В экономике замкнутого цикла большую роль играет переработка отходов. В целлюлозной промышленности они производятся в больших количествах в виде лигнина. Если в настоящее время это вещество сжигают для производства энергии, то в будущем ученые, думающие об экономике замкнутого цикла, надеются создавать из него что-то новое и ценное.

В ходе своей работы Хан исследует, как получить лигнин из отходов деревообрабатывающей промышленности, а затем электрохимически преобразоватьэто вещество. Отличительной чертой такого подхода является то, что выделение и повышение ценности происходят одновременно в одном процессе. "Обычно лигнин нужно было бы сначала отделить от одного растворителя, а затем поместить в другой растворитель для электрохимической денатурации. Наш метод избавляет от лишних шагов", — указывает аспирант на энергоэффективность своего подхода.

Гадкий утенок лигнин

Любая биомасса, то есть древесина или травянистые растения, состоит в основном из трех компонентов: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. По словам Тимо Кикаса, руководителя Шариб Хана и профессора биоэкономических технологий Эстонского университета естественных наук, цель лигнина в природе — защитить растение. "Он действует как клей внутри биомассы, скрепляя целлюлозу и гемицеллюлозу", — добавляет он.

По словам профессора, в то время как целлюлоза и гемицеллюлоза высоко ценятся в промышленности, лигнин как материал недооценивался на протяжении десятилетий. "Лигнин научились отделять давно, но главной задачей тогда было избавиться от него. Никому не было дела до того, какую форму он примет в конце переработки", — поясняет Кикас. В прошлом при обработке древесины применялись такие сильные химикаты, что лигнин превращался в непригодную к использованию массу. "Тогда ничего не оставалось, как сжечь его", — отмечает профессор.

На самом деле лигнин по составу более интересен, чем целлюлоза и гемицеллюлоза. Последние, по сути, представляют собой сахара, которые можно получить иначе. В то же время лигнин состоит в основном из ароматических соединений, которые, по мнению Кикаса, очень сложно найти или синтезировать самостоятельно. "С точки зрения химика лигнин гораздо более ценен, чем целлюлоза или гемицеллюлоза", — отмечает он.

По словам Хана, основная проблема материала заключается в том, что он еще недостаточно широко применяется в областях с более высокой добавленной стоимостью. "Например, его очень сложно использовать в медицине, фармацевтической промышленности или даже в качестве полимера. Вот почему мы придумали новый подход", — объясняет он.

Если раньше компоненты древесины отделяли друг от друга сильнодействующими химикатами, то в растворе Хана остаток производства помещают в ионную жидкость, т.е. жидкую соль. "Мы используем ионную жидкость, которая отделяет лучший лигнин от древесины. Мы уже можем использовать такой лигнин для производства пластика или даже в фармацевтической промышленности", — отмечает докторант.

В то время как обычная поваренная соль плавится при температуре около 800°C, в своей лаборатории Хан и Кикас готовят соли с гораздо более низкой температурой плавления. Некоторые из них жидкие уже при комнатной температуре. По мнению Кикаса, у солей есть еще одно хорошее свойство: они всегда состоят из двух частей — положительно и отрицательно заряженных ионов. "Комбинации различных анионов и катионов, по сути, бесконечны. Поэтому мы можем разработать ионную жидкость, которая подходит именно нам", — рассуждает он.

Здесь на помощь исследователям приходят компьютерные модели, которые предсказывают, какими свойствами будет обладать каждая жидкость: насколько она будет густой и на какую часть лигнина она будет нацелена. "Например, с солью, над которой мы сейчас работаем, мы нацелились на одну конкретную связь в структуре лигнина", — отмечает Кикас. В образцах, обработанных такой солью, этих конкретных связей не остается. "В результате мы успешно создали ионную жидкость, которая делает именно то, что нам нужно", — говорит профессор.

От смолы к нанокапсулам

В настоящее время в лаборатории Шариб Хана и Тимо Кикаса имеется дюжина образцов различных ионных жидкостей. "У нас также есть соглашения о сотрудничестве за пределами Эстонии, в основном в Германии и Великобритании. Они помогают нам создавать новые комбинации", — отмечает Хан.

Также в лаборатории можно увидеть образцы продукции, изготовленной по новому техпроцессу: например, клеящую смолу на основе лигнина. "Это очень хороший пример. Если вы начнете строить дом, например, вы можете использовать эту смолу в качестве клея", — говорит докторант. В отличие от обычной смолы на основе ископаемого топлива, она на 90-95 процентов состоит из лигнина, но имеет такой же запах и липкость. По словам Кикаса, лигнин особенно хорошо подходит для склеивания деревянных материалов.

"Конечно, это вещество можно использовать в пластике и смоле, но наша цель — получить от него наибольшую добавленную стоимость: достичь уровня фармацевтической промышленности", — отмечает Хан. Результат не за горами, потому что, по словам докторанта, им уже удалось расщепить лигнин на молекулярном уровне на более легкие куски, т.е. мономеры, и чуть более тяжелые, олигомеры. "Теперь нам просто нужно проанализировать их и описать свойства. Это то, что мы планируем сделать дальше", — начинает он.

По словам Хана, продукты из лигнина могут использоваться в фармацевтической промышленности двумя возможными путями: "Мы либо пойдем в область косметики, либо нацелимся на конкретное заболевание, например, рак". По словам Кикаса, продукты из лигнина уже используются в косметике для тонирования пудры. По его словам, более крупной целью является создание нанокапсул для введения лекарств. "Лигнин сам по себе не является лекарством, но в него можно поместить медикамент, чтобы лигнин доставлял лекарство туда, где оно необходимо", — объясняет он.

С другой стороны, лигнин также имеет более простое применение. Поскольку это термопластичный материал, из него можно сделать волокно, используемое в 3D-печати. По словам Кикаса, для производства такого волокна лаборатория Эстонского университета естественных наук сотрудничает с Рижским техническим университетом. "Мы смотрим на лигнин и с этой точки зрения, потому что мы как ученые обязаны не только создавать новые странные материалы, но и находить им применение", — говорит профессор.

Как можно больше зайцев одним выстрелом

Работа Шариб Хана имеет несколько аспектов экономики замкнутого цикла. Во-первых, это способ превратить отходы в нечто ценное, а во-вторых, сократить количество шагов в процессе получения добавленной стоимости. "Кроме того, мы можем использовать нашу ионную жидкость несколько раз", — указывает докторант на третий аспект.

Исследователи также озадачены тем, как сделать такую жидкую соль, чтобы из помещенных в нее отходов деревообработки одновременно высвобождалось несколько различных продуктов лигнина. По словам Тимо Кикаса, это сравнимо с переработкой нефти: "Это тоже смесь молекул разных размеров и форм, которые необходимо отделить друг от друга". Таким образом, в идеальной жидкости более мелкие и более крупные части молекул можно было бы разделять для разных целей.

По словам Хана, такой подход пытались использовать и другие страны. Однако лаборатория Эстонского университета естественных наук является единственной, где лигнин отделяют и превращают в различные продукты с помощью жидкой соли и электрохимического процесса. "Так что можно сказать, что кто-то уже делает каждую часть по отдельности, но никто не делает это одновременно", — улыбается Кикас.

По словам Хана, Эстония — это земля с огромным ресурсом отходов деревообрабатывающей и целлюлозной промышленности. "Если бы мы могли найти применение таким отходам, это было бы выгодно и с экономической точки зрения", — отмечает он. По словам Кикаса, Эстония обычно отправляет за границу много лигнина в качестве сырья. "По сути это означает, что добавленная стоимость уходит куда-то еще. С нашей точки зрения, конечно, было бы гораздо лучше оставить ее здесь", — говорит он.