 |
 |
 |
gordon0030@yandex.ru
Зеленая химия
21.10.2002 
1:00:00
В России всего 7% (по другим оценкам
Участники:
Владимир Георгиевич Дебабов —
Сергей Дмитриевич Варфоломеев — доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой химической энзимологии МГУ им. М. В. Ломоносова
Предварительный план дискуссии:
Варфоломеев С.Д.:
Современная химическая промышленность. Основа — углеводороды нефти и газа. Нестабильность процессов, отходы. Ограниченность углеводородного сырья и источников.
• Возобновляемые источники сырья и энергии. Биомасса — природа фотосинтеза — основа зеленой химии.
• Проблема накопления СО2; СО2 как потенциальный сырьевой источник для химической промышленности.
• Органические отходы — источник энергии и сырья (Голландия, Германия и др.).
• Биокатализаторы — естественные «инструменты» для зеленой химии.
• Ферменты — эффективные катализаторы химических реакций. Биокатализ — от фундаментальных исследований до крупномасштабных применений.
• Реализованные крупнотоннажные биокаталитические процессы.
• Новые нетридиционные химические технологии и источники энергии (этанол, биодизель, биометан, биотопливный элемент).
Дебабов В.Г.:
• В мире химиков «зеленой химией» принято называть всякое усовершенствование химических процессов, которое положительно влияет на окружающую среду. Введение биокатализа в химию — это типичный пример «зеленой химии». В качестве примера можно привести биокаталитический процесс получения акриламида. Внедрен в Российской Федерации. Премия Правительства Российской Федерации за 1995 год. Завод М8П
• Биотехнологи называют «зеленой химией» производство химических продуктов на базе возобновляемого сырья. Это биомасса растений — лигноцеллюлоза и крахмал. Производство спирта из зерна — это «зеленая химия». В мире так производят
• Существует правительственная программа в США (закон о биомассе) и энергетическая программа, направленные на утилизацию сельскохозяйственных отходов (лигноцеллюлоза), т. е. превращение их в сахара. Именно на этой базе будет развиваться «зеленая химия». Производство топливного спирта в США будет утроено в течение 5 лет. Из бензина будет удален метилтретбутиловый эфир и весь заменен на спирт.
• Предполагается, что на дешевых сахарах будут производить органические кислоты и на их базе другие химические соединения. В США
• Пока не разработана достаточно экономически оправданная технология осахаривания лигноцеллюлозы. Ориентировочно потребуется
• Относительно изменений климата и парниковых газов (СО2).
• Сегодня химия потребляет около 10% нефти, а остальное сгорает в двигателях и на электростанциях. Так что «зеленая химия» не спасет человечество от потепления, но только понизит риск.
• Нужен переход на водородное топливо, но это только к концу 21 века. Пока есть планы захоронения СО2 в геологических хранилищах и другие экзотические проекты.
• Биодизельное топливо. Метиловые эфиры жирных кислот. Сегодня цена 3 доллара за галлон. В 2003 г. произведено 20 миллионов галлонов, в 2011 г. будет произведено 300 миллионов.
Материалы к программе:
Из статьи: Л. Викторова. «Зеленая» химия побеждает//Химия и жизнь. 2001. № 12.
Химию дружно ругают, забывая при этом, что химическая промышленность ежеминутно обеспечивает нам привычный комфорт. В самом деле, собираясь на работу, подумайте, от чего вы легко отказались бы — от зубной щетки и мыла, чайника «Тефаль» и холодильника, от очков и авторучки? Даже если вам посчастливилось надеть рубашку из чистого хлопка, то пуговицы на ней наверняка пластмассовые, а подошва на кожаных ботинках — из резины. Впрочем, читателей «Химии и жизни» не надо убеждать в том, что химия и химическая промышленность сегодня играют в обществе ключевую роль. Именно химия обеспечивает то невероятное разнообразие новых материалов, которые прочно внедрились в нашу жизнь.
За прошедшие сто лет химическая промышленность развилась невероятно. Вся химическая продукция, произведенная в США в 1925 году из нефтяного сырья, весила 100 тонн. А сегодня продукция органического синтеза измеряется сотнями миллионов тонн в год. Чем же питается эта прожорливая индустрия? В основном нефтью. Именно из продуктов ее переработки химические предприятия творят все многообразие веществ, которые ложатся в основу материалов, лекарств, парфюмерии. Состав молекул нефтяных углеводородов идеально подходит для промышленности тяжелого органического синтеза. Из одного только этилена сегодня получают уксусный альдегид, уксусную кислоту и ее ангидрид, этиленгликоль, винилацетат и окись этилена — вещества, входящие в десятку самых многотоннажных.
Итак, химическая индустрия питается нефтью. Хорошо это или плохо? С точки зрения состава этой пищи — хорошо: мы уже отметили, что он идеален. Однако с точки зрения экономики — плохо. Запасы нефти ограничены, и в России их не так много — только 7% мирового запаса (столько же у Венесуэлы). Дешевой нефти осталось примерно на 20 лет. Через 20–25 лет нефти не то чтобы совсем не будет, но она подорожает. Она и сейчас у нас недешевая, потому что из трудных районов добываем и далеко транспортируем. А дальше придется добывать нефть на шельфах, то есть она станет еще в
Но есть еще одно неприятное обстоятельство, связанное с использованием нефти.
Экологическое отступление. Добывая нефть, газ, уголь, мы высвобождаем углерод, который Земля копила и хранила миллионы лет. В результате их переработки и сжигания неизбежно образуется углекислый газ, один из главных героев в сценарии парникового эффекта. В результате — глобальные климатические изменения. Впрочем, так ли уж они страшны? Вот что рассказывает академик Ю. А. Израэль,
За это время эксперты рассмотрели 40 возможных сценариев развития экономики в ближайшие сто лет, согласно которым можно ожидать, что рост температуры в следующем столетии составит 1,5–5,8 градусов. Впрочем, не следует забывать, что такие прогнозы связаны с большими неопределенностями, поэтому потепление на 5,8 градуса скорее соответствует экзотическому сценарию. И все же повышение температуры на 2,5–3 градуса вполне возможно.
Так, может быть, для такой северной страны, как Россия, потепление к лучшему? Будем сами выращивать мандарины и ананасы в средней полосе... Действительно, на первый взгляд может показаться, что от потепления Россия только выиграет — например, потребуется меньше топлива для обогрева жилищ, увеличится вегетационный период растений. Однако все не так просто. Если на Таймыре или на Ямале температура увеличится даже на 20 градусов, то это не значит, что там будут расти пальмы. Для субтропической флоры нужна подходящая почва и прочие условия, которые складываются тысячелетиями, десятками тысяч лет. (Или не складываются вообще: световой день как был коротким, так и останется.) Как бы тепло ни стало, потребуются очень большие средства, чтобы приживить, адаптировать в средних широтах южные растения.
Иными словами, чтобы заставить потепление работать на нас, потребуется много денег и усилий. А пока средств нет, надо готовиться и к отрицательным последствиям. Ведь у нас в России 65% территории заняты вечной мерзлотой. Что будет, если она начнет оттаивать? Фундаменты зданий, трубопроводы и прочие коммуникации, проложенные в вечной мерзлоте, поплывут. Здания будут разрушаться, трубопроводы — рваться. И понадобятся дорогостоящие технические меры, чтобы обеспечить безопасность. Кроме того, в зоне вечной мерзлоты есть запасы метана в виде газогидратов, в которых газ удерживают ледяные ловушки из кристалликов льда. Лед начнет таять, и в атмосферу будет поступать метан в больших количествах. А ведь метан — парниковый газ. Так что простых и однозначных вопросов здесь нет. По мнению ученых, негативных последствий от потепления, влекущих за собой огромные расходы,
О проблеме антропогенного изменения климата заговорили еще в начале XX века. Но, пожалуй, наиболее ярко ее представил академик Михаил Будыко. Тридцать лет назад он предсказал, что в конце XX века будет потепление климата, связанное с антропогенным воздействием человека на атмосферу, а именно: с увеличением концентрации парниковых газов в атмосфере, главный из которых — углекислый газ. Этот газ, скапливаясь в нижних слоях атмосферы, поглощает тепловое излучение, исходящее от Земли, то есть удерживает тепло у поверхности планеты. В результате температура растет.
Значит ли это, что надо направить усилия на то, чтобы уменьшить выбросы углекислого газа в атмосферу? Этот вопрос не так прост, как кажется. Хотя к этому и призывает рамочная конвенция об изменении климата, которая вступила в действие в 1994 году, а к 1997 году была ратифицирована 165 государствами. В статье 2 конвенции сформулирована цель: «стабилизация концентрации парниковых газов в атмосфере на таком уровне, который не допускал бы опасного антропогенного воздействия на климатическую систему». И возникает закономерный вопрос — какой уровень можно считать безопасным? Где те пределы, в которых концентрация углекислого газа в атмосфере может изменяться без вреда для жизни на планете, для биоразнообразия, биосферы в целом и для благосостояния человечества?
В начале XX века концентрация углекислого газа составляла 280 ррт, то есть 280 миллионных частей на единицу объема воздуха. Сейчас она увеличилась до 368 ррт, а к середине XXI века она удвоится и составит 550–560 ррт. Так что — этот уровень уже опасен или еще нет? Если говорить о нижнем пределе, то величина ниже 200 ррт ведет к оледенению земного шара. Это уже известно ученым. А что с верхним пределом? Ученые пока не могут ответить. Стабилизировать концентрацию парниковых газов нужно, но на каком уровне? От этого зависит колоссальное количество средств, которые придется тратить государствам.
Спирт растет на поле. Но возможно ли это в принципе — уменьшить выброс СО2, не останавливая промышленность, в частности химическую? Есть ли альтернативное сырье для органического синтеза?
Многие считают, что единственной серьезной альтернативой нефти на обозримое будущее остается уголь, запасы которого в России действительно велики. Его можно использовать двумя способами.
Но к началу третьего тысячелетия метанол не стал для химиков
Но выход нашелся, и весьма неожиданный: химическая индустрия обратила свой взор в сторону вегетарианства.
Идея привлечь возобновляемые ресурсы, а именно — биомассу, не нова. Действительно, каждый год растения на Земле с помощью фотосинтеза фиксируют около 30 миллиардов тонн углерода, а нефти мы уничтожаем в десять раз меньше. Так почему бы не позаимствовать органические соединения у растений?
Первый толчок к разработке этой идеи дал нефтяной кризис в
Биотехнология оказалась столь рациональной, что сегодня цена топливного спирта вдвое ниже, чем цена спирта, получаемого по классической схеме из этилена, — 300 долларов за тонну против 600 долларов. Поэтому в
Но это был лишь первый шаг, проба пера. Все, что можно было выжать из крахмала с помощью этой биотехнологии, выжали. И технологи задумались о другом, более дешевом растительном сырье для того же этанола. Ведь если его цена за тонну опустится до 200 долларов и ниже, то тогда можно будет из растительного этанола получать этилен, который сегодня делают из нефти, и отправлять его на прокорм химической промышленности. Тогда почему бы не отказаться от нефти? Да и вообще, почему только этанол? Может, растительное сырье сгодится для получения и других важнейших продуктов большой химии?
Не только спирт на поле. Вот что рассказывает
Цель поставлена четко и конкретно: через 5–7 лет разработать дешевую технологию, а через 25 лет перевести 25% химической промышленности США на растительное сырье — на ту же самую кукурузу. Но в данном случае на переработку пойдут стебли кукурузы, то есть мусор, который фермеры прежде сжигали.
Древесина, стебли, листья, солома — все это состоит из лигнина, целлюлозы и целлобиозы. Лигнин, продукт полимеризации ароматических спиртов, откладывается в клеточных оболочках растений и делает их прочными, одревесневшими. Как ни пытайся, лигнин в сахара не превратишь, ничего с этим сделать нельзя. Поэтому ученые должны придумать такую рентабельную технологию, чтобы можно было выделить из растительной массы бесполезный лигнин, на долю которого приходится около 30%. Оставшуюся целлюлозу и целлобиозу с помощью ферментов будут превращать в
Кстати, сырьем для получения
Так чем этот сладкий сироп поможет большой химии? Из сахаров с помощью ферментов будут получать различные кислоты — щавелевую, молочную, лимонную, этаконовую и прочие, а из этих кислот — огромное количество полупродуктов для химической индустрии. Скажем, если отнять воду от молочной кислоты, то получается акриловая кислота. А из нее уже можно сделать
Количество публикаций в западной научной печати на эту тему множится день ото дня. Складывается впечатление, что из органических кислот можно получить чуть ли не все продукты большой химии. Конечно, от лабораторной схемы до рентабельной промышленной технологии путь неблизкий и сложный. Но цель поставлена, усилия сконцентрированы, и можно не сомневаться, что результаты не замедлят появиться. Да они уже есть.
Сегодня в США запущена биотехнология получения молочной кислоты с конверсией, близкой к теоретической: из килограмма глюкозы — килограмм молочной кислоты. Такая кислота дешевая, поэтому из нее начали делать полимер, полилактат. Он хорош тем, что бесследно разлагается в природе, причем достаточно быстро, за
Эта программа учитывает и интересы окружающей среды: промышленность будет использовать возобновляемое сырье, и в результате не увеличатся выбросы углекислого газа в атмосферу — сколько растения (кукуруза) забрали СОЭ из воздуха, столько туда и вернулось. И не только это. Скажем, американские фермеры получат мощную поддержку, поскольку смогут продавать солому, которую они прежде сжигали, на общую сумму около 20 млрд долларов в год.
Конечно, это большая, комплексная программа, в которой придется координировать усилия ученых, технологов, промышленников, работников сельского хозяйства, создавать структуры для сбора и переработки растительного сырья. Но можно не сомневаться, что результат будет внушительным. Ведь если президент объявил приоритет, определил цель и поставил сроки, совершенно очевидно, что в этот процесс включатся все заинтересованные организации — частные технологические компании, исследовательские лаборатории».
Почему Америка сделала ставку на «зеленую» химию? Наверное, потому, что она потребляет треть мировых ресурсов: нефти, газа, металлов, пластмасс — всего. И эти ресурсы могут быть исчерпаны. При таком мощном потреблении, как мы уже отметили, зависимость экономики от ситуации с нефтью и газом чрезвычайно велика и опасна. И избавиться от этой зависимости поможет «зеленая» химия. Америке легче использовать этот шанс — у нее огромная территория, где можно без ущерба для жителей сажать кукурузу. Небольшому европейскому государству, наверное, с этой задачей справиться труднее. Но ведь кукурузой возможности биотехнологии не ограничиваются. Важно, что пришло понимание: успех экономики и благополучие общества смогут обеспечить дешевые, сберегающие энергию и ресурсы технологии, которые при этом не причиняют вреда окружающей среде. И здесь биотехнологии равных нет.
Из статьи: OECD says industrial biotech not realizing potential//Nature Biotechnology. V. 19. June 2001.
Использование биотехнологий для производства промышленных и потребительских товаров экономичнее и более безопасно для экологии, чем существующие химические технологии, так гласит новый доклад Организации по экономическому сотрудничеству и развитию — OECD (Париж). Одновременно в докладе указывается, что многие руководители сельскохозяйственных предприятий и правительственные эксперты — особенно в Европе — или не верят в эти новые биотехнологии или не понимают их значения, создавая тем самым опасность недооценки использования таких технологий.
Исследования, отраженные в докладе, должны ответить на два основных вопроса: могут ли биотехнологии обеспечить более дешевую продукцию, чем существующие химические методы; и могут ли экономические выгоды сопровождаться улучшением дел с экологией. На оба этих вопроса доклад дает утвердительные ответы.
В
Однако несмотря на все эти успехи, многие эксперты и специалисты отмечают, что руководители предприятий с большой неохотой применяют новые технологии. «Многие из тех, от кого зависит принятие решений, знают недостаточно о биотехнологиях», говорит один из работников биопредприятия.
Более того, если одни эксперты ожидают скорого роста производства и инвестиций, то другие настроены скептически в отношении перспектив значительного инвестирования в эту отрасль. «Есть много свидетельств в пользу реальной выгоды биотехнологий и их немалого рыночного потенциала», — говорит другой аналитик, — «но существует и большая инерция мышления». Один из экспертов «Меррилл Линч» говорит так: «Я восхищена возможностью нейтрализовать пятна нефти биологическим способом, но не вижу сегодня еще ни одного коммерческого продукта в этой области».
Главным препятствием является пока отсутствие наглядности и энерция мышления. Но по мере развития новых биотехнологий они должны показать свое коммерческое, а не только исследовательское значение. Компании, которые хотят привлечь инвесторов, просто должны создавать новые продукты, а не только упрощать и отлаживать способы создания продуктов уже существующих.
В отчете OECD также предполагается, что движущей силой развития биотехнологий может оказаться фармакология. Рост производства лекарств, основанных на биотехнологиях постоянно превосходит рост других биотехнологий. «Даже во время экономического спада людям нужны лекарства» — говорит еще один аналитик.
Действительно некоторые компании уже пытаются сместить центр приложения своих технологий к производству товаров для здоровья. Фирма Genecor, к примеру, уже сконцентрировала свое биопроизводство в сфере фармакологии, где потенциальные доходы выше. Genecor приняла это решение, посокльку уже 18 лет разрабатывает биотехнологии, потенциально применимые в производстве лекарств и рассчитывает фармакологическими продуктами максимизировать свою капитализацию. Но для нее это не выбор
Между тем, отчет OECD указывает, что условия для развития биотехнологий в США гораздо более благоприятны, чем в Европе — по причине значительной правительственной их поддержки в Соединенных Штатах. К примеру, министерства энергетики и сельского хозяйства уже выделили 250 миллионов долларов на развитие биотехнологий и исследований в этой области.
В Европе же нет такой правительственной поддержи новым технологиям, отмечается в отчете OECD. Причина тому то, что те, от кого зависит принятие решений, с опаской относятся к биотехнологиям, основываясь на общем недоверии европейцев к генетически модифицированным продуктам. Это недоверие и препятствует европейским правительствам инвестировать в эту новую отрасль экономики так же много, как это делают власти США. «Вот почему мы и предприняли это исследование», — говорит один из авторов доклада OECD, — «чтобы показать, что биотехнологии могут приносить пользу».
Из статьи: Elizabeth Wilson. Biodiesel revs up//Science and Technology. May 2002.
Когда в 1900 году Рудольф Дизель продемонстрировал изобретенный им двигатель, он предполагал, что горючим для дизеля будет арахисовое масло.
Дизельный двигатель быстро зарекомендовал себя как прекрасная машина для таких тяжелых механизмов как сельскохозяйственная техника или баржи. Дизель изначально создавал свой двигатель как работающий на растительном масле — но вскоре выяснилось, что по причине высокой вязкости масла машина часто работала со сбоями и глохла. Дешевая смесь углеводородов, получаемая от очистки сырой нефти работала гораздо лучше и с помощью набиравшей тогда обороты нефтяной промышленности «дизельное топливо» вскоре заменило растительное масло.
К сожалению, несмотря на все достоинства дизельного двигателя его недостатком является крайне токсичный выхлоп.
Десятилетиями многие ученые и защитники окружающей среды мечтали вернуться к изначальному варианту топлива, основанному на растительных продуктах и возобновляемому. Было обнаружено в конце концов, что растительное масло может быть преобразовано в такое состояние, когда оно гораздо менее вязко и вполне способно быть приемлемым топливом для дизельного двигателя. Фактически, любое растительное масло может быть превращено в так называемый «биодизель» — как соевое и рапсовое масла, так даже и отходы масла, на котором готовят в ресторанах и кафе.
В последние годы, благодаря налоговым льготам, предоставляемым правительством США тем, кто использует альтернативное топливо, множеству ограничений на традиционное топливо и давлению со стороны американских фермеров, выращивающих сою, биодизель стал хорошо известен и популярен как альтернативное топливо.
Преимуществ у биодизеля множество. Он производится из возобновляемых и практически нетоксичных материалов. Он не ядовит и поэтому его просто транспортировать и хранить. И вредные выхлопы от него настолько малы, что вообще могут не учитываться.
И все же даже самые рьяные энтузиасты биодизеля не надеются на него как на панацею от мировой энергетической проблемы. В США расходуется 55 миллиардов галлонов дизельного топлива в год — а максимум того, что может заменить биодизель, составляет 6–10% этой цифры.
Кроме того, хотя токсичность биодизеля по большинству параметров ниже, он все же превосходит традиционный дизель по выделению окиси азота, которая, как полагают, является одной из главных причин разрушения озонового слоя. К тому же, биодизель быстрее густеет при низких температурах, чем традиционный дизель, что делает его применение проблематичным в таких холодных областях как Аляска или Минесота.
Но в целом, дизельный двигатель может быть переделан под питание биодизелем с незначительными изменениями конструкции или даже совсем без них. Можно его и смешивать с обычным дизелем. А поскольку инфраструктуру обеспечения топливом при переходе от одного дизельного топлива к другому менять практически не надо, то большинство сторонников биодизеля рассматривают его как идеальное топливо для переходного периода, который может растянуться на десятилетия — перехода от ископаемого топлива к топливу, основанному на водороде.
Библиография
Варфоломеев С. Д. Конверсия энергии биокаталитическими системами. М., 1981.
Варфоломеев С. Д., Калюжный С. В. Биотехнология: Генетические основы микробиологических процессов. М., 1990.
Варфоломеев С. Д., Лозинский В. И., Райнина Е. И. Криоиммобилизованные ферменты и клетки в органическом синтезе//Журнал чистой и прикладной химии. 1992. Т. 64. № 8.
Викторова Л. «Зеленая» химия побеждает//Химия и жизнь. 2001. № 12.
Gong C. S., Cao N. J., Du J., Tsao G. T. Etanol Production from Renevable Resources. Advances in Biochemical Engineering//Biotechnology. 1999. V.65.
Hileman B. Yow to reduce greenhouse gases//Chemical and Engineering News. 2002. № 5.
Тема № 158
Эфир 21.10.2002
Хронометраж 1:00:00
www.ntv.ru