Валентин Сычев: мы работаем над переходом от ископаемых ресурсов к использованию биомассы

Экстенсивное использование ископаемых ресурсов, таких как нефть, уголь и природный газ, приводит к их постепенному истощению и экологическим проблемам, в том числе связанных связанным с выбросами парниковых газов, требующим разработки новых методов использования возобновляемых растительных материалов, в частности, использование сельскохозяйственных отходов.

Красноярские ученые разрабатывают новые технологии переработки сельскохозяйственных растительных отходов в ценное сырье. Для этих целей они создают катализаторы, которые способствуют разложению биомассы на компоненты, которые могут найти применение в разных отраслях промышленности. В одной из последних работ они проверили эффективность созданных биметаллических катализаторов на основе никеля, нанесенных на окисленные углеродные материалы. Работу катализатора проверяли на льняной костре. Льняная костра, одеревеневшая часть стебля, – это основной отход производства льняного целлюлозного. В ней содержится около 25% лигнина, 50% целлюлозы и 20% гемицеллюлоз в зависимости от спелости растений, места их произрастания и части стебля льна. Использование катализаторов позволило впервые достичь теоретического предела выхода наиболее ценных продуктов деполимеризации лигнина – метоксифенолов. Другими словами это перспективный катализатор для комплексной переработки растительной биомассы в ценные химические продукты. Результаты исследования опубликованы в журнале International Journal of Molecular Sciences.

Об этой разработке, а также о возможностях в научной карьере для молодых ученых и об образе жизни ученого в рубрике «Истории успеха красноярских ученых», подготовленной при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий», рассказывает на страницах издания Newslab.ru младший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Валентином Сычевым.

Как давно вы занимаетесь наукой?

Наукой я занимаюсь уже шестой год, после защиты диплома по специальности инженер-технолог по энергонасыщенным материалам и изделиям в СибГУ имени академика М.Ф. Решетнева. Когда я учился, не думал, что пойду в науку. После выпуска стал искать работу, был даже в администрации города, прошел отбор в кадровый резерв. Но в момент принятия решения увидел вакансию в Институте химии и химической технологии СО РАН и пришел работать на ставку инженера. После собеседования мне сказали, что для дальнейшего развития будет хорошо поступить в аспирантуру. Я подготовился и поступил. Работать я начал в лаборатории каталитических превращений и возобновляемых ресурсов. Мой научный руководитель, заведующая этой лабораторией и директор Института химии и химической технологии СО РАН – доктор химических наук, профессор РАН Оксана Павлова Таран.

 

Чем вы сейчас занимаетесь?

В основе нашей работы лежит идея частичного перехода от использования ископаемого сырья, такого, как нефть, природный газ и уголь, на возобновляемый ресурс — лигноцеллюлозную биомассу. Наши исследования помогают перейти промышленности на более экологичные технологии. Лигноцеллюлозная биомасса — это не только растения, но и отходы деревообработки и сельскохозяйственного производства. Зачастую это опилки, и, как отдельный пример, костра — побочный продукт переработки льна, которого остается порядка 60 процентов от всей массы стебля, после выделения волокна. Это очень большое количество отходов, которое можно перерабатывать в широкий спектр полезных продуктов. По своей природе лигноцеллюлозная биомасса — это биополимеры – лигнин, гемицеллюлозы и целлюлоза, которые мы подвергаем глубокой переработке.

Одно из основных направлений, которое реализуется в нашей лаборатории, — это разработка твёрдых катализаторов для переработки растительной биомассы. Применение твердых катализаторов — это зеленая альтернатива известным растворимым токсичным катализаторам, таким как серная и соляная кислоты. Классический твердый катализатор – это частицы активного, в определенных реакциях металла, нанометрового размера, закрепленные на определенный материал-каркас, который мы называем носитель.

Вся глубокая переработка построена на применении катализаторов, подавляющее большинство которых синтезированы на основе благородных металлов. Т.е. немаловажную роль играет экономическая доступность активных компонентов катализаторов. Известные катализаторы нефтепереработки не подходят для наших процессов. Учитывая особенности реакционной среды, а также каскад протекающих химических реакций, катализаторы для глубокой конверсии компонентов растительной биомассы должны обладать как определенной структурой, так и дополнительной, по сравнению с катализаторами нефтепереработки, химической функциональностью. Т.е. то, что имеется на рынке не способно обеспечить эффективное выделение лигнина и полисахаридов.

Для решения данной проблемы мы занимаемся не только металлической частью катализатора. В основе дизайна катализатора лежит структурная и химическая модификация носителя. Например, мы создаем мезопористую твердую кислоту, и затем на неё мы закрепляем активный металл, тем самым предавая катализатору необходимую кислотную функциональность. Активный металл обеспечивает стабилизацию промежуточных продуктов, что позволяет свести образование нежелательных продуктов реконденсации к минимуму. Если кратко, мы разрабатываем сложные каталитические системы, которые обеспечивают селективное протекание ряда химических процессов, а сами катализаторы мы называем бифункциональными.

При использовании твёрдых катализаторов можно получить гораздо более широкий спектр ценных продуктов из полимера. То есть, если основное направление при общей деполимеризации — это деградация биополимеров до биотоплива, то при использовании гетерогенных каталитических систем можно селективно получить определенные продукты, например, мономеры лигнина — метоксифенолы, которые имеют широкий спектр применения, их рассматривают даже в качестве реагентов тонкого химического синтеза для производства противораковых препаратов нового поколения. При классической переработке лигноцеллюлозной биомассы мы бы не смогли получить данные мономерные продукты.

 

Вы уже взаимодействуете с какими-то промышленными компаниями?

Сейчас у нас есть два хозяйственных договора с нефтяной компанией, один из которых посвящен глубокой переработке лигноцеллюлозной биомассы. Данный процесс в мире реализуется в рамках стратегии лигнин-фёрст. Эта стратегия подразумевает первичное удаление лигнина с получением метоксифенолов и дальнейшую переработку полисахаридной части лигноцеллюлозной биомассы, которая представлена целлюлозой и гемицеллюлозами. Эта стратегия в первую очередь основана на применении экологичных твёрдых бифункциональных катализаторов.

До массового перехода на биотопливо, конечно, пока далеко. Есть ряд непростых задач. Во-первых, компаниям нужно приобрести новое оборудование, перестроить всю свою технологическую цепочку, переобучить людей, отстроить взаимодействия с новыми партнерами, рынками сбыта продукции и тд. Это очень дорого и сложно. Также немаловажная проблема — логистика. Отходы могут производиться в разных удаленных местах и их все необходимо доставить к месту переработки. Транспортные расходы неизбежно сказываются на рентабельности. Поэтому, какие-то шаги в сторону перехода на биотопливо делают в нашей стране единицы.

Да, это дорого и процессы не разработаны, но, наверное, это всё-таки инвестиция в будущее. В настоящее время мы занимаемся отработкой технологии комплексной переработки растительной биомассы. Наша задача – получить товарный продукт. Однако, необходимо учитывать, что целевых веществ может быть несколько, а оптимальные условия для образования каждой группы могут значительно различаться. Соответственно, увеличивая выход одного продукта, мы можем в значительной мере потерять выход других.

Ранее мы проводили комплексные исследования процесса разделения на полезные компоненты древесины ели. Благодаря селективному дизайну катализатора и оптимизации условий процесса нам удалось обеспечить высокие выходы как жидких продуктов, представленных гликолями и мономерами лигнина, так и сохранить твердый продукт, представленный целлюлозой. Тут следует отметить, что целлюлоза целлюлозе рознь и одной из характеристик, которая ограничивает потенциальные сферы применения, это её кристалличность. Нам удалось получить микрокристаллическую целлюлозу, которая по индексу кристалличности соответствует промышленной. После дополнительной очистки от компонентов реакционной массы, среди потенциальных сфер применения данного продукта можно рассмотреть даже фармацевтическую промышленность.

В одном из последних исследований мы занимались восстановительным каталитическим фракционированием такого отхода растениеводства, как костра льна. Мы первые, кому удалось достичь теоретического предела выхода наиболее ценных продуктов деполимеризации лигнина – метоксифенолов. Такую эффективность процесса мы смогли обеспечить благодаря разработке биметаллического катализатора на основе наночастиц рутения и никеля, которые оказывают совместное действие на биополимеры, предотвращая образование нежелательных продуктов.

Наша текущая стратегия направлена на максимальное извлечение выгоды из каждого биополимера. То есть, у нас избирательный подход к переработке компонентов растительной биомассы, и он, неизбежно, более сложный. Фундаментальная проблема, которая перед нами стоит, это дизайн катализатора. Варьируя размеры частиц металла вплоть до десятых нанометра, мы можем управлять активностью и селективностью катализатора. Это уже нано-дизайн материала. Мы разрабатываем фундаментальные основы дизайна твердых бифункциональных катализаторов, для селективной переработки компонентов растительной биомассы в ценные химические продукты.

 

В Институте химии и химической технологии много активной молодежи. Как вы думаете, благодаря чему руководству удается привлекать и, главное, удерживать молодых ученых в институте?

Я считаю, у нашего начальства очень хорошая политика по привлечению молодежи. Как-то в разговоре с коллегой я назвал нашу лабораторию инкубатором. Для молодых ученых в институте созданы по большому счету тепличные условия. Конечно, требуются инициативность, компетентность или по крайней мере страстное желание эту компетентность приобрести. Далеко не каждый, как я считаю, использует условия нашей рабочей среды по максимуму. Не каждый осознает, что работать нужно не только для себя, а также на благо коллектива. Многие не готовы пожертвовать выходными или отпуском. За участие в дополнительных проектах тебе платят, ты развиваешься, приобретаешь новые навыки, знакомства, растет твоя публикационная активность. Вся продуктивная деятельность отражается потом на твоей финальной новогодней премии. Это очень стимулирует.

 

Государственная премия Красноярского края в сфере профобразования в 2022 году. Вы вошли в 20 лучших аспирантов, которые добились высоких результатов. С чем вы попали туда?

Выступление на конференциях, участие в проектах — это все суммируется, и потом по этим балам определяется рейтинг участников конкурса. Я занимаюсь не только катализаторами, а также являюсь ответственным за определенное аналитическое оборудование. Поэтому у меня есть еще работы, связанные не только с катализом, но и с другими областями. И эти работы принесли мне дополнительные баллы.

 

В 2023 году вы получили премию главы города Красноярска. Она вручается за высокие достижения. Расскажите, с какой темой вы были на нее представлены?

На эту премию я подался примерно с тем же набором документов, что и на государственную премию Красноярского края в сфере профобразования, но за год я успел наработать еще множество материала, что, как я считаю, мне очень помогло. Тематика моих исследований естественным образом вытекла из моей диссертационной работы. Она посвящена наноразмерным рутениевым катализаторам.

 

Такую востребованную тему вам подсказал научный руководитель?

Выбор научного руководителя — это действительно очень важно. Когда я пришёл, для меня эта тема абсолютно была незнакомая. Я изучал до этого взрывчатые вещества, которые используют в горнодобывающей сфере. И мне просто выдали список программ, которые я должен освоить, изучить. При следующей встрече я уже знал всё, что мне необходимо, и начал активно работать. Мы тогда написали заявку в Российский фонд фундаментальных исследований, и ее поддержали. Начиная с 2019 года, у меня началась работа не только по госзаданию, а также по гранту, что хорошо меня стимулировало.

Аспирантура, как я считаю, многое мне дала. В нашей аспирантуре чудесная школа английского языка, также мне сейчас очень пригождается педагогика. Я преподаю в СФУ, в основном, провожу лабораторные занятия по химии высокомолекулярных соединений. В этом году меня поставили вести основы химии у биологов.

 

Ваши подопечные из классов РАН показывают успехи. В этом году заняли призовое место на школьной конференции. В чём секрет успеха? Как школьников заинтересовывать наукой?

У меня такая политика при работе с детьми — я в первую очередь спрашиваю, чем бы вы хотели сами заняться? В первый год, как бы это смешно не звучало, они сказали, что любят апельсины. На этом мы построили четыре разных проекта, в основе которых лежал катализ. В этом году проекты были уже другие. Одна из подгрупп захотела заняться фармацевтическим синтезом. Я предложил сделать синтез аспирина на новом катализаторе. Сначала мы сделали новый катализатор, затем синтезировали аспирин. Эту работу мы успешно реализовали и представили на межшкольном уровне. Мой секрет, учитывайте пожелания детей, с которыми вы работаете.

 

А что их мотивирует работать усерднее?

Частенько срабатывает такой момент, дети говорят, что мы не хотим что-то делать, потому что мы знаем, что другая группа этого не делает. Либо делают плохо, и, им это сходит с рук. Я говорю, вы хотите быть теми, кто делает плохо, либо вы хотите быть лучше, чем они? У меня была группа, которая заняла второе место на межшкольной конференции. Перед конференцией они были в панике – мы троечники, мы не пойдём выступать. Я им сказал, что это неважно, ведь проект они сделали хорошо и отлично подготовили доклад. Их это замотивировало, они прошли все этапы, заняли второе место и обошли отличников. То есть, я нашел ключик к ним, они хотят быть лучше других.

Со студентами работают другие приемы. У них мотивация совсем другая — получить зачет, сдать экзамен. Необходимо учитывать личные особенности, пожелания и на основании этого взаимодействовать. В первую очередь я ставлю цель, и эта цель должна быть выполнена, а то, что мы немножко отклоняемся по пути исследования в более комфортную сторону для ученика, это я считаю нормальным.

С точки зрения карьеры и перспективы в науке самый популярный вопрос: что там с деньгами? Говорю, будете бегать, будут у вас и деньги, и перспективы. У тех, кто «бегает» и кто «не бегает», зарплаты могут различаться в несколько раз. Пока бежишь, ты зарабатываешь.

 

А кроме инициативности, что еще важно для успеха в науке?

Всегда применяйте индивидуальный подход к людям. Нужно учитывать личностные особенности и не требовать от человека того, что он тебе дать не может. Ты должен уметь устанавливать межличностные отношения так, чтобы людям это было нужно, им было комфортно. Назовем это первым лайфхаком.

Второй — обозначить конечную цель, расставить приоритеты. Что ты должен сделать сейчас, а что ты можешь сделать потом, или вообще не делать, и твоя работа из-за этого не пострадает. Утрированно: иногда я вижу, как люди убивают дни на то, чтобы нарисовать красивую картинку, когда у них основа работы не реализована. То есть без этой картинки, в принципе, работа может быть опубликована, но без фундаментальной составляющей она не пройдёт никуда.

Третий — важно организовать себя. Я бы советовал вести журнал-дневник, где расписан каждый день. Это помогает организовать не только себя, но и коллектив. Ведь какую-то часть работы ты передаёшь другим людям.

Вот, наверное, и четвертый лайфхак — делегируйте свои полномочия, обязанности, передавайте работу другим людям. Например, мой аспирант очень сильно мне помогает. Сейчас он делает экспериментально ту работу, которую раньше делал я. Сначала под моим контролем, но сейчас он становится независимым. Главное, чтобы этот союз был на взаимовыгодных условиях.

 

А как вы отдыхаете, разгружаетесь?

Я регулярно тренируюсь, читаю. Единственное, чего мне часто не хватает — это сна. Я легко пожертвую встречей с друзьями, если понимаю, что есть работа, которая должна быть сделана. Социальными сетями я пользуюсь мало. Вконтакте стал заходить только когда начал работать со школьниками. Если уж общаться, то вживую, но я ценю и возможность побыть одному. У меня было хобби — музыка, я учился играть на фортепиано, скрипке, гитаре. Но сейчас очень редко беру инструменты в руки.

Наверное, мне доставляет удовольствие решение проблем. Я всегда нацелен на результат, процесс меня интересовать может мало. Я всегда хватаюсь за новые проекты, за новую занятость. Не только тогда, когда понимаю, что смогу повысить свои доходы за счёт этого, но также, когда чувствую, что это поспособствует личностному росту.

 

Как вы считаете, какие увлечения в детстве пригодились сейчас?

Я любил различные конструкторы, собирал машинки. Мог разобрать старый пылесос, достать из него двигатель и подключить его к машине, которую сделал. Есть тест механической понятливости Беннета, который определяет склонность к техническому инженерному мышлению. Насколько я помню у меня был высокий балл еще в школе. Вполне вероятно, что моё увлечение механизмами в детстве помогает в сборе установок сейчас.

 

Считается, что наука для очень рациональных людей.

В науке встречаются разные люди. Я, наверное, довольно прагматичен. Даже относительно отдыха. Я не поеду куда-то отдыхать, чтобы просто отдохнуть. Для меня должна быть обозначена какая-то цель. Хотя, возможно, в чем-то я импульсивен. Раньше увлекался маунтинбайком, любил и исполнял довольно опасные вещи. Сейчас смотрю на это, думаю, что хочется, но понимаю, что это небезопасно. Контролирую себя во многом.

 

А что касается семейной жизни. При такой занятости, как возможно создать семью? Готовы ли вы жить с человеком, который будет занят также, как вы, может тоже из научной сферы?

Я думаю, что это будет, наверное, даже в приоритете, потому что мне нравится какое-то равноправие во всем. Я буду не против, если каждый будет делать свой вклад в семью. Я, в принципе, не против, если она будет зарабатывать больше меня или иметь более высокий статус. Я этому только порадуюсь.

 

Вы себя можете назвать счастливым человеком?

Сложный вопрос. Будем считать, что да. Скорее, точно ответить я смогу тогда, когда я решу все задачи, которые у меня поставлены. Конечно, всегда будет что-то новое, цели всегда будут обновляться, но после реализации каждой, наверное, я буду становиться чуточку счастливее.

 

Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».