Проблемы сырьевых ресурсов для производства химволокон. Первичным сырьем для многих видов химических волокон в настоящее время служат нефть, газ и каменный уголь, добыча и потребление которых ежегодно возрастают. Разведанные ресурсы этих видов сырья составляют: нефти (130...140)•10⁹тонн; газа природного (120...130)•10¹²м³. К середине столетия эти виды сырьевых материалов будут близки к истощению. В то же время будет неуклонно расти потребность в химических волокнах. Поэтому на смену или в дополнение к традиционным видам исходного сырья должны прийти новые сырьевые ресурсы для получения мономеров и/или волокнообразующих полимеров на их основе. Их получение будет основано на воспроизводимых растительных ресурсах, в первую очередь полисахаридах, получаемых методами биотехнологии.

Целлюлоза и другие полисахариды образуются из простейших веществ, присутствующих в окружающей среде, - CO₂и H₂O - путем ферментативного фотосинтеза с использованием энергии солнечного излучения. Фотосинтез органического вещества в растениях происходит вследствие поглощения солнечной радиации. Поток излучения солнца, достигающий земли на среднем расстоянии от него 149 млн. км (1 астрономическая единица), составляет (1,35...1,4) кВт/м². Общий поток лучистой энергии, получаемой поверхностью Земли ≈ (1,8...2)•1014кВт. В оптическом диапазоне 800...180 нм содержится 2/3 всей энергии излучения солнца. Максимум излучения солнца приходится на зеленую область спектра ≈ 450...500 нм, необходимую растениям для фотосинтеза.

Ферментативный фотосинтез целлюлозы в растениях происходит эндотермически при поглощении хлорофиллом солнечного излучения по следующей схематической реакции:

6 CO₂+ 6 H₂O → С₆H₁₂O₆ + 6O₂→ (С₆H₁₀O₅)n + n H₂O

Затраты энергии при фотосинтезе целлюлозы (суммарный тепловой эффект реакции) ≈ (16700...16800) Кдж/кг.

В результате фотосинтеза и одновременно происходящего разрушения отмирающих растительных остатков на Земле устанавливается определенный баланс биомассы. В настоящее время общая биомасса в биосфере земли составляет ≈ 3•10¹²тонн; из них «живое» вещество растений и животных составляет ≈ (1,8...2,5)•10¹²т (считая на сухое вещество). Это соответствует ≈ 30•10¹⁸ кДж запасенной энергии.

В течение года в результате фотосинтеза усваивается ≈ (300...320)•10⁹т углекислого газа; выделяется ≈ 185...200)•10⁹т кислорода; образуется ≈ (150...180)•10⁹ торганического вещества; из них 2/3 дает земная растительность. Целлюлоза и родственные ей полисахариды являются самыми распространенными веществами биомассы земного шара. Количество синтезируемой в биосфере целлюлозы составляет ≈ (50...55)•10⁹т в год. Содержание целлюлозы в растениях различно. Так, в древесине целлюлоза составляет ≈ 50%, остальное составляют пентозаны, лигнин и другие вещества.

Из приведенных данных видно, что органическая биомасса, в том числе ежегодно синтезируемое ее количество (включая целлюлозу), является практически неисчерпаемым сырьевым ресурсом, который может быть постоянным источником сырья для промышленности.

Лесохимические технологии для получения органических веществ и волокнообразующих мономеров. В настоящее время растительное сырье используется в лесохимической и гидролизной промышленности для производства различных органических соединений; целлюлоза используется в производстве бумаги и для химических волокон (в основном по вискозной технологии), пластиков и в ряде других целей.

Основными методами химической переработки растительных материалов являются их кислотный гидролиз и пиролиз (терморазложение без доступа воздуха), а также комплексные процессы, сочетающие гидролиз и пиролиз. При этом получают целый ряд ценных веществ, которые могут быть исходными для получения различных видов мономеров.

В решении вопросов получения глюкозы и других веществ (исходных продуктов для биохимического получения различных мономеров) важен накопившийся опыт лесохимической и гидролизной промышленности. Этот опыт включает как использование древесных отходов, так и других видов сырья с ограниченным содержанием лигнина: соломы злаковых культур, стеблей, кукурузных кочерыжек, костры лубяных культур, подсолнечной лузги и др. (табл. 6). Содержание гексозанов в последней группе продуктов составляет 30...40%.

При гидролизе растительного сырья одновременно происходят различные химические реакции, но с разными скоростями. Основными являются две группы реакций: целлюлоза → гексозы; гемицеллюлозы → декстрины → пентозы + гексозы.

Кроме того, с меньшими скоростями могут протекать вторичные реакции: пентозы → фурфурол; фурфурол → гуминовые вещества + муравьиная кислота; гексозы → оксиметилфурфурол; оксиметилфурфурол → гуминовые вещества + левулиновая кислота + муравьиная кислота

Подбирая условия гидролиза, можно свести вторичные реакции к минимуму.

Наиболее перспективен двухступенчатый гидролиз древесины и других растительных отходов под давлением с применением в качестве катализатора низкоконцентрированной серной кислоты: первая стадия проводится в мягких условиях для гидролиза пентозанов с получением раствора пентозного гидролизата; вторая стадия гидролиза проводится в более жестких условиях для гидролиза гексозанов.

Процесс раздельного получения пентозного (гемицеллюлозного) и гексозного гиролизатов дает возможность использования всех получаемых продуктов. Таким образом, в перспективе возможно получение гексоз (глюкозы) и олигосахаридов, направляемых на биохимическое получение молочной кислоты и других мономеров.

Пентозный гидролизат может использоваться в трех возможных направлениях: получение фурфурола, кристаллической ксилозы и выращивание кормовых дрожжей. Гексозный гидролизат нейтрализуется и поступает на биохимическую переработку. В гидролизной и лесохимической промышленности в настоящее время одним из выпускаемых продуктов является кристаллическая глюкоза.