Технология производства древесных пластиков (wood based panels) – одна из наиболее динамично развивающихся отраслей деревоперерабатывающей промышленности [16]. В настоящее время на рынке преобладают древесностружечные материалы (ДСП), где в качестве связующего используют различные синтетические смолы, обладающие высокой степенью токсичности. Для ее снижения используют различные способы [13]. К сожалению, кардинально данная проблема не решена. Поэтому ведется интенсивный поиск новых природных соединений, способных выступать в качестве биологического связующего [1, 4, 9].
Сейчас разрабатываются технологии получения клеевых композиций на основе микробных полисахаридов. Примером могут служить адгезивы на основе культуральной жидкости бактерии Leuconostoc mesenteroides, синтезирующей полисахарид декстран. Микроорганизм выращивают на питательной среде, содержащей в качестве источника сахарозы мелассу [1, 4, 9]. Кроме декстрана адгезивными свойствами обладает бактериальный экзополисахарид леван. Имеются работы по использованию его в качестве экологически чистого клея для склеивания древесины [11, 14].
Большой интерес вызывает получение биокомпозиционных материалов на основе отходов перерабатывающей промышленности [12, 15], тем самым создаются безотходные технологии и снижается себестоимость готового продукта. Был получен инновационный мелкодисперсный древесный композиционный материал на порошковом связующем DS (и его модификация DS-1), который по физико-механическим показателям превосходит существующие аналоги. Внедрение таких перспективных композиционных материалов поможет решить проблему комплексного использования древесного сырья, а также других экономических, экологических и энергосберегающих проблем [2]. Поэтому целью исследования стало получение культуральной жидкости, содержащей экзополисахарид леван, при культивировании Azotobacter vinelandii Д-08 на мелассных средах и ее использование для изготовления биокомпозиционных материалов на основе ультрадисперсных частиц древесины.
Для поддержания культуры бактерий A. vinelandii Д–08 выращивали в биологических пробирках на агаризованной питательной среде следующего состава, г/л: KH2PO4 – 0,2; K2HPO4 – 0,8; МgSO4?7H2O – 0,2; CaSO4?7H2O – 0,2; FeCl3 – 0,05; Na2MnO4 – 0,05; дрожжевой экстракт – 0,5; сахароза – 20,0; агар-агар – 20,0, рН среды 6,8–7,2. Режим стерилизации сред 121 °С в течение 20 мин. Продолжительность культивирования 24 ч при 28 °С. Для получения инокулята A. vinelandii Д–08 использовали жидкую cахарозосодержащую среду того же состава без агара. Культивирование осуществляли в конических колбах объемом 250 мл, содержащих 100 мл среды. Исходным посевным материалом являлась культура на скошенной агаризованной среде, с которой делали смыв 10 мл питательной среды. Суспензией микроорганизмов в количестве 10 мл засевали посевные колбы со 100 мл среды. Культивирование A. vinelandii проводили в термостатируемом шейкере Environmental shaker – Inkubator ES – 20/60 («BioSan», Рига, Латвия) 24 ч при 250 об/мин и температуре 28 °С. Культивирование осуществляли в конических колбах объемом 250 мл со 100 мл среды с содержанием мелассы в количестве 7 и 10 % по массе при внесении посевного материала в количестве 10 %.
Измерение рН проводили с помощью портативного рН meter Waterproof марки HI 98129 (Hanna Instruments, Санде, Германия). Экзополисахариды выделяли осаждением из культуральной жидкости двойным объемом 96 % этилового спирта и высушиванием осадка при 105 °С. Для измерения вязкости культуральной жидкости бактерий A. vinelandii использовали вискозиметр роторный Viscotester VT–04F (Rion, Токио, Япония).
Для прессования готовили контрольную пресс-массу, состоящую из 100 г ультрадисперсной древесины, полученной измельчением сосновых опилок (Pinus sylvestris) размером около 4–7×1–2×0,5–1,5 мм до ультрадисперсного размера на планетарной шаровой мельнице Retsch PM 400 (Германия) в течение 15 минут при 380 об/мин, и пресс-массу, состоящую из 100 г этой же ультрадисперсной древесины и 50 мл культуральной жидкости, содержащей леван, полученной в результате выращивания A. vinelandii Д–08 на питательной среде с мелассой, послеспиртовой бардой и молочной сывороткой. Перед смешиванием с ультрадисперсной древесиной в культуральную жидкость вносили 1 % борной кислоты в качестве антисептика [6]. Высушивание пресс-масс проводилось в сушильном шкафу при температуре 70 °С до влажности 6–8 %. Полученные пресс-массы подвергали горячему прессованию на формовочном гидравлическом прессе GT – 7014 – A50 при давлении 20 т (26,1 МПа) и 30 т (39,2 МПа), в течение 10 минут при температуре 100, 120, 140 и 160 °С.
Определение физических свойств (плотность, водостойкость и разбухание по толщине в воде) биокомпозиционных материалов проводили в соответствии с ГОСТ 10634–88, определение предела прочности при статическом изгибе по ГОСТ 10635–88 и ГОСТ 28840–90. Статистическую обработку результатов проводили с использованием программы FSТАТ или MS Excel. Рассчитывали среднее арифметическое и ошибку среднего.
Известно, что наибольшее количество экзополисахаридов (ЭПС) бактерии A. vinelandii синтезируют при выращивании на средах, содержащих в качестве источника углерода мелассу и глюкозу [3, 8]. Поэтому в работе подбирали условия синтеза полисахарида левана с использованием в качестве единственного источника питательных веществ мелассы – отхода сахарного производства. Культивирование бактерий A. vinelandii Д–08 (продуцента левана) проводилось в средах с различным содержанием мелассы (табл. 1).
В процессе роста (табл. 1) рН сред снижался. В начале культивирования величина рН соответствовала 6,85, она достигала к 72 ч на средах с 7 и 10 % мелассы 6,04 и 6,13 единиц рН соответственно. При этом наблюдался высокий выход полисахарида левана: после 72 ч роста он составил 16,64 и 17,73 г/л соответственно. Также повышалась динамическая вязкость, которая после 72 ч культивирования была равна 0,71 и 0,80 дПа·с на 7 и 10 % мелассных средах соответственно.
На следующем этапе работы мы получали биокомпозиционные материалы на основе ультрадисперсной древесины и биологического связующего, содержащего леван.
Таблица 1
Влияние концентрации мелассы в среде на рН, накопление левана и значение динамической вязкости при культивировании A. vinelandii Д–08
|
Содержание мелассы, % |
Время роста, ч |
pH |
Содержание левана, г/л |
Динамическая вязкость, дПа·с |
|
7 |
24 |
6,53 ± 0,00 |
11,26 ± 0,95 |
0,24 ± 0,01 |
|
48 |
6,37 ± 0,01 |
14,05 ± 0,39 |
0,55 ± 0,01 |
|
|
72 |
6,04 ± 0,00 |
16,64 ± 0,96 |
0,71 ± 0,02 |
|
|
10 |
24 |
6,58 ± 0,01 |
12,50 ± 0,26 |
0,35 ± 0,01 |
|
48 |
6,43 ± 0,02 |
14,18 ± 1,29 |
0,70 ± 0,00 |
|
|
72 |
6,13 ± 0,01 |
17,73 ± 0,66 |
0,80 ± 0,00 |
Мы предположили, что явление механоактивации древесных частиц может позволить получить древесные композиционные материалы с улучшенными физическими характеристиками в результате образования прочных адгезионных связей со связующим. Ультраизмельчение – процесс обработки материала на шаровых мельницах и дезинтеграторах, конечным продуктом которого являются частицы субстрата с размерами 10–6–10–9 м. Измельчение опилок до ультрадисперсного размера проводили на планетарной шаровой мельнице. Ранее методами лазерной интерференционной микроскопии и динамического рассеяния выявлено, что при этом появляются ультрадисперсные частицы (УДЧ) различных размеров (от 2 до 1100 нм) [10]. Были определены основные физико-механические параметры биокомпозиционных материалов на основе УДЧ и левансодержащего биологического связующего.
При невысоких температурах прессования (100 и 120 °С) значения прочности при статическом изгибе биокомпозитов были очень низкими (табл. 2). Повышение температуры прессования до 160 °С значительно увеличивало этот показатель. Более высокое давление прессования (39,2 МПа) также приводило к более высоким пределам прочности при статическом изгибе. Значения этих показателей у контрольных образцов были намного ниже, чем у биокомпозитов с добавлением левансодержащего связующего. Биокомпозиты со связующим по пределу прочности при статическом изгибе соответствовали требованиям ГОСТ 10632-2014 «Плиты древесностружечные. Технические условия» (не менее 11 МПа) при режимах прессования 26,1 МПа и 160 °С, 39,2 МПа и 120–160 °С. Значения плотности полученных материалов находились в пределах от 818,1 до 1455,0 кг/м3. Они увеличивались с повышением температуры и давления прессования.
Таким образом, мы показали, что леван можно использовать как биосвязующее для производства экологически безопасных композиционных материалов. Однако биокомпозиты имели низкую влагостойкость. Чтобы улучшить этот показатель, в следующей серии опытов мы вносили в пресс-массу натриевое жидкое стекло, которое является экологически безопасной, универсальной, дешевой и доступной добавкой [5], и подбирали его процентное содержание для снижения водопоглощения и разбухания в воде.
Введение в пресс-массу жидкого стекла привело к повышению прочности и плотности биокомпозитов (табл. 3). Пределы прочности при статическом изгибе материалов с гидрофобной добавкой при увеличении температуры и давления прессования во всех вариантах увеличивались. При 1 % жидкого стекла данный показатель при режимах прессования 26,1 и 39,2 МПа и 140–160 °С соответствовал требованиям стандарта. Значения плотностей увеличивались с повышением температуры и давления от 1327,3 до 1501,0 кг/м3.
При добавлении жидкого стекла в количестве 3 % наблюдались более высокие значения плотности и прочности, чем без гидрофобизатора и 1 % добавки. При этом при более мягких режимах прессования увеличение прочности было еще значительнее. Все режимы обеспечивали стандартные показатели предела прочности при статическом изгибе (кроме 100 °С и 26,1 МПа). Плотность изменялась от 1462,7 до 1529,0 кг/м3.
Далее мы определяли влагостойкость образцов с гидрофобной добавкой, значения приведены в табл. 4. Этот параметр важен для создания влагостойких материалов, что расширит возможности использования биокомпозитов. При использовании в качестве гидрофобизатора натриевого жидкого стекла происходило снижение значений водопоглощения и разбухания по толщине в воде. Это связано с образованием натриевого силикатного камня, который препятствует проникновению воды в более глубокие слои плиты, однако температура прессования 100 и 120 °С не дала возможность измерить влагостойкость, поскольку образцы распались в воде. Увеличение содержания гидрофобизатора от 1 до 3 % повышало влагостойкость биокомпозитов.
При увеличении температуры до 160 °С и давления прессования до 39,2 МПа водопоглощение и разбухание по толщине материалов снижались. По ГОСТ 32399-2013 «Плиты древесностружечные влагостойкие. Технические условия» разбухание по толщине для плит Р3 толщиной от 6 до 13 мм за 24 ч не более 17 %. При 160 °С, 26,1 МПа и 3 % жидкого стекла, а также при 39,2 МПа, 140–160 °С, 1 и 3 % добавки значения разбухания по толщине соответствовали данным требованиям. Самыми влагостойкими оказались образцы, прессованные при 39,2 МПа и 160 °С, – 9,5 % при 1 % жидкого стекла и 8,5 % при 3 %.
Таблица 2
Плотность и предел прочности биокомпозитов из УДЧ и биологического связующего
|
Давление прессования, МПа |
Температура прессования, °С |
Плотность, кг/м3 |
Предел прочности, МПа |
||
|
Без связующего (контроль) |
Со связующим |
Без связующего (контроль) |
Со связующим |
||
|
26,1 |
100 |
1038,8 ± 20,0 |
818,1 ± 38,4 |
1,9 ± 0,4 |
1,1 ± 0,1 |
|
120 |
1234,0 ± 6,8 |
1052,1 ± 40,2 |
2,9 ± 0,6 |
2,1 ± 0,3 |
|
|
140 |
1292,3 ± 14,9 |
1336,1 ± 9,7 |
5,7 ± 1,1 |
7,4 ± 0,4 |
|
|
160 |
1387,3 ± 17,0 |
1447,3 ± 3,2 |
8,6 ± 0,4 |
20,6 ± 0,5 |
|
|
39,2 |
100 |
1241,3 ± 28,9 |
1209,3 ± 23,4 |
2,1 ± 0,0 |
4,8 ± 1,1 |
|
120 |
1266,2 ± 11,2 |
1345,4 ± 28,6 |
4,1 ± 1,3 |
11,6 ± 2,1 |
|
|
140 |
1341,1 ± 36,5 |
1451,3 ± 14,7 |
8,0 ± 1,9 |
22,0 ± 1,3 |
|
|
160 |
1412,3 ± 4,3 |
1455,0 ± 7,0 |
12,5 ± 0,6 |
23,7 ± 1,3 |
|
Таблица 3
Физико-механические показатели биокомпозитов из УДЧ и левансодержащего связующего с введением жидкого стекла
|
Давление прессования, МПа |
Температура прессования, °С |
Плотность, кг/м3 |
Предел прочности, МПа |
||
|
1 % жидкого стекла |
3 % жидкого стекла |
1 % жидкого стекла |
3 % жидкого стекла |
||
|
26,1 |
100 |
1327,3 ± 9,1 |
1389,0 ± 11,1 |
3,8 ± 0,4 |
7,2 ± 0,6 |
|
120 |
1365,3 ± 15,2 |
1462,7 ± 2,3 |
6,7 ± 1,2 |
17,0 ± 0,4 |
|
|
140 |
1419,0 ± 12,0 |
1484,3 ± 7,1 |
14,6 ± 1,8 |
22,2 ± 1,0 |
|
|
160 |
1431,0 ± 19,1 |
1526,3 ± 9,9 |
22,9 ± 2,2 |
26,5 ± 1,0 |
|
|
39,2 |
100 |
1358,0 ± 13,9 |
1465,7 ± 5,5 |
5,7 ± 1,3 |
12,7 ± 1,6 |
|
120 |
1414,7 ± 7,3 |
1485,0 ± 2,3 |
10,3 ± 1,2 |
20,8 ± 0,8 |
|
|
140 |
1452,7 ± 13,3 |
1488,0 ± 2,5 |
24,2 ± 1,6 |
29,9 ± 1,1 |
|
|
160 |
1501,0 ± 8,2 |
1529,0 ± 2,6 |
33,8 ± 0,8 |
35,6 ± 0,7 |
|
Таблица 4
Водостойкость биокомпозитов из УДЧ и левансодержащего связующего с введением жидкого стекла
|
Давление прессования, МПа |
Температура прессования, °С |
Водопоглощение, % |
Разбухание в воде, % |
||
|
1 % жидкого стекла |
3 % жидкого стекла |
1 % жидкого стекла |
3 % жидкого стекла |
||
|
26,1 |
100 |
– |
– |
– |
– |
|
120 |
– |
– |
– |
– |
|
|
140 |
47,0 ± 9,2 |
28,0 ± 3,2 |
34,3 ± 3,9 |
27,9 ± 1,9 |
|
|
160 |
15,3 ± 3,1 |
14,4 ± 2,5 |
20,1 ± 3,8 |
16,0 ± 1,8 |
|
|
39,2 |
100 |
– |
– |
– |
– |
|
120 |
– |
– |
– |
– |
|
|
140 |
27,6 ± 3,3 |
13,8 ± 0,9 |
16,3 ± 1,1 |
12,8 ± 1,9 |
|
|
160 |
12,9 ± 2,8 |
6,2 ± 1,9 |
9,5 ± 1,9 |
8,5 ± 2,2 |
|
Итак, при культивировании Azotobacter vinelandii Д-08 на средах, содержащих отход сахарной промышленности мелассу, образуется полисахарид леван. Максимальный выход левана (17,73 г/л) наблюдался к 72 ч культивирования на 10 % мелассной среде, динамическая вязкость составила 0,80 дПа·с. С помощью горячего прессования получен биокомпозиционный материал на основе ультрадисперсных частиц древесины и культуральной жидкости, содержащей леван. Его можно отнести к разряду новых древесных композиционных биоматериалов. Биокомпозиты на основе левана обладают хорошими прочностными характеристиками. Установлено, что при внесении натриевого жидкого стекла значительно повышается водостойкость плит. Данные биокомпозиты можно использовать в строительстве, при производстве мебели, биодеградируемой тары и упаковки. Они будут серьезно конкурировать по себестоимости с древесными полимерными композитами (ДПК), которые являются одними из самых дорогих материалов в мире. Более того, возможно использование в качестве наполнителя древесной муки (отхода деревопереработки), цена которой варьирует от 7,5 до 13 руб. за 1 кг [7]. Размеры частиц этого сырья сопоставимы с размерами УДЧ древесины.