Ликбез. Целлюлоза вне ЦБП: от продуктов питания до пороха

Ликбез. Целлюлоза вне ЦБП: от продуктов питания до пороха

Говоря о целлюлозе, ошибочно считать источником ее получения только лишь древесину. Кроме хвойных (сосна, ель) и лиственных (береза, эвкалипт) пород деревьев, где содержится около 40-50% целлюлозы, ресурсом для ее производства являются хлопок (волокна содержат до 90% чистой целлюлозы), лен, конопля и другие лубяные культуры.  

Также получить целлюлозу можно из сельскохозяйственных отходов (соломы, багасса*, стеблей кукурузы), травянистых растений (мискантус, эспарто, амарант) или  водорослей.

*Багасс — отходы сахарного тростника.


Ученые Северного (Арктического) федерального университета им. Ломоносова (САФУ) определили, что целлюлозу можно также получить в процессе жизнедеятельности микроорганизмов (бактериальная целлюлоза) и из представителей морской фауны (туницин**).

**Туницин — вид целлюлозы, который содержится в тунике оболочников.


Наиболее распространенными методами извлечения целлюлозы являются механическая или химическая обработка сырья. Первый метод подразумевает измельчение растения с последующим отделением целлюлозных волокон. Второй предполагает обработку сырья реагентами (например, сульфатный или сульфитный процессы) для удаления лигнина и других нецеллюлозных компонентов. В одной из своих научных работ ученые САФУ подробнее представили способы воздействия на исходное сырье для получения разного вида целлюлозных материалов.

Так, с помощью размола на шаровой мельнице получается порошковая целлюлоза, а путем механической обработки — микрофибриллярная (МФЦ). Слабокислый гидролиз дает микрокристаллическую целлюлозу (МКЦ), а ультраизмельчение или кислотный гидролиз позволяет получать нанофибриллярный и нанокристаллический виды этого биополимера.

Хотя основным потребителем целлюлозы остается целлюлозно-бумажная промышленность, спектр ее использования гораздо шире. В частности, она применяется для производства товаров повседневного спроса.

В пищевой промышленности в качестве многофункциональной добавки выступает микрокристаллическая целлюлоза (E460). Ее можно встретить в хлебобулочных, колбасных и кондитерских изделиях, мясных полуфабрикатах, соусах, кремах, паштетах, супе-пюре, молочных и других продуктах. В зависимости от технологических задач, применение целлюлозы может улучшить консистенцию и текучесть конечного продукта, снизить потерю массы и увеличить выход готового изделия, обогатить его пищевыми волокнами, увеличить срок хранения.

Порошковая микрокристаллическая целлюлоза широко используется в качестве вспомогательного вещества при изготовлении жидких, сыпучих и таблетированных лекарственных средств, суспензий, мазей, кремов.  

В научной статье «Микрокристаллическая целлюлоза в производстве таблеток» Костантин Жихад и декан фармацевтического факультета Витебского государственного медицинского университета Валентина Кугач отметили, что от большего количества МКЦ в таблетках их прочность увеличивается, а времени на их распад требуется больше, что пролонгирует действие некоторых лекарственных средств. Также для такого вида целлюлозы характерна способность адсорбирования, которая в десять раз превышает возможность активированного угля. «Это ценное свойство микрокристаллической целлюлозы позволяет использовать ее в качестве энтеросорбента, который  обладает неспецифическим дезинтоксикационным действием», — отмечают ученые.

В косметической отрасли МКЦ помогает улучшить текстуру и консистенцию таких продуктов, как крема, лосьоны. Также этот вид целлюлозы используется в качестве абсорбента в антиперспирантах и дезодорантах.

В текстильной промышленности из целлюлозы производят вискозу, модал, лиоцелл, ацетат. Такие ткани считаются экологически чистыми, тем самым органично встраиваются в экономику замкнутого цикла.

Кроме того, целлюлоза применяется при изготовлении сангигиенических принадлежностей, таких как салфетки, бумажные полотенца, детские подгузники, медицинские маски, одноразовые простыни и бинты.

Как один из самых распространённых природных полимеров целлюлоза играет ключевую роль в современных высокотехнологичных и индустриальных отраслях, обеспечивая как экологическую устойчивость, так и инновационные решения.

В строительной отрасли целлюлоза используется для производства тепло- и звукоизоляционных материалов, таких как эковата. Также целлюлозные волокна добавляют в композиты для укрепления строительных материалов, что повышает их долговечность и устойчивость к нагрузкам.

Целлюлоза служит сырьём для производства биотоплива, основой для создания биоразлагаемых пластиков и пленок. Такой материал, например, применяется для упаковки пищевых продуктов. Благодаря своей пористой структуре этот полимер эффективно задерживает загрязнения и микрочастицы, поэтому часто становится составной частью различных фильтров: намывных, глубинных, мембранных, воздушных, водных.

В электронике целлюлоза находит применение в создании гибких и прозрачных материалов для дисплеев, сенсоров и батарей. Например, целлюлозные нановолокна используются для производства электронных схем и печатных плат. В машиностроении этот вид полимера находит применение в виде наноцеллюлозы. Она обладает высокой прочностью и лёгкостью, что позволяет увеличить срок службы узлов и агрегатов автомобиля, а также снизить вес его конструкций.  

В 2019 году независимое научно-техническое издание New Atlas сообщало, что в Японии группой исследователей Университета Киото создан концепт суперкара из целлюлозного нановолокна, который получил название Nanocellulose Vahicle. При этом, как отмечали разработчики, вес прототипа примерно на 10% меньше, чем у такого же автомобиля, изготовленного из стали и пластмассы.

Для разных целей целлюлоза используется и в космической отрасли. Так, например, в 2021 году группа ученых Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработала технологию обработки целлюлозы, с помощью которой можно получить бездымный порох для вспомогательных систем управления космическим кораблем и кресел-катапульт на военных самолетах.

«Традиционные схемы переработки древесной целлюлозы, которые применяют в мировой практике, предусматривают стадии удаления лигнина и отбелки. Для этого используют взрыво- и пожароопасный диоксид хлора, который нельзя транспортировать, поэтому для его производства строят специальные цеха. Мы предложили технологию, которая не требует высокого давления и сложного оборудования. Она соответствует современным требованиям экономики и экологии», — отмечала доктор технических наук, профессор кафедры технологии полимерных материалов и порохов ПНИПУ Фирдавес Хакимова.


Кроме того, целлюлозу используют для производства скафандров для космонавтов и двигателей космических кораблей. С 2023 года древесную и льняную целлюлозу в России применяют при изготовлении пороха. Промышленное производство этого взрывчатого вещества запустили предприятия госкорпорации «Ростех».

Целлюлоза является универсальным материалом, который способствует развитию инноваций и устойчивости в различных отраслях промышленности. Её применение не только помогает решать экологические проблемы, но и открывает новые горизонты для технологического прогресса, делая её важным элементом современной экономики.