плодовых оболочек овса (продукт азотнокислой обработки, продукт щелочной делигнификации, техническая целлюлоза, полученная азотнокислым способами техническая целлюлоза, полученная комбинированным способом). Данный пункт связан с перевыполнением плана 2018 г. Питательная среда на основе энзиматического гидролизата технической целлюлозы, полученной азотнокислым способом, являлась наиболее доброкачественной для биосинтеза БНЦ: выход БНЦ составил 9,0 %, что сопоставимо с выходом БНЦ при биосинтезе на синтетической питательной среде. Несмотря на снижение выхода БНЦ на остальных энзиматических средах, необходимо отметить, что все полученные образцы БНЦ являются чистыми соединениями, содержащими только целлюлозу. Образцы имеют сетчатую структуру, представляющую собой неупорядоченное переплетение микрофибрилл толщиной от 25 до 200 нм, и высокую степень кристалличности – от 86 до 93 %, что является подтверждением целесообразности использования именно энзиматической технологии гидролиза целлюлозосодержащего сырья. В опытных образцах БНЦ преобладает низкосимметричная метастабильная фаза Iα, ее содержание составляет от 93,6 % до 100 %. Впервые установленный факт биосинтеза высококристаллической БНЦ с преобладанием низкосимметричной фазы Iα независимо от состава питательной среды объясняется использованием симбиотической культуры Мedusomyces gisevii Sa-12 и указывает на перспективность её применения в реальном производстве. Перечисленные уникальные свойства полученных образцов БНЦ позволяют применять данный материал в абдоминальной хирургии, что экспериментально подтверждено публикациями 2018 г. Таким образом, получены фундаментальные результаты, позволившие разработать инженерные основы технологии производства БНЦ из плодовых оболочек овса и оформить техническую документацию на прекурсоры БНЦ. Часть результатов исследования приведена в диссертационной работе основного исполнителя Гладышевой Евгении Константиновны «Разработка технологии получения бактериальной целлюлозы из плодовых оболочек овса» на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 03.01.06 – Биотехнология (в том числе бионанотехнологии), защищенной 23 марта 2018 г. в Д 006.069.01 при Федеральном государственном бюджетном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности (ФГБНУ ВНИТИБП), Московская область, Щелковский район, пос. Биокомбината (утв. Приказом № 219/нк от 16.10.2018). 4. Разработана техническая документация, отражающая технологические решения, найденные в ходе исследований: технические условия на субстрат из плодовых оболочек овса и мискантуса для биосинтеза бактериальной целлюлозы (ТУ 17.11.14-237-10018691-2018, ТУ 17.11.14-237-10018691-2018, зарег. 29.10.2018 в ФБУ «Алтайский ЦСМ») и на ферментативные гидролизаты целлюлозы плодовых оболочек овса и мискантуса (ТУ 17.11.14-238-10018691-2018, зарег. 29.10.2018 в ФБУ «Алтайский ЦСМ»); лабораторные технологические инструкции на получение субстрата и ферментативных гидролизатов; Программы и методики экспериментальных исследований. 5. Полученные результаты опубликованы в 13 научных статьях (10 статей – в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus; все 13 статей опубликованы в изданиях, индексируемых в РИНЦ). Отправлены статьи в журналы Q1. Все статьи опубликованы с указанием благодарности Российскому Научному Фонду. Результаты проведенных исследований представлены на 6 научных мероприятиях международного и Всероссийского уровня. В процессе выполнения гранта РНФ четверо исполнителей в возрасте до 30 лет защитили диссертации на соискание ученой степени кандидата наук (Корчагина А.А., Гисматулина Ю.А., Байбакова О.В., Гладышева Е.К.), трое исполнителей в возрасте до 30 лет были повышены в должности. Таким образом, грант РНФ не только обеспечил возможность выполнения научной работы, но и способствовал профессиональному росту молодежи. Благодарим РНФ за информационную поддержку, которая обеспечила интерес руководства действующих производств и малого бизнеса к результатам наших фундаментальных исследований. Поэтому появилась уверенность, что разрабатываемые за счет средств фонда технологические основы найдут реальное применение в российской экономике.

 

Публикации

1. - Разработки молодых учёных Алтайского края в области биотехнологии получили заслуженное признание Управление Алтайского края по пищевой, перерабатывающей, фармацевтической промышленности и биотехнологиям [Электронный ресурс], http://www.ffprom22.ru/info/9811/ 14 Мая 2018 г. (год публикации - ).

2. - Поздравляем с успешной защитой кандидатской диссертации младшего научного сотрудника Гладышеву Евгению Константиновну Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН [Электронный ресурс], http://www.ipcet.ru/index.php/institut/novosti/353-novosti-pozdravlyaem-s-uspeshnoj-zashchitoj-kandidatskoj-dissertatsii-mladshego-nauchnogo-sotrudnika-gladyshevu-evgeniyu-konstantinovnu 10.05.2018 (год публикации - ).

3. - Федеральные гранты и стипендии подтверждают эффективность работы молодых ученых-биотехнологов в Алтайском крае Официальный сайт Алтайског края [Электронный ресурс], http://www.altairegion22.ru/region_news/federalnye-granty-i-stipendii-podtverzhdayut-effektivnost-raboty-molodyh-uchenyhbiotehnologov-v-altaiskom-krae_679506.html 15 мая 2018 г. (год публикации - ).

4. - Лидер среди выпускников БТИ Гисматулина Юлия: от диплома специалиста до диплома кандидата наук всего пять лет! Официальный сайт Бийского технологического института [Электронный ресурс], http://www.bti.secna.ru/news/lider-sredi-vypusknikov-bti-gismatulina-yuliya-ot-diploma-spetsialista-do-diploma-kandidata-nauk-vsego-pyat-let/ 23.05.2018 (год публикации - ).

5. - Бийчанин изучает, как на местном сырье производить целлюлозу дешевле Бийский рабочий [Электронный ресурс], http://biwork.ru/naukograd/185206-bijchanin-izuchaet-kak-na-mestnom-syre-proizvodit-tsellyulozu-deshevle.html 08.06.2018. (год публикации - ).

6. - Сельскохозяйственные отходы превратили в уникальный вид целлюлозы Российский научный фонд [Электронный ресурс], http://rscf.ru/ru/node/3164 18 июня 2018 г (год публикации - ).

7. - Ученые из России превратили сельхозотходы в уникальную наноцеллюлозу Наука в Сибири [Электронный ресурс], http://www.sbras.info/articles/overview/uchenye-iz-rossii-prevratili-selkhozotkhody-v-unikalnuyu-nanotsellyulozu 18 июня 2018 (год публикации - ).

8. - Ученые из России превратили сельхозотходы в уникальную наноцеллюлозу РИА Новости [Электронный ресурс], https://ria.ru/science/20180618/1522904247.html 18.06.2018 (год публикации - ).

9. - Сельскохозяйственные отходы превратили в уникальный вид целлюлозы Индикатор [Электронный ресурс], https://indicator.ru/news/2018/06/18/bakterialnaya-nanocelyulloza/ 18.06.2018 (год публикации - ).

10. - Сельскохозяйственные отходы превратили в уникальный вид целлюлозы МИР ВОКРУГ Настоящее-Прошлое-Будущее [Электронный ресурс], https://mirvokrug.blog/2018/06/20/selskohozjajstvennye-othody-prevratili-v-unikalnyj/ 20.06.2018 (год публикации - ).

11. - Сельскохозяйственные отходы превратили в уникальный вид целлюлозы NANO NEWS NET Сайт о нанотехнологиях #1 в России [Электронный ресурс], http://www.nanonewsnet.ru/news/2018/selskokhozyaistvennye-otkhody-prevratili-v-unikalnyi-vid-tsellyulozy%26 18.06.2018 (год публикации - ).

12. - Российские ученые превратили бактерии и сельскохозяйственные отходы в сверхпрочное волокно Вечерняя Москва [Электронный ресурс], http://vm.ru/news/505320.html 18.06.2018 (год публикации - ).

13. - Сельскохозяйственные отходы превратили в уникальный вид целлюлозы БИОТЕХ 2030 [Электронный ресурс], http://biotech2030.ru/selskohozyajstvennye-othody-prevratili-v-unikalnyj-vid-tsellyulozy/ 20.06.2018 (год публикации - ).

14. - Сельскохозяйственные отходы превратили в уникальный вид целлюлозы Техника будущего [Электронный ресурс], http://rao-ees.ru/selskoxozyajstvennye-otxody-prevratili-v-unikalnyj-vid-cellyulozy/ 18.06.2018 (год публикации - ).

15. - Россия: учёные из Бийска превратили сельхозотходы в уникальную наноцеллюлозу Аграрный сектор [Электронный ресурс], https://agrosektor.kz/agriculture-news/rossiya-uchyonye-iz-bijska-prevratili-selhozothody-v-unikalnuyu-nanocellyulozu.html 19.06.2018 (год публикации - ).

16. - Алтайские ученые превратили сельхозотходы в уникальную наноцеллюлозу Официальный сайт Алтайского края [Электронный ресурс], http://www.altairegion22.ru/region_news/altaiskie-uchenye-prevratili-selhozothody-v-unikalnuyu-nanotsellyulozu_692868.html 19.06.2018 (год публикации - ).

17. - Сельскохозяйственные отходы превратили в уникальный вид целлюлозы Газета.ru [Электронный ресурс], https://www.gazeta.ru/science/news/2018/06/18/n_11669467.shtml?utm_medium=exchange&utm_source=smi2 18.06.2018 (год публикации - ).

18. - Бийские ученые создают материал будущего Сайт Российского научного фонда [Электронный ресурс], http://rscf.ru/ru/node/3340 13 сентября 2018 г. (год публикации - ).

19. - Бийские ученые создают материал будущего Бийский округ [Электронный ресурс], http://biysk-ok.ru/2018/09/13/bijskie-uchenye-sozdajut-material-budushhego/ 13 сентября 2018 г. (год публикации - ).

20. - Встреча исследователей бактериальной наноцеллюлозы на Форуме «Биоазия» Сайт BioTechno Group. Инжиниринг и комплексные поставки биотехнологического оборудования [Электронный ресурс], https://biotechno.ru/about_company/news/vstrecha-issledovateley-bakterialnoy-nanotsellyulozy-na-forume-bioaziya/ 27 сентября 2018 г. (год публикации - ).

21. - Алтайские учёные создали экологичную наноцеллюлозу Вести Алтай [Электронный ресурс], https://vesti22.tv/video/altayskie-uchyonye-sozdali-ekologichnuyu-nanocellyulozu 9 октября 2018 г. (год публикации - ).

22. - Алтайские учёные создали экологичную наноцеллюлозу Бийский рабочий [Электронный ресурс], http://www.ipcet.ru/index.php/institut/novosti/387-novosti-altajskie-uchjonye-sozdali-ekologichnuyu-nanotsellyulozu 15 октября 2018 г. (год публикации - ).

23. - Нановещество с уникальными свойствами создано в Бийске Бийский рабочий [Электронный ресурс], http://biwork.ru/news/nanovesestvo-s-unikalnymi-svojstvami-sozdano-v-bijske 10 октября 2018 г. (год публикации - ).

24. - Высший пилотаж сибирских ученых Сайт Честное слово. Инфо [Электронный ресурс], https://4s-info.ru/2018/11/08/vysshij-pilotazh-sibirskih-uchenyh/ 8 ноября 2018 г. (год публикации - ).

25. Алешина Л.А., Гладышева Е.К., Будаева В.В., Скиба Е.А., Архарова Н.А., Сакович Г.В. X-ray Diffraction Study of Bacterial Nanocellulose Produced by the Medusomyces Gisevii Sa-12 Culture in Enzymatic Hydrolysates of Oat Hulls Crystallography Reports, Vol. 63, No. 6, pp. 955-959 (год публикации - 2018).

26. Байбакова О.В. Осахаривание субстратов из мискантуса для биосинтеза бактериальной целлюлозы II Международный биотехнологический симпозиум «Bio-Asia – 2018», 24-28 сентября 2018 г., г. Барнаул, - (год публикации - 2018).

27. Будаева В. В., Скиба Е.А., Гладышева Е.К., Кащеева Е.И., Гисматулина Ю.А., Павлов И.Н., Байбакова О.В., Корчагина А.А., Миронова Г.Ф., Сакович Г.В. Бактериальная наноцеллюлоза: результаты собственных исследований От биопродуктов к биоэкономике: материалы II Межрегиональной научной-практической конференции (с международным участием), г. Барнаул, 12-13 апреля 2018 г., Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2018., С. 18-22. (год публикации - 2018).

28. Бычин Н.В., Голубев Д.С., Скиба Е.А. Термогравиметрические и механические характеристики бактериальной наноцеллюлозы в зависимости от способа получения питательных сред – ферментативных гидролизатов из плодовых оболочек овса Ползуновский вестник, № 3, С. 109-115 (год публикации - 2018).

29. Гладышева Е.К. Разработка технологии получения бактериальной целлюлозы из плодовых оболочек овса Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы XI Всероссийской научно-практическая конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, 23-25 мая 2018 г, Бийск 2018., С. 358-362. (год публикации - 2018).

30. Гладышева Е.К. Effects of cultivation conditions on the biosynthesis of bacterial nanocellulose Izvestiya vuzov-prikladnaya khimiya i biotekhnologiya, Vol. 8, № 3, P. 33-40. (год публикации - 2018).

31. Гладышева Е.К., Кащеева Е.И. Энзиматический гидролиз бактериальной наноцеллюлозы Актуальные проблемы теории и практики гетерогенных катализаторов и адсорбентов: материалы III Всероссийской научной конференции (с международным участием), г. Иваново, 26-30 июня 2018 г, Т. 2. - С. 85-87. (год публикации - 2018).

32. Гладышева Е.К., Скиба Е.А Биосинтез бактериальной наноцеллюлозы на альтернативных питательных средах: обзор Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А. Овчинникова, Т. 14, № 1. С. 92-101 (год публикации - 2018).

33. Гладышева Е.К., Скиба Е.А., Золотухин В.Н., Сакович Г.В. Study of the Conditions for the Biosynthesis of Bacterial Cellulose by the Producer Medusomyces gisevii Sa-12 Applied Biochemistry and Microbiology, Vol. 54, No. 2, pp. 179–187 (год публикации - 2018).

34. Голубев Д.С., Бычин Н.В., Скиба Е.А. Разработка методики подготовки бактериальной целлюлозы к растровой электронной микроскопии Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы XI Всероссийской научно-практическая конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием., 23-25 мая 2018 г, Бийск, 2018., С. 386-389 (год публикации - 2018).

35. Голубев Д.С., Бычин Н.В., Скиба Е.А. Разработка методики определения толщины гидратированной бактериальной целлюлозы Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы XI Всероссийской научно-практическая конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, 23-25 мая 2018 г., Бийск., С. 390-392 (год публикации - 2018).

36. Голубев Д.С., Гладышева Е.К. Биосинтез бактериальной целлюлозы на волокнистом продукте мискантуса Современные проблемы техники и технологии пищевых производств: материалы 19-ой Международной научно-практической конференции, 22-23 марта 2018 г., г. Барнаул. Барнаул: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2018., С. 37-40 (год публикации - 2018).

37. Голубев Д.С., Гладышева Е.К., Скиба Е.А., Бычин Н.В. Термический анализ бактериальной целлюлозы, полученной на ферментативных гидрализатах мискантуса II Международный биотехнологический симпозиум «Bio-Asia – 2018», 24-28 сентября 2018 г., - (год публикации - 2018).

38. Жариков А.Н., Лубянский В.Г. , Гладышева Е.К., Скиба Е.А., Будаева В.В., Семенова Е.Н., Жариков А.А., Сакович Г.В. Early morphological changes in tissues when replacing abdominal wall defects by bacterial nanocellulose in experimental trials Journal of Materials Science: Materials in Medicine, Vol. 29, No. 2, pp. 95. (год публикации - 2018).

39. Жариков А.Н., Лубянский В.Г., Гладышева Е.К., Скиба Е.А., Будаева В.В., Семенова Е.Н., Мотин Ю.Г., Жариков А.А. Prosthetic hernioplasty using bacterial nanocellulose: An experimental study Clinical and Experimental Surgery, Vol. 6, No. 2, pp. 59-66. (год публикации - 2018).

40. Земнухова Л.А., Скиба Е.А., Будаева В.В., Панасенко А.Е., Полякова Н.В. Composition of Inorganic Components of Oat Husks and Products of Their Chemical and Enzymatic Transformation Russian Journal of Applied Chemistry, Vol. 91, No. 2, pp. 230−234 (год публикации - 2018).

41. Кащеева Е.И. Fundamentals of chemical enzymatic transformation of lignocellulosic biomass into bacterial cellulose Biotechnology: state of the art and perspectives: the proceedings of International forum, May 23-25, 2018, Moscow. Moscow: LLC «RED GROUP»., P. 766-767 (год публикации - 2018).

42. Кащеева Е.И., Будаева В.В. Определение реакционной способности к ферментативному гидролизу целлюлозосодержащих субстратов Заводская лаборатория. Диагностика материалов., Т. 84. № 10. С. 5-11. (год публикации - 2018).

43. Кащеева Е.И., Гисматулина Ю.А., Будаева В.В. Pretreatment methods of non-woody cellulosic feedstocks to prepare nutrient broths for bacterial cellulose synthesis Carbohydrate Polymers, - (год публикации - 2019).

44. Кащеева Е.И., Гладышева Е.К., Скиба Е.А.,Будаева В.В. A study of properties and enzymatic hydrolysis of bacterial cellulose Cellulose, - (год публикации - 2019).

45. Миронова Г.В., Кащеева Е.И.,Скиба Е.А., Кухленко А.А. Optimizing the composition of multi-enzyme cocktail to prepare nutrient broths from cellulosic feedstocks Biotechnology: state of the art and perspectives: the proceedings of International forum, May 23-25, 2018, Moscow. Moscow: LLC «RED GROUP»., С. 765-766 (год публикации - 2018).

46. Сакович Г.В., Скиба Е.А., Гладышева Е.К., Будаева В.В., Алешина Л.А. Chemical aspects of bacterial nanocellulose Journal of Siberian Federal University. Chemistry, - (год публикации - 2018).

47. Скиба Е.А. Biosynthesis of bacterial nanocellulose in media obtained from cellulose containing materials Izvestiya vuzov-prikladnaya khimiya i biotekhnologiya, Vol. 8, № 3, P. 33-40. (год публикации - 2018).

48. Скиба Е.А., Будаева В.В., Овчинникова Е.В., Гладышева Е.К., Павлов И.Н., Сакович Г.В. Production technology of bacterial cellulose from oat hulls Chemical Reactors: abstracts of the XXIII International conference (CHEMREACTOR‐23), Ghent, Belgium, November 5-9, 2018., P. 374-375 (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В ходе реализации проекта РНФ «Фундаментальные инженерные аспекты технологии получения бактериальной наноцеллюлозы из легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья» (соглашение № 17-19-01054) все запланированные на 2019 год научные результаты получены в полном объёме. Кроме того, разработанные фундаментальные основы технологии получения БНЦ на питательных средах, полученных из легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья, прошли апробацию в опытно-промышленных условиях. Таким образом, план перевыполнен. Результаты третьего этапа проекта в 2019 году: 1. Исследованы и разработаны технологические приёмы для повышения выхода БНЦ на питательных средах, полученных из легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья. 1.1. В качестве сырья в 2019 г. использован мискантус, выращенный в Западной Сибири. Показано, что по мере взросления плантации мискантуса от 1 года до 4 лет, повышается целлюлозная составляющая его биомассы от 41,6 % до 53,7 %, то есть с четвертого года плантацию можно считать зрелой, и выращенную на ней биомассу мискантуса можно рекомендовать для промышленного использования. Для повышения выхода БНЦ рекомендовано использовать не всё растение целиком, а стебель мискантуса, поскольку содержание целлюлозы в нём выше, чем в листе: 48,1-56,6% против 38,7-45,2 %. Для определения ежегодных сроков заготовки биомассы впервые предложен гистохимический анализ мискантуса, позволяющий быстро определить степень лигнификации стебля. 1.2. Установлено что ключевым технологическим приёмом, позволяющим повысить выход БНЦ при её биосинтезе на питательных средах, полученных из мискантуса, является предварительная обработка сырья. Наибольший выход БНЦ синтезирован на питательной среде, полученной энзиматической трансформацией технической целлюлозы, выделенной азотнокислым способом (6,1 % БНЦ от концентрации РВ в среде). Это очень близко к выходу БНЦ на среде из технической целлюлозы, полученной комбинированным способом (6,0 %) и в 1,2 раза больше, чем на средах продукта азотнокислой обработки и продукта щелочной делигнификации (5,0 %). Однако, выход БНЦ на среде из технической целлюлозы, полученной азотнокислым способом, в 1,5 раз меньше, чем на синтетической питательной среде (9,0 %), что свидетельствует о наличии ингибиторов в средах, полученных из энзиматических гидролизатов мискантуса. 2. Исследованы зависимости физико-химических свойств БНЦ от технологических параметров. Установлено, что БНЦ, полученные из мискантуса четырьмя авторскими способами (одностадийными и двустадийными обработками разбавленными растворами азотной кислоты и гидроксида натрия) являются химически чистыми целлюлозами, имеющими степень полимеризации от 1000 до 1800, представляют собой неупорядоченное переплетение микрофибрилл толщиной от 25 до 200 нм; на 96-98 % состоят из алломорфа I-альфа, имеют степень кристалличности в диапазоне 86-93 %, модуль Юнга от 933,3 МПа до 490,0 МПа и характеризуются температурой начала разложения от 307 до 347 °С. Таким образом, обнаружено уникальное свойство независимости основных физико-химических свойств БНЦ от способа предварительной химической обработки мискантуса. Другими словами, обнаружена уникальная способность симбиотической культуры Мedusomyces gisevii Sa-12 продуцировать БНЦ стандартного качества независимо от состава питательной среды, что открывает реальную возможность стабильной, устойчивой работы симбиотической культуры в условиях реального производства. По содержанию алломорфа I-альфа и степени кристалличности БНЦ, синтезируемая с помощью Мedusomyces gisevii Sa-12, превосходит все мировые аналоги. 3. Исследованы фундаментальные свойства экспериментальных образцов БНЦ: 3.1. Показано, что максимальная степень полимеризации БНЦ – 5000 – достигается при внесении инокулята в дозировке 10 %, отклонения дозировки в большую и меньшую сторону приводят к снижению степени полимеризации. Установлено, что при увеличении продолжительности биосинтеза от 7 до 21 суток степень полимеризации БНЦ снижается на 50 %. Показано, что дозировка инокулята в диапазоне от 10 до 20 % обеспечивает выход БНЦ 7,5-8,0 %, при этом дозировка инокулята 20 % (об.) позволяет сократить продолжительность культивирования вдвое. 3.2. Разработана методика испытаний на растяжение гидратированных гель-плёнок БНЦ. При различных скоростях нагружения прочность на разрыв различается в 16 раз, модуль Юнга в 1,3 раз, а относительное удлинение при максимальной нагрузке – в 1,5 раза. Рекомендованная скорость нагружения составила 20 г/мин. Определено максимальное относительное удлинение гидратированной БНЦ в водной среде: 51,4 %, что в 3,1 раза больше, чем при растяжении образца на воздухе. Показано, что в процессе растяжения волокна БНЦ выстраиваются вдоль вектора нагружения, что открывает возможности для направленного изменения структуры БНЦ. 3.3. Установлено, что масштабированное циклическое культивирование в объёмах от 10 л до 72 л в трёх циклах не приводит к снижению выхода БНЦ. 3.4. Из образца БНЦ массой 6800 г во влажном состоянии или 136 г в сухом (массовая доля α-целлюлозы – 99 %, степень полимеризации – 4000) синтезированы нитраты целлюлозы (НЦ) с массовой долей азота 10,96 % и высочайшей вязкостью 916-1900 мПа∙с, что значительно выше, чем для растительных целлюлоз. Обнаружено, что в НЦ трехмерная сетчатая наноразмерная структура волокон исходной БНЦ полностью сохраняется при незначительном утолщении самих волокон, что принципиально отличает нитраты из БНЦ от нитратов растительных целлюлоз. Обнаружено, что НЦ при растворении в ацетоне образует прозрачный высоковязкий органогель, дальнейшие исследования которого расширяют области применения модифицированной БНЦ. 4 Разработаны фундаментальные основы технологии получения БНЦ на питательных средах, полученных из легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья 4.1 Блочно в разработанной технологии БНЦ можно выделить следующие основные этапы: 1) химическая обработка сырья осуществляется двустадийно разбавленным раствором азотной кислоты (4 мас. %) и последующей обработкой разбавленным раствором гидроксида натрия (4 мас. %) с получением технической целлюлозы азотнокислым способом (ТЦ АС); 2) энзиматический гидролиз ТЦ АС; 3) приготовление питательной среды на основе энзиматического гидролизата из ТЦ АС; 4) биосинтез БНЦ с помощью симбиотической культуры Мedusomyces gisevii Sa-12; 5) очистка БНЦ с помощью 2 мас.% раствора гидроксида натрия и 1 мас. % раствора соляной кислоты; 6) стерилизация и упаковывание БНЦ. 4.2 Разработанная технология была апробирована на опытно-промышленном производстве ИПХЭТ СО РАН. В реализованной технологической линии производства масштабированы основные операции трансформации плодовых оболочек овса в БНЦ. Показано, что на каждой технологической стадии получены выходов полупродуктов, сопоставимые с выходами, полученными при лабораторных исследованиях. В итоге получен хороший выход: 80,5 тонн БНЦ влажностью 98 % из 100 тонн плодовых оболочек овса. Это свидетельствует об успешных инженерных решениях на каждой технологической стадии производства БНЦ из плодовых оболочек овса. 5. Разработаны технические условия на БНЦ и лабораторные технологические прописи на изготовление экспериментальных образцов БНЦ на питательных средах, полученных из легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья (Технические условия. Бактериальная целлюлоза из плодовых оболочек овса и мискантуса. ТУ 17.11.14-244-10018691-2019, зарегистрирован в ФБУ «Алтайский ЦСМ» рег. № 009212 от 20.06.2019 г.). Разработан лабораторный технологического регламента на процесс получения БНЦ из возобновляемого целлюлозосодержащего сырья (Технологический регламент получения бактериальной целлюлозы из плодовых оболочек овса и мискантуса ТР10018691.02101.00230). 6. В ходе реализации 3-го этапа проекта (2019 г) план НИР перевыполнен. Полученные результаты опубликованы в 23 публикации РИНЦ, в том числе в десяти научных статьях, из которых девять статей – в журналах Web of Science и/или Scopus: Chemical Engineering Journal (IF=8.355, Q 1), Polymers (IF=3.164, Q 1), Nanomaterials (IF=4.210, Q 1), Crystallography Reports (IF=0.762, Q 2), Russian Chemical Bulletin (IF=1.014, Q 3), Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal Of Genetics And Breeding (ИФ РИНЦ=0.858, Q 4), Catalysis in Industry (ИФ РИНЦ=0.562, Q 4), Izvestiya vuzov-prikladnaya khimiya i biotekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology] (ИФ РИНЦ=0.369, Q 4). За период выполнения Проекта в 2019 г. научная группа награждалась семь раз: руководителю Проекта вручен орден «За заслуги перед Отечеством» II степени, два молодых исполнителя стали победителями конкурса губернатора Алтайского края «Интеллектуальный капитал Алтая», при уже имеющихся в научной группе пяти Стипендиатах Президента РФ еще один молодой исполнитель стал победителем конкурса на Стипендию Президента РФ молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики на 2019-2021 гг.; основной исполнитель награжден Благодарностью Федерального собрания РФ; молодой исполнитель награжден Благодарственным письмом Управления Алтайского края по пищевой, перерабатывающей, фармацевтической промышленности и биотехнологиям; молодому исполнителю вручен сертификат рецензента журнала Carbohydrate Polymers.

 

Публикации

1. - This interesting article is authored by Ekaterina I. Kashcheyeva, Yulia A. Gismatulina and Vera V. Budaeva, supported by the Russian Science Foundation. Polymers MDPI, https://twitter.com/Polymers_MDPI/status/1184362012312141824?s=20 (год публикации - ).

2. - Определены победители краевого конкурса «Интеллектуальный капитал Алтая» за 2019 год Сибирское отделение Российской академии наук, https://www.sbras.ru/ru/news/43175 (год публикации - ).

3. - Итоги конкурса на получение стипендии Президента Российской Федерации в 2019-2021 годах для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики Сибирское отделение Российской академии наук, https://www.sbras.ru/ru/news/43174 (год публикации - ).

4. - Представитель Алтайского края стал победителем конкурса 2019-2021 года на получение стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам Управление Алтайского края по пищевой, перерабатывающей, фармацевтической промышленности и биотехнологиям, http://www.ffprom22.ru/info/14890/ (год публикации - ).

5. - Статья ученых ИПХЭТ СО РАН опубликована в журнале "Chemical Engineering Journal" Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук, http://www.ipcet.ru/index.php/institut/novosti/439-novosti-statya-uchenykh-ipkhet-so-ran-opublikovana-v-zhurnale-chemical-engineering-journal (год публикации - ).

6. - Бактерии на службе у медицины Коммерсантъ, https://www.kommersant.ru/doc/4163226 (год публикации - ).

7. - Российские ученые будут синтезировать наноцеллюлозу из соломы и овса ПОИСК, https://www.poisknews.ru/themes/himiya/rossijskie-uchenye-budut-sintezirovat-nanoczellyulozu-iz-solomy-i-ovsa/ (год публикации - ).

8. - Ученые нашли способы получить бактериальную наноцеллюлозу высокого качества Газета.RU, https://www.gazeta.ru/science/news/2019/11/19/n_13716620.shtml (год публикации - ).

9. - Ученые нашли способы получить бактериальную наноцеллюлозу высокого качества Indicator, https://indicator.ru/chemistry-and-materials/uchenye-nashli-sposoby-poluchit-bakterialnuyu-nanocellyulozu-vysokogo-kachestva-24-11-2019.htm (год публикации - ).

10. - Статья ученых ИПХЭТ СО РАН опубликована в журнале «Nanomaterials» Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук, http://ipcet.ru/index.php/institut/novosti/442-novosti-statya-uchenykh-ipkhet-so-ran-opublikovana-v-zhurnale-nanomaterials (год публикации - ).

11. Алешина Л.А., Гладышева Е.К., Будаева В.В., Голубев Д.С., Скиба Е.А., Сакович Г.В. X-ray Diffraction Study of Bacterial Nanocellulose Produced by Medusomyces Gisevii Sa-12 Cultured in Enzymatic Hydrolysates of Miscanthus Crystallography Reports, Vol. 64, No. 6, pp. 914–919 (год публикации - 2019).

12. Байбакова О.В., Гладышева Е.К. Pretreatment effect of miscanthus on bacterial nanocellulose yield Biotechnology: state of the art and perspectives: the proceedings of International congress, February 25-27, 2019, Moscow. – Moscow: LLC «RED GROUP», P. 457–458. (год публикации - 2019).

13. Будаева В.В., Гисматулина Ю.А., Миронова Г.Ф., Скиба Е.А., Гладышева Е.К., Кащеева Е.И., Байбакова О.В., Корчагина А.А., Шавыркина Н.А., Голубев Д.С., Бычин Н.В., Павлов И.Н., Сакович Г.В. Bacterial nanocellulose nitrates Nanomaterials, Vol. 9, № 12. P. 1694 (год публикации - 2019).

14. Будаева В.В., Миронова Г.Ф., Гисматулина Ю.А., Скиба Е.А., Гладышева Е.К., Кащеева Е.И., Байбакова О.В., Корчагина А.А., Голубев Д.С., Бычин Н.В., Сакович Г.В. Biosynthesis of BNC and BNC-based nitrocellulose 4th International Symposium on Bacterial Nano-Cellulose. – Porto,Portugal, 3-4th October 2019, - (год публикации - 2019).

15. Будаева В.В., Миронова Г.Ф., Кащеева Е.И., Гладышева Е.К., Гисматулина Ю.А., Жариков А.Н., Скиба Е.А. Фундаментальные свойства бактериальной наноцеллюлозы Механизмы адаптации микроорганизмов к различным условиям среды обитания: тез. Всероссийской научной конференции с международным участием. Иркутск, 4–7 июня 2019 г. / [отв. ред. В. К. Войников]; СИФИБР СО РАН., С. 177-179 (год публикации - 2019).

16. Гисматулина Ю.А., Будаева В.В., Сакович Г.В., Васильева О.Ю., Зуева Г.А., Гусар А.С., Дорогина О.В. Features of the resource species Miscanthus sacchariflorus (Maxim.) Hack. when introduced in West Siberia Vavilov Journal of Genetics and Breeding, Vol. 23, no. 7, pp. 933-940 (год публикации - 2019).

17. Гисматулина Ю.А., Гладышева Е.К., Будаева В.В., Сакович Г.В. Synthesis of bacterial cellulose nitrates Russian Chemical Bulletin, International Edition, Vol. 68, № 11 (год публикации - 2019).

18. Гладышева Е.К., Гисматулина Ю.А., Гилязова А.А., Будаева В.В., Севастьянова Ю.В., Бычин Н.В. Исследование фильтрующей способности бумаги с добавлением бактериальной целлюлозы Материалы III Межрегиональной научно-практической конференции «От биопродуктов к биоэкономике», 7 – 8 ноября 2019 года, г. Барнаул., С. 244-247 (год публикации - 2019).

19. Гладышева Е.К., Голубев Д.С., Байбакова О.В., Будаева В.В. Биосинтез бактериальной целлюлозы на ферментативном гидролизате технической целлюлозы мискантуса Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы XII Всероссийской научно-практическая конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием. – г. Бийск, 22-24 мая 2019 г., С. 441-444 (год публикации - 2019).

20. Гладышева Е.К., Голубев Д.С., Скиба Е.А. Investigation of bacterial nanocellulose biosynthesis by Medusomyces gisevii Sa-12 from enzymatic hydrolyzate obtained by alkaline delignification of miscanthus Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology], Vol. 9, no. 2, pp. 260–269. (год публикации - 2019).

21. Голубев Д.С., Бычин Н.В., Будаева В.В., Скиба Е.А. Методика испытаний на растяжение гидратированных гель-плёнок бактериальной целлюлозы Заводская лаборатория. Диагностика материалов., T. 85. № 10. С. 64-69 (год публикации - 2019).

22. Голубев Д.С., Ситникова А.Е., Шавыркина Н.А., Гладышева Е.К. Гель-пленки бактериальной наноцеллюлозы для использования в качестве гемостатических покрытий Материалы III Межрегиональной научно-практической конференции «От биопродуктов к биоэкономике», 7 – 8 ноября 2019 года, г. Барнаул., С. 247-250 (год публикации - 2019).

23. Голубев Д.С., Скиба Е.А., Будаева В.В., Шавыркина Н.А., Гладышева Е.К. A study of cultivation of bacterial cellulose in media with antibiotics Biotechnology: state of the art and perspectives: the proceedings of International congress, February 25-27, 2019, Moscow. – Moscow: LLC «RED GROUP», P. 88-90. (год публикации - 2019).

24. Голубев Д.С., Шавыркина Н.А., Скиба Е.А., Бычин Н.В. Влияние способа высушивания на механические характеристики бактериальной целлюлозы Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы XII Всероссийской научно-практическая конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием. – г. Бийск, 22-24 мая 2019 г., С. 415-417. (год публикации - 2019).

25. Кащеева Е., Гисматулина Ю., Будаева В. Pretreatment of non-woody cellulosic feedstocks for bacterial cellulose synthesis Polymers, Vol. 11, № 10, P.1645 (год публикации - 2019).

26. Кузнецов П.С., Шилов А.И., Гладышева Е.К. Исследование влияния различных факторов на биосинтез бактериальной наноцеллюлозы в статических условиях Материалы III Межрегиональной научно-практической конференции «От биопродуктов к биоэкономике», 7 – 8 ноября 2019 года, г. Барнаул., С. 251-262. (год публикации - 2019).

27. Миронова Г.Ф. Scale-up of repeated-batch biosynthesis of bacterial nanocellulose Biotechnology: state of the art and perspectives: the proceedings of International congress, February 25-27, 2019, Moscow. – Moscow: LLC «RED GROUP», P. 469-470. (год публикации - 2019).

28. Миронова Г.Ф., Скиба Е.А., Кухленко А.А. Preparation of nutrient media from lignocellulose: compositional optimization of multienzyme cocktail Catalysis in Industry, № 2 (год публикации - 2020).

29. Ситникова А.Е., Гладышева Е.К., Скиба Е.А., Будаева В.В., Шавыркина Н.А. Aeration effect on cultivation efficiency of bacterial nanocellulose Biotechnology: state of the art and perspectives: the proceedings of International congress, February 25-27, 2019, Moscow. – Moscow: LLC «RED GROUP», P. 76–77 (год публикации - 2019).

30. Ситникова А.Е., Корчагина А.А., Шавыркина Н.А., Гладышева Е.К. Бычин Н.В. Тонкие гель-пленки бактериальной наноцеллюлозы для использования в абдоминальной хирургии Материалы III Межрегиональной научно-практической конференции «От биопродуктов к биоэкономике», 7 – 8 ноября 2019 года, г. Барнаул., С. 266-269. (год публикации - 2019).

31. Ситникова А.Е., Шавыркина Н.А., Гладышева Е.К. Получение бактериальной целлюлозы на средах из целлюлозосодержащего сырья и перспективы ее использования в медицине Актуальные проблемы сельского хозяйства горных территорий: материалы VII-й Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию Горно-Алтайского государственного университета (6-8 июня 2019г.), С. 456-459 (год публикации - 2019).

32. Ситникова А.Е., Шавыркина Н.А., Гладышева Е.К., Скиба Е.А., Бычин Н.В. Изучение толщины и прочности образцов БЦ в зависимости от продолжительности культивирования Мedusomyces gisevii SA-12 Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы XII Всероссийской научно-практическая конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием. – г. Бийск, 22-24 мая 2019 г., С. 417-421. (год публикации - 2019).

33. Скиба Е.А., Байбакова О.В., Гладышева Е.К., Будаева В.В. Study of the influence of Medusomyces gisevii Sa-12 inoculum dosage on bacterial cellulose yield and degree of polymerisation Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology], Vol. 9, no. 3, pp. 420-429 (год публикации - 2019).

34. Скиба Е.А., Будаева В.В., Овчинникова Е.В., Гладышева Е.К., Кащеева Е.И., Павлов И.Н., Сакович Г.В. A technology for pilot production of bacterial cellulose from oat hulls Chemical Engineering Journal, - (год публикации - 2020).


Возможность практического использования результатов
Полученные в рамках Проекта 2017 результаты фундаментальных исследований по научному направлению Инженерные науки характеризуются высоким потенциалом их практического использования в экономике и социальной сфере РФ и по существу представляют собой базовую основу технологии принципиальной новой для РФ продукции – БНЦ. Создан научный и технологический задел, который может обеспечить реальный рост и социальное развитие РФ, поскольку полученные результаты являются прорывными не только в масштабе страны, но в мировом масштабе. Краткое перечисление конкретных результатов, отвечающих критериям п. 5.9: 1. Разработанные нами фундаментальные основы технологии получения БНЦ из легковозобновляемого целлюлозосодержащего сырья (из массового отхода зернопереработки– плодовых оболочек овса и многолетнего травянистого злака с высокой урожайностью в условиях Западной Сибири – мискантуса) можно рассматривать в качестве первого этапа по созданию новых технологий переработки промышленных отходов и низкостоимостного сырья в биотехнологические продукты с высокой добавленной стоимостью. Данный результат соответствует мировым тенденциям по биоэкономике и циркулярной экономике. 2. Технологическая цепочка получения БНЦ из плодовых оболочек овса была постадийно апробирована на опытно-промышленном производстве ИПХЭТ СО РАН и показала свою состоятельность. В процессе были получены укрупненные образцы полупродуктов (субстратов, ферментативных гидролизатов) и единичные образцы БНЦ. Данный пункт отражает формирование научных и технологических заделов, обеспечивающих экономический рост и социальное развитие РФ, поскольку производство БНЦ отсутствует в РФ. 3. Разработанная техническая документация, отражающая найденные в ходе фундаментальных исследований технологические решения, подтверждает критерии п. 5.9 «создание новой продукции…, создание новых технологий». Для регистрации разработанной нами нормативно-технической документации в ФБУ «Алтайский ЦСМ» (г. Барнаул) были представлены образцы полупродуктов и целевой БНЦ в требуемых объемах. 4. Установленная нами способность симбиотической культуры Мedusomyces gisevii Sa-12 вести биосинтез БНЦ в нестерильных условиях, на сложных питательных средах без внесения витаминов и стимуляторов роста, обуславливает реальную возможность стабильной, устойчивой работы консорциума в условиях реального производства. 5. Установлено, что симбиотическая культура Мedusomyces gisevii Sa-12 независимо от вида сырья и способа его предварительной обработки способна синтезировать БНЦ стандартного качества и с уникальными характеристиками: степень кристалличности составляет 86-93 %, содержание алломорфа I-альфа – 96-98 %, что превосходит все мировые аналоги БНЦ и открывает новые области её применения. 5.1. Нитраты БНЦ принципиально отличаются от аналогичных продуктов нитрования растительной целлюлозы чрезвычайно высокой вязкостью и способностью образовывать прозрачные органогели при растворении в ацетоне, что описано нами впервые. Свойства и области возможного применения данного органогеля подлежат отдельному изучению, их принципиальные отличия открывают возможность к применению в современных наукоемких областях. Пункт соответствует критерию «создание новой продукции». 5.2. Совместно с учеными ФГБОУ ВО «АГМУ» Минздрава России (г. Барнаул) показана возможность применение БНЦ в абдоминальной хирургии. Пункт соответствует критерию «создание новой продукции». Благодаря РНФ полученные нами результаты стали доступны не только научной, но и образовательной среде и представителям бизнеса. В ИПХЭТ СО РАН обращались с целью приобретения патентов на технологии синтеза БНЦ для производства медицинских изделий, создания новых технологий получения БНЦ из сырья заказчика, оценки возможности реализации разработанной нами технологии БНЦ на действующих предприятиях пищевой и химической промышленности. Образцы БНЦ в виде гель-пленки и в сухом виде были предоставлены в научные центры и ведущие университеты, в том числе в Москву и Санкт-Петербург, для полного профильного исследования, для продвижения на рынке готовых для использования (потребления) изделий на основе БНЦ. В ИПХЭТ СО РАН обратились: – исследовательские центры (ФГБУ «НМИЦ гематологии» Минздрава России, г. Москва, ноябрь 2017 г.; АО «ГНИИХТЭОС», г. Москва, ноябрь 2018 г.; Алтайский краевой центр термических поражений, г. Барнаул, август 2018; ФГАОУ ВО «Первый МГМУ имени И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет)», г. Москва, сентябрь 2019 г.), – ведущие российские университеты (ФГБОУ ВО «АГМУ» Минздрава России, г. Барнаул, октябрь 2017 г.; ФГАОУ ВО «САФУ им. М.В. Ломоносова», г. Архангельск, январь 2017 г.; ФГБУН «Институт химии растворов им. Г.А. Крестова РАН», г. Иваново, октябрь 2017 г.; ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», г. Санкт-Петербург, февраль 2018 г.; ФГБОУ ВО «ИрНИТУ», г. Иркутск, август 2019 г.), – представители реального бизнеса (АО «ФНПЦ «Алтай», г. Бийск, май 2017 г., ООО Фирма «Технология-Стандарт», г. Барнаул, июнь 2017 г.; АО «Группа «Илим», г. Санкт-Петербург, сентябрь 2018 г.; ФКП «Комбинат Каменский», Ростовская область, г. Каменск-Шахтинский, ноябрь 2018 г.; ООО «Диарит», г. Тамбов, январь 2019 г; ООО «СвирьЛес», Ленинградская область, г. Лодейное Поле, сентябрь 2019 г.). БНЦ имеет огромный потенциал практического применения и как самостоятельный полимер, и в составе композитов, что благоприятно для экономического роста и развития социальной сферы, так как многие сферы применения носят яркий социальный характер.