ДЕМОКРАТИЧНА УКРАЇНА НАУКА
ХІМІЯ ТЕПЕР РОСТЕ НА ПОЛІ
Багато хто вважає, що єдиною альтернативою нафти є вугілля. Адже його запасів вистачить на сотні років. Хіміки намагаються реалізувати два напрями. Перший — перетворювати вугілля на штучну нафту гідруванням, іншими словами, насиченням молекул вугілля воднем за допомогою каталізаторів. А далі — за звичайною схемою. Другий шлях — газифікувати вугілля, знову ж таки використовуючи каталізатори. При цьому утвориться синтез-газ. Із нього можна робити метанол. А з метанолу — безліч продуктів великої хімії.

1.
Метанол — чудова хімічна сировина. У 70-х роках минулого сторіччя навіть вибухнув метанольний бум. Тоді пророкували, що його виробництво зросте до кінця століття в десятки разів. Саме так промислово розвинуті країни намагалися за допомогою найпростішого зі спиртів послабити свою залежність від країн, що поставляють нафту. Проте до початку ХХІ ст. метанол так і не став для хіміків панацеєю. Головною перепоною тоді було те, що економічна доцільність стала не на користь метанольних процесів. До того ж, використання вугілля не вирішує глобальну екологічну проблему.
Однак вихід знайшовся досить несподіваний. Хімічна індустрія звернулась до рослинної сировини. Ідея залучити поновлювані ресурси, а саме біомасу,— не нова. Щороку рослини на Землі завдяки фотосинтезу фіксують близько 30 мільярдів тонн вуглецю. З нафти та газу ми знищуємо вуглецю в десять разів менше. Так чому б не запозичити органічні сполуки в рослин? Використовувати їх як паливо людство розпочало з давніх часів. Приміром, наші предки опалювали дровами, поки не знищили більшу частину лісів. А в 30-ті роки XX ст. деяким фермерам у США доводилось навіть кидати в печі своїх будинків зерно. Тепер рослини полів, схоже, послужать великій хімії.
Перший поштовх до розроблення цієї ідеї дала нафтова криза 70-х років минулого століття. Саме тоді американці розробили біотехнологію одержання так званого паливного спирту з кукурудзяного крохмалю за допомогою всюдисущих мікробів за схемою: крохмаль — глюкоза — спирт. І не тільки розробили, а й побудували в 80-х рр. кілька заводів. Отриманий спирт додають до бензину (частіше до 10%, в Україні — до 6%) і одержують сумішевий бензин. Ця маніпуляція збільшує октанове число бензину, тому до палива не потрібно додавати небезпечний антидетонатор — тетраетилсвинець. Як наслідок, у вихлопах автотранспорту помітно зменшується вміст токсичних газів. Звичайно, бензину витрачається принаймні на 6–10% менше. А це вже щось!

2.
Біотехнологія виявилася настільки раціональною, що тепер ціна паливного спирту вдвічі нижча, ніж вартість спирту, одержуваного за класичною схемою з нафтохімічного етилену. Тому в
90-х рр. усі виробництва з гідратації етилену в США закрили як нерентабельні. Справді, навіщо використовувати дорогу нафту й витрачати недешеву енергію на хімічних заводах, якщо можна одержувати спирт у більш «м’яких» умовах з рослинної сировини. Це був лише перший крок. Іншими словами, проба ідеї. Далі технологи запропонували використовувати дешевшу рослинну сировину для одержання того ж етилену. Адже якщо ціна за тонну етилового спирту опуститься до 200 доларів і нижче, тоді можна одержувати з рослинного етанолу й етилен — першу цеглинку всієї нафтохімічної будівлі. Далі спрямувати етилен на «прокорм» хімічної й нафтохімічної промисло-
вості. Тоді чому б не відмовитись від нафти? Та й взагалі, чому тільки етанол? Може, рослинна сировина згодиться для одержання й інших найважливіших продуктів великої хімії?
2000 року президент США Білл Клінтон виступив із пропозицією спрямувати зусилля вчених, промисловців і економістів на підготовку державної програми щодо переведення хімічної промисловості США на рослинну сировину. Звернувся з цією пропозицією до конгресу. Вже за президентства Джорджа Буша-молодшого конгрес ухвалив акт «Про використання біомаси». Тож було сформульовано державну програму та виділено фінансування на перший рік (500 мільйонів доларів). Мету поставлено конкретно: через п’ять-сім років розробити дешеву технологію, а через 25 — перевести 25% хімічної промисловості США на рослинну сировину, скажімо, на ту саму кукурудзу. Але в цьому разі на переробку піде не зерно, а стебла, тобто відходи, які фермери колись спалювали.

3.
Деревина, стебла, листя, солома — усе це складається з лігніну, целюлози та целобіози. Лігнін — продукт полімеризації ароматичних спиртів. Він відкладається у клітинних оболонках рослин і робить їх міцними, здеревілими. Як не намагайся, а лігнін у глюкозу не перетвориш. Тому вчені мають розробити таку рентабельну технологію, щоб можна було виділити з рослинної маси марний лігнін, на частку якого припадатиме близько 30%. Целюлозу, що залишилася, та целобіозу за допомогою ферментів перетворюватимуть у глюкозо-фруктозний сироп. Це вже вміють робити. Головне, що цей сироп стане універсальною сировиною для ферментаційної, а потім хімічної промисловості. Вже тепер 60% солодощів, що їдять американці (солодкого вони вживають багато), зроблені на основі глюкозо-фруктозного сиропу, одержуваного під час переробки кукурудзяного крохмалю. До речі, сировиною для видобування такого сиропу можуть стати побутові відходи. На кожного американця в рік припадає 2,5 тонни побутових відходів, з яких майже 70% — папір, картон, целюлоза.
Так чим же солодкий сироп допоможе великій хімії? Із цукрів за допомогою біологічних каталізаторів-ферментів одержуватимуть до 20 різних органічних кислот: молочну, щавлеву, лимонну та ін. А із цих кислот — величезну кількість напівпродуктів для хімічної індустрії. Скажімо, якщо відщепити воду від молочної кислоти, одержимо знайому кожному хімікові акрилову кислоту. А з неї можна зробити чимало практично-корисних продуктів хімії: тетрагідрофуран, ацетальдегід, етиленгліколь... Кількість публікацій у зарубіжній науковій літературі на цю тему множиться з кожним днем. «Складається враження, що з органічних кислот можна одержати ледь не всі продукти великої хімії», — зазначає академік НАН України Валерій Кухар. «Звичайно, від лабораторної схеми до рентабельної промислової технології — шлях неблизький і складний. Але мету визначено, зусилля сконцентровано, і можна не сумніватись, що результати не забаряться», — резюмує вчений.

4.
У США запущено біотехнологію одержання молочної кислоти з конверсією, близькою до теоретичного: з кілограма глюкози — кілограм молочної кислоти. Така кислота дешевша від традиційної. Тому з неї почали робити полімер полілактат. Він характерний тим, що розкладається в природних умовах, причому швидко. Раніше нікому й на думку не спадало — робити з молочної кислоти полімер. Надто дорогим був би технологічний процес. А нині полілактат, що біологічно деградує поступово замінить поліетилен і поліпропілен для потреб пакування. І уявіть, приваблива зовні баночка з-під того ж йогурта, покинута не надто охайною людиною на газон, за лічені дні зникне, розклавшись на вуглекислий газ і воду.
Важливо й те, що ця програма враховує інтереси довкілля: промисловість використовуватиме поновлювальну сировину. Як результат, не збільшаться викиди вуглекислого газу до атмосфери — скільки рослини забрали вуглекислого газу з повітря, стільки туди ж і повернулося. Та й не тільки це. Скажімо, американські фермери одержать потужну підтримку, оскільки зможуть продавати солому чи бадилля кукурудзи на загальну суму близько 25 млрд доларів на рік. А колись їх спалювали...
Звичайно, це велика комплексна програма. У ході її реалізації слід координувати зусилля мікробіологів, хіміків, біохіміків, промисловців, аграріїв, створювати структури для збирання та переробки рослинної сировини.
Чому Америка зробила ставку на цю галузь хімії (її ще часто називають білою хімією — за кольором цукру)? Напевно, тому, що країна споживає третину світових ресурсів нафти, газу та пластмас. Ці ресурси можуть бути вичерпані. За такого потужного споживання залежність економіки від ситуації з нафтою й газом надвелика. Позбутися її допоможе біла хімія, котра орієнтується на поновлювальну рослинну сировину з полів. Важливо також те, що прийшло розуміння: успіх економіки й добробут суспільства принесуть дешеві ресурсозберігаючі технології, котрі не шкодитимуть навколишньому середовищу. Тут білій хімії, певно, рівних немає.

Григорій КОВТУН,
член-кореспондент НАН України
також у паперовій версії читайте:

• ОДЯГ, ЩО ЗІГРІВАЄ АБО ОХОЛОДЖУЄ ОРГАНІЗМ
• СЮРПРИЗ ГЛИБОКОГО КАНЬЙОНУ

назад »»»