Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

BIOCOMPOSITE MATERIALS BASED ON ULTRAFINE PARTICLES OF WOOD AND LEVAN PRODUCED BY MICROBIAL BIOSYNTHESIS AZOTOBACTER VINELANDII D-08

Revin V.V. 1 Shutova V.V. 1 Novokuptsev N.V. 1
1 Federal State Educational Institution of Higher Education Mordovia State University named after N.P. Ogarev (National Research University)
It was obtained the biocomposite materials based on ultrafine particles of wood and a microbial polysaccharide levan used as a binder component of the culture broth. Grinding pine sawdust to the ultrafine size was performed on a planetary ball mill. Levan was synthesized by Azotobacter vinelandii strain in a nutrient medium with molasses. The maximum yield of the levan was 17,73 g/l. Also the dynamic viscosity was increased up to 0,71–0,80 dPa sec for 72 hours of cultivation. Tensile strength of the composites with a binder containing levan reached 23,7 MPa. Strength and density of the biocomposite materials were increased with increasing of the pressure and temperature during compression. Introduction into the press-mass 1 and 3 % of liquid glass resulted in increasing tensile strength up to 33,8 and 35,6 MPa, respectively, and thickness swelling decreased to 9,5–8,5 %. A new perspective eco-friendly material was obtained that can find wide application, in particular at building industry and furniture manufacturing.
azotobacter vinelandii
molasses
levan
polysaccharide binder
biocomposite material
ultrafine wood particles
1. Chetverikov S.P., Loginov Ja.O., Pigilcova S.A. Optimizacija uslovij kultivirovanija i biosinteza jekzopolisaharida Azotobacter vinelandii. Bashkirskij himicheskij zhurnal, 2006, no. 5, pp. 8–11.
2. 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, no. 4. рр. 258–262.
3. Gorohovskij A. G., Chernyshev D. O., Chernyshev O. N. Melkodispersnye drevesnye kompozicionnye materialy na poroshkovom svjazujushhem. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. Tehnicheskie nauki, 2013, no. 6, pp. 1–7.
4. 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, no. 2. рр. 112–119.
5. 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, no. 7. рр. 1984–1993.
6. 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. рр. 25–30.
7. Loginov Ja.O. Biosintez i svojstva jekzopolisaharida Azotobacter vinelandii : dis. … kand. tehn. nauk. Shhelkovo, 2011, pp. 29–30.
8. 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, no. 1. оо. 243–245.
9. Revin V.V. Teoreticheskie i prikladnye osnovy poluchenija biokompozicionnyh materialov s pomoshhju biologicheskih svjazujushhih. Saransk: Izd-vo Mordovskogo un–ta, 2010. 280 p.
10. Revin V.V., Shutova V.V. Sposob poluchenija biologicheskogo svjazujushhego // Patent Rossii 2473692, 2011, Bjul., no. 3.
11. Revin V.V., Shutova V.V., Ivinkina T.I. Sposob izgotovlenija biokompozicionnogo materiala // Patent Rossii 2481945, 2011, Bjul., no. 14.
12. Shutova V.V., Vedjashkina T.A., Ivinkina T.I., Revin V.V. Poluchenie kleevyh sostavov i materialov pri ispolzovanii kulturalnoj zhidkosti polisaharidsintezirujushhih mikroorganizmov. Izvestija vuzov. Serija Stroitelstvo, 2010, no. 3, pp. 31–36.
13. Shutova V.V., Jusipovich A.I., Parshina E.Ju., Zaharkin D.O., Revin V.V. Jeffektivnost fermentativnogo gidroliza polisaharidov ultradispersnyh chastic lignocelljuloznogo syrja v zavisimosti ot ih razmera. Prikladnaja biohimija i mikrobiologija, 2012, no. 3, pp. 346–352.
14. Stoimost drevesnoj muki kompanii OOO «VolzhskDrevMuka» (Cost of wood meal company «VolzhskDrevMuka») Available at: http://volzhsk.flagma.ru/drevesnaya-muka-o1527079.html (accessed 10 February 2014).
15. Thoemen H. Wood-Based Panels. An Introduction for Specialists / H. Thoemen, M. Irle, M. Sernek. London, England: Brunel University Press, 2010. 287 p.
16. Vedjashkina T.A., Revin V.V., Gogotov I.N. Optimizacija uslovij sinteza dekstrana pri vyrashhivanii bakterii Leuconostoc mesentenoides na melasse. Prikladnaja biohimija i mikrobiologija, 2005, no 4, pp. 409 413.

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.