Рынок бактериальной наноцеллюлозы

Тенденции и перспективы

В существующих и потенциальных отраслях применения бактериальной наноцеллюлозы растут инвестиции (медицина, биоразлагаемая упаковка), развиваются сами рынки (например, производство БАДов, которое выросло в следствие пандемии COVID-19, или хлебопекарная промышленность, которая, несмотря на тренд органического полезного питания, подстраивается под потребителя и растет с новыми продуктами), что открывает новые возможности для внедрения бактериальной наноцеллюлозы. На текущий момент, наибольшие возможности представляет направление медицинской промышленности, в частности использование материала в раневых покрытиях и лекарственных матрицах.

Основным затруднением, с которым сталкиваются производители БНЦ, это получение материала и его себестоимость

Существует несколько вариантов получения бактериальной наноцеллюлозы (статическим и динамическим способами культивирования), критически важно наличие устойчивой сырьевой базы, что поможет обеспечить высокий выход целевого продукта и его высокое качество

Биотехнологические процессы являются высоко капиталоемкими по сравнению с традиционными методами ферментации других материалов. В сочетании с обычно низким выходом бактериальной наноцеллюлозы, высокие капиталовложения и связанные с ними высокие эксплуатационные расходы представляют собой сильное экономическое ограничение для коммерциализации материала по «низкой» цене (например, по сравнению с Ната-де-Коко). Тем не менее благодаря уникальным свойствам и рыночному потенциалу, предпринимаются большие усилия для того, чтобы превратить бактериальную наноцеллюлозу в новое поколение сложных материалов.

Бактериальная наноцеллюлоза накормит и спасет больных людей

Российские исследователи не отстают от мировых тенденций: есть идеи производить композиты для дороги Москва-Казань, выпускать ранозаживляющий гидро-гель и жизненно-важные материалы для медицины.

Елена Ефременко, доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией экобиокатализа химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова поделилась уникальным опытом выращивания бактериальной наноцеллюлозы, в том числе для применения в виде раневых покрытий в ожоговых центрах — когда тело человека можно покрыть регенирирующей тканью как простыней. Также в медицине бактериальную наноцеллюлозу могут использовать в качестве перевязочных материалов, в тканевой инженерии для восстановления кровеносных сосудов, в составе имплантационных материалов для реконструктивно-восстановительных операций. В пищевой промышленности она идет как основа энтеросорбентов и диетических продуктов.

Использование бактериологической наноцеллюлозы выгодно для пищевых корпораций при производстве органических продуктов питания, так как она считается не вредным, а полезным ингредиентом. Так, компания Kellogg`s заявляет целлюлозу в составе куриных наггетсов, котлет, вафель и блинчиков, вафель. Kraft и Organic Valley используют целлюлозу в производстве сыров для тостов, чтобы сырный ломтики не слипались и не высыхали. General Mills указывают целлюлозу в составе практически всех продуктов – мороженого, соусов, сладких сиропов, сухих завтраков, сыров, мясных лепешек и так далее.

«Количество исследований и статей, посвященных бактериальной наноцеллюлозе, увеличивается в геометрической прогрессии. Это говорит о том, что интерес именно к этому виду производства огромный, особенно в Европе. — Отметила Елена Ефременко. —
Бактериальная целлюлоза не содержит лигнин и гемицеллюлозы, микрофибриллы в 100 раз тоньше по сравнению с растительной целлюлозой, высокая степень кристалличности (до 90%), высокая механическая прочность на растяжение и разрыв, высокая влагоудерживающая способность, не токсичная, биосовместимость и биодеградируемость. Сейчас в нашей лаборатории экобиокатализа
решается вопрос с ускорением процесса получения бактериальной наноцеллюлозы, в том числе из отходов сельского хозяйстваи уже
подана заявка на патент РФ на изобретение «Иммобилизованный биокатализатор для получения бактериальной целлюлозы».

Биокатализаторы синтеза бактериальной наноцеллюлозы — это широко распространенные бактериальные клетки, так называемый «чайный гриб». К синтезу целлюлозы способны бактерии следующих видов Acetobacter, Agrobakterium, Salmonella и ряд других бактерий и штаммов.

Бактериальная целлюлоза привлекательна тем, что не содержит целый ряд компонентов в отличие наноцеллюлозы из растительного сырья, плюс этот материл привлекает тем, что длина нанофибрил существенно больше — то есть длина и ширина ограничивается только размером емкости, в которой производится бактериальная наноцеллюлоза. После выступления Елены Ефременко к ней подошла представитель РГАУ-МСХА и предложила сотрудничество по проекту в сфере переработки сахарной свеклы.

В кулуарах участники Конференции также активно общались и делились опытом.

Редакция выражает благодарность организаторам Конференции «Наноцеллюлоза 2017» за приглашение.

Анна Медведева

Чья наноцеллюлоза будет лучше?

Как отметил Алексей Аблаев, наноцеллюлоза как новая отрасль еще только формируется и какие проекты «выстрелят» в дальнейшем пока напоминается рулетку. Тотальный спрос на продукт появится при стоимости наноцеллюлозы меньше 10 долларов за килограмм.

Одним из препятствий в развитии индустрии является довольно долгий и затратный технологический процесс изготовления, когда необходимо разрушить полимерное соединение лигнин, находящееся в межклеточном пространстве растений и скрепляющее волокна целлюлозы. В зависимости от технологий, современные исследователи работают в разными видами наноцеллюлозы: NFC (нанофибриллярная наноцеллюлоза), NCC (нанокристаллическая целлюлоза), BC (бактериальная целлюлоза) и другие.

Упрощением и удешевлением процесса заняты практически все мировые компании из данного сегмента, в том числе канадская корпорация «Kruger» и VTT (Финляндия) — обе они считаются флагманами индустрии.

С своей презентацией «Обзор технологий производства и применения наноцеллюлозных материалов» выступил Пану Лахтинен, старший научный сотрудник и руководитель проектов Технического исследовательского центра VTT (Финлядния)

Компания VTT считается одной из ведущих исследовательских компаний Скандинавии, где уделяется большое внимание разработке и внедрению технических инноваций по фибриллярной форме целлюлозы

«Сейчас проводится первая в мире разработка стандартов ISO относительно фибриллярной формы» — сказал Пану Лахтинен. — «Наша компания VTT исследовала более 2 500 образцов и проанализировала 90 различных вариантов сырья. Мое понимание ситуации — того, каким будет рынок наноцеллюлозы, совпадает с мнением российского коллеги Алексея Аблаева. Наноцеллюлоза будет широко использована в строительстве, в электронике, в пищевой, фармацевтической и косметической промышленность. Производители смогут создавать добавленную стоимость для своих материалов. В качестве примера можно привести эффективные инновации нашего центра».

Ученые VTT исследовали использование наноцеллюлозы как добавку на водной основе для полиуретановых лаков и красок. По данным исследования, повысилась долговечность слоя краски, за счет уменьшения влияния УФ-излучения. На базе биоматериалов по технологии HefCel (высококонсистентное ферментативное получение волокон целлюлозы) были разработаны облегченные пакеты с высокими барьерными свойствами по отношению к кислороду, жирам и нефтепродуктам. На упомянутую технологию подана патентная заявка.

У наноцеллюлозы большой потенциал для повышения прочности и долговечности био-пластмасс и в отношении мембранных технологий. В Японии уже идут пилотные проекты по выпуску гелевых ручек и памперсов, университет Аалто совместно с VTT разработал пилотный способ производства наноцеллюлозной пленки с идеально гладкой поверхностью для отличного качества печати и улучшенными барьерными свойствами.

Потребление на рынке БНЦ

Благодаря уникальному комплексу свойств, бактериальная наноцеллюлоза может быть использована в ряде отраслей. Основными рынками потребления бактериальной наноцеллюлозы являются:

Пищевая промышленность (хлебопекарная, кондитерская, молочная (в том числе производство мороженого), соусы

Бактериальная наноцеллюлоза – пищевая клетчатка, она практически не переваривается в ЖКТ, и может выступать в роли добавки к диетическим продуктам. Также она может стать основой для производства мороженого, а также загустителем для соусов.

Производство БАДов

Бактериальная наноцеллюлоза может быть использована при производстве БАДов благодаря своим стабилизирующим свойствам, она может являться носителем дополнительных питательных веществ, дополнительным источником калорий.

Косметология (в частности, инъекционная)

Косметика с бактериальной наноцеллюлозой может стать новой категорией косметических средств, которая сочетает принципы сохранения влаги и насыщения клеток. Бактериальная наноцеллюлоза может удерживать влагу и сохранять кожу мягкой в течение длительного времени.

Медицинская промышленность

Медицинское применение бактериальной наноцеллюлозы в основном включает её использование в качестве повязок на рану и в качестве матрицы для лекарственных препаратов. Материал и его композиты используются в системах временного заживления ран, таких как регенерация тканей и доставка лекарств. Учитывая существующие проекты и потенциальные возможности применения, медицина является одной из отраслей с наибольшим спросом на бактериальную наноцеллюлозу. Для создания раневых повязок требуются следующие характеристики продукты: биосовместимость (чтобы не возникало аллергических реакций), абсорбирующие свойства, насыщения дополнительными веществами, влагоудерживающая способность, механическая прочность.

Производство биоразлагаемой упаковки

На данный момент бактериальная наноцеллюлоза не используется в данном сегменте, однако благодаря таким характеристикам как биоразлагаемость и механическая прочность, материал может стать основой производства упаковки.

Проанализировав рост потребления в отдельных отраслях продуктов-аналогов бактериальной наноцеллюлозы, возможно оценить перспективы использования материала на сегодняшний день и до 2027 г. Учитывая множество проводимых исследований и компании, уже присутствующие на рынке, прогнозируется рост рынка бактериальной наноцеллюлозы минимум в полтора раза к 2027 г.

Исходя из текущей оценки, почти 46% производства бактериальной наноцеллюлозы будет использоваться в медицинской промышленности. % может быть использовано в производстве биоразлагаемой упаковки. Также крупной отраслью потребления можно считать пищевую промышленность, где может использоваться около % произведенного материала.

Журнал СФУ. Химия / Химические аспекты бактериальной наноцеллюлозы

Полный текст (.pdf)

Номер

Журнал СФУ. Химия. 2018 11 (4)

Авторы

Сакович, Г.В.; Скиба, Е.А.; Гладышева, Е.К.; Будаева, В.В.; Алешина, Л.А.

Контактная информация

Сакович, Г.В.: Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН Россия, 659322, Бийск, ул. Социалистическая, 1; Скиба, Е.А.: Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН Россия, 659322, Бийск, ул. Социалистическая, 1; Гладышева, Е.К.: Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН Россия, 659322, Бийск, ул. Социалистическая, 1; Будаева, В.В.: Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН Россия, 659322, Бийск, ул. Социалистическая, 1; Алешина, Л.А.: Петрозаводский государственный университет Россия,185910, Республика Карелия, Петрозаводск, пр. Ленина, 33

Ключевые слова

бактериальная наноцеллюлоза; химические аспекты; алломорф Iα; степень кристалличности; bacterial nanocellulose; chemical aspects; Iα allomorph; crystallinity index

Аннотация

Предложен способ синтеза бактериальной наноцеллюлозы из плодовых оболочек овса.
Способ получения включает в себя несколько стадий: предварительную химическую
обработку сырья с последовательным использованием разбавленных растворов гидроксида
натрия и азотной кислоты; ферментативный гидролиз технической целлюлозы; синтез
бактериальной наноцеллюлозы продуцентом Мedusomyces gisevii Sa-12 на питательной
среде ферментативного гидролизата; промывку бактериальной наноцеллюлозы. Выход
сухой бактериальной наноцеллюлозы составил 4.8 %, степень полимеризации целлюлозы
2010. Методом ИК-спектроскопии подтверждена химическая чистота целлюлозы,
термогравиметрическим анализом подтвержден типичный характер разложения полимера,
методом растровой электронной микроскопии показана характерная для бактериальной
наноцеллюлозы сетчатая наноразмерная структура. Рентгенографическим методом
установлено, что содержание триклинной модификации Iα в кристаллической составляющей
бактериальной наноцеллюлозы 99 %, а степень кристалличности 88 %

A synthetic procedure for bacterial nanocellulose (BNC) from oat hulls is suggested herein. This
procedure involves several stages: chemical pretreatment of feedstock followed by successive
treatment with dilute sodium hydroxide and nitric acid; enzymatic hydrolysis of pulp; synthesis of
BNC by the Мedusomyces gisevii Sa-12 microorganism on a nutrient broth obtained from enzymatic
hydrolyzate; and BNC washing. The yield of dry BNC was 4.8% and the degree of polymerization
was 2010. The IR spectroscopy confirmed the cellulose chemical purity, the TGA analysis confirmed
the typical decomposition of the polymer, and the SEM analysis showed that BNC had an intrinsic
nanoscale network structure. X-ray diffraction revealed that the BNC had 99% triclinic Iα allomorph
and 88% crystallinity index

Страницы

531-542

Статья в архиве электронных ресурсов СФУ

https://elib.sfu-kras.ru/handle/2311/109215

Все новости рубрики

Около 40 петербургских университетов признали лучшими вузами России

Петербургские ученые для лечения опухолей предложили укол вместо операций

Петербургские ученые создали «умную» одежду, вырабатывающую энергию

В Северной столице «Тотальный диктант» написали более 10 тысяч горожан

Ученый Юдковский предложил запретить ИИ для спасения человечества

14 апреля 2023, 09:18
В Петербурге перед началом майских праздников растет спрос на официантов и мангальщиков

13 апреля 2023, 18:54
Петербургские ученые создали «умную» одежду, вырабатывающую энергию

13 апреля 2023, 18:39
Петербуржцы с трудом находят поликлиники, где можно привиться от коронавируса

13 апреля 2023, 17:08
Пистолет, из которого школьник отрыл стрельбу на Науки, оказался пластмассовым

13 апреля 2023, 15:51
Фонтан «Луч» в парке 300-летия обворовали прямо перед началом летнего сезона

03 апреля 2023, 10:01
«Премии, уважение, признание»: петербуржцы рассказали, что их больше всего мотивирует работать

02 апреля 2023, 17:42
Петербуржцам рассказали, каким категориям граждан следует ограничить употребление бананов

02 апреля 2023, 16:22
В Петербурге в начале апреля наблюдается аномальное количество снега

02 апреля 2023, 14:17
На Невском проспекте за 14,7 млн рублей установят вазоны с декоративными яблонями

30 марта 2023, 11:18
В Петербурге любитель гонок уходя от погони устроил ДТП и остановился только после предупредительного выстрела

30 марта 2023, 09:58
Владимиром Путиным был подписан указ о проведении в Москве Международной выставки-форума «Россия»

30 марта 2023, 08:50
В Комтрансе рассказали об изменениях в законодательстве, связанных с зонами платной парковки в Петербурге

29 марта 2023, 18:35
В Смольном заявили о намерении предоставлять многодетным семьям по два парковочных разрешения

29 марта 2023, 16:30
Миллиардер Мирилашвили перестал быть собственником трех крупных ТРК Петербурга

29 марта 2023, 15:49
В Петербурге скончался школьник, экстренного госпитализированный из вестибюля метро с сильным отравлением

23 марта 2023, 20:08
Путешественник Федор Конюхов собирается побить два мировых рекорда в полете на воздушном шаре

23 марта 2023, 19:11
Петербуржцам рассказали, как защитить детей от туберкулеза

23 марта 2023, 17:47
Зоозащитница рассказала, как можно было бы решить дефицит площадок для выгула собак в Петербурге

21 марта 2023, 20:14
Петербуржцы спорят о появлении «улицы Беглова» в Выборгском районе

21 марта 2023, 18:30
Психолог объяснила, почему конфликты на работе — это нормально

Очный этап олимпиады «Покори Воробьевы горы!» для школьников Петербурга проведут в Гуманитарном университете профсоюзов

Компания Rolls-Royce получит 2,9 млн фунтов для создания ядерного реактора на Луне

Петербургские студенты создали омолаживающее средство на основе паутины

Геолог усомнился в прогнозе о землетрясениях в Италии и Греции

Стало известно о существовании очень похожей на Землю планеты

Пистолет, из которого школьник отрыл стрельбу на Науки, оказался пластмассовым

Фонтан «Луч» в парке 300-летия обворовали прямо перед началом летнего сезона

«Премии, уважение, признание»: петербуржцы рассказали, что их больше всего мотивирует работать

Петербуржцам рассказали, каким категориям граждан следует ограничить употребление бананов

В Петербурге в начале апреля наблюдается аномальное количество снега

На Невском проспекте за 14,7 млн рублей установят вазоны с декоративными яблонями

В Петербурге любитель гонок уходя от погони устроил ДТП и остановился только после предупредительного выстрела

Владимиром Путиным был подписан указ о проведении в Москве Международной выставки-форума «Россия»

В Комтрансе рассказали об изменениях в законодательстве, связанных с зонами платной парковки в Петербурге

В Смольном заявили о намерении предоставлять многодетным семьям по два парковочных разрешения

Миллиардер Мирилашвили перестал быть собственником трех крупных ТРК Петербурга

В Петербурге скончался школьник, экстренного госпитализированный из вестибюля метро с сильным отравлением

Путешественник Федор Конюхов собирается побить два мировых рекорда в полете на воздушном шаре

Петербуржцам рассказали, как защитить детей от туберкулеза

Зоозащитница рассказала, как можно было бы решить дефицит площадок для выгула собак в Петербурге

Петербуржцы спорят о появлении «улицы Беглова» в Выборгском районе

Психолог объяснила, почему конфликты на работе — это нормально

Что такое наноцеллюлоза?

Наноцеллюлоза — это супер-материал будущего, способный улучшать свойства самых разных материалов. Он представляет собой древесное волокно, расщепленное до размера наночастиц с диаметром волокна от 5 до 20 нм, длиной от 10 нм до нескольких мкм и со структурой в виде плотного массива игловидных кристаллов.

Основными свойствами являются: сверхпрочность (прочнее нержавеющей стали), псевдопластичность и сверхлегкость. Даже небольшое добавление наноцеллюлозы улучшает устойчивость и качество свойств материалов.

Именно эти факторы использовали российские ученые из «Пермского государственного национального исследовательского университета», чтобы предложить к производству технологии, ведущие к производству сверхпрочных и сверхлегких бронежилетов. Кстати, на конференции присутствовали представители пермского университета Александр Максимов и Эльвира Позюмко.

Александр Максимов рассказал о том, как продвигаются исследования на базе собственного современного центра и сообщил, что пока идет работа на перспективу. В задачи входит удешевить традиционную технологию получения продукта без потери качества, поскольку в Пермском крае огромные объемы целлюлозо-содержащего сырья. На сегодняшний день на территории региона насчитывается более 8 млн тонн кородревесных отходов, нуждающихся в переработке.

На данный момент проведены исследования по механической и микробиологической обработке целлюлозосодержащего сырья с получением микроразмерных волокон целлюлозы. В итоге технология получения, предложенная пермскими специалистами, состоит из следующих этапов. Сначала идет механическая обработка с измельчением опила и другого целлюлозосодержащего сырья (опил, бумага, скоп) лопастным гомогенизатором в течение 20 мин. Затем измельчают на шаровой мельнице до микродисперсного состояния 1-100 мкм. Далее удаляют гемицеллюлозу и проводят частичный гидролиз целлюлозы. Потом следует этап щелочного гидролиза и экстракция органическими растворителями – спирт, этилацетат, ДМСО. Завершает процесс гомогенизация высокого давления, получение наноразмерных волокон целлюлозы и концентрирование.

Полученная таким образом наноцеллюлоза может быть использована для изготовления композиционных материалов с неорганическими наполнителями, тканями, волокнами (базальтовые материалы, углеродное волокно и др.) и органическими полимерами (полиэфиры, полиакрилаты, полиамиды, полиуретаны, арамидные волокна – кевлар). Такие материалы будут иметь качественное преимущество перед другими за счет безусадочного каркаса, гибкости, эластичных структур и армирования.

Производство БНЦ (мир)

На начало 2022 г. производство бактериальной наноцеллюлозы не достигло промышленных масштабов и еще формируется, однако в мире существуют анонсированные проекты с успешным применением материала. Представим несколько компаний, осуществляющих проекты с БНЦ:

JeNaCell GmbH (Германия) – компания специализируется на разработке и производстве биосинтетической целлюлозы; компания производит материал для применения в функциональных медицинских перевязочных материалов для ран, косметологических повязок против признаков стресса и старения, и косметических средств. Также JeNaCell имеет возможность поставлять материал напрямую заказчиком для дальнейших переработок.

BOWIL Biotech Ltd (Польша) — компания стала первой, приблизившейся к промышленному производству биоцеллюлозы. Продукция BOWIL на сегодняшний день включает в себя: косметологические маски для лица, маски для глаз и раневые покрытия.

FZMB (Германия) — исследовательский институт, который занимается разработками получения бактериальной целлюлозы и является связующим звеном между академическими исследованиями и коммерческим использованием материала. В данный момент бактериальная целлюлоза доступна для косметического использования под маркой NanoMasque.