RAZISKAVE IN RAZVOJ Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Vipap Videm Krško d. d., VIPRINT 80 g/m 2 . Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Vipap Videm Krško d. d., VIPRINT 80 g/m 2 . RAZISKAVE IN RAZVOJ Raziskujemo in razvijamo Raziskujemo in razvijamo | november 2017 | 18 | XLV | november 2017 | 18 | XLV 1 UVOD Obnovljiva lignocelulozna biomasa rastlin- skega izvora predstavlja izredno bogat surovinski vir, ki pa ni (dovolj) izkoriščen. Naravni materiali so alternativa fosilnim su- rovinam, in sicer predvsem premogu, nafti in zemeljskemu plinu, katerih zaloge so omejene, njihov vpliv na globalno segreva- nje pa velik zaradi visokih emisij CO2 in drugih toplogrednih plinov, ki se spro- ščajo pri njihovi predelavi. Med potencialno tehnološko pomembne lignocelulozne ma- teriale prištevamo tujerodne invazivne ra- stline in hitrorastoče avtohtone enoletnice, drevesa in grmovnice, ostanke iz kmetijske predelave, zeleni odrez ter odpadno bio- maso iz industrije in komunale. Zanimiva je predvsem presežna biomasa, torej material, ki ni porabljen pri industrijski predelavi in v kmetijstvu za prehranske namene. V lesno predelovalni panogi ostajajo lesna skorja, žaganje, odrezki in poškodovan les, medtem ko se v živilski industriji kopičijo tropine, otrobi, lušine in peške. V kme- tijstvu nastaja stebelna biomasa žitaric in drugih kulturnih rastlin, ki pa ostaja na po- ljih ali pa se v najboljšem primeru uporablja za steljo, krmo za živali ali za kompostira- nje. Pri urejanju zelenih površin in vzdrže- vanju vinogradov, oljčnikov ter sadovnjakov nastaja t. i. zeleni odrez, katerega količine so zelo velike. Večina lesnih ostankov in ze- lenega odreza se predela v brikete in pelete ter se tako izkoristi za kurjavo ali pokrivanje energetskih potreb predelovalnih obratov. Poseben izziv predstavljajo tujerodne ra- stlinske vrste, ki jih je v naravi v izobilju in so problematične zaradi hitrega zaraščanja ali invazivnega širjenja, s čimer izpodriva- jo domače vrste in vplivajo na ekosistem. Povzročajo gospodarsko škodo, ker se zmanjšuje količina pridelkov, hkrati pa se višajo stroški vzdrževanja javnih površin. Invazivne rastline je treba sistematično odstranjevati, pri čemer se odpadno bio- maso trenutno uničuje s sežigom. Zanimivi so tudi travniki in močvirja, ki zavzemajo velike površine. Na njih uspevajo različne vrste travnatih rastlin, vendar pa pokošena biomasa ni optimalno izrabljena oz. ni izra- bljena kot material za tehnološke namene, čeprav gre za zajetne količine obnovljivih naravnih surovin. Rastlinsko lignocelulozo sestavljajo pred- vsem strukturni polimeri, in sicer celuloza, hemiceluloze in lignin, v manjši meri pa tudi nizko-molekularni ekstraktivi in anor- ganske spojine. Celuloza je najbolj razšir- jena snov v naravi, je komponenta celičnih sten, sestavljena iz velikega števila gluko- znih enot, ki se povezujejo v ravne verige, te pa preko vodikovih vezi v večje struk- turne enote, imenovane fibrile, ki tvorijo vlakna. Hemiceluloze so komponente ce- ličnih sten, v kemičnem smislu pa komple- ksni, razvejani polisaharidi, ki jih sestavljajo pentozni (ksiloza, arabinoza) in heksozni (glukoza, manoza, galaktoza) monomeri. Lignin je tridimenzionalni, aromatski poli- mer, ki povezuje posamezna vlakna v trdno strukturo. Sestavljajo ga fenil-propanske enote, ki se med sabo povezujejo preko različnih kemijskih vezi. Lignocelulozna bio- masa nastaja v naravi kot sestavina rastlin- skih tkiv. Komplicirane naravne strukture je velikokrat težko ali celo nemogoče sinte- tizirati, lahko jih pa izoliramo iz rastlinskih tkiv, po potrebi modificiramo, fragmenti- ramo in/ali predelamo v produkte z visoko dodano vrednostjo, kot so npr. termopla- stični kompoziti, nanokristalinična in nano- fibrilirana celuloza ter številne »zelene« ke- mikalije, ki so neposredno uporabne ali pa predstavljajo osnovne gradnike pri sintezah v kemični industriji. Različne vrste lignocelulozne biomase vse- bujejo različne vsebnosti posameznih struk- turnih komponent. Običajno prevladuje celuloza, in sicer znaša njena vsebnost od 25 do 55 %, koncentracija hemiceluloz se giblje od 25 do 50 % in lignina od 15 do 40 % v suhi masi snovi. Sestava in kemične lastnosti posameznih vrst biomase nare- kujejo njeno potencialno uporabnost, pri čemer je treba izpostaviti, da so tehnološko uporabne vse tri komponente (1,2,3,4). IZVLEČEK Določili smo kemično sestavo stebelne biomase invazivnih in avtohtonih rastlinskih vrst, in sicer japonskega dresnika, velikega pajesna, deljenolistne rudbekije, kanele, navadnega pelina in navadnega trsta. Vpeljali smo analizni postopek separacije in kvantitativne določitve posameznih komponent biomase, in sicer celuloze, hemiceluloze, lignina, pepela ter heksanskega in etanolnega ekstrakta. Pri delu smo uporabili standardne gravimetrične metode. Analize so pokazale, da gre za tipične nelesne materiale, z vsebnostjo pepela (2,7–3,7 %), ekstraktov (1–11 %), celuloze (31–40 %), hemiceluloze (30–42 %) in lignina (17–26 %). Glede na kemično sestavo sklepamo, da je analizirana rastlinska biomasa potencialni vir celuloznih vlaken in drugih dragocenih naravnih spojin. Ključne besede: invazivne in avtohtone rastline, kemična sestava, celulozna vlakna, zelene kemikalije ABSTRACT Stem biomass of the following invasive and native plants was chemically characterised: Japanese knotweed, tree of heaven, cutleaf coneflower, giant cane, common wormwood and reed. The analytical procedure for the separation and quantitative determination of individual biomass components, such as cellulose, hemicelluloses, lignin, ash, hexane as well as ethanol extract, was introduced. Standard gravimetric methods were applied for determinations. The analyses indicated that samples were typical non-wood materials with the content of ash (2.7–3,7 per cent), extracts (1–11 per cent), cellulose (31–40 per cent), hemicellulose (30–42 per cent) and lignin (17–26 per cent). In view of the chemical composition, it can be concluded that the analysed plant biomass represented a potential source of cellulose fibres and other valuable natural compounds. Keywords: invasive and native plants, chemical composition, cellulose fibres, green chemicals Janja ZULE 1 , Maja FRELIH 1 , Lorna FLAJŠMAN 1 RASTLINSKA BIOMASA – Možni alternativni vir papirnih vlaken PLANT BIOMASS – POTENTIAL ALTERNATIVE SOURCE OF PAPER FIBERS Znano je, da je celuloza osnovna surovi- na v papirni industriji, kjer se uporablja- jo predvsem lesna vlakna, vendar pa so drugi viri vlaknin, npr. slama in eno- letne rastline pomembne predvsem v krajih, kjer primanjkuje lesa. Potencialni vir vlaknin so tudi invazivne in travna- te rastline, vendar njihova morfologija, kemična zgradba, fizikalne in mehanske lastnosti še niso raziskane (5,6). Namen naše raziskave je bil kemična karakterizacija nekaterih zelo razširjenih invazivnih in avtohtonih rastlinskih vrst, in sicer predvsem zaradi možne upora- be njihove biomase v papirništvu in za proizvodnjo zelenih kemikalij. 2 MATERIALI IN METODE 2.1 Vzorci V sodelovanju z Botaničnim vrtom v Lju- bljani in Notranjskim regijskim parkom Cerkniško jezero smo pridobili vzorce stebelne biomase šestih tujerodnih inva- zivnih in avtohtonih rastlin, ki so v Slo- veniji zelo razširjene. Opis je podan v Preglednici 1. Preglednica 1. Izbrane rastline in njihove osnovne značilnosti Table 1. Selected plants and their properties Rastlina Vrsta Nahajališče Značilnosti Hektarski donos t/ha Japonski dresnik (Fallopia japonica) invazivna celotna Slovenija grmičasta trajnica 40 Veliki pajesen (Ailanthus altissima) invazivna ob cestah in na opuščenih zemljiščih srednje veliko drevo 54 Deljenolistna rudbekija (Rudbeckia laciniata) invazivna Dravska dolina zelnata trajnica 37 Kanela (Arundo donax) invazivna ob Dragonji, Strunjanska dolina travnata trajnica 59 Navadni pelin (Artemisia vulgaris) avtohtona celotna Slovenija zelnata trajnica 39 Navadni trst (Phragmites australis) avtohtona Cerkniško jezero, Ljubljansko barje travnata trajnica 54 Rastlinska biomasa za kemične analize je bila nabrana v okolici Ljubljane v me- secu septembru 2016, z izjemo kanele (Strunjan) in navadnega trsta (Cerkniško jezero). 2.2 Priprava vzorcev Vzorce smo posušili na zraku pri sobni temperaturi. Pred analizo smo stebelno biomaso razrezali na fragmente velikos- ti približno 1 cm. Tako pripravljeno bi- omaso smo pomleli na laboratorijskem mlinu RETSCH ZM 200 do velikosti del- cev 0,5 mm. 2.3 Kemična analiza biomase V vzorcih biomase smo ovrednotili vse najpomembnejše komponente, in sicer celulozo, hemicelulozo, lignin, ekstrak- tive in pepel. Analize smo izvajali v Slika 1. Predpriprava in kemična analiza biomase Figure 1. Pretreatment and chemical analysis of biomass skladu s standardnimi ali uveljavljeni- mi gravimetričnimi metodami. Celoten analizni postopek je prikazan na sliki 1. Suhota Suhoto smo določili v skladu s SIST EN 14346 s sušenjem zmletih vzorcev pri 105 °C do konstantne mase. Celuloza Vsebnost celuloze smo določili s Kür- schner–Hofferjevo metodo. 1 g vzorca, ki smo ga predhodno ekstrahirali z eta- nolom, smo zmešali s 25 ml nitracijske zmesi (20 ml 65 % HNO3 in 80 ml eta- nola) in 1 uro segrevali na vodni kopeli pod refluksom. Postopek smo ponovili trikrat z enakim volumnom nitricijske zmesi, nato pa zmes odstranili in dodali 100 ml destilirane vode in pustili vreti 30 minut. Potem smo vzorec prefiltri- rali skozi steklen filterni lonček srednje gostote, trden preostanek pa temeljito sprali z etanolom in vročo vodo, posušili pri 105 °C in stehtali. Vsebnost celuloze izrazili kot % v suhi masi vzorca. Hemiceluloza Hemicelulozo smo določili v skladu s TAPPI 149-75 metodo (kloritna meto- da). 0,5 g predhodno ekstrahiranega vzorca smo dodali 60 ml vode, 100 μl ledocetne kisline in 0,5 g natrijevega klorita in stresali 1 uro pri 70 °C. Po tem času smo dodali 100 μl ledocetne kisline in 0,5 g natrijevega klorita ter ponovno segrevali pri enakih pogojih z občasnim mešanjem. Po treh zapore- dnih ponovitvah smo zmes ohladili in trden preostanek (holoceluloza) prefiltri- rali skozi steklen filterni lonček srednje gostote. Izolirano holocelulozo (celulo- za + hemiceluloza) smo sprali z vročo vodo, posušili pri 105 °C in stehtali. Vsebnost hemiceluloze smo izračunali tako, da smo od vsebnosti holoceluloze odšteli predhodno določeno celulozo. Vrednost smo izrazili kot % v suhi masi. Lignin Lignin smo določili kot Klasonov lignin po predhodni ekstrakciji z etanolom, v skladu s TAPPI T222-om11. 1 g vzorca smo dodali 15 ml 72 % žveplene kisli- ne, ki pri sobni temperaturi hidrolizira celulozo in hemicelulozo do enostavnih sladkorjev. Po 2 urah smo vzorcu dodali toliko vode, da se je koncentracija ki- sline znižala na 3 %. Zmes smo pustili vreti 4 ure, nakar smo jo prefiltrirali sko- zi steklen filterni lonček srednje gosto- te. Filterni preostanek smo sprali z vročo vodo, posušili pri 105 °C in stehtali. Vsebnost lignina smo podali kot % v suhi masi. Vse analize smo izvedli v najmanj 2 pa- ralelkah. Dobljeni rezultati so povprečne vrednosti vseh meritev. 3 REZULTATI Z RAZPRAVO Rezultati analiz pepela in obeh ekstrak- tov so prikazani na sliki 2. Vsebnosti pepela so se gibale med 2,7 in 3,8 % in ni zaznati bistvenih razlik med invazivni- mi in avtohtonimi vrstami. Vrednosti so višje kot pri lesnih vzorcih, npr. bukvi ali smreki, kjer se gibljejo med 0,5 in 1 %. Pepel Pepel smo določili s sežigom suhih vzor- cev pri 525 °C v skladu s TAPPI T211 om-12. Vsebnost pepela (anorganske snovi) smo podali kot % v suhi masi Ekstraktivna snov (heksanski in eta- nolni ekstrakt) Vsebnost ekstraktivov smo določili v skladu s standardom TAPPI T204. 5 g vzorca smo 8 ur ekstrahirali s he- ksanom na aparatu Soxhlet. Dobljeni ekstrakt smo posušili na rotavaporju in nato še pri 105 °C in stehtali. Ek- strakcijo smo nadaljevali z etanolom pri enakih eksperimentalnih pogojih. Vsebnost heksanskega ekstrakta (lipo- filni ekstraktivi) in etanolnega ekstrakta (hidrofilni ekstraktivi) smo podali kot % v suhi masi. RAZISKAVE IN RAZVOJ Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Vipap Videm Krško d. d., VIPRINT 80 g/m 2 . Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Vipap Videm Krško d. d., VIPRINT 80 g/m 2 . RAZISKAVE IN RAZVOJ Raziskujemo in razvijamo Raziskujemo in razvijamo | november 2017 | 18 | XLV | november 2017 | 18 | XLV Vse vrednosti za heksanski ekstrakt se gibljejo pod 1 %, izjema je pajesen (dre- vo), kjer vrednost doseže celo 1,7 %. Rastlinske hidrofobne ekstraktive običaj- no sestavljajo maščobne komponente in voski. Dobljene vrednosti (0,33–0,83 %) so dokaj primerljive z listavci, npr. z bukvijo. Vsebnosti etanolnega ekstrakta sta re- lativno nizki, in ne presegata 1 % le pri japonskem dresniku in rudbekiji. Največ hidrofilnih ekstraktivov smo izmerili pri pajesnu in navadnem trstu, kjer so vred- nosti dosegle skoraj 10 %. Hidrofilne ekstraktive v rastlinskih tkivih običajno sestavljajo fenolne spojine in nizkomole- kularni sladkorji. Rezultati določitve celuloze, hemicelu- loze in lignina v vzorcih so prikazani na sliki 3. Pri japonskem dresniku in kaneli je bila celuloza prevladujoča komponen- ta (40 in 38 %), v drugih rastlinah je bilo nekoliko več hemiceluloze, npr. v steblih navadnga pelina celo 42 %. V prime- ru navadnega trsta so bile koncentracije obeh ogljikovih hidratov skoraj enake. Vrednosti lignina so se gibale med 17 % (deljenolistna rudbekija) in 26 % (nava- dni trst). Slika 2. Vsebnost pepela, heksanskega in etanolnega ekstrakta Figure 2. Content of ash, hexane and ethanol extract Slika 3. Vsebnost strukturnih komponent celuloze, hemiceluloze in lignina Figure 3. Content of the structural components of cellulose, hemicellulose and lignin Če primerjamo dobljene vrednosti za vsebnost celuloze z lesom, ki je osnovna surovina v papirni industriji, ugotovimo, da je v lesu v povprečju več celuloze, in sicer med 40 in 50 % in nekoliko manj hemiceluloze (25 do 35 %). Vsebnosti lignina so podobne kot pri listavcih (20 do 25 %) in nekoliko nižje kot v primeru iglavcev (25 do 30 %). Ker za omenjene rastline v literaturi nismo našli podatkov o njihovi kemični sestavi, smo za primerjavo vzeli nelesni material, in sicer pšenično slamo, ki se ponekod uporablja kot vir celuloze v pa- pirništvu. Slednja je vsebovala kar 7,5 % pepela, 2,3 % ekstrakta, 35 % celuloze in 18 % lignina (7,8). nifikaciji in večjemu vlakninskemu izko- ristku, hkrati pa se izognemo tehnolo- škim težavam med proizvodnjo papirja zaradi izločanja lepljivih smol in voskov na strojni opremi. Nezaželena je tudi vi- soka vsebnost pepela, še zlasti če tega sestavlja silicijev dioksid, ki je zelo abrazi- ven in povzroča nastanek oblog na uparjalnikih ligninske lužnice drugih grelnih napravah. Visoka vsebnost celuloze v biomasi pa še ne pomeni, da je material uporaben za papirništvo. Pomembne karakteristi- ke so tudi morfološke lastnosti prido- bljenih vlaken, in sicer dolžina, širina in debelina ter njihova belina in mehanska jakost. Material mora biti razpoložljiv v zadostnih količinah, lahko dostopen in primeren za skladiščenje. Postopek de- lignifikacije mora biti ekološko primeren in ekonomsko učinkovit, kar pomeni, da so uporabne vse glavne komponen- te biomase, torej tudi preostali ogljikovi hidrati in ligninska frakcija, in sicer za pridobivanje tržno zanimivih stranskih produktov in zelenih kemikalij, saj vlakna predstavljajo v povprečju le eno tretjino biomase. V sklopu nadaljnjih raziskav bomo podrobneje okarakterizirali tudi morfolo- ške in papirniške lastnosti predstavljenih invazivnih in avtohtonih rastlinskih vrst ter na osnovi poglobljene kemične ana- lize ocenili različne možnosti za njihovo tehnološko predelavo v produkte z viso- ko dodano vrednostjo. 4 SKLEPI Kemična analiza stebelne biomase šestih v Sloveniji zelo razširjenih vrst invazivnih (japonski dresnik, veliki pajesen, delje- nolistna rudbekija, kanela) in avtohtonih (navadni pelin, navadni trst) rastlin je po- kazala, da je njihova kemična struktura zelo podobna, vendar pa se razlikuje od tipičnih lesnih vrst, ki se uporabljajo za proizvodnjo papirja. Značilna je nekoliko nižja vsebnost celuloze in lignina ter višja koncentracija pepela, v nekaterih prime- rih pa tudi ekstraktivnih snovi. Z vidika kemične sestave so vse omenjene rastli- ne možen vir celuloznih vlaken, vendar pa bodo njihove papirniške lastnosti še predmet nadaljnjih raziskav. Omenje- na biomasa ima dokaj visok hektarski donos, njeno odstranjevanje pa je nujno zaradi invazivnosti in preraščanja povr- šin. Izraba velikih količin za namene teh- nološke predelave v produkte z dodano vrednostjo, kamor sodi tudi papir, bi bila smotrnejša od sežiga. Dodatne analize in ekonomske študije bodo pripomogle Za celulozno in papirno industrijo je pomembno, da ima potencialni oz. al- ternativni vir celuloznih vlaken čim nižjo vsebnost ekstrakta in lignina. Ugodna kemična sestava pripomore k lažji delig- k učinkovitejši tehnološki izrabi obnovlji- vih virov, kot so invazivne in avtohtone rastlinske vrste. ZAHVALA Delo je bilo opravljeno znotraj razvoj- no-raziskovalnega programa CEL.KROG »Izkoriščanje potenciala biomase za ra- zvoj naprednih materialov in bio-osnova- nih produktov«, ki je sofinanciran s strani Republike Slovenije, Ministrstvo za izobraževanje, znanost in šport in Evropske unije, Evropski sklad za regio- nalni razvoj 2016–2020. Zahvaljujemo se kolegom iz Botaničnega vrta Ljublja- na za sodelovanje pri izbiri in pridobitvi vzorcev, ter kolegom iz Biotehniške fa- kultete – oddelek za lesarstvo za pomoč pri pripravi vzorcev. 5. LITERATURA [1.] ALEN, R. (Ed.). Biorefining of Forest Resources, Book 20 (Papermaking Science and Technology), Paperi ja Puu Oy, Porvoo, Finland, 2011 [2.] MAITY, S.K.. Opportunities, recent trends and challenges of integrated biorefinery:Part I. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, vol. 43, str. 1427–1445 [3.] WETTSTEIN, S.G., ALONSO, D.M., GÜRBÜS, E.I., DUMESIC, J.A. A roadmap for conversion of lignocellulosic biomass to che- micals and fuels. Current Option in Chemical Engineering, 2012, vol. 1, str. 218–224 [4.] OGGIANO, N., ANGELINI, L.G., CAPPEPPETTO, P .. Pulping and paper proper- ties of some fibre crops. Industrial Crops and Products, 1997, vol. 7, št. 1, str. 59–67 [5.] PAHKALA, K., PIHALA, M.. Different plant parts as raw material for fuel and pulp pro- duction. Industrial Crops and Products, 2000, vol. 11, št. 2–3, str. 119–128 [6.] VERVERIS, C., GEORGHIOU, K., CHRISTO- DOULAKIS, N., SANTAS, P ., SANTAS, R. Fiber dimensions, lignin and cellulose content of various plant materials and their suitability for paper production. Industrial Crops and Produ- cts, 2004, vol. 19, št. 3, str. 245–254 [7.] DANIELEWICZ, D., SURMA-SLUSARSKA, B., ŽUREK, G., MARTYNIAK, D. Selected grass plants as biomass fuels and raw materials for papermaking. Part I. Calorific value and chemical composition. BioResources, 2015, vol. 10, št. 4, str. 8539–8551 [8.] DANIELEWICZ, D., SURMA-SLUSARSKA, B., ŽUREK, G., MARTYNIAK, D., KMIOTEK, M., DYBKA, K. Selected grass plants as bio- mass fuels and raw materials for paperma- king. Part II. Pulp and paper properties BioRe- sources, 2015, vol. 10, št. 4, str. 8552–8564 1 Janja ZULE, 1 Maja FRELIH, 1 Lorna FLAJŠMAN 1 Inštitut za celulozo in papir, Bogišićeva 8, 1000 Ljubljana