Высший пилотаж сибирских ученых

Экзотическое название этого растения – мискантус. Оно все шире входит в обиход россиян. Если еще недавно о нем знали как о декоративной, дизайнерской культуре, которой украшали берега водоемов, цветочные клумбы, то сегодня ученые на практике доказали, что он является обладателем куда более уникальных свойств, чем казалось. Например, в мискантусе содержится до 55 процентов целлюлозы, из которой можно изготавливать различные товары.

О том, как раскрывали секреты этого загадочного растения ученые Института проблем химико-энергетических технологий СО РАН (ИПХЭТ СО РАН) из небольшого алтайского городка Бийска рассказала заведующая лабораторией биоконверсии, кандидат химических наук Вера Владимировна Будаева.

— Вера Владимировна, поведайте, пожалуйста, вкратце об этом растении, чем, кроме целлюлозы,  оно привлекло сибирских ученых?

— В настоящее время актуальной задачей является поиск альтернативных источников целлюлозы не древесного происхождения, одним из них как раз и является древовидная трава мискантус.

Мискантус – это род многолетних, легковозобновляемых травянистых растений семейства мятликовых, который может составить достойную конкуренцию древесине по такому параметру, как скорость роста биомассы.

В сентябре 2008 года научный руководитель Института цитологии и генетики СО РАН (ИЦиГ СО РАН), академик Владимир Константинович Шумный передал нам первый образец соломы мискантуса, который позднее был зарегистрирован как мискантус сорта «Сорановский». В 2009 году он же возглавил междисциплинарный интеграционный проект СО РАН под названием «Научные основы технологий выращивания и переработки нового вида целлюлозосодержащего сырья – Мискантуса китайского». В его реализации участвовали ИЦиГ СО РАН, который отвечал за выращивание растения, а за переработку отвечали два института – ИПХЭТ СО РАН и Институт катализа СО РАН. В конце 2011 года мы завершили этот проект. В апреле следующего года в связи с 80-летием научному руководителю нашего института Геннадию Викторовичу Саковичу сотрудники ИЦиГ СО РАН подарили корневища мискантуса. Их мы посадили на небольшой делянке буквально рядом со зданием ИПХЭТа.

— Я понял так, что вы начинали это дело?

— Выращивали мискантус в ИЦиГ СО РАН. Нам посчастливилось видеть, как формируется плантация мискантуса, как изменяется его урожайность из года в год. Мы изучали химический состав растения и занимались его переработкой в востребованные по нашим представлениям продукты. Я настолько увлеклась новым делом, что рекламировала мискантус «Сорановский» где только можно было. В ответ на популяризацию получала резкую критику не только в свой адрес, но и в адрес института по поводу того, что занимаюсь переработкой несуществующего растения. Используя выражение «мискантус авторской формы ИЦиГ СО РАН» я направляла желающим посадить у себя мискантус непосредственно в ИЦиГ СО РАН. В опубликованных текстах можно всегда найти ссылки на родину «Сорановского».

Идет уборка мискантуса. Фото Светланы Капустянчик

— Какими были ваши первые шаги?

— В 2008 я участвовала в конференции в городе Красноярске, где выступала с докладом «Переработка соломы злаковых культур». После моего доклада участник конференции — ученый из Австрии начал говорить о том, что моя тематика ему показалась очень интересной, но он бы хотел привлечь мое внимание к не менее интересному растению – мискантусу. Я тогда впервые услыхала это слово, а гость из Австрии написал его по-английски на своей визитке.

Уже дома, в Бийске, я занялась поиском информации об этом растении. Спустя некоторое время выяснилось, что Владимир Константинович Шумный,  оказывается, уже давно занимается мискантусом. Он его видел, прежде всего, как экологическое растение. Оказалось, перед ним, великим биологом и масштабным человеком была поставлена задача – придумать технологию спасения высыхающих озер и водоемов. В качестве такого спасителя он выбрал мискантус. Туда, где было высажено это растение, вскоре (я цитирую, как он мне рассказывал) «вернулась рыба, вернулась птица, вернулась вода в озера». Вот таким чудодейственным создала природа это растение. Самое удивительное, что ученые ИЦИГ СО РАН смогли адаптировать мискантус к нашим, сибирским условиям.

— Но ведь о мискантусе известно испокон веков. Его полезные свойства сегодня используются за рубежом. В чем же для нас заключается его инновационность?

— На самом деле, он растет во многих странах мира. В том числе, в России. Замечу, что за рубежом вывели генетически модифицированные сорта мискантуса, которые используются для определенных целей.  За рубежом мискантус – пройденный этап. В Китае, например, еще в 1961 году построили целлюлозно-бумажный завод, который производит целлюлозу из местного мискантуса. Китайцы закупают в России древесную целлюлозу, смешивают ее с целлюлозой мискантуса и производят бумагу. У мискантуса – короткое волокно, а у древесной целлюлозы – длинное, поэтому у китайцев получается хорошая бумага. Об этом я узнала из зарубежной литературы. Много усилий отдала, чтобы хоть где-нибудь найти подробное описание технологии получения целлюлозы из мискантуса. ИПХЭТ даже приобрел свежую монографию про мискантус. Увы! К сожалению, кроме информации, как его выращивают за рубежом, и как его исследуют, ничего не нашли. А нам нужна была информация по его переработке.

Поэтому мы пошли своим путем. Изучая химический состав, разобрали растение на стебель и лист, выяснили, что целлюлоза в основном находится в стебле, а не в листе. Оказалось, что лигнина в нашем мискантусе находится до 20 процентов, и не меньше. Обнаружили также, что плантация мискантуса с годами дает все больше урожая, в котором содержание целлюлозы тоже возрастает. За пять лет наблюдений содержание этого компонента по Кюршнеру выросло до 53,6 процента. Для нас это оказалось большой неожиданностью.

После изучения химического состава мы приступили к переработке мискантуса с целью получения из него целлюлозы, но сразу исключали использование серо- и хлорсодержащих реактивов.

Поскольку мы понимали, что наши способы должны быть как можно больше адаптированы к будущему производству, то разработанные способы апробировали на стандартном технологическом оборудовании, имевшемся в ИПХЭТ СО РАН. Так у нас появился гидротропный способ получения целлюлозы из мискантуса. Он заключается в использовании пищевой добавки (консерванта) – бензоата натрия, насыщенный раствор которого растворяет лигнин в мискантусе, оголяя целлюлозу. Полученную целлюлозу можно облагородить, даже отбелить. Варочный раствор можно разбавить водой и выделить лигнин. Способ гарантирует получение сразу двух ценных компонентов из мискантуса.

Зеленый мискантус. Фото Светланы Капустянчик 

— Расскажите, что это за такое вещество – лигнин?

— Лигнин на самом деле вредное в технологии получения целлюлозы вещество, но само по себе это очень интересное химическое соединение, сложнейшее по своей структуре. Лигнин является как бы носителем природы растения, по нему можно определить, что это было за растение. Чем дальше мы углублялись в своих исследованиях, тем больше получали новых знаний. К примеру, если мискантус сначала обработать раствором гидроксида натрия, а затем азотной кислотой, то можно  получить целлюлозу, которая будет пригодной в целлюлозно-бумажной промышленности. А если в обратном порядке (так называемый азотнокислый способ), то можно получить целлюлозу, которая по чистоте и другим своим свойствам очень близка к хлопковому волокну.

Еще один способ, который мы использовали, называется гидротермобарическим, в качестве реактива используется обычная вода, но проводится  в специальном оборудовании под высоким давлением. Подчеркиваю, что ни хлоро-, ни серосодержащих реактивов, которые в настоящее время запрещены как экологически опасные, мы не применяли.

Все наши способы официально запатентованы в Российской Федерации.

— Вы упомянули об опытно-промышленной установке, которая имеется в ИПХЭТ. Какую роль сыграла она?

— Именно на ней мы апробировали разрабатываемые нами химические процессы. Установка, конечно, не предназначена собственно для мискантуса, но зато универсальная для химических процессов. На ней мы провели опыты получения целлюлозы, чтобы убедиться в надежности разработанных технологий. Это позволило получить образцы в достаточно большом количестве, и мы представили их в другие профильные центры. Например, целлюлозу, полученную из мискантуса, отправили в Северный Арктический федеральный университет имени Ломоносова в город Архангельск. Там ее  исследовали, изготовили лабораторные образцы бумаги, сделали мишени и испытали на прострел. Полученные результаты сравнили с бумагой, которую получали из Германии. Оказалось, что целлюлоза из мискантуса очень похожа на целлюлозу для мишеней, которые Россия перестала получать в связи с санкциями.

— Вас вдохновил этот результат?

— Не то слово! В наш адрес поступило электронное письмо с запросом поставлять по десять тонн нашей целлюлозы в месяц.

Конечно, мы не могли ответить на это письмо согласием, потому что не имели соответствующей установки и требуемого количества сырья. Второй продукт, который привлек очень большое внимание – целлюлоза, полученная азотнокислым способом, которую мы сравнили с арбитражной хлопковой целлюлозой Бийского химического комбината. Оказалось, что целлюлоза из мискантуса уступает хлопковой целлюлозе, но, тем не менее, по степени полимеризации она достаточно близка к самой используемой из марок хлопковой целлюлозы.

Работы, проведенные в 2010-2018 году, позволили нам объявить о том, что мискантус может быть альтернативным источником хлопка. Но работы должны быть продолжены, чтобы эти знания поднять на уровень экономики страны.

Мы запатентовали способ получения нитратов целлюлозы. Основные результаты опубликовали в рейтинговых журналах, защитили три кандидатских диссертации, тем самым доказали, что мискантус может стать альтернативой природному хлопку.

Мы свои образцы рассылали, предоставляли, докладывали, были полностью открытыми. И нам удалось довести эту работу до уровня признания. А в связи с публикациями за рубежом получили возможность общения с иностранными специалистами. Мы много внимания уделяли также биотехнологической переработке мискантуса. Описали условия получения гексозопентозного ферментативного гидролизата и поставили цель получить биоэтанол. В результате в настоящее время развивается тесное сотрудничество с Институтом катализа СО РАН, у которого стояла задача получения этилена, для чего был необходим наш этанол. Кстати, общее мировое производство этилена в 2008 году (к сожалению, свежих данных у меня нет) составляло 113 миллионов тонн и продолжает расти на 2—3 процента в год.

— Презентуя свои достижения в рамках форума Технопром-2018, вы, Вера Владимировна, всем любознательным показывали небольшую емкость с каким-то желеобразным веществом, похожим на кальмара. Что это было?

— Это была бактериальная наноцеллюлоза, уникальный продукт. Она получается микробиологическим синтезом микроорганизмов из глюкозной среды. Жемчужно-белая пленка, очень прочная, приятная на ощупь. В медицине на нее большой спрос в связи с высокой биосовместимостью с живыми организмами. Широта применения – от раневых повязок до трансплантата твердой мозговой оболочки при черепно-мозговых травмах. Она уже зарегистрирована в России, но пока производства в нашей стране нет.

Идею получить бактериальную целлюлозу из мискантуса мы использовали для заявки на конкурс проектов Российского научного фонда и выиграли его в 2017 году (грант РНФ № 17-19-01054). Над его реализацией будем работать три года. На Технопроме-2018 я показывала пленку бактериальной целлюлозы, выращенную на глюкозе. Обещала, что выращу и на мискантусе.

В конце 2017 года, объединившись, четыре института подали заявку под названием «Фундаментальные основы получения этилена из мискантуса» на конкурс проектов Комплексной программы фундаментальных научных исследований СО РАН II.1 «Междисциплинарные интеграционные исследования» на 2018-2020 годы. Научный руководитель — академик Геннадий Викторович Сакович. И теперь наши партнерами стали  Центральный Сибирский ботанический сад (ЦСБС СО РАН), ИЦиГ СО РАН и Институт катализа СО РАН. Мы очень довольны возрастанием интереса к российскому мискантусу (Технопром-2018) и планируем совместное участие в более финансируемых конкурсах.

— Вера Владимировна, как дальше должна развиваться ваша технология?

— Думаем о Проекте полного цикла, о большой работе, — от выращивания до высокотехнологичных продуктов. Мы дали название проекту: «Научные и технологические основы биорефайнинга мискантуса».

— Из вашего рассказа создается впечатление, что вы работаете одна. Так ли это?

— Что вы! За прошедшие годы в ИПХЭТ СО РАН создана разновозрастная команда – такое единство людей очень опытных и необстрелянной молодежи. Так вот, эта самая необстрелянная молодежь за эти годы настолько выросла, что подала самостоятельные проекты. В лаборатории биоконверсии работают пять стипендиатов Президента РФ, каждый с индивидуальным планом исследований. Практически все озвучили в качестве объекта исследования мискантус сорта «Сорановский» как новой для России технической целлюлозосодержащей культуре. То есть, они прошли определенную апробацию как самостоятельные руководители работ. Предмет их наблюдений обязательно должен быть материализован, это должны быть статьи, патенты, публичность, с чем они хорошо справляются. Защитили диссертации и движутся дальше.

Сейчас разрабатывается «Комплексная программа развития Сибирского Федерального округа», в рамках этой программы ИПХЭТ СО РАН объявил о возможности создания отдела с преобразованием в самостоятельный Институт прикладной биотехнологии. Из целевых установок мискантус заявлен как один из перспективных, с которым мы готовы работать.

— Вера Владимировна, вроде сделано так много, но пока что очевидных результатов не видно. Когда их можно ждать? 

— Нет заводов, перерабатывающих мискантус?

— Да.

— К нам постоянно идут обращения с реальных заводов, желающих получать целлюлозу нашего мискантуса и преобразовывать ее в готовую продукцию. Просят разработать технологию, адаптированную к их конкретному оборудованию. Я считаю, что мы можем браться за эти задачи, но в альянсе с еще другими отраслевыми институтами. Обеспечение сырьем этих заводов – это задача ИЦиГ СО РАН и ЦСБС СО РАН в Сибири. Как стало понятно на Технопроме-2018, в европейской и центральной частях России растениеводы также активно работают.

— Говоря о хлопке, вы упомянули про санкции. Как вы считаете, могут ли они стать тем самым катализатором, который сдвинет с мертвой точки этот процесс в сторону практической реализации?

— Конечно. Но нужно начать с малого. С тех же бумажных мишеней, которые сегодня очень востребованы нашими вооруженными силами и спортсменами. Для этого не нужны миллионы тонн сырья и строительство завода-гиганта. Это первое, что можно было бы сделать. А для замены хлопка в промышленных масштабах еще нужно будет поработать. Нужны опытно-промышленные установки в качестве переходного звена к заводу. Работая в 2012-2016 гг. в рамках Технологического проекта «Технологическое оборудование для комплексной переработки растительного сырья в целлюлозосодержащие продукты и исходные компоненты для химического синтеза и биотопливо», мы получили от государства некоторое оборудование. И очень благодарны за такую возможность. Но на запуск оборудования у нас денег не хватило, поэтому на сегодняшний день запустили только его часть. С полным запуском наши возможности будут еще больше.

— Что конкретно от вас сейчас зависит?

— Все что можно было сделать, чтобы заявить, что мискантус «Сорановский» – это реальный источник ряда ценных продуктов, мы сделали в лабораторных условиях. Есть наработка различных образцов целлюлозы из мискантуса, сделаны поставки в другие институты, а представьте себе, чтобы можно было сделать в рамках действующего производства? Технологии получения из целлюлозы мискантуса биоэтанола, этилена или бактериальной целлюлозы – это высший пилотаж.

— У вас есть все – апробированные технологии получения из мискантуса не древесной целлюлозы, биоэтанола и этилена, а в стране — огромные площади для возделывания этой культуры. Реально ли ждать, что наконец-то государство пойдет вам навстречу и построит пусть для начала экспериментальный завод по производству и переработке мискантуса?

— Новый завод вряд ли кто будет строить. Как считает Сергей Михайлович Воинский, на данном этапе необходимо хотя бы встроиться в какое-то действующее производство. Здесь сразу встает вопрос: где мискантус в промышленных масштабах? Я все эти годы искренне верила и верю по-прежнему, что земли в стране достаточно. Я не агроном, а химик-технолог и свою функцию выполнила. Люди, которые скептически относились к нашим результатам, сегодня признали их и тоже хотят вместе с нами этим заниматься.

Мискантус – это новый для России вид целлюлозосодержащего сырья. В тот день, когда его зарегистрировали под наименованием «Сорановский», появилась надежда, что он станет для нашей страны новым видом растения для развития инновационных технологий, которых пока в мире нет. Мы в России сделали эту работу первыми.

Пока тренд на экотовары на пике, использование растений будет востребовано в разных сферах. Надеемся, это продлится долго.