Разработка технологии формованной биоразлагаемой экопосуды на основе вторичных ресурсов зерномучного производства

Экологические проблемы биосферы во многом обусловлены комплексом факторов, среди которых известные: постоянно возрастающие объемы производства полимеров и полимерных изделий, составляющих более 40 % бытового мусора. Повсеместное применение полимеров, сложность их утилизации (срок разложения составляет от 100 до 500 лет) являются значимыми рисками для экологической нагрузки для окружающей среды. Мировой опыт сокращения количества полимерных материалов в обороте за счет сокращения или полного их выведения обеспечивается на законодательном уровне преимущественно в странах ЕС, Австралии, Бангладеш, КНР и др., но, к сожалению это до сих пор не приносит желаемого результата.

Вместе с тем количество научных разработок в данном направлении за последние годы неуклонно растет, что указывает на глобальную значимость поиска решений для снижения нагрузки полимерных материалов на биосферу. Согласно анализу присутствующих в базах данных Scopus и Web of Science публикаций на запрос по тегу «Biopolymer materials» получен отклик на 121 629 публикаций, в том числе лидеры среди стран China (24 626), United States (20 998), India (10 683). Запрос по тегу «Biodegradable films» идентифицировано 126 996 публикаций при сохранении лидерства среди тех же стран China (32 616), United States (19 583), India (10 910).

Решение экологических проблем, обусловленных наращиванием объёмов ТКО, может быть достигнуто за счет создания биоразлагаемых материалов на основе композиции растительных компонентов разных видов, которые могли бы при утилизации в естественных условиях формировать безопасные для окружающей среды вещества [2, 8]. Емкость рынка таких материалов весьма значимая и составляет при выведении с рынка пластико- вой посуды 300–320 млн долл., при ежегодных темпах роста около 10–15 %. Важно учитывать и тот факт, что в структуре общих объемов рынка одноразовой посуды удельный вес пластика составляет 80 %; бумаги/картона – 20 %. В РФ рынок биоразлагаемой посуды составляет около 10 тыс. тонн/год, что указывает на достаточно высокую перспективность создания альтернативных разработок, способных уменьшить влияние на окружающую среду.

Основные сферы применения биополимерных материалов – оптовые и розничные торговые предприятия, использующие вспененные подложки из полистирола и пленочные материалы для фасовки реализуемых товаров; предприятия общественного питания (кафе, рестораны, доставка еды, предприятия «фаст-фуд»), кейтеринг (организация выездных банкетов, фуршетов).

На сегодняшний день среди природных компонентов, предлагаемых для технологии экоматериалов с экономической точки зрения, интересны вторичные продукты растительного и животного происхождения, которые, как правило, являются отходами перерабатывающих производств. Значительный удельный вес в общем объеме возобновляемых сырьевых ресурсов приходится на отходы зерномучного производства, текстильной и деревоперерабатывающей промышленности. Наиболее часто в технологиях формованных изделий за сырьевую основу в композициях предлагают использование зерновых отрубей, обрушенные семенные оболочки зерновых культур, отходы переработки сахарного тростника, солому и т. д. [13].

Основные преимущества данного сырья заключаются в низкой его себестоимости, полном разложении без особых требований к компостируемой системе (воду, диоксид углерода, биомассу и неорганические соединения). Важным требованием при разработке биоматериалов является то, чтобы при использовании таких материалов в качестве упаковочных для пищевых продуктов не должно наблюдаться миграции одорирующих веществ материала в упакованный продукт, он должен сохранять исходные вкус и запах. Кроме того, в случае использования природных материалов и «green» технологий при их переработке можно гарантировать безопасность полученной продукции.

Для ведения технологических процессов получения биоразлагаемой формованной одноразовой посуды необходимо учитывать две составляющие, определяющие прочностные характеристики конечного продукта – это свойства исходного сырья, включая адгезивные и разработка прессформы, способной обеспечить оптимальные условия (температуру 120–160 °С, давление пресса 10–15 тонн и необходимое влагоотведение) для ведения процесса прессования.

Для создания формованной экопосуды наиболее приемлемым сырьем является зерновой шрот (отруби пшеничные), которые представляют собой продукты шелушения злаковых культур, содержащие плодовые и семенные оболочки, а также алейроновый слой, образующийся в качестве побочного сырья при получении муки, крупы и других видов пищевых продуктов. В зависимости от степени измельчения могут быть тонкие (мелкие) и грубые (крупные) [3, 5, 7], однако даже при высоких гидравлических нагрузках в процессе прессования невозможно обеспечить устойчивость к нагрузкам изделий без введения в состав прессуемой смеси дополнительных ингредиентов. Для повышения эксплуатационных свойств готовых формованных изделий с целью сохранения экологичности в основной состав могут вноситься органические наполнители или их смеси [6, 9].

Целью настоящего исследования является разработка рецептуры и технологии получения формованных изделий из смеси биоразлагаемых материалов (отрубей пшеничных и биополимерного компонента) и исследование их структурно-механических характеристик.

Объекты и методы исследования

Для достижения поставленной цели в качестве объектов исследования были определены формованные биоразлагаемые материалы (в виде прямоугольных пластин), полученные при различном соотношении основного сырья и органического композита при различных параметрах ведения процесса прессования (табл. 1).

Основное сырье – отруби пшеничные, произведённые компанией ОАО «СоюзПище-пром», г. Челябинск. Гранулометрический состав массы отрубей пшеничных в приделах от 0,2 до 3,00 мм.

Биополимерный компонент, используемый для обеспечения максимального сцепления материала, произведен в условиях научной лаборатории «Синтез и анализ пищевых ингредиентов» кафедры пищевых и биотехнологий ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)».

Для ведения процесса формования опытных образцов (прямоугольных пластин) использовался гидравлический модернизированный пресс П-500 лаборатории композиционных материалов и спроектированная специалистами лаборатории пресс-форма (рис. 1). Для снижения интенсивности потока водяного пара, который может привести к образованию дефектов поверхности изделия предусмотрены технологические особенности (модификация) пресс-формы.

Рис. 1. Общий вид пресс-формы для получения формованных биоразлагаемых материалов (разработчик Никонов А.В. лаборатория композиционных материалов)

Технология получения формованных биоразлагаемых материалов из отрубей пшеничных включает три этапа:

– подготовительный (подготовка сырья и оборудования),

– промежуточный этап (помещение сухой смеси внутрь пресс-формы),

– заключительный этап (формование под давлением с учетом необходимой температу- ры) проводят при снижении давления до атмосферного и извлекают отформованное изделие.

Композиции на основе отрубей пшеничных и биополимерного ингредиента в установленном процентном соотношении (необходимого для формирования каркаса изделия) подвергаются нагреву и прессованию под давлением в пресс-форме при помощи гидравлического пресса с нагревательными элементами.

Для установления эксплуатационных свойств будущей экопосуды и определения оптимальных технологических параметров проводилась оценка физико-механических характеристик образцов формованного материала в виде пластин (длина 100 мм, ширина – 20 мм).

Исследование проводилось на базе центра «Композитные материалы и конструкции» с использованием разрывной машины Instron 5942. Скорость деформации образца 100 мм/мин; регистрация данных деформации при изгибе осуществлялась ежесекундно.

Толщину прямоугольных пластин из отрубей пшеничных измеряли с помощью механического микрометра «TOPEX 31с629».

С целью определения распределения биополимерного композита в составе готового формованного изделия, оценки характера формирующихся связей в составе матрицы отрубей пшеничных после воздействия высокого давления пресса применялась сканирующая электронная микроскопия (СЭM) поверхности и излома. Использовали просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения Jeol JEM-2100, увеличение от ×50 до ×500 [1]. Исследование проводилось на базе центра НОЦ «Нанотехнологии» ФГАОУ

Таблица 1

Описание образцов отформованных на опытном образце пресс-формы пластин из отрубей пшеничных с учетом технологических особенностей

Наименование образца	Содержание органического композита, %	Усилие, тонн	Выдержка, с	Температура, °С
Образец 1	10	10	25	140
Образец 2	10	10	0	140
Образец 3	10	15	25	140
Образец 4	10	20	25	140
Образец 5	20	10	25	140
Образец 6	50	10	25	140

ВО «ЮУРГУ (НИУ)». Для каждого образца выполняли не менее пяти измерений.

Результаты и их обсуждение

Для получения формованного биоразлагаемого изделия, обладающего высокими прочностными и визуальными характеристиками, на первом этапе работ были получены опытные образцы пластин в разных соотношениях компонентного состава отрубей пшеничных (ОП), биополимерного компонента (БК), соответственно вариация компонента 10, 20 и 50 %, также при различных технологических параметрах (усилие, выдержка и температура) ведения процесса прессования (см. табл. 1).

Исходя из представленного на рис. 2 материала, можно наблюдать, что все образцы формованных пластин имеют ровную поверхность и однородны по всей структуре без видимых дефектов, весьма привлекательны. Следует отметить, что цвет полученных образцов зависит от температуры нагревательного элемента пресса, а также от начальной влажности сырья и внесенных добавок. Для достижения наилучших характеристик была определена оптимальная массовая доля влаги отрубей пшеничных, которая составила 7,1 %.

На следующем этапе исследований проводилась оценка физико-механические характеристик образцов формованных пластин, полученные результаты представлены в табл. 2. Полученный в ходе исследований массив данных позволил установить наиболее приемлемые оптимальные параметры ведения процесса прессования, необходимые для создания с формованной экопосуды с высокими прочностными характеристиками.

Как видно из представленных усредненных данных, толщина образцов отформованных пластин находится в приделах от 4,11 до 4,80 мм и зависит от некоторых параметров ведения процесса. Причем при давлении усилия пресса в 10 тонн фиксируется наибольшее значение толщины пластин (образец 2), а наименьшие значения толщины получены во время формования пластин при давлении пресса в 10, 20 тонн (образец 1 и 4).

Исследования прочностных характеристик опытных образцов показали, что образец 4 (соотношение ПО:БК составляет 90:10) выдерживает максимальную нагрузку – 24,30 N, данный эффект был достигнут за счет добавления органического композита в количестве 10 % к сухой смеси отрубей пшеничных с массовой долей влаги 7,1 %. В технологии прессования данного образца было использовано усилие пресса в 20 тонн при температуре нагревательного элемента 140 °С. Данный показатель указывает на максимальное значение нагрузки, которая необходима в ходе исследования для растяжения образца. Также высокие показатели наблюдаются у образца 6 (соотношение ПО:БК составляет 50:50), так, максимальная нагрузка на пластину составляет 38,44 N, данный эффект был достигнут за счет добавления органического композита в количестве 50 % к сухой смеси отрубей пшеничных с массовой долей влаги 7,1 %. Стоит также отметить, что модуль упругости при растяжении увеличился в 2 раза по сравнению

Рис. 2. Внешний вид опытных образцов отформованных пластин из отрубей пшеничных и биополимерного композита в разных соотношениях

Таблица 2

Физико-механические характеристики образцов прямоугольных пластин из отрубей пшеничных (среднее арифметическое значение)

Наименование показателя	Номер исследуемого образца
	1	2	3	4	5	6
Толщина, (mm)	4,19	4,80	4,23	4,11	4,22	4,31
Перемещение (mm)	1,99726	1,49440	2,82997	2,16155	2,16523	1,74937
Нагрузка (N)	8,1858	11,94355	9,418179	9,247425	11,44039	19,68181
Максимальная нагрузка [N]	20,71	17,92	23,23	24,30	21,09	38,44
Напряжение при изгибе (MPa)	2,69268	2,99366	2,14570	3,16147	3,55662	6,38252
Максимальное напряжение [МПа]	6,81	7,13	7,50	6,13	6,56	12,60
Деформация при изгибе (Перемещение) (mm/mm)	0,00846	0,00725	0,01246	0,00899	0,00944	0,00747
Деформация при изгибе [%]	0,99	1,05	1,00	1,53	1,45	0,78
Модуль упругости при растяжении [ГПа]	0,970	0,790	1,187	0,712	0,896	2,021

другими полученными образцами пластин и составил 2,021 ГПа. В ходе исследования было выявлено снижение показателя деформации при изгибе у образца 6, которая составляет 0,78 %, в то время как предел прочности составляет 12,60 МПа, после превышения данного параметра наблюдается разрушение материала.

Наиболее малоприменимые характеристики были выявлены у образца 2. В ходе проведения дополнительных исследований было установлено, что возможно снижение температуры пресса до 130 °C. Использование температуры нагрева смеси в пресс-форме перед прессованием в пределах (130– 160) °С обусловлено тем, что снижение нагрева меньше 130 °C не позволяют расплавиться биополимерному компоненту, что резко снижает прочностные характеристики изделий. В противовес этому нарастание температуры выше 160 °С приводит к появлению эффекта подгорания поверхности формуемых пластин. При повышении содержания биополимерного компонента в составе смеси улучшаются прочностные свойства формованных изделий.

С целью определения распределения биополимерного композита в составе готового формованного изделия, оценки характера формирующихся связей в составе матрицы изделий на заключительном этапе исследования использовалась СЭМ. Исследования состояния поверхности и излома отформованных пластин проводились для образца 4 (массовая доля биокомпонента 10 %) и образца 6 (массовая доля биокомпонента 50 %). Полученные микрофотографии внешнего вида поверхности и излома исследуемых образцов пластин представлены на рис. 3.

На полученных с помощью СЭМ трехмерных изображениях можно видеть, что при увеличении содержания биополимерного компонента (образец 6) поверхность материала становится более ровной, однородной без углублений, пор. Органический компонент на основе растительных полисахаридов обладает хорошими сцепляющими свойствами, частично обволакивает волокно отрубей пшеничных в комплексе с белковой матрицей с присутствием крахмальных зерен. Образец 4, содержащий 10 % биокомпозита, имеет неоднородную поверхность с присутствием большого количества углублений с четко выраженными частицами волокна разного размера. Наблюдается более рыхлый внешний вид в изломе, видимы частицы волокна, крахмал встроен-

A) (×50)                                               B) (×500)

C) (×50)

D) (×500)

Рис. 3. Микрофотографии исследуемых образцов прямоугольных пластин из отрубей пшеничных, полученные с использованием электронной сканирующей микроскопии (общее увеличение составляет ×50, ×500): А) образец 4 внешний вид поверхности; B) образец 4 внешний вид в изломе; С) образец 6 внешний вид поверхности, D) образец 6 внешний вид в изломе

ные в белковую матрицу. Образец 6 имеет более однородную поверхность без углублений, присутствуют частицы волокна разного размера. Внешний вид в изломе менее рыхлый, частицы волокна, крахмальные зерна разных размеров встроены в белковую матрицу [1, 4].

Образцы отформованных пластин для оценки возможности их утилизации были размещены в гумусный компост. Наблюдали, что в результате деятельности микроорганизмов компоста биомасса образцов пластин полностью разлагаются в течение 2–3 недель с образованием простых конечных продуктов.

Следовательно, отформованные из отрубей пшеничных изделия являются альтернативой посуды из пластика. Ниже на рис. 4 представлены изделия пробного формования экопосуды (на основе отрубей пшеничных) по разработанной технологии [12].

Таким образом, результаты исследования доказали, что при вариации биополимерного компонента в составе прессуемой органической массы на основе пшеничных отрубей, а также подборе оптимальных технологических

Рис. 4. Внешний вид образцов пробного формования экопосуды (на основе отрубей пшеничных) по разработанной технологии

параметров (усилие, выдержка и температура), ведения процесса прессования (формования) возможно регулировать свойства будущего изделия. Установлены оптимальные параметры, необходимые для получения образцов с высокими физико-механические характеристиками. Наилучшие характеристики наблюдаются у образцов 4, 6. У прямоугольных пластин поверхность ровная, однородная по всей массе без видимых дефектов. При повышении содержания биокомпозита наблюдается увеличение прочностных свойств, а также структура поверхности становится более однородной, ровной. Разработанная рецептура и технология может быть использована для создания эко посуды разного дизайна для снижения нагрузки на окружающую среду.

Для раскрытия механизмов влияния основного сырья, а также технологических особенностей на свойства изделия следует продолжить исследования опытных образцов прямоугольных пластин по расширенной номенклатуре показателей [10, 11].

Проект реализуется победителем Конкурса на представление грантов преподавателям магистратуры благотворительной программы «Стипендиальная программа Владимира Потанина» Благотворительного фонда Владимира Потанина, договор № ГСГК-0063/21 от 21.07.2021.