Лигнин - один из самых распространенных природных полимеров на Земле - содержится во всех клеточных стенках сосудистых растений. Его название происходит от латинского Lignum (что означает "древесина"). Исследователи и промышленные покупатели все больше беспокоятся о качестве лигнина, поскольку он воспринимается как основное сырье для экологически чистых продуктов нового поколения. Далее будут изложены знания о лигнине, начиная с основ биологии и заканчивая промышленным применением.
Лигнин, являющийся естественным заменителем нефтехимических продуктов, привлекает все больше инвестиций и исследований в связи с глобальной проблемой загрязнения окружающей среды пластиком и выбросами углерода.
1. Что такое лигнин?
Лигнин - один из видов сложных природных фенольных биополимеров, на его долю приходится 15-30% сухого веса древесины. Он выполняет функцию скелетного каркаса растения, поддерживая его вес. Он также обеспечивает эффективный транспорт воды от корней к верхушкам деревьев. Кроме того, он может укреплять клеточную стенку, предотвращать потерю воды и защищать растение от бактериальной или грибковой инфекции.
Лигнин является важнейшим компонентом глобального углеродного цикла, поскольку на его долю приходится около 30% всего органического углерода на Земле. В живых растениях планеты хранится более 300 миллиардов тонн лигнина, что делает его одним из самых богатых органических материалов на Земле.
Клеточная стенка растений состоит из лигнина и целлюлозы, в которой целлюлоза обеспечивает структурную поддержку, а лигнин - жесткость и водостойкость. Природная композитная структура более эффективна, чем большинство искусственных композитных материалов.
2. Откуда берется лигнин?
Лигнин содержится в клеточных стенках сосудистых растений, включая деревья, бамбук и сельскохозяйственные отходы, такие как солома и кукурузная солома. Содержание и структура лигнина в древесине лиственных и хвойных пород совершенно разные. В хвойных породах, таких как сосны, содержится 25-35% лигнина, а в лиственных породах, таких как дубы, - 18-25% лигнина. Содержание лигнина в недревесных растениях, таких как травянистые, самое низкое и составляет всего 15-20%.
Разница в содержании и структуре напрямую влияет на применение в промышленности. Помимо древесины, в сельском хозяйстве ежегодно образуются миллиарды тонн лигнинсодержащих отходов. Потенциальные источники лигнина, включая рисовую шелуху, сахарный тростник и пшеничную солому, в настоящее время используются не полностью.
Стоимость добычи лигнина невысока, поскольку изначально он является сельскохозяйственным отходом. Ежегодно производится 700 миллионов тонн соломы, которая при эффективном извлечении лигнина является практически бесплатным сырьем.
3. Кто открыл лигнин?
В 1838 году французский химик Ансельм Пайен случайно обнаружил два разных вещества после обработки древесины азотной кислотой и щелочными растворами. Одно из них было названо целлюлозой, а другое - материалом для покрытия. Секрет этого открытия удалось разгадать лишь спустя столетие.
В 1865 году немецкий ботаник Франк Шульце назвал покрывающий материал лигнином, что происходит от латинского Lignum. Некоторые ученые, такие как Карл Фрейденберг, разгадали сложную химическую структуру лигнина в XX веке. Полная деконструкция от первоначального открытия заняла более 100 лет.
Открытие Пайена стало значительным химическим прорывом в XIX веке. Оно заложило основы бумажной промышленности, а также положило начало систематическому изучению клеточных стенок растений, что впоследствии послужило толчком к развитию биотоплива и биоматериалов.
4. Виды лигнина
Лигнин можно классифицировать по растительному происхождению или по методу экстракции. Для покупателей и инженеров более практично классифицировать лигнин по методу экстракции, так как от этого зависит чистота, растворимость и диапазон применения.
Разделены на категории по происхождению растений |
Лигнин хвойных пород состоит в основном из гваяциловых (G) единиц, а лигнин лиственных пород - из гваяциловых (G) и сирингиловых (S) единиц. ● Травянистые растения дополнительно содержат п-гидроксифенильные (H) единицы. |
Категоризация по способу извлечения |
Сульфатный лигнин является наиболее распространенным и составляет 85% мирового объема промышленного лигнина. Он является побочным продуктом бумажной промышленности и в основном сжигается для производства электроэнергии. Лигносульфонат производится сульфитным способом, хорошо растворим в воде. Он имеет высокую степень коммерциализации и самую низкую цену - около $50 за тонну. Лигнин Organosolv - это тип лигнина с самой высокой степенью чистоты. Он подходит для таких высокотехнологичных применений, как углеродное волокно и фармацевтика, но по высокой цене $750 за тонну. Содовый лигнин изготавливается из недревесных растений, таких как солома и сахарный тростник. Он не содержит серы и подходит для специального использования. |
Выбор лигнина зависит от бюджета и сферы применения. Лигносульфонат может быть экономичным выбором, если он используется в качестве добавки в бетон или корма для животных. Для использования в наночастичных системах доставки лекарств или высокоэффективных композитных материалах рекомендуется использовать лигнин Organosolv благодаря его высокой чистоте. Однако его стоимость может быть в 10 раз выше.
5. Как производится лигнин
Промышленный лигнин является побочным продуктом бумажной промышленности. Самый популярный метод - крафт-процесс. После разложения древесины при высоких температурах с использованием гидроксида натрия и сульфида натрия из нее извлекается лигнин, а целлюлоза остается для производства бумаги.
Ежегодно в процессе сульфатной обработки производится около 50 миллионов тонн лигнина. Однако 98-99% лигнина сжигается для производства электроэнергии, что приводит к образованию отходов. Ситуация меняется благодаря глубокой эвтектической экстракции растворителем и ионной жидкостью, которые позволяют получать лигнин более высокой чистоты. Несмотря на высокую стоимость, с развитием технологий все больше лигнина поступает в лаборатории и на рынок.
Причина сжигания лигнина на бумажной фабрике вполне разумна. Ведь лигнин - это высокоэнергетическое топливо, которое при сжигании может обеспечить фабрику достаточным количеством пара и электроэнергии. Чтобы изменить существующую систему, фабрике необходимо вложить дополнительные средства в установки по добыче и очистке, которые не обеспечивают достаточных финансовых стимулов в краткосрочной перспективе.
6. Применение лигнина
Несмотря на то, что большая часть лигнина была сожжена, коммерческая часть уже широко используется. Одним из наиболее успешных примеров является ванилин, в котором из лигнина извлекается 15% ванилина. Оценочная рыночная стоимость ванилина достигла $150 миллионов долларов США, и это одно из наиболее зрелых коммерческих применений лигнина.
В строительной отрасли лигносульфонат может использоваться в качестве водопонижающего средства для бетона, что позволяет улучшить строительные характеристики. В сельском хозяйстве лигнин может быть использован в качестве почвенного кондиционера и связующего вещества для медленно высвобождающихся удобрений. В области углеродного волокна прекурсор лигнина может снизить стоимость углеродного волокна с $20-30 за кг до $5-10 за кг. После коммерциализации он будет полезен для автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Кроме того, есть потенциальные возможности применения в текстильной промышленности. Лигнин может быть модифицирован в натуральные красители и модификаторы текстиля. В электронной промышленности углеродные материалы, полученные из лигнина, исследуются в качестве электродных материалов для суперконденсаторов и батарей, которые в будущем могут стать устойчивой заменой литиевым батареям.
7. Почему лигнин имеет значение для устойчивого развития
Ежегодно на бумажных фабриках сжигается около 50 миллионов тонн лигнина, что эквивалентно отходам на $25 миллиардов потенциального химического сырья. Выбросы углекислого газа можно значительно сократить, заменив лишь небольшую часть пластмасс и химикатов на основе нефти альтернативами, полученными из лигнина.
Этот вопрос привлекает все больше внимания со стороны правительств. Стратегия ЕС в области биоэкономики и Управление по биоэнергетическим технологиям относят лигнин к материалам, требующим приоритетного развития. Важность лигнина как возобновляемого, биоразлагаемого сырья будет продолжать расти в связи с глобальной тенденцией отказа от ископаемого топлива.
Для обычных потребителей разработка лигнина означает, что в будущем упаковка, автомобильные детали и капсулы для лекарств могут быть получены из древесины или сельскохозяйственных отходов, но не из нефти. Некоторые продукты, полученные из лигнина, уже представлены на рынке.
8. Будущее материалов на основе лигнина
В 2023 году рыночная стоимость мирового рынка лигнина составила около US$ 800 млн, а в 2030 году, по оценкам, вырастет до US$ $1,6 млрд. Совокупный годовой темп роста составит около 10%. Наибольший рост наблюдается в таких областях, как углеродное волокно, биопластики и системы доставки лекарств с наночастицами.
Самой большой проблемой при разработке лигнина является нестабильность его структуры. Содержание лигнина, полученного из растений разного происхождения или с помощью различных методов экстракции, существенно различается, что затрудняет его стандартизацию для использования в высококачественных целях. Он станет одним из основных материалов в биоэкономике, если удастся решить проблему контроля качества.
В настоящее время ближе всего к крупномасштабной коммерциализации находится углеродное волокно на основе лигнина. Национальная лаборатория Оук-Ридж успешно произвела из лигнина углеродное волокно автомобильного класса. Ford Motor Company и General Motors Company проводят испытания деталей. При массовом производстве вес автомобиля может быть снижен до 10%, а топливная эффективность, соответственно, улучшена.
