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 22-73-00124
НазваниеИсследование механизма рекристаллизации разупорядоченной целлюлозы в составе растительного сырья
Руководитель Подгорбунских Екатерина Михайловна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл
Конкурс №70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-302 - Структура и свойства полимеров, многокомпонентных полимерных систем
Ключевые слова целлюлоза; растительное сырьё; механохимия; механическая предварительная обработка; ферментативный гидролиз; кристаллическая структура; полисахариды; супрамолекулярная структура; разупорядочение
Код ГРНТИ31.25.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Несомненно, дальнейшее развитие человечества тесно связано с использованием возобновляемых ресурсов и природных полимеров в лёгкой промышленности и для узкой специализации, например, в медицинских изделиях. Для этих целей всесторонне исследуются такие природные полимеры, как целлюлоза, крахмал, кератин, хитин и др., среди которых особое место занимает целлюлоза – самый распространенный полисахарид на Земле. Целлюлоза обладает рядом важнейших полезных свойств, включая возобновляемость, биосовместимость, способность к биологическому разложению и нетоксичность, что открывает путь к применению целлюлозы и материалов на ее основе для заживления и перевязки ран, доставки лекарств, производства волокон, 3D печати в пищевой, текстильной и фармацевтических областях. Очевидно, что лигноцеллюлозная биомасса является одним из основных природных и возобновляемых источников для выделения целлюлозы.
Наиболее применимые подходы для получения из целлюлозы востребованных химических продуктов с высокой добавленной стоимостью основаны на гетерогенных превращениях, эффективность которых напрямую зависит от количества запасенной энергии в результате предварительной подготовки (например, измельчения) исходного сырья. Известно, что в процессе гетерогенной обработки аморфизованной целлюлозы протекает обратный процесс перестройки (в частности, образование водородных связей) полимерных цепей – рекристаллизация целлюлозы. В твердой фазе подвижность цепей целлюлозы ограничена, при изменении среды, например набухании, растворении или частичном гидролизе, увеличивается свободный объем молекулярной цепи целлюлозы и, таким образом, увеличивается степень свободы, необходимая для рекристаллизации.
Рекристаллизация приводит к увеличению степени кристалличности (соотношению кристалличных областей к аморфным), что снижает эффективность гидролиза (кислотного, ферментативного), поскольку кристаллические участки целлюлозы труднее подвергаются воздействию, чем разупорядоченные. Данный эффект в наибольшей степени наблюдается на чистых препаратах целлюлозы, при этом целлюлоза претерпевает фазовые переходы и становится менее реакционноспособной в гетерогенных превращениях. Особенно явно наблюдается ингибирование ферментативных процессов. Исследователи и технологи приходят к одинаковому выводу, что необходимо принимать меры для подавления эффекта рекристаллизации целлюлозы.
Целлюлоза в составе растительного сырья обладает отличительными супрамолелулярными свойствами, для которых эффект рекристаллизации до сих пор недостаточно изучен. Лигноцеллюлозные материалы отличаются от препаратов выделенной целлюлозы присутствием в составе лигнина – полифенольной составляющей, которая в процессе предварительной подготовки может перераспределяться на поверхность, дополнительно экранируя целлюлозу в гетерогенных превращениях.
В научной литературе существует только одно упоминание о том, что процесс рекристаллизации древесины после измельчения в шаровой мельнице отличается от рекристаллизации выделенной целлюлозы. Предположительно, присутствие лигнина в образцах затрудняет рекристаллизацию аморфной целлюлозы в кристаллическую целлюлозу II, при этом не было обнаружено влияния лигнина на рекристаллизацию с образованием целлюлозы I. С другой стороны, отмечается незначительное влияние наличие лигнина и гемицеллюлоз в составе древесины на процесс рекристаллизации при варке целлюлозы.
Несмотря на прогресс, достигнутый в последние годы, в установлении особенностей строения и поведения в процессе перестройки структуры чистой целлюлозы, одной из основных проблем разработки новых композиционных и функциональных материалов является недостаток фундаментальных знаний и понимания процесса рекристаллизации целлюлозы в составе растительного сырья.
Для установления механизма процесса рекристаллизации целлюлозы в составе растительного сырья предлагается рассмотреть растительное сырья на всех уровнях структурной организации: от индивидуальных полимерных цепей до супрамолекулярной структуры сырья в целом. Предлагаемый подход заключается в адаптации методов, характерных для химии полимеров, материаловедения и химии твёрдого тела, позволяющих получить новые прорывные результаты на стыке наук «химия твёрдого тела – органическая химия», «материаловедение – механохимия – ботаника».
Заявляемый проект направлен на:
1. комплексное изучение физико-химических процессов, протекающих при рекристаллизации целлюлозы в составе растительного сырья;
2. описание механизма процесса рекристаллизации целлюлозы;
3. определение влияния данного процесса на реакционную способность лигноцеллюлозных материалов.
Решение данных задач позволит дать ответ на вопрос о влиянии основных структурообразующих полимеров растительного сырья на протекание рекристаллизации целлюлозы, а установленные физико-химические закономерности внесут вклад в развитие химической технологии переработки лигноцеллюлозного сырья.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ