nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2025-3-94-102nuc-848Research ArticleСтатьиПОЛУЧЕНИЕ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОТХОДОВ И РАЗРАБОТКА ГЕЛЬ-ПЛЁНОК НА ЕЁ ОСНОВЕPRODUCTION OF MICROCRYSTALLINE CELLULOSE FROM AGRICULTURAL WASTE AND PREPARATION OF GEL FILMS BASED ON ITШамшиденовМ. К.ShamshidenovM. K.

Шамшиденов Мадияр К. - PhD доктор, Ассоциированный профессор.

Алматы

Madiyar K. Shamshidenov - Master student at the Kazakh National Research Technical University named after K.I. Satpaev.

Almaty

ro4uevard@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0003-4902-2585АлтыновЕ. А.AltynovYe. A.

Алтынов Еркебулан А.

Алматы

Yerkebulan A. Altynov - doctoral student at the Kazakh National Research Technical University named after K.I. Satpaev.

Almaty

wakealtynov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-7433-1094РахимоваБ. У.RakhimovaB. U.

Рахимова Бибигуль У.

Алматы

Bubugul U. Rakhimova - PhD, Lecturer at the Kazakh National Women's Teacher Training University.

Almaty

bibaarai1976@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-5510-7660БексейтоваК.BexeitovaK.

Бексейтова Калампыр.

Алматы

Kalampyr Bexeitova - doctoral student, researcher of the Kazakh National Research Technical University named after K.I. Satpaev.

Almaty

bekalsu@mai.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9705-7438СейтханА.SeithanA.

Сейтхан Азат.

Алматы

Azat Seithan - PhD, Professor of the Kazakh National Research Technical University named after K.I. Satpaev.

Almaty

seithan@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5444-0314КудайбергеновК. К.KudaibergenovK. K.

Кудайбергенов Кенес К.

Алматы

Kenes K. Kudaibergenov - PhD, Associate Professor of the Kazakh National Research Technical University named after K.I. Satpaev.

Almaty

k.kudaibergenov@satbayev.universityКазахский национальный исследовательский технический университет им. К.И. СатпаеваКазахстанKazakh National Research Technical University named after K.I. SatpaevKazakhstanКазахский государственный женский педагогический университетКазахстанKazakh National Women's Teacher Training UniversityKazakhstanКазахский национальный исследовательский технический университет им. К.И. Сатпаева; Казахский национальный университет им. аль-ФарабиКазахстанKazakh National Research Technical University named after K.I. Satpaev; Kazakh National University named after Al-FarabiKazakhstan2025221020250394102Copyright © Шамшиденов М.К., Алтынов Е.А., Рахимова Б.У., Бексейтова К., Сейтхан А., Кудайбергенов К.К., 20252025Шамшиденов М.К., Алтынов Е.А., Рахимова Б.У., Бексейтова К., Сейтхан А., Кудайбергенов К.К.Shamshidenov M.K., Altynov Y.A., Rakhimova B.U., Bexeitova K., Seithan A., Kudaibergenov K.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/848

В настоящей работе рассматривается процесс получения микрокристаллической целлюлозы путём удаления лигнина из биомассы и изучение её свойств. В качестве биомассы использовалась рисовая шелуха, являющаяся сельскохозяйственными отходами. Было установлено влияние соотношения биомассы и пероксиуксусной кислоты на выход микрокристаллической целлюлозы. Выход микрокристаллической целлюлозы из рисовой шелухи при соотношении 1/14 составил 70%. Кроме того, были получены гель-плёнки на основе рисовой МКЦ и альгината натрия, и исследованы их гидролитические свойства. В кислой среде (pH 4.08) за 7 дней зафиксировано снижение массы плёнки на 66%, что подтверждает её чувствительность к pH и биоразлагаемость.

Изучены морфологическая поверхность, средний размер частиц и структура образцов. Морфология поверхности образцов была исследована с помощью сканирующего электронного микроскопа, и установлено, что средний размер частиц составляет 7-10 мкм. РФА подтвердил аморфно-кристаллическую природу материала.

ИК спектроскопия Фурье-преобразования подтвердила наличие гидроксильных, карбонильных и эфирных групп. Результаты термогравиметрического анализа (ТГА) показали термическую стабильность полученных гель-плёнок.

Разработанный способ получения микрокристаллической целлюлозы из биомассы не требует многостадийной обработки по сравнению с традиционными методами и безопасен для окружающей среды. Показано, что можно получить качественную микрокристаллической целлюлозы в одну стадию без использования реагентов, содержащих серу и хлор, высокого давления и больших затрат воды.

Интерес к микрокристаллической целлюлозе обусловлен её уникальными свойствами, такими как лёгкость, нетоксичность, биосовместимость и биологическая разлагаемость. В настоящее время она пользуется большим спросом в производстве аэрогелей, гелей, биокомпозитов, биологически разлагаемых материалов и плёнок.

This paper discusses the process of obtaining microcrystalline cellulose by removing lignin from biomass and studying its properties. Rice husks, which are agricultural waste, were used as biomass. The effect of the ratio of biomass to peroxyacetic acid on the yield of microcrystalline cellulose was determined. The yield of microcrystalline cellulose from rice husks at a ratio of 1/14 was 70%. Additionally, gel films based on rice MCC and sodium alginate were prepared, and their hydrolytic degradation properties were studied. In an acidic medium (pH 4.08), the gel film showed a 66% mass loss within 7 days, indicating pH sensitivity and biodegradability.

The morphological surface, average particle size, and structure of the samples were studied. The surface morphology of the samples was examined using a scanning electron microscope, and it was found that the average particle size was 7–10 µm. X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed the amorphous–crystalline nature of the material. Fourier-transform

infrared spectroscopy (FTIR) confirmed the presence of hydroxyl, carbonyl, and ether functional groups. Thermogravimetric analysis (TGA) demonstrated the thermal stability of the gel films.

The developed method for producing microcrystalline cellulose from biomass requires fewer processing stages compared to traditional methods and is environmentally safe. It was shown that high-quality microcrystalline cellulose can be obtained in one stage without the use of reagents containing sulfur and chlorine, high pressure, or large amounts of water. The interest in microcrystalline cellulose is due to its unique properties, such as lightness, non-toxicity, biocompatibility, and biodegradability. Currently, it is in high demand in the production of aerogels, gels, biocomposites, biodegradable materials, and films.

Микрокристаллическая целлюлозаСельскохозяйственные отходыПероксиуксусная кислотаБиомассаРисовые шелухиГель-плёнка.microcrystalline celluloseagricultural wasteperoxyacetic acidbiomassrice husksgel filmДанная работа выполнена при поддержке Комитета науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан (грант № AP19679937, 2023–2025 гг.).This work was supported by the Science Committee of the Ministry of Science and Higher Education of the Republic of Kazakhstan (Grant No. AP19679937, 2023-2025).ReferencesLi S., Chen G. Agricultural waste-derived superabsorbent hydrogels: Preparation, performance, and socioeconomic impacts // Journal of Cleaner Production. – 2020. – Vol. 251. – Article 119669. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.119669Li S., Chen G. Agricultural waste-derived superabsorbent hydrogels: Preparation, performance, and socioeconomic impacts // Journal of Cleaner Production. – 2020. – Vol. 251. – Article 119669. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.119669Cao G., Zhang X., Wang Y., et al. Estimation of emissions from field burning of crop straw in China // Chinese Science Bulletin. – 2008. – Vol. 53. – P. 784–790. https://doi.org/10.1007/s11434-008-0145-4Cao G., Zhang X., Wang Y., et al. Estimation of emissions from field burning of crop straw in China // Chinese Science Bulletin. – 2008. – Vol. 53. – P. 784–790. https://doi.org/10.1007/s11434-008-0145-4Peck M.D. Epidemiology of burns throughout the world. Part I: Distribution and risk factors // Burns. – 2011. – Vol. 37, No. 7. – P. 1087–1100. https://doi.org/10.1016/j.burns.2011.06.005Peck M.D. Epidemiology of burns throughout the world. Part I: Distribution and risk factors // Burns. – 2011. – Vol. 37, No. 7. – P. 1087–1100. https://doi.org/10.1016/j.burns.2011.06.005Lin N., Dufresne A. Nanocellulose in biomedicine: Current status and future prospect // European Polymer Journal. – 2014. – Vol. 59. – P. 302–325. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2014.07.025Lin N., Dufresne A. Nanocellulose in biomedicine: Current status and future prospect // European Polymer Journal. – 2014. – Vol. 59. – P. 302–325. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2014.07.025Jorfi M., Foster E.J. Recent advances in nanocellulose for biomedical applications // Journal of Applied Polymer Science. – 2014. – Vol. 132. – Article 41719. – https://doi.org/10.1002/app.41719Jorfi M., Foster E.J. Recent advances in nanocellulose for biomedical applications // Journal of Applied Polymer Science. – 2014. – Vol. 132. – Article 41719. – https://doi.org/10.1002/app.41719Wang B., Sain M. Isolation of nanofibers from soybean source and their reinforcing capability on synthetic polymers // Composites Science and Technology. – 2007. – Vol. 67, Issues 11–12. – P. 2521–2527. – https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2006.12.015.Wang B., Sain M. Isolation of nanofibers from soybean source and their reinforcing capability on synthetic polymers // Composites Science and Technology. – 2007. – Vol. 67, Issues 11–12. – P. 2521–2527. – https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2006.12.015.Morán J.I., Alvarez V.A., Cyras V.P., et al. Extraction of cellulose and preparation of nanocellulose from sisal fibers // Cellulose. – 2008. – Vol. 15. – P. 149–159. https://doi.org/10.1007/s10570-007-9145-9Morán J.I., Alvarez V.A., Cyras V.P., et al. Extraction of cellulose and preparation of nanocellulose from sisal fibers // Cellulose. – 2008. – Vol. 15. – P. 149–159. https://doi.org/10.1007/s10570-007-9145-9Fan G., Wang M., Liao C., et al. Isolation of cellulose from rice straw and its conversion into cellulose acetate catalyzed by phosphotungstic acid // Carbohydrate Polymers. – 2013. – Vol. 94, No. 1. – P. 71–76. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2013.01.073Fan G., Wang M., Liao C., et al. Isolation of cellulose from rice straw and its conversion into cellulose acetate catalyzed by phosphotungstic acid // Carbohydrate Polymers. – 2013. – Vol. 94, No. 1. – P. 71–76. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2013.01.073Antony C.F.L., Sivakumar V., Gupta S. Innovative strategy for rice straw valorization into nanocellulose and nanohemicellulose and its application // Industrial Crops and Products. – 2022. – Vol. 179. – Article 114695. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2022.114695Antony C.F.L., Sivakumar V., Gupta S. Innovative strategy for rice straw valorization into nanocellulose and nanohemicellulose and its application // Industrial Crops and Products. – 2022. – Vol. 179. – Article 114695. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2022.114695Chen Y., Wu Q., Huang B., et al. Isolation and characteristics of cellulose and nanocellulose from lotus leaf stalk agro-wastes // BioResources. – 2015. – Vol. 10, № 1. – P. 684–696.Chen Y., Wu Q., Huang B., et al. Isolation and characteristics of cellulose and nanocellulose from lotus leaf stalk agro-wastes // BioResources. – 2015. – Vol. 10, № 1. – P. 684–696.Andresen M., Stenstad P., Møretrø T., et al. Nonleaching antimicrobial films prepared from surface-modified microfibrillated cellulose // Biomacromolecules. – 2007. – Vol. 8, No. 7. – P. 2149–2155. https://doi.org/10.1021/bm070304eAndresen M., Stenstad P., Møretrø T., et al. Nonleaching antimicrobial films prepared from surface-modified microfibrillated cellulose // Biomacromolecules. – 2007. – Vol. 8, No. 7. – P. 2149–2155. https://doi.org/10.1021/bm070304eBarbash V., Poyda V., Deykun I. Peracetic acid pulp from annual plants // Cellulose Chemistry and Technology. – 2011. – Vol. 45, No. 9–10. – P. 613–618.Barbash V., Poyda V., Deykun I. Peracetic acid pulp from annual plants // Cellulose Chemistry and Technology. – 2011. – Vol. 45, No. 9–10. – P. 613–618.Минакова А.Р. Получение целлюлозы оксилительно-органосольвентным способом при переработке недревесного растительного сырья: дис. ... канд. техн. наук. – Архангельск, 2008. – 151 с.Minakova A.R. Poluchenie tsellyulozy oksilitel'no-organosol'ventnym sposobom pri pererabotke nedrevesnogo rastitel'nogo syr'ya: dis. ... kand. tekhn. nauk. – Arkhangel'sk, 2008. – 151 p. (In Russ.)Akatan K., Kabdrakhmanova S., Kuanyshbekov T., et al. Highly-efficient isolation of microcrystalline cellulose and nanocellulose from sunflower seed waste via environmentally benign method // Cellulose. – 2022. – Vol. 29. – P. 6503–6521. https://doi.org/10.1007/s10570-022-04527-4Akatan K., Kabdrakhmanova S., Kuanyshbekov T., et al. Highly-efficient isolation of microcrystalline cellulose and nanocellulose from sunflower seed waste via environmentally benign method // Cellulose. – 2022. – Vol. 29. – P. 6503–6521. https://doi.org/10.1007/s10570-022-04527-4Дрикер Б.Н., Вураско А.В., Галимова А.Р. Получение и свойства окислительно-органосольвентной целлюлозы из недревесного растительного сырья // Лесной вестник. – 2008. – № 3. – С. 153–156.Driker B.N., Vurasko A.V., Galimova A.R. Poluchenie i svoystva okislitel'no-organosol'ventnoy tsellyulozy iz nedrevesnogo rastitel'nogo syr'ya // Lesnoy vestnik. – 2008. – No. 3. – P. 153–156. (In Russ.)Gounden V., Singh M. Hydrogels and wound healing: current and future prospects // Gels. – 2024. – Vol. 10. – Article 43. https://doi.org/10.3390/gels10010043Gounden V., Singh M. Hydrogels and wound healing: current and future prospects // Gels. – 2024. – Vol. 10. – Article 43. https://doi.org/10.3390/gels10010043Chen C., Xi Y., Weng Y. Recent advances in cellulose-based hydrogels for tissue engineering applications // Polymers. – 2022. – Vol. 14. – Article 3335. https://doi.org/10.3390/polym14163335Chen C., Xi Y., Weng Y. Recent advances in cellulose-based hydrogels for tissue engineering applications // Polymers. – 2022. – Vol. 14. – Article 3335. https://doi.org/10.3390/polym14163335Deng Y., Yang N., Okoro O.V., et al. Alginate-based composite and its biomedical applications // Properties and Applications of Alginates // ed. by Rehm B.H.A. – IntechOpen, 2021. https://doi.org/10.5772/intechopen.99494Deng Y., Yang N., Okoro O.V., et al. Alginate-based composite and its biomedical applications // Properties and Applications of Alginates // ed. by Rehm B.H.A. – IntechOpen, 2021. https://doi.org/10.5772/intechopen.99494Klemm D., Kramer F., Moritz S., Lindström T., Ankerfors M., Gray D., Dorris A. Nanocelluloses: A new family of nature-based materials // Angewandte Chemie International Edition. – 2011. – Vol. 50. – P. 5438–5466. https://doi.org/10.1002/anie.201001273Klemm D., Kramer F., Moritz S., Lindström T., Ankerfors M., Gray D., Dorris A. Nanocelluloses: A new family of nature-based materials // Angewandte Chemie International Edition. – 2011. – Vol. 50. – P. 5438–5466. https://doi.org/10.1002/anie.201001273French A.D. Idealized powder diffraction patterns for cellulose polymorphs // Cellulose. – 2014. – Vol. 21. – P. 885–896. https://doi.org/10.1007/s10570-013-0030-4French A.D. Idealized powder diffraction patterns for cellulose polymorphs // Cellulose. – 2014. – Vol. 21. – P. 885–896. https://doi.org/10.1007/s10570-013-0030-4

The authors declare that there are no conflicts of interest present.