Лигнина что это: что такое лигнин, происхождение, получение, свойства, применения

Содержание

Новый метод сульфатирования лигнина позволит перерабатывать солому пшеницы в ценное сырье

Ученые улучшили методику сульфатирования лигнина, добавив в неё твердые катализаторы. Это увеличило количество сульфатных групп в составе вещества, что потенциально расширяет возможности его применения. Полученные соединения могут быть востребованы в фармацевтике и медицине. Результаты исследования опубликованы в журнале Polymers.

Лигнин является наиболее перспективным возобновляемым источником углерода на Земле. Уникальная структура делает его потенциальным источником ценных ароматических и фенольных веществ, таких как ванилин, сиреневый альдегид и фенол. Эти вещества могут применяться в фармацевтической, пищевой и парфюмерной промышленности. Также растительную биомассу рассматривают в качестве альтернативы традиционного нефтяного сырья при синтезе различных химических продуктов. Особо перспективным считается получение производных лигнина, содержащих сульфатные группы. Этот процесс делает растительный полимер водорастворимым и повышает его биоразлагаемость.

Сульфатированные производные лигнина могут не только заменить распространенные продукты химической модификации полисахаридов, но и найти применение в фармацевтике в качестве потенциального нового класса противовирусных препаратов и антикоагулянтов. Поэтому перед учеными стоит задача расширения возможностей химической переработки возобновляемого растительного сырья. Ранее красноярские исследователи предложили наиболее эффективную, простую и безопасную методику сульфатирования лигнина при помощи сульфаминовой кислоты и мочевины. Однако серьезным недостатком этой методики является невозможность рециркуляции и повторного использования активаторов процесса.

В новом исследовании международный коллектив ученых из России, Турции, Туниса и Китая, под руководством исследователей ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» разработал способ сульфатирования содового лигнина соломы пшеницы при помощи сульфаминовой кислоты и твердых катализаторов. В частности, на модифицированных углеродных катализаторах и оксидах титана и алюминия. Они оценивали влияние катализатора на степень сульфатирования, состав и строение полученных веществ. По результатам исследования наиболее результативным оказалось использование углеродных модифицированных катализаторов. В результате получен лигнин с повышенным содержанием сульфатных групп, который потенциально может иметь большую антикоагулянтную активность по сравнению с известными сульфатами лигнина.

«Лигнин является побочным продуктом содового процесса получения целлюлозы из травянистого сырья. Поскольку метод промышленной переработки лигнина такого типа до сих пор отсутствует, мы работали над решением этой проблемы. Мы предложили проводить реакцию сульфатирования лигнина сульфаминовой кислотой в среде 1,4-диоксана с добавлением твердых катализаторов. В результате нами был получен сульфатированный лигнин с более высоким, по сравнению с известным, содержанием серы, а, следовательно, и большим содержанием сульфатных функциональных групп. Наличие сульфатной группы в структуре лигнина было подтверждено комплексом физико-химических исследований. Разработанный нами метод позволяет, во-первых, снизить стоимость проведения процесса, благодаря регенерации катализатора, во-вторых, в перспективе масштабировать процесс от колб до опытных, в том числе промышленных, установок», — рассказал один из авторов исследования кандидат химических наук старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН доцент СФУ Александр Казаченко.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Красноярского краевого фонда науки (проект № 20-43-242906).

лигнин сульфатирование лигнина Институт химии и химической технологии СО РАН исследования ФИЦ КНЦ СО РАН 2022

Растительную биомассу превратили в пористый материал

26 March, 2020 10:18

Source: ТАСС

Ученые из Новосибирска придумали, превратить биомассу в очень пористый материал, который можно использовать в медицине и промышленности. Для этого специалисты удаляют из клеточных стенок растений лигнин – один из растительных биополимеров. Статью с описанием работы опубликовал научный журнал Molecules, кратко об этом пишет пресс-служба Российского научного фонда (который поддержал проект — Прим. ред. сайта rscf.ru).

«Мы показали, что механическая обработка биомассы из тростника и ее нагрев до высоких температур приводят к формированию пор на поверхности стенок клеток и исчезновению из них лигнина. Это позволяет использовать подобные материалы в качестве основы для сорбентов, способных поглощать ионы тяжелых металлов», – пишут ученые.

Как правило, большая часть растительной биомассы состоит из двух типов сахаристых полимеров – целлюлозы и лигнина. Первую можно легко разложить различными микробами и грибками, ее широко используют в промышленности в самых разных целях, в том числе для производства бумаги и множества химических реагентов.

При этом лигнин, напротив, разлагать и обрабатывать очень сложно. Более того: затруднительно даже выделить из его растительной ткани, не повреждая ее при этом. Поэтому после переработки очередной партии растительной биомассы промышленники обычно сжигают лигнин. Вдобавок, он мешает производить биотопливо, из-за чего химики и биологи активно ищут пути его удаления из биомассы.

Огонь и лед

Российские ученые из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск) придумали, как это сделать. Они изучали то, как биомасса из стеблей и листьев обычного тростника (Phragmites australis) реагировала на механическую обработку, заморозку или нагрев.

Во время этих экспериментов ученые помещали кусочки биомассы в холодильник, в котором поддерживалась температура в –196 °C, или же отправляли ее в печь, где растительные останки прогревались до температуры в 100 или 196 °С, после чего размалывали их и изучали химический состав и структуру.

Опыты показали, что нагрев биомассы до высоких температур позволяет достаточно просто и быстро удалить весь лигнин из клеточных стенок. Это происходит благодаря тому, что внутри них образуются крупные поры и скопления этого биополимера «плавятся». В результате листья и побеги тростника превращаются в очень пористый материал, который можно применять для самых разных целей.

Благодаря заморозке биомассы и ее последующему измельчению можно быстро разрушать молекулы лигнина и целлюлозы с помощью различных катализаторов и ферментов. Это делает производство биотоплива и различных реагентов эффективнее. Как надеются ученые, оба этих подхода найдут свое место в биохимической промышленности.

Лигнин – природный ресурс с огромным потенциалом

Нефть – источник жизненной силы химической промышленности. Это сырье для основных химических веществ и используется для производства огромного количества продуктов. Растущий спрос и истощающиеся ресурсы означают, что химическая промышленность все больше внимания уделяет возобновляемым ресурсам. Лигнин является компонентом древесины, который оказался особенно многообещающим ресурсом. В настоящее время он используется почти исключительно для производства энергии, хотя может использоваться и для многих других целей. В Баден-Вюртемберге исследовательский консорциум специально занимается изучением потенциала этого древесного компонента.

Деревообрабатывающий завод в городе Бухенбах. © Джульетта Ирмер

Лигноцеллюлоза (лат. lignum = древесина) придает растениям форму и устойчивость. Биополимеры лигноцеллюлозы укрепляют клеточную стенку растений и состоят из трех основных компонентов: целлюлоза и гемицеллюлоза образуют каркас, в который в качестве своеобразного связующего включен лигнин, тем самым укрепляя клеточную стенку. Лигнификация клеточных стенок делает растения устойчивыми к ветру и вредителям.

В отличие от ископаемой нефти, лигноцеллюлозы, полученные из древесины, соломы или мискантуса, являются возобновляемым сырьем, их можно выращивать на полях и в лесах, они нейтральны для климата. При этом количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу при сжигании древесины и древесных материалов, не превышает количества, запасаемого деревьями по мере их роста. Но являются ли лигноцеллюлозы серьезной альтернативой нефти?

От нефтеперерабатывающих заводов до биоперерабатывающих заводов

Химическая промышленность полностью зависит от соединений углерода при создании таких продуктов, как краски, клеи, искусственные волокна, удобрения, пестициды и, прежде всего, пластмассы. В Германии на нефть, природный газ и уголь приходится примерно 87 процентов всех соединений углерода, используемых для этих целей.

Однако углерод встречается и в растениях. В процессе фотосинтеза растения связывают атмосферный углекислый газ и используют его для производства богатых энергией молекул, в первую очередь соединений сахаров. Химическая промышленность уже в ограниченной степени (13 процентов) использует возобновляемые ресурсы, в основном растительное масло, крахмал, натуральный каучук и целлюлозу.

Цель состоит в том, чтобы увеличить этот процент в будущем. «Наша долгосрочная цель — создать биоперерабатывающие заводы, на которых возобновляемое сырье можно будет использовать в полном объеме в оптимизированной цепочке создания стоимости», — говорит д-р инженер Даниэль Форххейм из Технологического института Карлсруэ и координатор консорциума лигноцеллюлозы в Бадене. -Вюртемберг. В настоящее время консорциум работает над 19проекты, которые изучают весь поток материала от поля до продукта. Основными областями исследований являются выращивание сырья, т. е. селекция и разведение растений, производящих лигноцеллюлозу, испытание новых методов экстракции и стратегий биотехнологического и химического синтеза для разработки продуктов на биологической основе.

Лигнин – новая нефть?

Фенилпропановые строительные блоки лигнина кумарилового спирта (1), кониферилового спирта (2) и синапилового спирта (3) © Викисклад / Йикразуул

Лигнин, который составляет до 30 процентов биомассы лигноцеллюлозы, является неиспользованным сокровищем – по крайней мере, с химической точки зрения.

Смолистое вещество состоит из различных ароматических основных строительных блоков, так называемых фенилпропаноидов, которые чрезвычайно полезны. Ароматические соединения обычно извлекаются из нефти и используются для производства пластмасс, лекарств и красок. Таким образом, потенциал лигнина довольно высок: помимо целлюлозы и хитина, лигнин является самым распространенным полимером в природе и единственным, который содержит такое большое количество ароматических соединений.

Ежегодно во всем мире производится около 50 миллионов тонн лигнина в качестве побочного продукта бумажной промышленности. Лигнин обычно извлекают из древесной массы с помощью сульфатного процесса, в ходе которого окоренные древесные щепы, солому или измельченные стебли кукурузы кипятят в течение нескольких часов в больших сосудах под давлением с гидроксидом натрия, чтобы удалить лигнин из волокнистой целлюлозы. Лигнин является побочным продуктом этого процесса и накапливается в виде черного щелока. Материальный потенциал лигнина остается в значительной степени неиспользованным: 9сжигается 8 процентов лигнина.

Однако лигнин также можно производить из соломы или мискантуса, гигантской травы с особенно многообещающим потенциалом. Miscanthus x giganteus растет на бедных питательными веществами почвах, дает высокие урожаи и не поддается воздействию многих стрессовых факторов. Он также используется в качестве пилотной установки в рамках подпроекта, осуществляемого исследователями из Центра исследований организмов Гейдельбергского университета. «Мы изучаем влияние факторов окружающей среды на важный метаболический путь растений, называемый фенилпропаноидным путем», — говорит Линн Восс из Центра. Путь фенилпропаноида начинается с аминокислоты фенилаланина. Растения имеют определенный пул этого соединения, которое они используют для синтеза соединений, обеспечивающих, например, защита от травоядных и патогенов, а также лигнин. Растения способны изменять количество фенилпропаноидов в ответ на изменение условий окружающей среды. В засушливых условиях или при заражении насекомыми растения производят больше защитных веществ и меньше лигнина.

«Мискантус очень крепкий и, по-видимому, очень эффективно использует фенилаланин. Теперь мы хотим понять, как растения могут изменять эти количества», — говорит Восс.

singleimage.big_view Формула лигнина. Различные строительные блоки лигнина образуют сеть. © КИТ-ИКФТ, Маркус Брейниг

В дополнение к фундаментальным исследованиям исследовательский консорциум также занимается разработкой новых методов преобразования. Необходимо проводить различие между разделением лигноцеллюлозы на три ее основных компонента и последующими процессами, которые расщепляют целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин на их основные строительные блоки. Это особенно сложно для лигнина, поскольку строительные блоки фенилпропаноида кониферил, кумарил и синапиловый спирт связаны друг с другом в различных соотношениях и образуют плотную трехмерную сеть, которую трудно разрушить химически.

Из-за сложной структуры для разрушения лигнина требуются высокие температуры (до 500 градусов Цельсия) и высокое давление (до 200 бар). По этой причине исследователи уделяют особое внимание разработке методов, которые наносят меньше вреда целлюлозе и гемицеллюлозе и являются более экономичными.

Достижение цели с помощью бактерий и грибков

Исследователи используют природу в качестве модели: грибы белой гнили расщепляют лигнин с помощью ферментного коктейля. Но это очень медленный процесс. Грибы расщепляют лигнин главным образом с помощью ферментов лакказы и пероксидазы. Однако результаты, полученные в лаборатории, не всегда удовлетворительны. «Ферментативные процессы делают и то, и другое, синтезируют новые молекулы и разрушают другие. Ферменты расщепляют лигнин на строительные блоки, а также собирают их снова», — говорит доктор Сюзанна Зибек из Института межфазной инженерии и биотехнологии Фраунгофера в Штутгарте. Другой подход, направленный на непосредственное разрушение лигнина с помощью бактерий и грибков, может оказаться более перспективным. «У бактерий и грибков есть пути, которые мы имеем в виду», — говорит Доминик Райс из Института межфазной инженерии и плазменных технологий Штутгартского университета. Исследователи используют методы генной инженерии, чтобы заставить бактерии экспрессировать больше интересующих ферментов или отключить нежелательные. Конечной целью является производство только конкретных строительных блоков лигнина. Однако метод все еще находится на ранней стадии разработки.

Химики из Института исследований угля им. Макса Планка в Мюльхайме-на-Руре разработали процесс, призванный упростить использование лигнина. Благодаря двум катализаторам и трем взаимосвязанным химическим реакциям лигнин можно расщепить при температуре 150 градусов и давлении менее 40 бар. Прежде всего, в процессе образуется не дикая смесь ароматических соединений, которая обычно получается при термохимическом разделении лигнина и которую трудно разделить, а более однородная группа ароматических соединений углерода, которые легче выделить.

Уже существуют первые приложения, использующие лигнин в качестве материала: компания TECNARO из города Ильсфельд в Баден-Вюртемберге смешивает лигнин с другими натуральными волокнами, такими как лен или конопля, для производства волокнистого композита под названием ARBOFORM® (Arbor, лат. дерево), которым можно придать форму при повышенных температурах. Этот композит также называют жидким деревом, потому что ему можно придать любую форму, включая сегменты рулевого колеса, корпуса мобильных телефонов или музыкальные инструменты, такие как флейты. Кроме того, лигнин можно использовать для производства искусственного ванилина в промышленных масштабах. Примерно из одной тонны древесины можно получить примерно три килограмма ванилина.

Строительные блоки из целлюлозы и гемицеллюлозы также могут использоваться в качестве материалов. Группа исследователей из Университета Хоэнхайма использует генетически модифицированные дрожжи для производства этанола из сельскохозяйственных отходов, таких как солома. Это удалось сделать и швейцарской компании Clariant. Их демонстрационный завод в городе Штраубинг может производить до 1000 тонн этанола в год. Этот целлюлозный этанол уже используется в чистящих средствах.

Биомасса не безгранична

Лигнин имеет огромный потенциал применения. Однако количество лигнина, которое будет использовано в химической промышленности в будущем, зависит от многих факторов: с одной стороны, от динамики цен на сырую нефть, с другой — от успехов в исследованиях. Исследовательский консорциум также занимается потенциальными экологическими ограничениями, связанными с использованием лигнина: насколько интенсивно можно использовать лигноцеллюлозу для извлечения лигнина, прежде чем это окажет серьезное воздействие на окружающую среду? «Одна группа исследователей сосредоточена на вопросе, сколько сухостойной древесины должно быть в лесу. «Это важный аспект для исследования, поскольку лигнин является важным почвообразователем», — говорит Форххейм.0003

Другой подпроект исследует региональную доступность и устойчивое использование лигноцеллюлозы: «Древесина — это ресурс, который производится устойчиво и не составляет прямой конкуренции с производством продуктов питания. Таким образом, этической проблемы нет. Однако лигноцеллюлоза уже интенсивно используется и возможности для расширения ограничены», — говорит д-р Маркус Лингенфельдер, исследователь лесного хозяйства из Фрайбургского университета.Чтобы сделать полученную из древесины лигноцеллюлозу экологически устойчивой для биоэкономики, потребуется заменить использование древесины для производства энергии в долгосрочной перспективе. Это может быть связано с другими возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечный свет, ветер и вода. «Это была бы весьма разумная стратегия, поскольку она гораздо более эффективна с точки зрения площади, чем сжигание биомассы. Кроме того, включение лигноцеллюлозы в изделия длительного пользования улавливает больше атмосферного CO 9 .0041 2 , чтобы дольше», — говорит Лингенфельдер.

Использование быстрорастущей травы мискантуса также не лишено трудностей. Хотя мискантус является непищевой биомассой, его выращивание, тем не менее, конкурирует с производством продуктов питания и кормов, поскольку сельскохозяйственные угодья ограничены не только в Германии, но и в других странах. Поэтому лигнин, получаемый из сельскохозяйственных отходов или в качестве побочного продукта в бумажной промышленности и в настоящее время в основном сжигаемый, представляется достаточно хорошей альтернативой. Добавленная стоимость, которая будет приносить более высокие доходы, когда лигнин используется не только для производства энергии, расширит спектр возможностей для экологически чистых продуктов. Хотя лигноцеллюлоза, вероятно, не заменит нефть в ближайшем будущем, она, вероятно, дополнит ее.

Лигнин Определение и значение | Dictionary.com

Лучшие определения
Тест
Примеры
Британский
Научный

Показывает уровень сложности слова.

[ lig-nin ]

/ ˈlɪg nɪn /

Сохранить это слово!

Показывает уровень сложности слова.

сущ.

Ботаника. органическое вещество, которое вместе с целлюлозой составляет основную часть древесной ткани.

Изготовление бумаги. нечистые вещества, содержащиеся в древесной массе.

ВИКТОРИНА

ВЫ ПРОЙДЕТЕ ЭТИ ГРАММАТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИЛИ НАТЯНУТСЯ?

Плавно переходите к этим распространенным грамматическим ошибкам, которые ставят многих людей в тупик. Удачи!

Вопрос 1 из 7

Заполните пропуск: Я не могу понять, что _____ подарил мне этот подарок.

Происхождение лигнина

Впервые указано в 1815–1825 гг.; лигн- + -ин ²

Соседние слова лигнин

древесный, лигни-, древесный, древесный, одревесневший, лигнин, лигнин сульфонат, лигнит, древесноядный, лигно-, лигнокаин

Как использовать лигнин в предложении

Варьируя уровни двух гормонов в геле, исследователи контролировали выработку клетками лигнина, полимер, придающий древесине прочность.
Лес без деревьев|Дэниел Акерман|28 апреля 2021 г.|MIT Technology Review
Что ж, это месторождение лигнина вызвало всплеск кислорода в атмосфере.
Почему птицы могут летать над Эверестом — Выпуск 94: Эволюция|Уолтер Марч|30 декабря 2020|Наутилус
В конце концов мертвые деревья и папоротники, а также непереваренный лигнин за более чем 100 миллионов лет отложились под поверхностью Земля.
Почему птицы могут летать над Эверестом — Выпуск 94: Эволюция|Уолтер Марч|30 декабря 2020|Наутилус
Подобно тропическим дождям с крыши джунглей, лигнин капал со сводов и при падении воспламенялся.
Мозг|Александр Блэйд

Внизу у его ног разлившийся лигнин образовал расширяющуюся лужу; он угрожал окутать его ноги.
Мозг|Александр Блэйд
С третьего удара пластиковая ячейка треснула, лигнин вылился наружу, сиропообразная завеса сползла вниз.
Мозг|Александр Блэйд
Они содержали лигнин-динамит с очень дешевыми часами для его запуска.
The Strand Magazine, Volume VII, Issue 38, February 1894|Various
На втором году только лигнин увеличился к концу; клетчатка уменьшилась в конце июня.
Исследования целлюлозы|C. F. Cross

Британские определения словаря для лигнина

Lignin

/ (ˈlɪnɪn) /

Совместное

Комплексный полимер, возникающий в определенных клеточных стенах растений, создавая растение жестко

Коллинс. Цифровое издание 2012 г. © William Collins Sons & Co. Ltd. 1979, 1986 © HarperCollins Publishers 1998, 2000, 2003, 2005, 2006, 2007, 2009, 2012

Научные определения лигнина

лигнина

[ лигнина ]

стены растений. Лигнин представляет собой полимер, состоящий из различных ароматических спиртов, и является основным неуглеводным компонентом древесины.