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 22-79-10096
НазваниеРазработка основ комплексного использования лигноцеллюлозной биомассы в качестве источника продуктов с высокой добавленной стоимостью и наноструктурированных углеродных материалов
Руководитель Степачёва Антонина Анатольевна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный технический университет" , Тверская обл
Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии
Ключевые слова лигноцеллюлозная биомасса, ожижение, сольволиз, каталитическая деструкция, углеродные материалы, реагенты с высокой добавленной стоимостью
Код ГРНТИ31.15.28
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Лигноцеллюлозная биомасса - широко доступный, возобновляемый, биоразлагаемый и биосовместимый ресурс, который при правильном подходе может снизить зависимость современного общества от ископаемых ресурсов. Это потенциальное сырье для производства тепла, электроэнергии, топлива, химикатов и других биопродуктов. На сегодняшний день образуется большое количество лигноцеллюлозных отходов, которые практически не используются. Современные тенденции требуют вовлечения всех возможных ресурсов в производственный цикл. Поэтому глубокая переработка лигноцеллюлозной биомассы является актуальным направлением исследований.
По данным Scopus за последние 5 лет опубликовано более 50 тысяч работ, посвященных процессам переработки лигноцеллюлозной биомассы. К таким процессам относятся пиролиз, гидролиз, ожижение, торрефикация, гидрогенолиз, разложение с помощью микроорганизмов и ферментов. Чаще всего исследования направлены на один конкретный процесс. Некоторые исследователи сочетают максимум два подхода. Считается, что каскадная переработка лигноцеллюлозной биомассы обеспечивает ее максимальное использование, что сделает продукты этой переработки более конкурентоспособными.
В рамках предлагаемого проекта впервые будут проведены исследования по комплексной переработки биомассы, сочетающие процессы компонентного фракционирования, гидролиза, ожижения, торрефикации, карбонизации. Поставленные в проекте задачи сочетают в себе использование подходов биотехнологии, химической технологии, катализа, математического моделирования, что делает проект междисциплинарным. Масштаб поставленных задач включает максимально полное изучение аспектов переработки лигноцеллюлозной биомассы с целью получения ценных химикатов, энергии и новых материалов. Основная задача проекта направлена на развитие существующих и создание новых подходов комплексной глубокой переработки лигноцеллюлозного сырья (в том числе отходов деревообрабатывающей промышленности, сельского хозяйства, агропромышленности). Ожидаемые при выполнении проекта результаты соответствуют передовым разработкам в области глубокой переработки биомассы и комплексного использования возобновляемых ресурсов, в том числе отходов. Полученные результаты могут стать базой для создания в России новых предприятий по производству биотоплива, химических реагентов и углеродных материалов с использованием местного сырья или отходов деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства.
Для реализации проекта подобраны высококвалифицированные молодые специалисты, которые обладают большим опытом руководства и выполнения научно-исследовательских проектов, финансируемых различными фондами. Научный коллектив имеет большой опыт в исследовании процессов переработки биомассы и получения биотоплив, опыт работы в области сверхкритической, субкритической и термической переработки биомассы, а также имеет доступ ко всему необходимому оборудованию.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчете представлены результаты комплексного исследования различных типов сельскохозяйственных отходов (солома ржи, пшеницы, овса и костра льна) с целью их дальнейшей переработки. В ходе исследования был детально изучен фракционный и элементный состав исследуемых образцов. Установлено, что наибольшее содержание лигнина характерно для костры льна, а наименьшее – для соломы ржи. Содержание целлюлозы во всех образцах варьировалось в диапазоне 30-34 мас.%. При этом элементный состав существенно различался в зависимости от типа биомассы. Проведено термогравиметрическое исследование образцов, выявлены основные температурные области разложения. Показано, что костра льна обладает более высокой термической стабильностью по сравнению с соломой злаковых культур, что обусловлено повышенным содержанием лигнина.
Исследованы процессы гидролиза биомассы с использованием различных катализаторов и ферментов. Установлено, что максимальная конверсия достигается при применении серной и уксусной кислот, а также литических ферментов. При этом деполимеризация полисахаридов составила 95-99 мас.%, а выход глюкозы и пентоз – около 60 мас.%. Изучены процессы ожижения биомассы в присутствии различных катализаторов. При оптимальных условиях (температура 250°C, давление водорода 1,5 МПа) конверсия негидролизованного сырья достигала 90 мас.%, а гидролизованного – 99 мас.%. Показано, что катализатор Ni-Ru-SiO2@СПС обеспечивает наиболее высокую конверсию.
Исследованы характеристики полученных катализаторов до и после процесса ожижения сельскохозяйственных отходов. Установлено, что Ni-Ru-SiO2@СПС представляет собой микро-мезопористую систему с высокой площадью поверхности (более 600 м²/г). После процесса превращения гидролизатов наблюдается снижение удельной площади поверхности за счет адсорбции продуктов реакции.
Изучены характеристики твердого остатка ожижения и методы его карбонизации. Показано, что после ожижения происходит увеличение содержания углерода и удельной площади поверхности углеродного остатка. Наилучшие результаты по формированию пористой структуры получены при использовании методов торрефикации и гидротермальной карбонизации.
Исследовано влияние пропитки сырья растворами солей металлов и алкоксисиланов на характеристики получаемых биоуглей. Установлено, что металлические соли увеличивают содержание углерода в биоуглях, а алкоксисиланы способствуют формированию фазы оксида кремния и увеличению удельной площади поверхности.
Полученные результаты могут быть использованы для разработки эффективных технологий переработки сельскохозяйственных отходов в ценные химические продукты и углеродные материалы.
Публикации
1.
Щипанская Е.О., Степачёва А.А., МАркова М.Е., Быков А.В., Матвеева В.Г., Сульман М.Г., Киви-Минскер Л.
Catalytic Biomass Transformation to Hydrocarbons under Supercritical Conditions over Nickel Supported on Schungite
Processes , 2024, 12(7), 1503 (год публикации - 2024)
doi.org/10.3390/pr12071503
2. А. А. Степачёва, Е. Д. Терешина, А. А. Тарасова, М. В. Акинчиц, Е. А. Ершова, С. Д. Емельянова, В. Г. Матвеева, М. Г. Сульман ПРЕВРАЩЕНИЕ ПРОДУКТОВ ДЕПОЛИМЕРИЗАЦИИ ЛИГНИНА В СРЕДЕ ПРОПАНОЛА-2 Кинетика и катализ, № 4-2024 г. т.65 (год публикации - 2024)
Возможность практического использования результатов
В процессе выполнения проекта создан научно-технологический задел каскадной переработки биомассы отходов с получением ценных для химической промышленности продуктов, а также пористых углеродных материалов с возможностью их использования в качестве сорбентов или носителей для катализаторов. Предложенный способ включает процессы гидролиза, гидрогенолиза, ожижения и карбонизации. Подобные исследования, сочетающие все возможные процессы переработки биомассы, проведены впервые. Использование каскадной переработки позволяет полностью использовать потенциал биомассы как источника реагентов и материалов, а так же решает проблему переработки лесо- и сельскохозяйственных отходов.