Что делать с 4 миллиардами фунтов перьев?
В июле 1999 года инженер-текстильщик Брайан Джордж из Школы технологии текстиля и материалов Филадельфийского университета навестил друга, который выращивает цыплят. Помогая на забое, Джордж вдруг понял, что у него и его друга на руках куча перьев - и ничего особенного с ними не сделать. «Это казалось пустой тратой времени», - вспоминает он.
На самом деле, как обнаружил Джордж, птицеферма его друга - лишь малая часть гораздо более серьезной проблемы. Птицеводство только в Соединенных Штатах ежегодно производит от 2 до 4 миллиардов фунтов пера. У компаний, занимающихся переработкой кур и индеек, есть два основных варианта: они могут либо продать перья по низкой цене производителям кормов для птицы и крупного рогатого скота, либо заплатить за отправку их на свалки.
Джордж задумался, что еще можно сделать. Он быстро обнаружил, что другие исследователи думали о том же. Всего через пару дней после поездки на птицефабрику ученый из Филадельфии выслушал доклад исследователя Министерства сельского хозяйства на научном собрании. Вальтер Ф. Шмидт рассказал о возможности превращения компонентов перьев в полезные продукты. Задача состоит в том, чтобы отделить перо пера - стержень - от зазубрин, волокон, отходящих от пера.
Иглы и волокна перьев состоят из белкового кератина, материала волос, ногтей и шерсти. Но перо твердое и имеет неорганизованную микроскопическую структуру, а волокна мягкие и имеют очень упорядоченную микроструктуру. Даже мелко нарезанные смеси целых перьев содержат раздражающие кусочки пера, поэтому их трудно превратить в такие продукты, как бумага, ткань или изоляция.
Голодные сельскохозяйственные животные, кажется, не возражают против песка, но мировой рынок сырых побочных продуктов животного происхождения в качестве корма сокращается. Ученые подозревают, что коровье бешенство распространяется, когда фермеры скармливают крупный рогатый скот зараженными побочными продуктами животного происхождения.
Любое решение проблемы с перьями требует удобного способа разделения перьев и волокон. Шмидт и его коллеги из Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США в Белтсвилле, штат Мэриленд, недавно разработали инструмент для удаления волокнистых зазубрин с пера.
Это хитроумное приспособление, очень похожее на уничтожитель бумаги, но «высокоточный уничтожитель», - говорит Шмидт. Теперь, когда пилотные заводы начали использовать эту технологию для производства чистых волокон и чистого материала для перьев, исследователи начали искать новые способы использования продукта из мяса птицы.
Измельчитель перьев и не только
Инструмент USDA выравнивает перья и срезает их параллельно иглам, удаляя волокна практически без повреждений. Затем, чтобы отделить легкие волокна от более тяжелых игл, исследователи пропускают смесь через турбулентный воздушный поток. Волокна всплывают, а иглы опускаются.
Перед началом измельчения техника Министерства сельского хозяйства США дезинфицирует перья, которые могут поступать с перерабатывающих заводов, покрытые слюной птицы, маслами и грязью.
Чистящий раствор - 70-процентный раствор этанола в воде - стерилизует перья, говорит Шмидт. «Вы получаете нетронутые, чистые перья», - говорит он.
По словам Шмидта, спиртовой раствор имеет преимущества перед другими чистящими средствами.
Раствор не опасен, и для смывания спирта с перьев требуется меньше воды, чем для удаления моющего средства. Кроме того, этанол можно перегонять и использовать повторно.
Три компании - Featherfiber Corp. из Никсы, штат Миссури, Maxim из Пасадены, Калифорния, и Tyson Foods, из Спрингдейла, Арканзас - получили лицензию на новую технологию от Министерства сельского хозяйства США и уже отправляют образцы своей продукции ученым-материаловедам по всему миру.
В ходе некоторых из своих первых экспериментов с перьями Джордж и его ученики скрутили волокна пера индейки длиной от 1 до 2 дюймов с нейлоном, чтобы получить пряжу, из которой они связали ткани. По словам Джорджа, в испытаниях на прочность пряжа оказалась слабее, чем чистый нейлон, но изолировала ткань лучше, чем нейлоновая ткань. По его словам, такая ткань на основе индейки может обеспечить теплоизоляцию для курток или спальных мешков. О некоторых из этих работ он сообщил в ноябре прошлого года в Бостоне на осеннем собрании Общества исследования материалов.
Теперь команда Джорджа перерабатывает волокна пера индейки в нетканые разлагаемые маты для борьбы с эрозией на строительных площадках и в других местах.
Исследователи используют обычный текстильный инструмент, который выдувает перья в хрупкий мат толщиной в полдюйма, который слабо удерживается вместе за счет трения между волокнами. Затем ученые укрепляют каждый коврик размером 36 на 20 дюймов, распыляя биоразлагаемый латекс на каждую сторону.
Джордж и его коллеги тестируют коврики в университетском городке, чтобы узнать, сколько времени они разлагаются и какое влияние они оказывают на почву. Хотя перья были продезинфицированы, Джордж хочет убедиться, что на перьях не осталось микроорганизмов, которые могут просочиться в землю.
Кроме того, он подозревает, что белок пера может обогатить почву и ускорить рост растительности, удерживающей почву на месте. В настоящее время коврики для предотвращения эрозии изготавливаются из более дорогих плетеных волокон кокосового ореха или из древесной стружки, скрепленных нейлоновой тесьмой, говорит он.
В поисках нового изоляционного материала Рой Бротон из Обернского университета в Алабаме изготовил нетканые материалы из перьевого волокна другим способом. Вместо того, чтобы распылять латекс после формирования волокнистых листов, Бротон смешивает синтетические волокна с перьевым материалом, а затем формирует из комбинации листы толщиной от 2 до 4 дюймов. Когда он нагревает эти простыни, синтетический материал частично плавится и удерживает волокна пера на месте.
Полученная комбинация хорошо изолирует и держит форму лучше, чем пух, говорит он. Бротон предполагает, что перьевая изоляция может оказаться полезной для одеял и даже чердаков и стен. Однако, насколько ему известно, никто не проводил испытания материала на воспламеняемость.
Волокна пера также могут найти применение в фильтрах для воды. Маноранджан Мисра из Университета Невады в Рино предполагает, что это приложение не только поможет решить проблему отходов пера, но и позволит производить более качественные фильтры для воды, чем современные обычные фильтры, например, сделанные из активированного угля.
Микроструктура волокон пера притягивает и улавливает трудноудаляемые загрязняющие вещества, такие как уран, который может угрожать источникам воды в некоторых частях Соединенных Штатов, и другие тяжелые металлы, говорит он.
Перед тем, как поместить волокно в фильтр, Мисра «активирует» его с помощью ультразвука, чтобы открыть дополнительные микроскопические поры в структуре волокна, говорит он. Он сконструировал прототип фильтров для воды из перьевых волокон, упаковав волокна в пластиковые колонны. Проведенные до сих пор испытания, сообщает он, показывают, что перьевые фильтры могут удалять загрязняющие вещества из домашней питьевой воды или промышленных отходов. Как и Джордж, Мишра обсуждал свою работу в ноябре прошлого года на собрании Общества исследования материалов.
В ходе лабораторных экспериментов Мишра обнаружил, что пуховое волокно также легко поглощает побочные продукты ядерной деятельности, такие как радиоактивный стронций и цезий. Он консультируется с Ок-Риджской национальной лабораторией в Теннесси по поводу использования своих волокнистых материалов для поглощения, транспортировки и хранения ядерных отходов в удобных небольших упаковках, таким образом, заставляя одни отходы очищать другие.
Обработанные зазубрины из перьев могут быть использованы во многих других продуктах. По словам основателя компании Дэвида Эмери, Featherfiber, например, спонсирует исследователей, которые создают и тестируют композиционные материалы из пера и пластика, которые могут создавать полужесткие поверхности в салонах автомобилей, грузовиков и самолетов. Другие исследователи работают над прототипами устойчивого к термитам материала для замены дерева и изоляции.
Чтобы продемонстрировать дополнительные возможности, Шмидт и его коллеги из Министерства сельского хозяйства США создали прототипы многих продуктов, содержащих волокна пера, включая бумагу, одноразовые подгузники и одежду. Шмидт отмечает, что одним из преимуществ изготовления листов бумаги из перьевых волокон вместо древесных волокон является отсутствие необходимости в отбеливающих химикатах. Куры и индейки были выведены, чтобы иметь белые перья.
Потенциал таких продуктов для сокращения переизбытка отходов перьев очевиден, говорит Шмидт. Он отмечает, что если бы только 15% подгузников, производимых каждый год, включали ватин, все перья птицеводческой промышленности США можно было бы использовать. Те же самые перья можно было бы использовать, если бы только 1-2 процента бумаги были сделаны из перьев, а не из древесного волокна.
Полёты фантазии
Аттила Павлат находит ценность в иглах перьев, а не только в их волокнах. Павлат, химик из Западного регионального исследовательского центра Службы сельскохозяйственных исследований в Олбани, Калифорния, изучает способы производства биоразлагаемых пленок из сельскохозяйственных источников, которые в настоящее время считаются отходами. Перья отвечают всем требованиям, говорит он: «У нас есть большое количество, но мы не знаем, для чего их использовать.”
Павлат и его коллеги обнаружили, что если обработать порошкообразные перья сульфитом натрия, кератин размягчится и может растянуться в полупрозрачную пленку. Этот химический процесс похож на то, что делает химическая завивка волос. Он разрывает связи сера-сера в белке, которые затем воссоединяются в другом порядке (СН: 25.08.01, стр. 124: Химия цветов и завитков). Когда исследователи добавляют в пленку дополнительные белки, такие как содержащиеся в пшенице или кукурузе, она становится более эластичной, добавляет Павлат.
В настоящее время белковая пленка из кератина пера, вероятно, стоит слишком дорого для коммерческой продажи в качестве полиэтиленовой пленки для пищевых продуктов, говорит Павлат. Тем не менее, этот материал может найти непосредственное применение в гибких кольцах, которые скрепляют шесть упаковок газировки или пива. Он полагает, что дополнительная стоимость составит всего лишь полцента за упаковку, но польза для окружающей среды будет огромной. Современные синтетические кольца разлагаются в течение 200 лет, и иногда они наносят вред мелким животным, особенно рыбам и птицам, которые запутываются в них, говорит он. Напротив, кольцу, которое Павлат сделал из кератина пера и других природных белков, требуется всего 10-12 дней для биоразложения.
Как перья - перья или зазубрины - будут использоваться в коммерческих целях, в конечном счете, зависит от экономики, говорит Шмидт. Возможно, дорогостоящие специальные продукты, такие как фильтры для тяжелых металлов и ядерных отходов, станут местом назначения для перьев, которые накапливаются на птицефабриках. А может их уделом будет что-то более приземленное, но вездесущее, вроде утеплителя или кольца для пивных банок. Хотя исследователи изучают возможности, будущее перьев все еще висит в воздухе.