Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка новой отечественной комплексной технологии получения полилактида (биоразлагаемого полимера), базирующейся на биокаталитической переработке сахаросодержащего сырья

Докладчик: Швец Валерий Федорович

Должность: Заведующий кафедрой, профессор, доктор химических наук

Цель проекта:
Проект направлен на решение следующих проблем: 1) диверсификация сырья для химической промышленности (замена ископаемых источников на возобновляемые); 2) снижение экологической нагрузки от полимерного мусора. Целью проекта является разработка новой отечественной комплексной технологии получения полилактида (биоразлагаемого полимера), базирующейся на биокаталитической переработке сахаросодержащего сырья.

Основные планируемые результаты проекта:
Основными результатами проекта станут основы новой технологии получения полилактида, базирующейся на биокаталитической переработке сахаросодержащего сырья. Разрабатываемая технология является комплексной и включает в себя несколько последовательных технологических стадий: 1) биокаталитическое получение молочной кислоты; 2) выделение молочной кислоты из продуктов ферментации в виде бутиллактата; 3) получение лактида из бутиллактата; 4) получение полилактида.
Описание путей достижения результатов, новизна результатов и сравнение с существующим мировым уровнем:
1. Разработка основ новой технологии биокаталитического получения молочной кислоты. Новизна подхода заключается в использовании мембранного биореактора, работающего в непрерывном режиме, при котором клетки (штамм) не покидают рабочий объем биореактора, практически не растут и выполняют роль биокатализатора. Этот способ обеспечивает на порядок более высокую удельную производительность
по сравнению с существующими аналогами – ферментацией периодического действия. Существующие способы обеспечивают низкую удельную производительность 4-6 г/л/ч, в то время как в разрабатываемом способе она составит 50-70 г/л/ч.
2. Разработка основ новой технологии выделения продукта ферментации. Новизна подхода заключается в этерификации продуктов ферментации бутанолом с получением химически чистого бутиллактата. В современных технологиях молочную кислоту выделяют из продуктов ферментации в виде водного раствора свободной кислоты. С этой целью используют либо предварительное осаждение ее гидроксидом кальция, либо систему ионного обмена. В первом случае образуется отход сульфата кальция (гипса) в количестве 1 т на 1 т молочной кислоты. Во втором способе используются дорогие ионно-обменные смолы, требующие периодической регенерации кислотами и щелочами, что приводит к большому количеству сточных вод в количестве более 5 т на 1 т готового раствора молочной кислоты. Разрабатываемая технология не требует применения гидроксида кальция и не требует использования ионообменных смол.
3. Разработка новой технологии получения лактида. По разрабатываемому способу лактид получается из бутиллактата, а не из молочной кислоты, как в других аналогах. Преимуществом нового способа является отсутствие в лактиде микропримесей молочной кислоты в концентрациях выше 10-6 моль/г. В технологиях, которые базируются на молочной кислоте, концентрация микропримесей молочной кислоты в лактиде превышает уровень 10-6 моль/г, что приводит к необходимости использования более затратной технологии очистки. В противном случае невозможно получать полилактид требуемой молекулярной массы (не менее 100 кДа).
4. Разработка технологии непрерывной полимеризации лактида в экструдере. В отличие от применяемых в производстве технологий полимеризации в реакторах периодического действия, разрабатываемая технология позволит синтезировать полилактид непрерывно. Будут найдены оптимальные условия процесса (время, температура, концентрация катализатора и активатора), позволяющие получать полилактид с молекулярной массой не менее 100 кДа и степенью конверсии не менее 93 %. По сравнению с существующими технологиями разрабатываемый непрерывный процесс позволит повысить эффективность производственного процесса и снизить конечную стоимость полилактида.



Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемая технология будет востребована для создания отечественного промышленного производства полилактида единичной мощностью не менее 80 тыс. тонн в год. Степень востребованности в данной технологии высока, что связано с начавшейся разработкой мер по стимулированию на государственном уровне применения биоразлагаемых пластиков для производства упаковки (перечень поручений Заместителя Председателя Правительства Российской Федерации А.В. Дворковича от 14 февраля 2014 г № АД-П9-1047).
По оценке, данной в ходе заседании президиума Совета по модернизации экономики и инновационному развитию России 4 февраля 2014 года, к 2020 году Россия должна производить 400 тыс. тонн в год собственного полилактида.
Внедрение в промышленном масштабе разрабатываемой технологии позволит удовлетворить потребности России в биоразлагаемом пластике.
Социально-экономический эффект от внедрения данной технологии заключается в:
- диверсификации сырьевой базы при производстве пластиков (замена нефтяного сырья на возобновляемое);
- кардинальном снижении экологического ущерба от полимерного мусора;
- снижении выбросов парниковых газов (диоксида углерода).
Этапы по внедрению результатов ПНИ:
1.Разработка проекта и рабочей документации на создание пилотной установки на базе результатов ПНИ. Срок 10 мес.
2.Строительство пилотной установки. Срок 12 мес.
3.Пуск и эксплуатация пилотной установки с целью оптимизации технологических режимов. Разработка исходных данных на проектирование промышленной установки. Срок 18-24 мес.
4.Разработка проекта и рабочей документации на создание промышленной установки Срок 12-18 мес.
5.Строительство промышленной установки. Пуско-наладочные работы. Срок 18-24 мес.

Текущие результаты проекта:
1) Проведен поиск и анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ: а) биокаталитического получения молочной кислоты; б) синтеза бутиллактата; в) получения лактида из бутиллактата; г) получения полилактида. Исследовано 79 научно-информационных источников за период 2009 – 2014 гг. Поиск научно-технической информации осуществляли по электронным базам данных ScienceDirect, Chemweb, Elibrary, Springer и др. по ключевым словам и рубрикам УДК.
2) Проведены патентные исследования по проблеме, исследуемой в рамках ПНИ: а) биокаталитического получения молочной кислоты; б) синтеза бутиллактата; в) получения лактида из бутиллактата; г) получения полилактида. Патентный поиск выполнен по ключевым словам и индексам международной патентной классификации с использованием электронных баз данных: Роспатента, United States Patent and Trademark Office, European Patent Office. Выявлены тенденции развития процессов биокаталитического получения молочной кислоты, способов её очистки и выделения, превращения лактата аммония в бутиллактат, конверсии булиллактата в лактид и получения полилактида.
3) На базе аналитического обзора и патентного исследования обоснован выбор оптимального направления исследований по разработке основ новых технологий биокаталитического получения молочной кислоты (в виде лактата аммония), синтеза бутиллактата из продуктов ферментации, получения лактида из бутиллактата и получения полилактида.
4) Разработывается программа экспериментальных исследований, включающая работы по разработке основ новых технологий биокаталитического получения молочной кислоты (в виде лактата аммония), синтеза бутиллактата из продуктов ферментации, получения лактида из бутиллактата и получения полилактида.
5) Разработаны комплекты эскизной конструкторской документации на лабораторные исследовательские установки.
6) Проводятся мероприятия по закупке необходимого оборудования и комплектующих для создания лабораторных исследовательских установок.
7) Подготовлена рукопись научной статьи и передана на рассмотрение в редакцию журнала, входящего в базу цитирования Scopus.
8) Подготовлен доклад для участия в международном конгрессе «Грэйнтек-2014».

Работы Индустриального партнера:
1) Ведется разработка концептуального проекта биотехнологического комплекса по получению сахаросодержащего сырья для биокаталитических процессов.
2) Проводятся маркетинговые исследования продуктов глубокой переработки зерна.
3) Проводятся мероприятия по подготовке производственной площадки.