Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,118

БИОКОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ДРЕВЕСИНЫ И ЛЕВАНА, ПОЛУЧЕННОГО ПУТЕМ МИКРОБНОГО БИОСИНТЕЗА AZOTOBACTER VINELANDII Д-08

Ревин В.В. 1 Шутова В.В. 1 Новокупцев Н.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва (национальный исследовательский университет)»
Получены биокомпозиционные материалы на основе ультрадисперсных частиц древесины и микробного полисахарида левана, используемого в качестве связующего в составе культуральной жидкости. Измельчение сосновых опилок до ультрадисперсного размера проводили на планетарной шаровой мельнице. Синтез левана осуществлялся штаммом Azotobacter vinelandii в питательной среде с мелассой. Максимальный выход левана составлял 17,73 г/л. Также повышалась динамическая вязкость до 0,71–0,80 дПа·с к 72 ч культивирования. Предел прочности при статическом изгибе у биокомпозитов с левансодержащим связующим достигал 23,7 МПа. Значение прочности и плотности увеличивались с ростом давления и температуры прессования. При введении в пресс-массы 1 и 3 % жидкого стекла предел прочности повышался до 33,8 и 35,6 МПа соответственно, а разбухание по толщине снижалось до 9,5–8,5 %. Получен новый перспективный экологически безопасный материал, который может найти широкое применение, в частности в строительной и мебельной промышленности.
azotobacter vinelandii
меласса
леван
полисахаридное связующее
биокомпозиционный материал
ультрадисперсные древесные частицы
1. Ведяшкина Т.А. Оптимизация условий синтеза декстрана при выращивании бактерии Leuconostoc mesentenoides на мелассе / Т.А. Ведяшкина, В.В. Ревин, И.Н. Гоготов // Прикладная биохимия и микробиология. – 2005. – Т. 41, № 4. – С. 409–413.
2. Гороховский А.Г. Мелкодисперсные древесные композиционные материалы на порошковом связующем / А.Г. Гороховский, Д.О. Чернышев, О.Н. Чернышев // Современные проблемы науки и образования. Технические науки. – 2013. – № 6. – С. 1–7.
3. Логинов Я.О. Биосинтез и свойства экзополисахарида Azotobacter vinelandii: дис. … канд. техн. наук. – Щелково. 2011. – С. 29–30.
4. Ревин В.В. Теоретические и прикладные основы получения биокомпозиционных материалов с помощью биологических связующих / В.В. Ревин, В.В. Шутова, Н.А. Атыкян и др. – Саранск: Изд-во Мордовского ун-та, 2010. – 280 с.
5. Ревин В.В., Шутова В.В., Ивинкина Т.И. Способ изготовления биокомпозиционного материала // Патент России 2481945. 2011. Бюл. № 14.
6. Ревин В.В., Шутова В.В. Способ получения биологического связующего // Патент России 2473692. 2011. Бюл. № 3.
7. Стоимость древесной муки компании ООО «ВолжскДревМука» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://volzhsk.flagma.ru/drevesnaya-muka-o1527079.html (дата обращения: 10.02.14).
8. Четвериков С.П. Оптимизация условий культивирования и биосинтеза экзополисахарида Azotobacter vinelandii / С.П. Четвериков, Я.О. Логинов, С.А. Пигильцова и др. // Башкирский химический журнал. – 2006. – Т. 13, № 5. – С. 8–11.
9. Шутова В.В. Получение клеевых составов и материалов при использовании культуральной жидкости полисахаридсинтезирующих микроорганизмов / В.В. Шутова, Т.А. Ведяшкина, Т.И. Ивинкина, В.В. Ревин // Известия вузов. Серия Строительство. – 2010. – № 3. – С. 31–36.
10. Шутова В.В. Эффективность ферментативного гидролиза полисахаридов ультрадисперсных частиц лигноцеллюлозного сырья в зависимости от их размера / В.В. Шутова, А.П. Юсипович, Е.Ю. Паршина и др. // Прикладная биохимия и микробиология. – 2012. – Т.48, № 3. – С. 346–352.
11. Combie J. Adhesive designed by nature (and tested at Redstone Arsenal) / J. Combie, A. Steel, R. Sweitzer // Clean Technologies and Environmental Policy. – 2004. – Vol. 6, № 4. – P. 258–262.
12. Idirs U.D. Eco-Friendly (Watermelon Peels) Alternatives to Wood-based Particleboard Composites / U.D. Idirs, V.S. Aigbodion, R.M. Gadzama [et al.] // The Pacific Journal of Science and Technology. – 2011. – Vol. 12, № 2. – P. 112–119.
13. Kadimaliev D. Optimization of the conditions required for chemical and biological modification of the yeast waste from beer manufacturing to produce adhesive compositions / D. Kadimaliev, V. Telyatnik, V. Revin [et al.] // BioResourses. – 2012. – Vol. 2, № 7. – P. 1984–1993.
14. Kang N.K. Levan: Applications and perspectives. Microbial production of biopolymers and polymer precursors / N.K. Kang, M.Y. Seo, E.S. Seo [et al.] // Caister Academic. – 2009. – Vol. 40. – P. 25–30.
15. Ortu?o T.G. Study of the Mechanical Properties of Giant Reed as a Green Building Material / T.G. Ortu?o, M.T.F. Garc?a, J.A. Rodr?guez [et al.] // International Journal of Civil and Structural Engineering. – 2015. – Vol. 2, № 1. – P. 243–245.
16. Thoemen H. Wood-Based Panels. An Introduction for Specialists / H. Thoemen, M. Irle, M. Sernek. – London, England: Brunel University Press, 2010. – 287 p.

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.


Библиографическая ссылка

Ревин В.В., Шутова В.В., Новокупцев Н.В. БИОКОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ДРЕВЕСИНЫ И ЛЕВАНА, ПОЛУЧЕННОГО ПУТЕМ МИКРОБНОГО БИОСИНТЕЗА AZOTOBACTER VINELANDII Д-08 // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 1-1. – С. 53-57;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39792 (дата обращения: 19.08.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252