Нефть на грядке

Сегодня много говорят об альтернативных видах топлива. Обсуждаются необходимость использования неисчерпаемой энергии Солнца и перспективы искусственных фотосинтетических систем. Многие возлагают надежды на ITER — международный проект по созданию термоядерного реактора. Однако если спуститься с небес на землю, именно на ней можно найти возможный ключ к созданию возобновляемого, экологически чистого и безопасного источника энергии. Технологии биологического топлива, конечно, не обещают «накормить» человечество несколькими килограммами плазмы (как это планируется в термоядерном реакторе). Они потребуют большого труда и тоннажных производств, но выгоды — не только в экономии ископаемого топлива, но и в борьбе с выбросами парниковых газов промышленными объектами — очевидны уже сейчас.

Бензин из еды?

Все виды биологического сырья делятся на два вида. Сырье первого поколения — это сельскохозяйственная продукция с высоким содержанием крахмала, низкомолекулярных сахаров (зерновые, сахароносные растения) или жиров (масличные культуры). Первые легко гидролизуют до простых углеводов, а вторые также гидролизуют, затем восстанавливают. Сырье второго поколения — это непищевые растительные продукты, например стебли съедобных злаков, многолетние травы, водоросли.

Среди работающих сегодня производств биотоплива более распространено сырье первого поколения: сахарный тростник, сахарная свекла или сладкое сорго, содержащие много сахарозы. Ее легко извлечь из растительного материала для последующей ферментации до спиртов. Сахарный тростник сейчас — самое распространенное сырье, обоснованное экономически и экологически. Производить его несложно, однако растить его можно только в некоторых климатических зонах, он прихотлив к погодным условиям и почвам. Это ограничивает возможности его масштабного использования.

Кукурузу, зерно и маниок можно перерабатывать ферментативным гидролизом в раствор сахаров, которые сбраживаются в топливо. Для выработки биодизельного топлива можно использовать также растительные масла — как первичные (пальмовое, соевое, рапсовое или подсолнечное), так и бросовые (животный жир или использованное в кулинарии масло). Второй путь предпочтительнее, так как он подразумевает эффективную вторичную переработку отходов. Однако по ряду причин (дороговизна выращивания и переработки) топливо из традиционных видов растительных масел рассматривается в долгосрочной перспективе только как дополнительный источник биоэнергии.

Наиболее перспективным является более массовое сырье второго поколения, в частности лигноцеллюлоза. Так называют несъедобный растительный материал, состоящий в основном из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Именно его считают будущим биотопливной промышленности, ее завтрашним днем. Однако день сегодняшний не очень жалует это сырье: лигноцеллюлозу куда сложнее перерабатывать в топливо, чем пищевые продукты. Этот процесс высокоэнергозатратный и должен быть существенно оптимизирован перед внедрением в промышленность.Лигноцеллюлоза выигрывает в другом — в доступности сырья. Имеется, в частности, возможность переработки неиспользуемых сейчас отходов. Это и отходы деревообрабатывающей промышленности (стружка и т.п.), и сельскохозяйственные отходы (солома, стебли кукурузы), и бумага и бумажные отходы, а также «энергетические» культуры -прутьевидное просо, тростник или быстрорастущие «сорные» тополя.

Другим высокоперспективным источником биомассы считаются микроводоросли. Это одноклеточные растения, способные, как и все другие, к фотосинтезу, в ходе которого поглощается углекислый газ, выделяется кислород и синтезируются органические вещества. Водоросли — самые быстрорастущие растения на Земле: в течение одного дня их масса может увеличиваться в разы. Кроме того, они обладают еще одной уникальной особенностью — содержат до 80% масла, так важного для производства биотоплива. Преимущества водорослей как биологического сырья очевидны: они дают чрезвычайно высокие «урожаи», для культивирования которых не нужно задействовать полезные сельскохозяйственные земли. Попутно культивирование водорослей может решать экологические проблемы утилизации выбросов углекислоты промышленными предприятиями. На сегодняшний день водоросли — один из самых перспективных источников биомассы для получения топлива.

В зависимости от типа топлива разнятся и методы его переработки. Наиболее распространенные из них — ферментация, газификация и трансэтерификация. Разрабатываются и новые синтетические способы переработки биомассы. В результате можно получать не только топливо, но и другие технически важные вещества и материалы.

Ферментация сахаров — самый очевидный процесс, попросту говоря, брожение. Для его проведения, правда, необходимо провести серьезную подготовку сырья — как первого, так и второго поколения, чтобы сахара перешли из него в водный раствор. Крахмал и другие полисахариды нуждаются в первичном ферментативном гидролизе, а вот сахароносные растения можно сбраживать напрямую с получением биоспиртов.

Процесс ферментации лигноцеллюлозы куда сложнее. На первом смесь нужно разделить: целлюлоза и гемицеллюлоза годятся для ферментации, а лигнин — нет. Энергию из лигнина получают лишь сжиганием.

Целлюлоза и гемицеллюлоза перерабатываются в топливо в две стадии — ферментативным гидролизом с последующей ферментацией, при этом процесс ферментации отличается от описанного выше. Сахар и крахмал состоят из гексоз — углеводов, содержащих шесть атомов углерода, такие углеводы легко сбраживаются дрожжами. А вот для ферментации продуктов гидролиза гемицеллюлозы необходимо сбраживать пентозы — углеводы с пятью атомами углерода. Для этого требуются только специальные микроорганизмы. Одна из технологических задач, стоящих перед разработчиками технологий производства биотоплива, — создание более эффективных и устойчивых к неблагоприятным условиям среды (температура ферментации, концентрация спиртов и других токсических веществ в ферментационной смеси) бактерий, которые могли бы перерабатывать любые углеводы.

Трансэтерификация — стандартная процедура переработки масел. Жиры, представляющие собой сложные эфиры жирных кислот и трехатомного спирта глицерина, подвергают воздействию метанола. В присутствии катализаторов (преимущественно щелочных) в реакционной смеси образуются метиловые эфиры жирных кислот и глицерин. Эти эфиры уже можно использовать в дизельных двигателях. Чем же плохи жиры изначально, ведь они — такие же эфиры? Дело в том, что эфиры глицерина обладают чрезмерно высокой вязкостью и низкой летучестью, а трансэтерификация позволяет значительно улучшить физико-химические свойства будущего топлива. Сейчас дизель на основе метиловых эфиров жирных кислот — самое распространенное биодизельное топливо.

Газификация (т.е. перевод в газообразное состояние) — жесткий метод переработки биомассы, в ходе которого при воздействии высокой температуры в природных молекулах рвутся все ковалентные связи углерод-углерод. В результате образуется смесь СО (угарного газа) и H₂ (водорода), известная как синтез-газ. Из синтез-газа на металлических катализаторах получают углеводороды насыщенного и ненасыщенного ряда, которые используются как синтетическое топливо или смазочные масла (процесс Фишера-Тропша). В качестве побочного продукта выделяется вода.

Спирт в автомобильном баке

Какие вещества можно получать из биомассы, и какие вещества требуются для работы двигателей? Напомним, что обычные современные топлива, получаемые из нефти, представляют собой смесь жидких углеводородов. Почему их сгорание столь эффективно? При нем разрываются прочные ковалентные связи углерод-углерод и углерод-водород, это обеспечивает высвобождение энергии. Природные соединения кроме углерода и водорода содержат кислород, это снижает их энергетическую емкость. Высокоэффективная ферментативная переработка углеводной растительной биомассы (которая представляет собой природный высокоэффективный каталитический процесс) приводит к получению спиртов, а не углеводородов. На первом этапе развития биотопливных технологий предпринимались попытки укомплектовать топливную базу именно за счет спиртов. Однако оказалось, что в современных двигателях спирты могут использоваться лишь как добавка, а не основная фракция топлива. В перспективе использование спиртов для большинства стран неэффективно не только из-за необходимости государственных дотаций на модификацию двигателей и инфраструктуры, но и из-за недостаточной теплотворной способности спиртов.

Совсем другое дело — масла. Хотя при трансэтерификации и образуются эфиры, а не углеводороды, число атомов углерода в цепочке жирных кислот столь велико (около 20 в зависимости от типа кислоты), что такие эфиры эффективно сгорают так же, как и углеводороды. Первые «масляные» дизельные топлива создавались на основе масла самого быстрорастущей масличной культуры — рапса. Однако его низкая урожайность и ограниченность распространения не позволяют надеяться на значительное расширение этого сектора.

В связи с этим многие эксперты обращают внимание на перспективность создания биодизеля на основе масла микроводорослей. «Посевные площади» такой культуры почти не ограничены – рост происходит в водных инкубаторах, а в качестве сырья используется лишь CO₂ и солнечный свет. Производительность водорослей на несколько порядков выше, чем у сельскохозяйственных растений, а возможность использовать именно растительные жиры в противовес углеводам, а возможность использовать именно растительные жиры в противовес углеводам позволяет получать из непищевого возобновляемого сырья биотопливо, практически не отличающееся от традиционного ископаемого. В этом случае дорогостоящая модификация существующего парка техники машин с двигателями внутреннего сгорания не понадобится, и это, по определению, гигантский выигрыш «водорослевой» технологии.

Технология настоящего и будущего

Страны, частично или полностью зависящие от импортных энергоносителей, прилагают большие усилия для развития биотопливных технологий. Согласно текущей стратегии развития энергетической промышленности, США планируют производить до 36 млрд галлонов (162 млрд литров) биотоплив уже к 2022 г., получая горючее из кукурузы и лигноцеллюлозы. Бразилия в течение ближайших 30 лет планирует удовлетворять до 25% потребностей топливного рынка биоспиртами. Извлекать их планируется из сахарного тростника. ЕС планирует «напоить» биотопливом из рапса и лигноцеллюлозы (в качестве добавки к существующим моторным топливам) до 10% машин. Китай планирует заместить биотопливом до 20% импорта топлива, такие же планы у Индии. Во всех странах предусмотрены государственные субсидии, которые сделают биотопливо более дешевым для потребителей. Одновременно планируются «карательные» меры для автолюбителей, пользующихся только традиционным бензином: на такие транспортные средства наложат специальный штраф.

Какие научные задачи предстоит решить на пути масштабного внедрения технологий выработки топлив из возобновляемого биологического сырья? Во-первых, для повышения эффективности производства исходной биомассы требуется работа генетиков и селекционеров. Желательно, чтобы используемые растения были устойчивы к засухе, холодам, наращивали биомассу максимально быстрыми темпами. Химикам следует разработать отдельные методики переработки гексоз и пентоз, учитывая, что они могут присутствовать в смеси вместе. Для более полной переработки биомассы с помощью ферментативного гидролиза и ферментации необходимо подобрать наиболее «агрессивные» энзимы, которые будут разлагать даже самые прочные волокна. Связан с этим и вопрос подбора микроорганизмов, которые будут участвовать в процессе брожения. От них зависят эффективность и полнота протекания ферментации. Отдельная задача — выделение целевого продукта из ферментационной смеси, зачастую не являющегося ее основным компонентом. При концентрации спиртов в смеси выше 1-5 масс. % значительно падает производительность ферментации, при этом общее содержание целевых продуктов ферментации мало и обычно не превышает 20 – 50 г/л.

В этом контексте большие надежды возлагаются на мембранные методы разделения, позволяющие значительно снизить затраты энергии при выделении минорного компонента смеси за счет повышения селективности разделения на селективной по целевым компонентам мембране.

На этапе массового внедрения биотоплив уже промышленным специалистам придется разработать логистику процесса от сельскохозяйственного производства биомассы до доставки топлива потребителю. Очевидно, что на ранних этапах использования биотопливу не обойтись без государственных субсидий, однако будущие выгоды, и, главное, перспективы сохранения природных богатств и улучшения экологии проблемных регионов, без сомнения, стоят того.

Биотопливо в России

В России разработки, посвященные внедрению биотоплива, к сожалению, лежат лишь в плоскости интересов ученых. Учитывая, что наша страна богата нефтью и газом и экономика критически зависит от рынка экспорта углеводородов, использование источников возобновляемой энергии не принимается всерьез ни государством, ни частными энергетическими корпорациями. Однако не зря еще Дмитрий Менделеев говорил, что сжигать нефть — это все равно что топить печь ассигнациями. Сжигаемые углеводороды могли бы быть с успехом заменены биотопливом, а «освободившееся» сырье пошло бы в производство продуктов глубокой переработки нефти (полимеры, удобрения, волокна). Кстати, экспортная стоимость таких продуктов была бы неизмеримо выше цены сырых углеводородов, на которых сейчас зарабатывает наш бюджет.

Академик Илья Моисеев в статье «Эволюция энергетики. Время водорослей» утверждает, что именно биотопливо на основе водорослей может оживить альтернативную энергетику в России, несмотря на очевидное отставание от Запада: «Из-за специфики морфологии и химического состава водорослей новые технологии достаточно просты в аппаратурном оформлении и представляют собой ряд известных и отработанных в других отраслях химической и нефтехимической индустрии методов. Существует ли в нашей стране концепция поддержки новых энергосберегающих технологий, зарождающихся в мире? Пока вопрос остается открытым» [1].

Александра Борисова,
«Газета.Ru»

1. Илья Моисеев, Вадим Тарасов, Лев Трусов. «Эволюция энергетики. Время водорослей». The Chemical Journal, декабрь 2009, 24-29.