Приживутся ли делигнификаторы в ЦБП?
Предлагаемая вниманию читателей публикация посвящена использованию биотехнологий в производственных процессах, современным уникальным научным разработкам, находящим применение в различных отраслях человеческой деятельности, в том числе в лесопромышленной отрасли. Кроме того, речь пойдет о том, каким образом инновационные разработки могут интегрироваться в существующие технологические схемы производства, о применении биотехнологий в лесопромышленном комплексе и связанных с этим перспективах развития ЛПК в ХХI веке.
Полезные свойства микроорганизмов человечество научилось использовать в глубокой древности. Возможностью применения биологических объектов (бактерий, грибов, тканевых культур, ферментов) для многочисленных практических целей в современном мире занимается биотехнология — наука, оформившаяся на стыке естественных и инженерных дисциплин. В классическом понимании биотехнология — это система высокоэффективных методов направленного использования процессов, происходящих в живых организмах, для получения полезных продуктов в промышленных масштабах. Биотехнологии позволяют создавать управляемые процессы микробиологического производства пищевых продуктов, медикаментов и органических соединений, используя естественные процессы, регулярно протекающие в биосфере. Сохранение окружающей среды является главным преимуществом биотехнологий перед химическими способами производства, механизмы которых являются неестественными в природной среде. Применение биотехнологий дает возможность использовать дешевое, недефицитное сырье или отходы лесного и сельского хозяйства.
Гриб грибу рознь
Дереворазрушающие грибы представляют большой интерес для биотехнологии. Накопившиеся к началу ХХI века сведения относительно группы высших грибов, называемых грибами белой гнили, позволяют говорить о целесообразности применения их природных особенностей во многих сферах человеческой деятельности. Грибы белой гнили — довольно многочисленная группа организмов. Хорошо известными ее представителями являются съедобные грибы — опята и вешенки.
Грибы белой гнили развиваются на древесине и способны разрушать три ее главных компонента: целлюлозу, гемицеллюлозы и лигнин. Лигнин — одно из самых устойчивых природных соединений — является вторым (после целлюлозы) по распространенности на Земле полимером. Он выполняет защитную роль в древесной клетке, преграждая путь микроорганизмам к энергетически ценным компонентам древесины. Уникальность грибов белой гнили заключается в том, что это единственные микроорганизмы, обладающие комплексом окислительных ферментов, способных эффективно разрушать лигнин. В лесных экосистемах грибы белой гнили высвобождают минеральные элементы из клеток древесины и, следовательно, играют большую роль в осуществлении круговорота веществ в природе и возобновлении леса.
Польза делигнификаторов
Неспецифический характер действия и высокоэффективный окислительный потенциал ферментов грибов белой гнили позволяют использовать их для разрушения органических загрязнителей (диоксинов, пентахлорфенолов, полиароматических углеводородов), очистки сточных вод текстильных производств и целлюлозно-бумажных фабрик, а также канализационных стоков. В лесопромышленном комплексе природные особенности этих грибов можно использовать для биологической отбелки целлюлозы; получения модифицированной древесины с заданными свойствами и древесностружечных плит, производство которых не требует применения эпоксидных смол. Древесные отходы ЛПК, предварительно прошедшие ферментацию, можно использовать в энергетике для получения этанола, а также в сельском хозяйстве в качестве корма для крупного рогатого скота.
В целлюлозно-бумажном производстве лигнин и гемицеллюлозы являются нежелательными компонентами, снижающими качество бумаги и целлюлозных полуфабрикатов. Для улучшения свойств конечной продукции используют энергоемкие процессы и химические соединения, загрязняющие окружающую среду. Процесс удаления лигнина из древесной щепы в целлюлозно-бумажном производстве называется делигнификацией. Научные коллективы многих стран работают над изменением традиционных процессов целлюлозно-бумажного производства, наносящих непоправимый ущерб природе. Интерес ученых направлен на поиски штаммов грибов, способных избирательно разрушать лигнин, не затрагивая ценную целлюлозную составляющую. Грибы, обладающие такими свойствами, получили название биоделигнификаторов. Дополнительным преимуществом их использования является устранение гемицеллюлоз.
Процесс предварительной обработки древесной щепы или другого лигноуглеводного субстрата лигнинразрушающими грибами с целью получения конечного продукта, обогащенного целлюлозой, называется биопалпинг. Включение биопалпинга в уже существующие технологические схемы может осуществляться по двум основным направлениям:
- предварительная обработка древесной щепы грибом для последующей химической делигнификации с уменьшением объемов затрат химикатов и повышением качества получаемых волокнистых полуфабрикатов;
- частичная делигнификация и модификация лигнина для снижения потребляемой энергии и улучшения качества термомеханической массы.
Благодаря специализированной системе, разрушающей лигнин, на целлюлозно-бумажных комбинатах снижается потребность в энергии и химических реагентах. Под действием биологических катализаторов — ферментов — реакции протекают при сравнительно низких температуре и давлении. Продукты разложения лигнина полностью метаболизируются и не представляют опасности для окружающей среды и человека. Теоретически щепа может проходить грибную предобработку на складах хранения при ЦБК.
История исследований
Штаммы дереворазрушающих грибов, выращенных
в стерильных условиях
О возможности применения грибов белой гнили для биологической делигнификации древесины впервые заявили еще в 1957 году американские ученые Лоусон и Стилл, работавшие в исследовательской лаборатории целлюлозно-бумажной компании West Virginia (сейчас Westvaco Corporation). Эти исследователи выпустили обзор, посвященный 72 лигнинразрушающим грибам, в котором указали на серьезные пробелы в этой области биологии. И крупные мировые лаборатории целенаправленно занялись изучением механизмов разрушения древесины и поиском штаммов эффективных делигнификаторов. В 1972 году на внутреннем докладе в Forest Product Laboratory (FPL, США) было сообщено, что предобработка осиновой щепы грибами белой гнили при получении древесной массы в рафинерах снижает затраты на электроэнергию на предприятиях и позволяет производить более прочную бумагу в сравнении с той, что получается из контрольной необработанной щепы. Сходная исследовательская работа была проведена учеными шведской лаборатории Swedish Product Laboratory (STFI) в Стокгольме. В их первом докладе, посвященном биопалпингу, утверждалось, что грибная предобработка может значительно влиять на сбережение энергии при механическом способе получения древесной массы. Шведскими учеными оформлен первый патент на технологию получение древесной массы, обогащенной целлюлозой, с помощью грибов белой гнили (патент US3962033, авторы: К. Э. Эрикссон, П. Андер, Б. Хеннингссон, Т. Нилссон, Б. Гуделл).
Плодовые тела дереворазрушающих грибов в природе
Впоследствии этими и другими учеными было проведено множество научно-исследовательских работ с использованием штамма гриба Phanerochaete chrysosporium. Этот штамм длительное время использовался в качестве модельного гриба, и результаты его воздействия на древесину сравнивались с результатами воздействия других лигнинразрушающих грибов. Гриб не обладает свойствами делигнификатора, вызывая в основном одновременное разложение всех компонентов древесины, включая целлюлозу. Несмотря на это, было доказано, что при обработке древесной массы этим грибом перед вторичной обработкой в рафинере затраты энергии снижаются на 25–30 %, а прочность бумаги увеличивается.
Осознание необходимости закрепления полученных результатов и развития этой технологии способствовало созданию специального консорциума, в который вошли университеты Висконсина и Миннесоты (США), а также около двадцати целлюлозно-бумажных компаний, заинтересовавшихся перспективами исследований. Работа консорциума была целиком посвящена исследованию возможности промышленного использования дереворазрушающих грибов для нужд ЦБК. Функционирование и координацию консорциума осуществляли многочисленные научно-исследовательские коллективы микологов, микробиологов, генетиков, экономистов и инженеров. В результате многолетней работы выяснилось, что среди всех изученных грибов Cerioporiopsis subvermispora обладает наиболее удовлетворительными биотехнологическими характеристиками. Он оказался эффективным биоделигнификатором как для хвойных, так и для лиственных пород, кроме того, улучшал физико-механические свойства древесной массы, избирательно разрушал лигнин при сравнительно низких потерях целлюлозы, снижал энергозатраты целлюлозно-бумажных предприятий.
Российский опыт
В советское время ведущей организацией по изучению природных особенностей грибов-биоделигнификаторов была Проблемная научно-исследовательская лаборатория защиты древесины Ленинградской ЛТА (в настоящее время Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С. М. Кирова). Лаборатория занималась главным образом поиском видов дереворазрушающих грибов, обладающих следующими свойствами: быстрым ростом, захватом субстрата и его освоением; быстрым и глубоким разложение лигнина; избирательностью разложения лигнина и сохранением целлюлозы; неразборчивостью по отношению к субстратам (одинаковым разложением хвойных и лиственных пород, заболони и ядра). В результате широкомасштабного отбора штаммов был выбран наиболее эффективный делигнификатор, который был выделен в культуру для всестороннего изучения его биологических особенностей. Современные исследования на кафедре экологии, анатомии и физиологии растений СПбГЛТА показывают, что выбранный штамм способен эффективно разрушать лигнин, не уступая по делигнификационным свойствам зарубежным аналогам. Наибольшую эффективность разрушения лигнина гриб демонстрирует на древесине осины. В условиях чистых культур удается добиться почти 90 % разрушения лигнина при сравнительно низких потерях массы исследуемых образцов. Одновременно с биоделигнификацией происходит разрушение гемицеллюлоз, не представляющих интереса для целлюлозно-бумажной промышленности. В отличие от зарубежных исследований, предмет которых — ферментативные процессы с перспективой очистки и приготовления ферментных препаратов, в лаборатории ЛТА велись поиски штаммов грибов, изначально обладающих необходимым набором ферментов, чтобы в перспективе избежать дорогостоящих технологических операций разделения и очистки ферментов на предприятиях. Были получены обнадеживающие результаты по следующим направлениям:
- снижение энергоемкости производства;
- улучшение физико-механических свойств древесной массы после обработки грибом;
- отбелка и стабилизация яркости биомеханической древесной массы;
- биологическая отбелка сульфатной целлюлозы без использования хлорсодержащих реагентов;
- обесцвечивание сточных вод, удаление токсичных хлорированных фенолов и других мутагенных и тератогенных веществ из сточных вод после отбелки.
Биопалпинг и промышленная имплементация
Положительные результаты, полученные в лабораторных условиях, не всегда являются гарантированно воспроизводимыми в промышленных масштабах. С целью осуществления многих микробиологических процессов на предприятиях используются специальные дорогостоящие аппараты — биореакторы, которые обеспечивают оптимальные условия развития микроорганизмов. Для ферментации древесной щепы грибами белой гнили использование биореакторов нецелесообразно ввиду большого объема обрабатываемого сырья и сравнительно медленно протекающих биологических процессов. Таким образом, процесс получения древесной массы с помощью грибов белой гнили должен эффективно протекать в природных условиях на складах хранения технологической щепы ЦБК с проведением грибной предобработки. В этом случае развитие конкурентных микроорганизмов, саморазогревание щепы и неблагоприятные температурные и влажностные условия могут отрицательно сказываться на эффективности и равномерности протекающих процессов (освоении субстрата, разложении лигнина). Все это предъявляет дополнительные требования к используемым в природных условиях на складах хранения щепы ЦБК микроорганизмам и заставляет искать новые технологические решения.
При хранении щепы в буртах часто возникает проблема ее саморазогревания вследствие ферментной активности микроорганизмов (бактерий, актиномицетов, грибов). Этот неконтролируемый процесс может привести к смене микроорганизмов или к их полной гибели при достижении экстремально высокой температуры. Таким образом, саморазогревание щепы в биотехнологии является нежелательным и труднопреодолимым процессом. Но эту проблему можно решить, используя принудительную искусственную аэрацию буртов с древесной щепой.
За последние десятилетия были заявлены десятки патентов изобретений, описывающих технологические схемы подготовки и стерилизации древесной щепы и отходов ЛПК для последующей предобработки с помощью лигнинразрушающих грибов; способы стимуляции их роста и ингибирования роста нежелательной микрофлоры. Благодаря современным исследованиям биоделигнификация как начальный этап в общей технологической схеме целлюлозно-бумажного производства становится реальностью.
Идея биопалпинга уже получила инженерное воплощение. К настоящему времени в FPL разработана система обработки технологической щепы, построенная на основе использования двух ленточных конвейеров. Щепа, перемещаясь по первому конвейеру, подвергается паровой стерилизации. На втором конвейере она остужается очищенным воздухом и подвергается обработке специальной суспензией, содержащей культуру гриба и пищевые регуляторы. После этих процедур щепа поступает в бурты, где проходит двухнедельную ферментацию. А затем по указанной схеме сотрудниками FPL был заложен крупномасштабный эксперимент с 50 т древесной щепы, итоги которого продемонстрировали высокую воспроизводимость результатов, полученных в лабораторных условиях. Таким образом, сотрудники FPL доказали возможность использования биопалпинга в промышленных масштабах.
Концепция применения биологических препаратов на основе дереворазрушающих грибов для улучшения качества древесных полуфабрикатов эксплуатируется в коммерческих целях уже более десяти лет. Уникальный препарат Sylvanex 97 длительное время выпускался известной компанией Clariant. Основой для него послужила культура гриба Ophiostoma piliferum. Согласно исследованиям этот гриб позволяет существенно снизить содержание смоляных веществ в древесном сырье, увеличить выход продукции, улучшить ее физико-механические свойства, регулировать микрофлору хранящейся щепы, предотвращая появление в ней деревоокрашивающих грибов. В настоящее время права на технологию принадлежат изобретательнице технологии Р. Фаррелл (Parrac Ltd, Новая Зеландия). Постоянным покупателем препарата с 1996 года является фабрика Rayonier Fernandina Beach Pulp Mill, штат Флорида (США). Продукция, выпускаемая этой фабрикой, используется для производства жидкокристаллических панелей, фармацевтических препаратов, ударопрочных пластиков, сигаретных фильтров, косметики, детергентов, красок, взрывчатых веществ и продуктов питания.
Некоммерческая организация Biopulping Int., созданная с целью разработки стратегии эффективной коммерциализации описываемого способа, поддерживается федеральными грантами и грантами департамента энергетики США. Еще в 2002 году предполагалось, что применение энергосберегающих технологий на основе биопалпинга в США позволит сократить стоимость производства термомеханической древесной массы с 275 до 258 $ за тонну.
Несмотря на очевидные преимущества, владельцы целлюлозно-бумажных фабрик не торопятся отказываться от привычных способов производства и изменять технологические схемы. И лишь благодаря пониманию широкой общественностью необходимости развития альтернативных технологий, снижающих нагрузку на биосферу, можно ожидать инноваций в технологиях целлюлозно-бумажного производства.
Игорь КАЗАРЦЕВ, Антон КУЗНЕЦОВ
Благодарим д-ра биол. наук, профессора В. А. Соловьева за помощь в подготовке статьи
