Паливо, безпечне для довкілля і вигідне для гаманця, – аж ніяк не фантастика. У цьому переконані вчені Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка, Національного ботанічного саду імені М.М. Гришка та Інституту фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л.М. Литвиненка, які працюють над тим, щоб продовжити термін зберігання біопалива, шукають способи повторного використання відходів виробництва та, відповідно, підвищення рентабельності.
Минулого року проєкт «Ефективне використання відновлюваних рослинних ресурсів та фотокаталітична конверсія біомаси як еколого-інноваційні підходи для збереження довкілля та біобезпеки людини» переміг у конкурсі Національного фонду досліджень України «Наука для безпеки людини та суспільства» та отримав грантове фінансування на 2020 і 2021 роки.
Науковий керівник проєкту – кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Оксана Ліннік розповіла, що над пошуком відновлювальної рослинної сировини для виробництва біопалив працюють сьогодні вчені всього світу.
Перспективною сировиною для виробництва біодизелю другого і третього поколінь є олійні рослини, які можна вирощувати на неродючих ґрунтах та в посушливих зонах. Це, зокрема, ятрофа (Jatropha curcas) та представники роду рижія посівного (Camelina sativa (L.) Crantz), насіння яких містить 40–60 відсотків рослинної олії. Особливо перспективний для вирощування рижій, який називають культурою великих можливостей. Рижій невибагливий до умов вирощування, а урожай може складати до півтори тонни на гектар.
Як підвищити рентабельність
Утім, наразі виробництво біопалива з рослинної сировини – складний і дорогий процес. Але підвищити рентабельність цілком можливо!
Підвищити рентабельність виробництва біопалива вчені пропонують кількома шляхами. Це й повторне перероблення біомаси для отримання антиоксидантів: відходи виробництва містять достатню кількість біологічно активних речовин, які можна вилучити і використати; використання сонячного випромінювання для процесу фотокаталітичного перетворення відходів; багаторазове застосування каталізатора. Ці інноваційні методи допоможуть не лише здешевити виробництво, а й мінімізувати кількість відходів та покращити стан довкілля.
Антиоксиданти з відходів
Дослідниця пояснила, що виробити біодизель, – лише половина справи. Якщо не захистити паливо від окиснення та деградації, – воно швидко псуватиметься. Для того, щоб подовжити термін зберігання, до біопалива потрібно додати актиоксиданти. На жаль, єдиного «стабілізатора» для всіх видів біодизелю не існує, тому науковці шукають ефективні природні відновники та працюють над розширенням асортименту антиоксидантів.
Природні антиоксиданти (поліфенольні сполуки) можуть міститися й в рослинах, й у відходах. Відновлювальні властивості цих сполук надзвичайно цінні – їх можна застосовувати в енергетиці, медицині, харчовій промисловості тощо.
Вилучити біологічно активні речовини з відходів (біомаси) можна, зокрема, за допомогою фотокаталітичних процесів. Якщо говорити просто, – джерелом енергії у такому процесі є сонячне випромінювання, а каталізаторами, на думку науковців, можуть стати титанати заліза (складові природних мінералів, які не шкодять довкіллю). Плівкова форма дозволяє використовувати ці каталізатори багато разів.
У результаті такого перетворення можна отримати біометанол, біоводень, антиоксиданти та інші цінні хімічні сполуки.
«Клондайк», in vitro
Джерелом природних антиоксидантів можуть бути й культивовані in vitro (у пробірці) рослини. Метод асептичного, тобто такого, що дозволяє уникнути зараження бактеріями, дріжджами тощо, культивування клітин і тканин рослин дає можливість отримати високоякісну сировину в необхідній кількості. Метод є надзвичайно актуальним, адже клімат змінюється і передбачити вплив природних факторів на утворення в рослині корисних речовин, на жаль, неможливо.
На сьогодні науковці, які виконують проєкт, вже культивували стерильну культуру ярового сорту рижію посівного (Camelina sativa (L.) Crantz) «Клондайк». Дослідження підтвердили, що з вирощених in vitro рослин можна отримувати екстракти з високим вмістом антиоксидантів і високою антирадикальною активністю.
Науковці синтезували також низку плівкових нанорозмірних фотокаталізаторів і тестують їх на модельних молекулах. У планах – проведення фотокаталітичних перетворень з використанням екстрактів рослинних відходів.
Отримано й ектракти з біовідходів (жомів) олійного виробництва, зокрема, з насіння рижія посівного, льону, гарбуза, соняшника, розторопші, гірчиці, коноплі та винограду. Нині науковці вивчають їх склад та антиоксидантні властивості.
Звісно, дослідницька робота такого рівня була б неможлива без реагентів та сучасного обладнання. Саме тому у 2020 році за кошти грантового фінансування було придбано реагенти, датчик вуглекислого газу для контролю вмісту СО2, установку для фотокаталізу, ультразвукову баню і водяну баню-шейкер для екстракції речовин із рослинної сировини. Нині команда проєкту проводить тендерну закупівлю ротаційного випаровувача для концентрування розчинів рослинних екстрактів.
Гарячі літо, осінь і зима
Проєкт має бути закінчено до 2021 року, тому вчені працюють дуже активно. Зокрема, науковці визначають загальний вміст поліфенолів у складі біомаси, досліджують їх відновлювальні властивості, визначають залежності між складом екстрактів, структурою речовин і їх антиоксидантною активністю.
Ну й, звісно, будуть розроблені технології та технічні протоколи для вирощування в умовах in vitro біомаси на основі форм, що містять найбільш активні антиоксиданти.
Над виконанням цих амбітних і дуже непростих завдань працює висококваліфікована міждисциплінарна команда. До неї увійшли фахівці, які проходили стажування та навчались за кордоном, мають вагомі наукові результати в хімії та біології. Це п’ять старших наукових співробітників, кандидати хімічних наук: Оксана Ліннік, Ірина Лагута, Оксана Ставинська, Наталія Смірнова, Павло Кузема (Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України), провідний науковий співробітник, доктор біологічних наук Роман Іванніков (Національний ботанічний сад ім. М.М. Гришка НАН України), молодий учений, кандидат хімічних наук Віктор Аніщенко (Інститут фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л.М. Литвиненка НАН України), а також студентка четвертого курсу хімічного факультету Анастасія Крамар (Київський національний університет імені Тараса Шевченка).
Традиційно ми запитали у керівника проєкту про труднощі, з якими зіткнулися науковці.
– Це був перший конкурс НФДУ, проведений у достатньо непростих умовах пандемії, тому науковці навчалися разом із співробітниками фонду, – відповіла Оксана Петрівна.
Враховуючи свій досвід першопрохідця, Оксана Ліннік радить науковцям, котрі планують подавати свої проєкти на конкурс, якнайдетальніше прописувати кожен пункт заявки.
– Було непросто, але ми впоралися, – підсумовує дослідниця. – Наша команда працювала, як кажуть, 24/7 і отримала цікаві й вагомі результати. Раджу колегам подавати свої проєкти на конкурси, адже це нові можливості та досвід. Воно того варте!
Світлана ГАЛАТА
