Что такое лигнин в биологии
Лигнин: что это такое, основные свойства и направления использования. Лигнин гидролизный
Лигнин (от латинского lignum – дерево) – сложный ароматический полимер природного происхождения. Вещество входит в состав растений и является продуктом биосинтеза. Является самым распространенным полимером на Земле, после целлюлозы, и играет важную роль в природном круговороте углерода. Считается, что лигнин возник в ходе эволюции, когда наземный образ жизни пришел на смену водному. Он подобно хитину у членистоногих, призван обеспечивать жесткость и устойчивость стеблей и стволов растений. Сегодня мы с вами подробнее узнаем, что это такое лигнин и как он используется в современной промышленности.
Краткая характеристика
Основными компонентами растительной ткани являются целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин. В древесине хвойных деревьев содержится до 38 % этого вещества, в лиственных породах дерева – до 25 %, а в соломе злаков – до 20 %. Лигнин располагается в стенках клеток и межклеточном пространстве, скрепляя целлюлозные волокна. Вместе с гемицеллюлозой он призван обеспечивать механическую прочность стволов дерева. Кроме того, природный полимер отвечает за герметичность клеточных стенок (для питательных веществ и воды) и определяет окраску одревесневевшей ткани. Лигнин химически и физически прочно инкорпорирован в структуру растительной ткани, поэтому выделение его оттуда промышленным путем представляет весьма непростую инженерную задачу.
Классификация
Обычно различают протолигнин – полимер, содержащийся в естественной форме внутри растения, и его технические производные, которые получают путем извлечения из растительной ткани, с помощью различных физико-химических методов. Данное вещество не производят специально, его получают как отход биохимического производства. В ходе физико-химического воздействия на лигнин, его молекулярная масса уменьшается в разы, а реакционная активность увеличивается.
В гидролизной промышленности получают гидролизный лигнин, который еще называют порошковым.
При производстве целлюлозы образуются формы полимера, растворимые в воде. Варка целлюлозы производится в основном по двум технологиям: сульфатной (щелочной) и сульфитной (кислотной). Щелочной метод более распространен. Лигнин, полученный на сульфатном производстве, называется соответственно сульфатным и утилизируется главным образом в энергетических установках целлюлозных предприятий. Ну а полимер, полученный в сульфитном производстве, образуется в виде растворов лигносульфонатов, одна часть которых скапливается в специальных хранилищах, а другая – уходит в сточные воды.
В иностранной литературе можно встретить информацию о разделении лигнина на бессернистый и сернистый. Первый тип, по сути, представляет собой гидролизный полимер, а второй – полимер, полученный на целлюлозном производстве.
Предприятия, получающие лигнин как побочный продукт, как правило, занимаются его утилизацией. Тем не менее гидролизный и сульфатный лигнин, а также лигносульфонаты, можно встретить на рынке как отдельную товарную позицию. Наиболее распространенным товаром, в основе которого лежит данное вещество, являются топливные брикеты. Стандартов на технические лигнины нет, поэтому предприятия, покупающие их, выдвигают собственные параметры качества.
Формула и свойства
С химической точки зрения лигнин является условным и обобщенным понятием. Подобно тому, как не бывает одинаковых людей, не существует одинаковых полимеров. Принято полагать, что в состав лигнина входят атомы углерода, водорода и кислорода. Лигнины, полученные из разных растений, могут в значительной степени отличаться по химическому составу. Вещество имеет неопределенно большую молекулу и множество различных функциональных групп.
В основе всех видов лигнина лежит такая структурная единица, как фенилпропан (С9Н10). Различия между видами обусловлены содержанием разных функциональных групп. С точки зрения современной науки, ответ на вопрос о том, что это такое лигнин, выглядит примерно так: «Лигнин – это сложный трехмерный полимер, который имеет сетчатую структуру и ароматическую природу, получающийся вследствие поликонденсации ряда монолигнолов (коричных спиртов)».
В нормальных условиях, вещество плохо растворимо как в воде, так и в органических растворителях. В окружающей среде оно может участвовать в большом количестве различных превращений и реакций. Лигнин считается биологически активным. При повышенном давлении, он проявляет пластические свойства, особенно во влажном состоянии.
Утилизация в природе
Лигнин деградирует под действием оксидоредуктаз – внеклеточных ферментов грибов. К ним относятся главным образом лининолитические пероксидазы (лигнин- и Mn-пероксидаза) а также внеклеточная оксидаза (лакказа). Кроме того, в лигнинолитический комплекс грибов входят вспомогательные ферменты, продуцирующие перекись водорода, и активные ферменты кислорода.
Главным продуктом разложения лигнина в природных условиях является гумус. Декомпозиция вещества в природе происходит в присутствии таких элементов растительной ткани, как целлюлоза и гемицеллюлоза.
Экономическое значение
Ежегодно, в мире получают порядка 70 млн тонн технического лигнина. Несмотря на то что его считают ценным химическим сырьем, сбыт вещества налажен очень слабо. Кроме того, из-за отсутствия выгодной технологии производства, использование данного полимера экономически не целесообразно. К примеру, разложение лигнина на менее сложные химические соединения (бензол, фенол и прочие), обходится дороже, чем синтез этих соединений из нефти и газа. Статистика International Lgnin Institute показывает, что в мире, на сельскохозяйственные, промышленные и прочие нужды идет лишь 2 % технических лигнинов. В основном они идут на производство пеллет из лигнина, удобрений и прочей малотоннажной продукции. Остальные 98 % или сжигаются на энергетических установках, или просто хоронятся в могильниках.
Трудность промышленной переработки лигнина связана со сложностью его природы, большой вариативностью структурных звеньев и их связей, а также нестойкостью полимера перед химическим и термическим воздействием. В отходах предприятий содержится не природный полимер, а лигниносодержащие вещества, или смеси веществ, которые имеют большую химическую и биологическую активность. Без примесей также не обходится.
Считается, что возле хранилищ лигнина не желательно жить. Вещество легко воспламеняется и хорошо горит, с выделением азотистых, сернистых и прочих неприятных соединений. Тушение хранилищ затрудняется их крупными габаритами и особенностями горения полимера. Некоторые исследования подтвердили мутагенную активность вещества. Таким образом, есть все основания утверждать, что технические лигнины в народнохозяйственном балансе представляют внушительную, постоянно растущую отрицательную величину.
Гидролизный лигнин
Область применения гидролизного лигнина довольно широка:
Лигносульфонаты
Представляют собой сульфопроизводные лигнина, которые растворимы в воде и образуются во время сульфатной делигнификации древесины. Это натриевые соли лигносульфоновых кислот в смеси с примесями минеральных и редуцирующих веществ.
Промышленные лигносульфонаты получают при упаривании обессахаренного сульфитного щелока. Они выпускаются в виде твердых или жидких концентратов сульфитно-спиртовой барды, с молярной массой от 200 до 60 000. Вещества обладают высокой поверхностной активностью, поэтому их используют как ПАВ (поверхностно-активные вещества).
Основные области применения:
Сульфатный лигнин
Направления использования лигнина (сульфатного):
Перспективы
Узнав, что это такое лигнин, немного поговорим о перспективах его промышленного использования. Технология переработки и делигнификации целлюлозосодержащего сырья связана с крупными капиталовложениями и не совсем благоприятна с точки зрения экологии. Ученые всего мира уже давно трудятся над созданием высокоэффективных способов организации целлюлозного и биохимического производства, но их разработки пока еще не нашли широкого применения. Тем не менее множество наработок в области утилизации свежего и хранимого лигнина в разные годы были внедрены в промышленность. Особую актуальность эти вопросы получают в свете нарастающего интереса к борьбе с экологическими проблемами и использованию всего спектра растительного сырья. Таким образом, отрицать перспективу использования лигнина в промышленном и сельскохозяйственном секторе было бы неправильно.
Уровень производства и потребления целлюлозы и прочих продуктов биохимии, для крупных стран считается важнейшим показателем экономического развития. Конечно же, решающий вклад в ухудшение экологической ситуации вносят не биохимики. Тем не менее в местах, где работают такие предприятия, их роль в загрязнении окружающей среды может быть весьма существенной.
Заключение
Сегодня мы с вами ответили на вопрос: «Лигнин: что это такое?» В качестве резюме можно отметить, что лигнином называют ароматический полимер природного происхождения, который входит в состав растений и является продуктом биосинтеза. Формы вещества, получаемые в гидролизной и целлюлозной промышленности, нашли широкое применение. Тем не менее вопрос с полноценной переработкой технических лигнинов пока еще не решен.
Лигнин: чистим организм природным сорбентом.
Как почистить организм?
Когда на повестке дня стоит вопрос, как почистить организм, многие выбирают слабительные средства. Чаще всего из аптечного ассортимента выбираются средства, содержащие сенну. Но вся суть в том, что слабительные препараты не чистят организм в целом.
Они воздействуют на механорецепторы толстой кишки, которые расположены в слизистом слое. В результате усиливается перистальтика кишечника за счет сокращений мышечной структуры. Таким образом, происходит опорожнение.
То есть, слабительными средствами можно очистить кишечник от каловых масс, но не организм. Слабительные препараты не обладают способностью связывать и выводить из организма яды и токсины. Таким действием обладают сорбенты. Например, полисорб, энтеросгель, активированный уголь, лигнин. Сегодня мы поговорим о природном сорбенте – лигнине.
Лигнин. Что это такое?
Лигнин – это сложное полимерное соединение, которое входит в состав абсолютно всех растений на земле. Больше всего его содержится в хвойных породах, примерно около 40%. Тогда как в лиственных растениях всего лишь 25%. Лигнин представляет собой одревесневшие стенки растительных клеток.
В медицине применяют гидролизный лигнин, который обладает высокой адсорбционной активностью. Он входит в состав таких препаратов, как лактофильтрум, фильтрум СТИ, полифильтрин, флорафильтр и др. Этот природный энтеросорбент получают из продуктов гидролиза компонентов древесины, структурными элементами которого являются производные фенилпропан и гидроцеллюлоза.
Как он действует?
Лигнин обладает свойством связывать и выводить из организма химические соединения, яды, экзо- и эндотокисны. Особенно это актуально для людей, проживающих в городе. Дело в том, что городские жители чаще подвергаются агрессивным воздействиям окружающей среды, которые загрязняют организм. Хотя… немалую лепту человек вносит в это и сам. И здесь уже не важно – городской это житель или нет.
Неправильная и нездоровая еда, алкоголь, курение, большой прием лекарственных препаратов – все это сказывается на здоровье человека. В результате такого образа жизни в организме человека образуются, так называемые, эндогенные (внутренние) токсины. К ним можно отнести продукты обмена веществ, свободные радикалы, биллирубин, холестерин, мочевина, аммиак.
Лигнин адсорбирует на себе все эти вещества и выводит из организма. При этом он не всасывается из просвета кишечника, а, следовательно, не попадает в кровь. Таким образом, этот сорбент можно считать абсолютно безвредным веществом. Кроме того, он положительным образом влияет на микрофлору кишечника и общую резистентность организма.
В каких случаях применяется лигнин?
Так как лигнин способствует выведению из организма различных аллергенов, ксенобиотиков, тяжелых металлов, продуктов распада пищи (холестерин, билирубин, аммиак), следовательно, его можно применять при различных заболеваниях, когда требуется дезинтоксикация организма. Этот сорбент очень хорошо себя зарекомендовал при отравлениях различного генеза: алкогольных и пищевых интоксикациях, похмельном синдроме.
Препараты на основе лигнина — это эффективные средства в комплексной терапии различных аллергических и кожных заболеваний. Также их можно использовать для профилактики атеросклероза, сахарного диабета, ожирения. Особенно необходим прием этого сорбента людям, работающим во вредных условиях.
Особенности приема.
Лигнин, как и любые другие сорбенты, не принимают вместе с другими лекарствами. Интервал между его приемом и другим лекарственным препаратом должен составлять 2 часа. В противном случае, лигнин будет взаимодействовать с лекарственным препаратом, что может привести к снижению фармакологической эффективности этого лекарства.
Курсовой прием лигнина должен составлять 5 — 14 дней. Более длительный прием может спровоцировать авитаминоз и дефицит различных минеральных веществ. Поэтому после окончания лечения рекомендуется прием витаминно-минеральных комплексов.
Обратите внимание! Все лекарственные препараты на основе лигнина имеют противопоказания. Поэтому перед их применением необходимо проконсультироваться со специалистом.
Лигнин. Что такое лигнин, происхождение, получение, свойства и применение лигнина
Происхождение и получение лигнина
Вместе с гемицеллюлозами он определяет механическую прочность стволов и стеблей. Лигнин обеспечивает герметичность клеточных стенок ( для воды и питательных веществ) и благодаря содержащимся в нем красителям определяет цвет одревесневевшей ткани.
Лигнин прочно физически и химически инкорпорирован в структуре растительной ткани и эффективное выделение его оттуда промышленными методами представляет весьма сложную инженерную задачу.
В гидролизной промышленности получают порошковый т.н. гидролизный лигнин.
В целлюлозном производстве образуются водорастворимые формы лигнина. Существуют две основные технологии варки целлюлозы, более распространенная сульфатная варка (щелочная) и менее употребляемая сульфитная (кислотная) варка.
Лигнин получаемый в сульфатном производстве, т.н. сульфатный лигнин в большой степени утилизируется в энергетических установках целлюлозных заводов.
В сульфитном производстве образуются растворы сульфитных лигнинов (лигносульфонатов), часть которых накапливается в лигнохранилищах, а часть уходит со сточными водами предприятия в реки и озера.
В английской литературе выделяют также:
В той или иной степени утилизацией лигнина занимаются сами производящие его предприятия, но гидролизный лигнин, сульфатный лигнин и лигносульфонаты присутствуют на рынке и как товарные продукты. Международных или российских стандартов на технические лигнины не существует и они поставляются по различным заводским техническим условиям.
Формула и химические свойства лигнина
Принято считать, что молекула лигнина состоит из атомов углерода, кислорода и водорода.
В литературе встречается несколько вариантов формулы лигнина.
Лигнины получаемые из разных растений значительно отличаются друг от друга по химическому составу.
Молекула лигнина неопределенно велика и имеет много разнообразных функциональных групп.
Общей структурной единицей всех видов лигнина является фенилпропан (C9H10), а различия связаны с разным содержанием функциональных групп.
При нормальных условиях лигнин плохо растворяется в воде и органических растворителях. В химических технологиях и в окружающей среде лигнин может участвовать в самых разнообразных химических рекациях и превращениях. Обладает биологической активностью.
Лигнин проявляет пластические свойства при повышенном давлении и температуре, особенно во влажном состоянии.
Утилизация лигнина в природе
Деградация полимерного лигнина происходит под воздействием внеклеточных ферментов-оксидоредуктаз грибов. К данным ферментам в первую очередь относятся лининолитические пероксидазы: лигнин-пероксидаза и Mn-пероксидза, а так же внеклеточная оксидаза – лакказа. Так же лигнинолитичекий комплекс грибов содержит вспомогательные ферменты, в первую очередь производящие перекись водорода для пероксидаз и активные фермы кислорода. Сюда включают такие ферменты как пиранозооксидаза, глюкзооксидаза, глиоксальоксидаза, алклгольарилоксидаза и целлобиозозодегидрогеназа.
Экономическое значение лигнина
Ежегодно в мире получается около 70 млн. тонн технических лигнинов. В энциклопедиях пишут о том, что лигнин является ценным источником химического сырья. К сожалению, пока это сырье организационно, экономически и технически не слишком и не всегда доступно.
Например, разложение лигнина на более простые химические соединения (фенол, бензол и т.п.) при сравнимом качестве получаемых продуктов обходится дороже их синтеза из нефти или газа. По данным International Lgnin Institute в мире используется на промышленные, сельскохозяйственные и др. цели не более 2% технических лигнинов. Остальное сжигается в энергетических установках или захоранивается в могильниках.
В некоторых исследованиях отмечается мутагенная активность технических лигнинов.
Таким образом в народохозяйственном балансе технические лигнины пока представляют собой значительную и постоянно растущую отрицательную величину.
Свойства гидролизного лигнина
Лигнин нетоксичен, обладает хорошей сорбционной способностью.
Некоторые направления применения гидролизного лигнина:
— производство топливных брикетов, в т.ч. в смеси с опилками, угольной и торфяной пылью;
— производства топливного газа, в т.ч. с выработкой электроэнергии в газопоршневых газогенераторах;
— производство брикетированных восстановителей для металлов и кремния;
— производство углей, в т.ч.активированных;
— сорбенты для очистки городских и промышленных стоков, сорбенты для разлитых нефтепродуктов, сорбенты тяжелых металлов, технологические сорбенты;
— сорбенты медицинского и ветеринарного назначения («Полифепан» и т.п.);
— порообразователь в производстве кирпича и др. керамических изделий (взамен опилок и древесной муки);
— сырье для выработки нитролигнина (понизителя вязкости глинистых растворов, применяемых при бурении скважин);
— наполнитель для пластмасс и композиционных материалов, связующее для композиционных материалов («Арбоформ», лигноплиты и т.п.);
— приготовление органических и органо-минеральных удобрений, структурообразователей для естественных и искусственных почв, гербицид при возделывании некоторых культур (бобовых);
— сырье для производства фенола, уксусной и щавелевой кислот;
— добавка в асфальтобетоны (приготовление лигнино-битумных смесей и пр).
Товарные лигносульфонаты получают упариванием обессахаренного сульфитного щелока и выпускают в виде жидких и твердых концентратов сульфитно-спиртовой барды (мол. масса от 200 до 60 тыс. и более), содержащих 50-90% сухого остатка. Лигносульфонаты имеют высокую поверхностную активность, что позволяет использовать их в качестве ПАВ в различных отраслях промышленности, например:
— в строительстве для укрепления низкопрочных материалов и грунтов, а также для обеспыливания покрытий дорожных покрытий, в качестве эмульгатора в дорожных эмульсиях;
— в сельском и лесном хозяйстве для противоэррозиооной обработки почв;
— в качестве сырья для производства ванилина;
— добавка для гранулирования пылящих материалов, антислеживатель.
Представляет собой раствор натриевых солей, характеризующихся высокой плотностью и химической стойкостью. Сульфатный лигнин в сухом виде представляет собой порошок коричневого цвета. Размер частиц лигнина, колеблется в широком интервале от 10 (и менее) мкм до 5 мм. Он состоит из отдельных пористых шарообразных частиц и их комплексов с удельно поверхностью до 20 м 2 /г.
В сульфатном лигнине промышленной выработки в среднем содержится, %: золы — 1,0—2,5, кислоты в расчете на серную — 0,1—0,3, водорастворимых веществ — 9, смолистых веществ — 0,3—0,4, лигнина Класона — около 85. Лигнин имеет достаточно постоянный функциональный состав. В сульфатном лигнине присутствует сера, массовое содержание которой составляет 2,0—2,5%, в том числе несвязанной — 0,4—0,9 %.
Термическая обработка сульфатного лигнина вызывает его разложение с образованием летучих веществ начиная с температуры 190 о С.
Сульфатный лигнин отнесен к практически нетоксичным продуктам, применяемый в виде влажной пасты не пылит и не пожароопасен.
Направления использования сульфатного лигнина:
— сырье для производства фенолоформальдегидных смол и пластиков;
— связующее для бумажных плит, картонов, древесностружечных и волокнистых плит;
— стабилизатор химических пен;
— пластификатор бетонов, керамических и огнеупорных изделий;
— сырье для производства активных осветляющих углей «типа коллактивита».
Литература о лигнине и его применениях
Лигнину и техническим лигнинам посвящена очень большая литература (десятки книг, сотни диссертационных работ и тысячи журнальных статей) на всех основных языках. Многие из них доступны и в интернете, см. например, «Лигнин» статья в Википедии.
Для получения первого впечатления можно использовать, например, следующие имеющиеся в сети книги:
— Химия лигнина, Ф.Э. Браунс, Д.А. Браунс, М. Лесная промышленность, 1964;
— Химия древесины и целлюлозы В.М.Никитин, А.В. Оболенская, В.П. Щеголев М. Лесная промышленность, 1978;
— Переработка сульфатного и сульфитного щелоков, под ред. П.Д. Богомолова и С.А. Сапотницкого, М. Лесная промышленность, 1989;
— Конструкионные материалы из лигнинных веществ, В.А. Арбузов, М. Экология, 1991.
Примечание. Существующие технологии переработки и делигнификации целлюлозного сырья связаны с большими капиталовложениями и не вполне совершенны с точки зрения экологии и др. факторов. Ученые давно изыскивают другие, более эффективные способы организации целлюлозных и биохимических производств, но пока эти разработки не нашли широких промышленных применений.
Уровень потребления и производства целлюлозы, бумаги и др. продуктов биохимии считаются для крупных стран важнейшими показателями развитости экономики в целом. Разумеется не биохимики вносят решающий вклад в загрязнение природы разнообразными отходами и вредными веществами, но там где есть крупные биохимические предприятия их вклад в загрязнение атмосферы и водных ресурсов может быть весьма существенным.
Очевидно, что руководители лесохимической подотрасли на протяжении десятилетий вполне успешно шантажировали государство, кажется что это явление продолжается и сейчас. Заложниками, как всегда, становятся работники предприятий, местные жители и «братья наши меньшие». Закрытие и перепрофилирование Приозерского ЦБК уже принесло заметное улучшение экологии Ладожского озера, однако большое количество приозерцев остаются без работы и по сей день, а город Приозерск находится в депрессивном состоянии.
Отрицать возможность использования лигнина в промышленности и сельском хозяйстве было бы неправильно. Десятилетиями сотни научных организаций во всем мире занимаются исследованиями и разработками в области утилизации свежеизвлеченного и хранимого лигнина. Многие из них в разные годы уже внедрены в промышленности. Дополнительную актуальность эти работы получают в свете возросшего в последние годы интереса к решению экологических проблем и к промышленному использованию всей гаммы растительных ресурсов (biorefinery).
Скорее всего решить проблемы рационального развития биохимических производств без государственного внимания не удастся, ибо рынок головы не имеет, а его нервные узлы как у дождевого червяка расположены в пищеводе. Что, собственно говоря, в очередной раз доказал «начавшийся в 2008 г.» экономический кризис. Произошел ли он при помощи знаменитой невидимой его руки или другого сокрытого члена значения не имеет.