Пластиковые микрошарики, эти крошечные возмутители спокойствия, которые можно было обнаружить в средствах личной гигиены с начала 1990-х до конца 2010-х годов, наносят ущерб окружающей среде. Эти крошечные частицы, размером меньше кунжутного семени, вырываются из тисков очистных сооружений, скапливаясь в океанах и реках , где они представляют угрозу для морской жизни.
К счастью, мыла и скрабы, содержащие пластиковые микрошарики, невозможно найти на полках современных магазинов. В последние годы многие страны признали эти микрошарики источником загрязнения морской пластиком и запретили их использование в средствах личной гигиены. Запрет на микрошарики освобождает место для более экологически чистых заменителей, позволяя потребителям продолжать испытывать это удовлетворяющее чувство глубокой очистки, не нанося вреда окружающей среде.
Вместо того, чтобы полагаться на синтетические пластики, исследования показывают, что в биоотходах скрыта сокровищница возможностей. Однажды таким сокровищем становится пивная дробина (BSG), остатки от пивоварения. Недорогая и распространенная, BSG используется в кормах для животных, производстве биогаза, компоста и удобрений.
В последнее время BSG используется в качестве богатого белком и клетчаткой ингредиента в крекерах, хлебе и печенье.
Наши исследования показали, что BSG хорошо подходит для использования в средствах личной гигиены в форме устойчивых отшелушивающих микрогранул .
Химические свойства целлюлозы
Целлюлоза — основной молекулярный компонент клеточных стенок растений — является ключевым компонентом пивной дробины. Более века ученые готовили огромное количество материалов на основе целлюлозы, преобразуя деревья с помощью относительно простого химического процесса. Деревья срубают, окоривают, измельчают, превращают в пульпу и отбеливают, затем оставшаяся целлюлоза формуется в желаемую конечную форму.
Целлюлозные волокна не растворяются в большинстве растворителей, и к счастью, это так, иначе хлопковые футболки смыло бы дождем, а пропитанные ацетоном салфетки расплавились бы вместо того, чтобы удалить лак для ногтей.
В целлюлозоперерабатывающей промышленности существует мало химикатов, способных преодолеть сопротивление целлюлозы. Большинство вариантов имеют дурную репутацию из-за своей нестабильности, высокой токсичности, высокой стоимости или плохой пригодности к переработке .
Однако гидроксид натрия, растворенный в воде в различных концентрациях, обеспечивает более устойчивый вариант. Кроме того, с помощью гидроксида натрия целлюлоза может быть преобразована обратно в твердое вещество посредством простой реакции нейтрализации.
Этот щелочной процесс может дать чистые целлюлозные микрошарики, которые были впервые получены около десяти лет назад . Целлюлозная масса растворяется в водном гидроксиде натрия, затем нейтрализуется, по одной капле, в кислотной ванне. Когда кислотная ванна сливается, остаются сферические целлюлозные микрошарики.
Тонкая настройка процесса
В нашем исследовании рассматривалось, может ли обилие биоотходов на основе целлюлозы, образующихся в агропродовольственной промышленности, генерировать микрошарики. С BSG в качестве нашего богатого целлюлозой исходного материала и отшелушивающими микрошариками в качестве нашей цели, мы начали экспериментировать в лаборатории.
BSG представлял собой сложную задачу по созданию чистых целлюлозных микрогранул из-за сложности своего состава. Помимо целлюлозы, BSG содержит гемицеллюлозу, лигнин, белки, липиды и небольшое количество золы, все тщательно переплетено для создания различных структур растительных клеток.
Чтобы преодолеть это препятствие, гидролиз разбавленной кислотой разрыхляет целлюлозу BSG и другие волокна (гемицеллюлозу и лигнин). Грубая фильтрация смывает простые сахара и белки, оставляя после себя пульпу, обогащенную целлюлозой и лигнином.
Следующие шаги включают тонкую настройку раствора гидроксида натрия. Только при определенных температурах и концентрациях растворы гидроксида натрия прочнее связей, удерживающих целлюлозные волокна вместе; это справедливо и для более сложной целлюлозы BSG.
Наши эксперименты выявили узкое окно обработки, где пульпа BSG полностью растворялась, чему способствовало небольшое количество оксида цинка. Затем, вводя эти растворы BSG, капля за каплей, в кислотную ванну, мы одновременно достигли наших целей по формованию и затвердеванию.
Через несколько часов кислотную ванну слили, оставив гладкие сферические микрогранулы на основе BSG.
Наконец, испытания на прочность и стабильность доказали, что шарики BSG обладают необходимой прочностью, чтобы выдерживать конкуренцию с их обычными пластиковыми аналогами. При включении в мыло, микрошарики на основе BSG показали себя лучше, чем другие доступные в настоящее время альтернативы пластиковым микрошарикам, такие как молотая скорлупа кокосовых орехов и абрикосовые косточки.
Креативные решения
Преобразование отходов пивоваренного завода в отшелушивающие микрогранулы представляет собой еще один шаг к более устойчивому будущему. Используя свойства целлюлозы и лигнина, присутствующих в BSG, эта инновация демонстрирует потенциал отходов для содействия устойчивым решениям.
Этот успех в конечном итоге подчеркивает важность исследований и инноваций в переходе к более экологичным практикам. Наконец, он поощряет изучение других подобных возможностей для сокращения нашего экологического следа.
Если отходы пивоваренного производства можно превратить в ценный компонент средств личной гигиены, представьте, какие еще возможности можно найти в мусоре.