Помечено наука

Стартап решает проблему утилизации отходов, а также создает производственную базу для выпуска пеностекла, широко применяемого в строительстве. Разработка направлена на переработку органической и не органической части отходов. Продукт в виде теплоизоляционного материала будут реализовывать в секторе строительства и теплоснабжения.

«Сегодня остро стоит вопрос утилизации отходов. Только в Петербурге и Ленинградской области выбрасывается порядка 200 млн тонн отходов в год, из них 180 тыс. тонн — это стеклобой, процесс естественного разложения которого занимает более 1000 лет. На данный момент в России отходы изолируют на полигонах, однако это влечет ряд проблем: под действием окружающей среды отходы подвергаются разложению, в процессе которого образуется фильтрат, отравляющий почву и грунтовые воды, свалочный газ, препятствующий их рекультивации, а также развиваются патогенные микроорганизмы, способствующие передачи различных заболеваний. Поэтому наш исследовательский интерес был сосредоточен на том, чтобы найти способ утилизации таких отходов», — комментирует один из авторов разработки, доцент кафедры теплосиловых установок и тепловых двигателей СПбГУПТД Алексей Хлыновский.

Ученые поставили перед собой задачу разработать полный цикл переработки твердых коммунальных отходов через получение электрической и тепловой энергии при сжигании органической части ТКО для создания пеностекла из стеклобоя. Автономный модульный комплекс включает две установки: одна отвечает за получение тепловой и электрической энергии, другая — за производство пеностекла. Установка по получению тепловой и электрической энергии превращает органическую часть отходов (бумага, дерево, картон и т.д.) в пар температурой, превышающей 300°C. В последствии этот пар используется для получения электроэнергии поступая в турбину, а также для подсушки топлива и стеклобоя.

«Используя энергию, произведенную на первом этапе, с помощью второй установки реализуется полный производственный цикл получения пеностекла. Поступившее стекло и стеклобой очищаются и измельчаются. Далее эта стекломасса поступает в смеситель, где при смешении с пенообразователем получается готовая к запеканию смесь — шихта. В зависимости от производимого вида материала происходит дозация этой смеси в специальные формы и запекание при определенной температуре, после чего продукт остается только упаковать и отправить заказчику», — добавляет один из авторов разработки, магистрант кафедры промышленной теплоэнергетики СПбГУПТД Андрей Антуфьев.

Преимущество нового сорбента в том, что он производится из отходов целлюлозно-бумажной промышленности, что делает его экологически чистым, а производство — дешевым.

Кроме того, он обладает лучшими характеристиками, чем импортные аналоги, которые сегодня используются в отечественной нефтяной промышленности. Среди преимуществ разработки ученых СПбГУПТД скорость сорбции, высокая способность удерживать нефть, простота в использовании и утилизации. На сегодняшний день это единственный в России сертифицированный сорбент. Компания «Естественные технологии» строит завод по его производству. Партия сорбента с опытного производства уже бесплатно отправлена волонтерам Анапы.

Разработанный учеными кафедры физики СПбГУПТД сорбент AG-Sorb представляет собой гранулы, в которых содержится целлюлоза и карбонат кальция, благодаря чему он совершенно безвреден для окружающей среды и безопасен в использовании. AG-Sorb можно применять для ликвидации разливов нефтепродуктов с любых твердых поверхностей, в том числе с трещинами. Сорбент удаляет и нефтяные разливы на почве: он снижает содержание нефти на 60-70 % уже в первые несколько дней, что позволяет уже через неделю садить растения, а полностью очищает почву в течение 2-3 месяцев. Сорбент также очищает резервуары, нефтехранилища и другие емкости. AG-Sorb эффективен и при устранении нефтяных разливов с водной поверхности: для ликвидации крупных аварий во время разлива нефти в море, для устранения протечек нефтепроводов, а также для очистки сточных вод, в которые попадает отработанное машинной масло.

«Сначала мы разработали сорбент, который после сбора нефти остается плавать на поверхности воды, однако из-за ветра и течений такой сорбент может быть разнесен по водоему, из-за чего его будет сложно собирать. В связи с этим мы создали второй сорбент с таким же составом, однако после заполнения нефтью он начинает тонуть за счет того, что теряет свойство гидрофобности и пропускает воду. Мы обнаружили, что наш сорбент во время сбора нефти способен коагулировать, то есть собираться в комки, что дает нам возможность поймать эти комки в процессе их опускания на дно. Это позволило нам разработать технологию сбора сорбента с помощью простой сетки с ячейками меньше размера частиц сорбента для пропуска воды», — комментирует один из авторов разработки, профессор кафедры физики СПбГУПТД Александр Гребенкин.

Сегодня отечественная нефтяная промышленность использует только импортные сорбенты, так как в России нет собственных сертифицированных сорбентов. Разработка ученых Университета промышленных технологий и дизайна позволит заменить зарубежный аналог отечественным более качественным, но более дешевым продуктом. Помимо дешевизны, экологичности и универсальности среди преимуществ нового сорбента — отличная адгезия: он способен удерживать около 98% собранной нефти, не позволяя ей вытекать обратно в окружающую среду. Еще одно важное преимущество — скорость сорбции. Для сбора нефти зарубежному аналогу требуется полтора часа, в то время как AG-Sorb впитывает нефть всего за 1-2 минуты. Это не дает нефтяному пятну распространиться еще больше. Отечественный сорбент также прост и безопасен в применении и транспортировке. Существуют сорбенты, которые можно использовать только во время идеальных погодных условий. Гранулы AG-Sorb можно использовать при любых погодных условиях и температуре от −50 °C до +60 °C.

«После ликвидации нефтяного разлива встает вопрос, как утилизировать сорбенты, которые собрали нефть? Обычно их везут на свалки, то есть переносят загрязнение из одного места в другое. Мы же за счет экологичности наших сорбентов создали круговой технологический цикл и предлагаем два варианта их последующего использования. Во-первых, наши сорбенты можно применять в качестве удобрения. Мы провели исследования с разными видами почв, которые доказали, что сорбент вместе с нефтью содержит те же вещества, что и удобрения, и более того, наш сорбент еще и вытягивает из почвы тяжелые металлы, не нанося вред биому. Во-вторых, наши коллеги, ученые кафедры технологии целлюлозы и композиционных материалов СПбГУПТД во главе с профессором вуза Эдуардом Акимом, предложили отправлять напитанные нефтью сорбенты обратно на предприятия ЦБП, где их можно использовать в качестве топлива, получая таким образом производство полного цикла», — добавляет профессор кафедры физики СПбГУПТД Александр Гребенкин. Технологию производства тонущего сорбента внедряет компания «Естественные технологии», которая строит завод по выпуску сорбента в промышленном масштабе. Продукцией уже заинтересовались нефтяные предприятия из Якутии и Тюмени.

«Среди последствий аварий вблизи Анапы — всплывающие мазутные пятна, которые образуются из-за того, что при изменении температуры мазут, который утонул в процессе перемещения, снова всплывает на поверхность. Такие всплывающие пятна мазута занимают небольшую площадь, но если их не ликвидировать, то впоследствии они прибиваются к берегу, загрязняя песок, или тонут, загрязняя дно. Причем из-за изменения течения и направления ветра непонятно, где именно их прибьет к берегу. Разработанный нами сорбент позволяет решить эту проблему. Для этого мы предлагаем использовать несколько сельскохозяйственных беспилотников и сетку. Здесь не требуется дорогостоящее оборудование, привлечение десятков или даже сотен людей, суда, водолазы, только несколько специалистов по работе с беспилотниками и сам сорбент», — считает ученый.

Устройство встраивается в 3D-принтер и может быть использовано на предприятиях деревообрабатывающей промышленности. Разработка ученых СПбГУПТД позволит использовать древесную муку для выпуска деталей, имитирующих древесину. Предложенная комбинированная технология позволяет изготавливать изделия сложной формы.

«На мебельном производстве после этапа обработки древесины образуются опилки. На данный момент предприятия их утилизируют, в том числе и от дорогостоящей древесины. Однако им можно найти применение, переработав в древесную муку», — рассказывает один из авторов разработки, старший преподаватель кафедры инженерной графики и автоматизированного проектирования СПбГУПТД Николай Евдокимов.

С помощью аддитивных технологий ученые СПбГУПТД из древесной муки создают элементы мебели, в том числе сложной формы, по своей структуре имитирующие древесину.

Науке уже известен метод использования 3D-печати для выпуска различных изделий из опилок. Однако распространенный сейчас метод FDМ-печати имеет существенный недостаток — крупные частицы полученной смеси регулярно забивают сопла, что делает невозможной дальнейшую печать.

Ученым Университета промышленных технологий и дизайна удалось решить эту проблему с помощью объединения технологии FDМ-печати с LDM-печатью. Последняя — не так широко распространена, однако имеет важное преимущество. Технология LDM-печати не позволяет получать такую качественную поверхность, как FDM-печать, однако в LDM-технологиях используются сопла с бóльшим диаметром, благодаря чему они не забиваются древесной мукой. В связи с этим было разработано устройство, которое совмещает в себе обе технологии.

«Наше устройство работает следующим образом. С помощью FDM-технологии мы печатаем саму форму изделия, используя для этого обычный водорастворимый пластик. Затем заполняем эту форму смесью из модифицированной эпоксидной смолы, которая выполняет роль связующего, и древесной муки с помощью LDM-печати. За счет того, что мы не накладываем нашу смесь слоями, а заливаем ее в уже отпечатанную форму, поверхность конечного изделия становится гладкой. После затвердевания мы ставим изделие в ультразвуковую ванну с водой, где растворяется пластик ранее напечатанной формы. В итоге у нас остается цельнолитая композиционная деталь с древесной мукой. Причем прочностные свойства у такой детали гораздо лучше, чем свойства детали, полученные при печати на FDМ-принтере, так как все напряжения распределяются по всей детали равномерно. Такое объединение двух технологий позволяет печатать даже изделиях сложной формы со сложными внутренними полостями», — объясняет Николай Евдокимов.

Постепенно добавляя в модифицированную эпоксидную смолу древесную муку, ученые определили тот максимум объема древесины, который допустимо смешать с полимером, чтобы поверхность конечного изделия получилась гладкой, не пористой. В результате испытаний им удалось добиться в составе итогового изделия наличия от 30% до 40% древесной муки. За счет высокого содержания древесной муки изделия имитируют древесину.

Разработка внедрена на одном из заводов в Петербурге, где импортные лопатки для передвижения готовой упаковки на конвейере были заменены более прочными лопатками, смоделированными и напечатанными из смеси древесной муки и полимера учеными Университета промышленных технологий и дизайна. На заводе также был проведен эксперимент: наряду с лопатками, созданными по новой технологии, были установлены лопатки, созданные по FDM-технологии. Последние оказались менее прочными и во время проведения эксперимента были сильно повреждены или сломаны. Лопатки, напечатанные по совмещенной технологии, выдержали испытание.

В ее основе лежит универсальное действие низкотоксичных органических соединений определенной структуры для придания устойчивости к действию микроорганизмов текстильным материалам из хлопка, льна, крапивы, конопли. Также новая технология позволяет снизить нагрузку на окружающую среду за счет снижения вредных веществ в сточных водах.

Сегодня на предприятиях легкой промышленности для производства окрашенных текстильных материалов с антибактериальными свойствами распространен двухэтапный процесс: сначала осуществляют крашение, а затем специальную заключительную отделку. Ученые Университета промышленных технологий и дизайна предлагают применять амфифильные органические вещества, которые можно легко синтезировать непосредственно в условиях отделочного предприятия, в одностадийной однованной технологии колорирования. Эти вещества одновременно интенсифицируют процесс крашения и придают антибактериальные свойства текстильным материалам.

«На сегодняшний день натуральные волокна не теряют своей популярности в производстве текстиля для различных отраслей промышленности (постельное белье, домашний текстиль, одежда). Для снижения энергозатрат и сокращения использования ядохимикатов (пестицидов и гербицидов), которые применяют в больших количествах при выращивании хлопчатника, добыча волокон ведется из растений таких как лен, крапива, конопля. С другой стороны, перед учеными постоянно стоит вопрос поиска новых препаратов для борьбы с болезнетворными бактериями. При этом биоцидные препараты должны быть безопасными для окружающей среды и человека и иметь широкий спектр действия. К таким препаратам относятся соли аммония определенной структуры, которые можно добавлять в красильную ванну в процессе колорирования текстильных изделий из целлюлозы», — комментирует автор разработки, профессор кафедры химических технологий им. проф. А. А. Хархарова СПбГУПТД Анна Михайловская.

Новая технология значительно удешевляет и упрощает производство окрашенных материалов из целлюлозы с антибактериальными свойствами. Она не требует использования специального оборудования, характеризуется пониженным по сравнению с традиционными технологиями содержанием красителя в сточных водах.

«Наша разработка обладает еще двумя важными преимуществами. Благодаря тому, что используемые аммониевые соли являются поверхностно-активными веществами, изделия из льна, несмотря на грубость и жесткость волокна, становятся мягкими и приятными на ощупь. Поэтому не надо дополнительно использовать вещества-мягчители. Кроме того, окрашенные по нашей технологии льняные ткани, дольше сохраняют свои гигиенические свойства», — добавляет один из авторов разработки, студентка кафедры химических технологий им. проф. А.А. Хархарова СПбГУПТД Алена Власова.

Материал будет использоваться в производстве фильтров для вентиляционной системы, которую устанавливают в больницах для борьбы с инфекциями.

На данный момент производители в качестве сорбирующего материала для фильтров используют активированный уголь. Преимущество ткани состоит в более удобном способе его размещения в фильтровальном устройстве по сравнению с гранулами угля. Благодаря бактерицидному свойству, которым был наделен учеными СПбГУПТД углеродный материал, можно говорить о повышении эффективности таких фильтров в борьбе не только с загрязнениями воздуха, но и с вирусами.

Для создания нового материала применяется углеродное волокно, которое поставляется в Россию из Беларуси. В отработке технологических режимов производства этого углеродного волокна на белорусском предприятии участвовали ученые кафедры наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов им. А.И. Меоса СПбГУПТД. Результатом дальнейшей работы сотрудников кафедры по модификации волокна для расширения его свойств и области применений стало получение бактерицидного углеродного материала. Это является шагом на пути к решению острой проблемы — появления больничных инфекций.

«Углеродное волокно — это сорбент, поэтому мы планируем использовать его в качестве фильтров в системах вентиляции в больницах. Загрязнители попадают на волокно и образуют с активированным углем новые химические соединения, благодаря которым они остаются на фильтре. Мы же разработали технологию, позволяющую создавать фильтры из углеродного волокна, на которых остаются не только загрязнения, но и вирусы и бактерии, что крайне важно для решения проблемы смертности из-за внутрибольничных инфекций», — комментирует один из авторов разработки, ассистент кафедры наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов им. А.И. Меоса СПбГУПТД Надежда Уварова.

Ученым Университета промышленных технологий и дизайна удалось закрепить наночастицы золота и серебра на углеродном волокне. Для проведения реакции был разработан специальный метод с использованием раствора, в котором происходит взаимодействие наночастиц с поверхностью материала и дальнейшее закрепление на нем. Важно добавить, что золото применяется в таких малых количествах, что оно не повышает стоимость материала.

«Серебро является цитоксичным, то есть токсичным для клеток некоторых органов человека. Поэтому мы проводим опыт закрепления на материале золота, бактерицидные свойства которого нам удалось доказать благодаря методу Санкт-Петербургского федерального исследовательского центра Российской академии наук. Мы выявили, что в наночастицах золото проявляет бактерицидность, но при этом не разрушает клетки организма», — добавляет Надежда Уварова.

В рамках проведенных работ получен патент на суспензию частиц для нанесения на поверхность материала с целью придания бактерицидных свойств.

Однако в России ЧАС получают в ограниченных объемах, основная доля применяемых в промышленности солей приходится на импорт. Разработка СПбГУПТД позволит запустить производство четвертичных аммониевых солей на территории нашей страны и сократить логистические издержки отечественных компаний. А кроме того, во время испытаний технологии удалось синтезировать соль, которая не входит в перечень известных мировой науке ЧАС, однако обладает рядом преимуществ.

Четвертичные аммониевые соли имеют самое широкое применение благодаря своим антисептическим, антистатическим и адсорбционным свойствами. Они используются в косметической промышленности для производства средств по уходу за волосами, в фармакологической отрасли — для производства антисептиков, в сталелитейной и нефтегазовой промышленности применяются в качестве ингибиторов коррозии. В сельском хозяйстве ЧАС добавляют в удобрения, чтобы увеличить длительность их хранения, избежать проникновения влаги и слеживаемости. Соли также выполняют роль разрыхлителя для целлюлозы и смягчителя для бумажных полотенец и туалетной бумаги на ЦБК. С их помощью на текстильных предприятиях смягчают ткани, придают им антистатический эффект.

«В основе нашей технологии синтеза ЧАС лежит химическая реакция алкилирования двух веществ. Она была проведена в лабораторных условиях с использованием реактора и устройства для регулирования температуры, так как одной из важнейших задач являлось поддержание определенной температуры в ходе синтеза аммониевой соли. Технология может быть внедрена, как на конкретном предприятии, например, косметической или целлюлозно-бумажной промышленности, а может быть, запущена на отдельном производстве с использованием промышленных реакторов для синтеза солей в больших объемах», — комментирует один из авторов разработки, молодой ученый кафедры химических технологий им. проф. А.А. Хархарова СПбГУПТД Ксения Антонова.

Данная технология универсальна и подходит для получения ряда известных четвертичных аммониевых солей. Более того, в ходе испытаний была получена ЧАС, синтезом которой ранее не занимались как в России, так и за рубежом. А тем временем ее структура говорит о том, что данная соль может обладать более высокими адсорбционными, кондиционирующими и антисептическими свойствами, чем доступные на данный момент для отечественных предприятий зарубежные ЧАС. Подтверждение этому будет получено после более подробного исследований соли.

«Сейчас мы проверяем антистатические, кондиционирующие и бактерицидные свойства синтезированной соли. Мы уже исследовали данную соль как интенсификатора при окрашивании тканей, что может использоваться в текстильной промышленности, а также на биоустойчивость к разным видам микроорганизмов», — объясняет ученый.

Ксения Антонова приняла участие в акселерационной программе Университета промышленных технологий и дизайна, в рамках которой представила свою технологию инвесторам. Разработка привлекла внимание представилей российской косметической компании ESTEL, которые заинтересованы в закупке ЧАС на территории России.

Такая модель позволяет оценить более десяти параметров, которые влияют на качество целлюлозосодержащего материала. Это первый цифровой метод оценки качества бумаги, характеристики которой сейчас тестируются с помощью специального оборудования. Однако проведение подобных исследований дорогостоящее, оно доступно не каждому предприятию и не позволяет оперативно обрабатывать результаты. В отличие от него метод, предложенный российскими и белорусскими учеными, будет использован на любом производстве и даст возможность провести сразу комплексную оценку качества бумаги.

«Совместно с Республикой Беларусь мы получили грант на разработку метода создания 3D-микроструктуры бумаги. В его основу легли наши исследования по получению 2D-микроструктуры волокна. Белорусские коллеги ранее успешно использовали растровые компьютерные программы для анализа микроструктуры на поверхности. Этот метод оказался быстрым, однако неточным. Мы же работали с векторными программами. Наш метод был точным, но занимал много времени на обработку данных. В результате мы объединили наши усилия, чтобы быстро и точно получить сначала 2D-, а теперь и 3D-микроструктуру бумаги, которая предоставляет еще больше данных о характеристиках и составе бумаги», — комментирует один из авторов разработки, заведующий кафедрой инженерной графики и автоматизированного проектирования СПбГУПТД Николай Мидуков.

Полученная коллективом ученых 3D-микроструктура бумаги предоставляет данные о таких важных показателях, как ее пористость, шероховатость, объем волокон, равномерность распределения волокон и формования волокнистого целлюлозного материала и другие. Например, от пористости зависит впитывающая способность бумаги, которая является важным параметром для салфеток, а равномерность формования влияет на однородность толщины бумаги. Обнаруженные дефекты в микроструктуре, позволят предприятию внести изменения на конкретном этапе производства.

Кроме того, 3D-микроструктура позволяет картировать целлюлозосодержащий материал по элементному составу, который также сказывается на характеристиках бумаги. Например, мел влияет на белизну и физико-механические свойства бумаги и картона, то есть если мела в составе слишком много и он неравномерно распределен, бумага теряет прочность.

«Для получения 3D-микроструктуры бумаги сначала с помощью ионной резки создаём качественный поперечный срез, что позволяет нам изучать не только поверхность, но и микроструктуру поперечного среза бумаги. А чтобы в итоге получить волокно в объеме, мы делаем серию таких срезов с известным шагом. Далее с помощью программы для трехмерного проектирования из фотографий поперечных срезов бумаги создаем 3D-модель микроструктуры волокна. Мы планируем построить такие 3D-модели для разных видов бумаги — от офисной до упаковочного картона», — о технологии рассказывает Николай Мидуков.

Данный цифровой метод оценки параметров бумаги смогут использовать предприятия отрасли для быстрого и эффективного анализа свойств и состава целлюлозно-бумажной продукции. Еще одним результатом работы ученых станет перенос 3D-моделей микроструктуры разных видов бумаги и картона в виртуальную реальность, благодаря чему специалисты получат возможность побывать «внутри» этих материалов, изучая их характеристики.

Справка: Совместный научный и научно-технический проект, выполняемый образовательными и научными организациями, расположенными на территориях Санкт-Петербурга и Республики Беларусь на тему: «Разработка методов оценки и анализ неоднородности межволоконных связей в 2D/3D гетерогенной среде целлюлозных композиционных материалах» поддержан Комитетом по науке и высшей школе Правительства Санкт-Петербурга.

Такая лаборатория может быть использована как университетами для проведения исследований и разработки озоновых технологий, так и предприятиями целлюлозно-бумажной промышленности для замены существующей технологии отбеливания целлюлозы с помощью соединений хлора, которая вредит окружающей среде.

«Сейчас озоновые технологии в целлюлозно-бумажной промышленности используются в таких странах, как Канада, Индия, Португалия. В России целлюлозу отбеливают с помощью соединений хлора, есть также технология с использованием кислорода, но в этом случае бумага получается не ярко-белого цвета. Озоновая отбелка гораздо эффективнее кислородной и не вредит окружающей среде так, как хлор. Кроме того, озоновые технологии более экономически выгодны, чем работа с соединениями хлора, который необходимо закупать, в то время как озон синтезируется из атмосферного воздуха. Также из-за хлора предприятиям ЦБП необходимо тратить огромные средства на очистку сточных вод. В свою очередь, озон не загрязняет сточные воды, а наоборот, его можно использовать для их очистки», — рассказывает лидер стартапа, студентка Высшей школы технологии и энергетики СПбГУПТД Светлана Одинцова.

Единственным аналогом проекта студентов СПбГУПТД является лаборатория, где разрабатываются озоновые технологии в области водоподготовки и водоочистки. Лаборатории, которая занимается развитием озоновых технологий в целлюлозно-бумажной промышленности, на данный момент в России нет.

Первый этап развития стартапа — установка лабораторного комплекса в Университете промышленных технологий и дизайна и запуск исследований по использованию озоновых технологий в ЦБП, в частности в процессе отбелки целлюлозы и очистки сточных вод. Следующий этап — выход стартапа на рынок и проектирование лабораторий на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности для внедрения на производстве озоновых технологий.

«В лабораторный комплекс входят озонатор, реактор, деструктор озона и система вентиляции. В озонатор подается атмосферный воздух, из которого забирается кислород, а затем из него синтезируется озон. Газ подается в реактор, где происходит процесс отбелки целлюлозы или любой другой процесс, в котором используется озон. Неразложившийся газ поступает в деструктор. Также в целях безопасности имеется детектор озона в воздухе, чтобы следить за утечками в рабочей зоне», — комментирует проектировщик и инженер-технолог стартапа, студент Высшей школы технологии и энергетики СПбГУПТД Антон Светолобов.

В реакторе может проходить любой другой процесс с применением озона. Это расширяет круг исследований в лаборатории не только в области производства бумаги и картона, но и других направлениях, таких как органическая химия, полимерная промышленность, биохимических анализ, экологические исследования.

С 1750 по 2020 год средняя температура у поверхности Земли выросла примерно на один градус, однако в зонах вечной мерзлоты только за последние 70 лет территории прогрелись в среднем на целых четыре градуса. Это объясняется тем, что, когда мерзлота тает, в почве создаются благоприятные условия для развития микробных сообществ, которые перерабатывают оттаивающий древний углерод в метан. Этот парниковый газ, в свою очередь, попадает в атмосферу и способствует дальнейшему потеплению.

При этом метан опаснее углекислого газа с точки зрения потепления, поскольку для того, чтобы температура поднялась, условно, на один градус, его требуется в 17 раз меньше. Таким образом, микробная активность в зоне вечной мерзлоты может влиять на темпы потепления, однако она до сих пор не учитывается в существующих прогнозах.

Член научного коллектива проекта, поддержанного грантом РНФ, профессор СПбГУПТД, доктор химических наук Елена Сашина проанализировала, что объем выделяемого с поверхности болот вечной мерзлоты метана определяется двумя процессами: скоростью его синтеза и окисления. «На эти процессы влияет множество факторов: климатических — температуры воздуха и почвы, эдафических — уровня болотных вод и содержания в них органического углерода. Но прежде всего за появление метана ответственно сообщество микроорганизмов, деятельность которых определяется биохимическими процессами. В частности, из отложений вечной мерзлоты выделены бактерии, микроводоросли, дрожжи и мицелиальные грибы, которые используют различные стратегии выживания и адаптируются к экстремально низким температурам. Оттаивание вечной мерзлоты запускает деятельность метаногенов по генерированию метана, выделение тепла при этом еще больше способствует разогреву вечной мерзлоты и ускоряет биохимический процесс. Однако для каждого вида бактерий существует своя оптимальная температура жизнедеятельности, и, как удалось доказать строго математически, при количестве видов бактерий более трех опасность резкого выброса парникового газа снижается», — рассказывает профессор.

Член научного коллектива проекта, поддержанного грантом РНФ, профессор Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна, доктор химических наук Елена Сашина

Исследователи проанализировали, как число видов почвенных микроорганизмов влияет на скорость таяния вечной мерзлоты и темпы потепления. Авторы использовали так называемую математическую модель Гуди, имитирующую динамику атмосферы планеты.

В этой модели атмосфера рассматривается как набор отдельных ячеек, в которых циркулирует воздух: внизу, у поверхности Земли, он нагревается, после чего поднимается вверх, далее охлаждается и вновь возвращается к Земле. Чтобы понять, как на эту систему влияет метан, выделяемый микроорганизмами вечной мерзлоты, авторы расширили модель Гуди, введя в нее математические функции, которые описывают поступление синтезированного бактериями парникового газа.

Ученые рассмотрели два случая: когда разнообразие микробов вечной мерзлоты низкое и когда оно, напротив, высокое. При этом авторы учитывали, что для каждого вида микроорганизмов характерна своя температура, оптимальная для жизнедеятельности. То есть, когда вечная мерзлота тает и температура грунта достигает оптимального значения, бактерии начинают активно расти и выделять большое количество метана.

Расчеты показали, что, если разнообразие микроорганизмов не превышает трех видов (а это значит, что оптимальная для них температура примерно одна та же), система оказывается очень неустойчивой. Именно в этом случае следует ожидать начала массового выброса метана в атмосферу и, следовательно, резкого потепления. Когда же видов бактерий много, оптимальные для них температуры различаются, и резкого выделения парникового газа не будет.

Кроме того, как отмечают авторы, при высоком микробном разнообразии рассматриваемая система оказывается стабильна еще и потому, что разные виды конкурируют между собой и частично подавляют рост друг друга. Это также препятствует интенсивному росту отдельных популяций и массовому выбросу метана.

«Нам удалось доказать, что момент, в который может произойти резкий скачок температуры у поверхности Земли, зависит от микробного разнообразия. Оно определяется влажностью, температурой, содержанием питательных веществ и кислотностью почвы. И, хотя на микробное разнообразие мы не можем повлиять, обнаруженную нами зависимость нужно учитывать при разработке прогнозов потепления», — отметила участник проекта, поддержанного грантом РНФ, старший научный сотрудник ЦНИР Елена Савенкова.

Метод показал большую эффективность и экологическую безопасность по сравнению с аналогами.

«Способ получения целлюлозы основан на использовании двудомной крапивы, которая широко представлена в зоне умеренного климата, в частности, в европейской части России. Причем для получения целлюлозы используются стебли, что не мешает получить множество биологически активных веществ из листьев крапивы», – рассказала доцент кафедры физической и коллоидной химии СПбГУПТД Ираида Осовская.

В рамках данного способа предполагается пропаривание стеблей при температуре 100-105°С, в течение 20-30 минут. Таким образом структура целлюлозы разрыхляется и размягчается. После этого, с помощью щелочного раствора из структуры удаляется полимер лигнин. Полученный раствор фильтруют и обрабатывают перекисью водорода. Таким образом получается целлюлоза, которую еще раз фильтруют и обрабатывают раствором серной кислоты для удаления примесей. После промывки водой, получается готовый продукт. Полученная целлюлоза отличается низким содержанием примесей: лигнин – 0,13%, зольность — 1,4%, смолы и жиры — 0,1%.

Ученые отмечают, что разработанный способ предпочтительнее аналогов, поскольку для обработки не требуется сильных окислителей, таких как растворы азотной кислоты, которые приводят к деструкции целлюлозы и создают экологические проблемы, загрязняя воздух и водоемы в окрестностях предприятий целлюлозно-бумажной промышленности. При этом выход целлюлозы (54%) также превосходит аналоги.

Целлюлоза активно используется в бумажной и в химической промышленности, для производства бумаги, пластмасс, кино- и фотопленок, лаков, бездымного пороха. Причем традиционное получение целлюлозы из древесного сырья связано с большими трудностями и требуют более сложного технологического оборудования и процесса. Кроме того, производство целлюлозной массы из древесины приводит к уменьшению лесных ресурсов, требует дорогостоящих импортных отбеливающих веществ, которые к тому же создают экологические проблемы, загрязняя воздух и водоемы в окрестностях предприятий целлюлозно-бумажной промышленности.