Мусор перемен
Перевести на новые технологии устаревшие гидролизные производства, перерабатывающие целлюлозную биомассу в биоэтанол и ценные химические вещества, поможет разработка группы учёных Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН.
Оксана Таран: Наши способы получения биотоплива и ценных химических веществ будут намного эффективнее тех, что используются сегодня, и вместо устаревших гидролизных заводов позволят создать совершенно новые производства по комплексной переработке биомассы
Выращивание культур для производства биотоплива современная наука считает проектом вчерашнего дня. Стало очевидно, что это нерационально - отчуждать из сельскохозяйственного оборота тысячи гектаров земель ради посадки рапса, кукурузы или сахарного тростника для последующего получения из них биоэтанола.
Более практичный подход к производству биотоплива состоит в том, чтобы на специально организованных предприятиях перерабатывать то, что уже не нужно, - например, отходы сельскохозяйственной и лесной промышленности (солому, кукурузные кочерыжки, подсолнечную лузгу, опилки, ветки и т.д.), или, по-другому, лигноцеллюлозную биомассу. Из неё можно получать не только топливо, но и сырье для нефтехимии. Интерес к данному направлению в мире огромный. В России комплексную технологию переработки лигноцеллюлозной биомассы в топливо и востребованные химические вещества создаёт команда учёных из Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН совместно с индийскими партнёрами (Тамилнадский аграрный университет).
Одна из ключевых задач этого проекта - разделить лигноцеллюлозную биомассу на компоненты - лигнин и полисахариды, которые по отдельности уже можно переработать в востребованные вещества. Эффективных способов извлечения этих составляющих пока не существует, но исследователи не сомневаются: их многочисленные попытки найти надёжный подход к решению проблемы в скором времени приведут к ожидаемому результату.
«Первое, что мы делаем, - активируем лигноцеллюлозу, которая представляет собой твёрдую субстанцию, - рассказывает участник проекта, старший научный сотрудник Лаборатории каталитических методов преобразования солнечной энергии, доктор химических наук, Оксана Таран. - Для этого мы строим машину (вихревой измельчитель), с помощью которой будем разрушать кристаллическую структуру целлюлозы и измельчать биомассу до субмикронных размеров, используя закрученные воздушные потоки. Превратив её в аморфное вещество, мы, предположительно, с помощью водно-органических растворителей и ультразвука или с помощью микроорганизмов, получим отдельно полисахариды и лигнин, не нарушив структуру этих нужных нам веществ. Микроорганизмы, перерабатывающие лигнин, ищут и культивируют наши индийские коллеги из Тамилнадского аграрного университета (лаборатория профессора Шивакумара Утанди)».
Извлечённые лигнин и полисахариды будут пригодны для переработки. Из лигнина можно получать сырье для химической промышленности, производства полимеров, топливные присадки и другие необходимые компоненты. Полисахариды востребованы, как правило, на гидролизных заводах, которые в небольшом количестве остались в России после распада СССР, а в таких странах как Китай и Индия успешно работают десятилетиями.
Микрофотографии созданных учёными в рамках данного проекта твёрдых катализаторов (на основе макропористого оксида циркония) для гидролиза полисахаридов
Применяемые на гидролизных предприятиях традиционные схемы переработки отходов древесины и сельского хозяйства, по мнению учёных, тоже морально устарели и должны быть заменены на новые. В частности, сегодня на производствах гидролизуют полисахариды с серной кислотой при высокой температуре (около 200 градусов), что требует дорогостоящих аппаратов из особых марок сталей, и в результате этого процесса получают сахара - глюкозу, ксилозу, галактозу. Далее сахара сбраживают дрожжами в гидролизный спирт - биоэтанол. А лигнин при помощи различных химических манипуляций превращают в твердый, не растворимый, да ещё и содержащий экологически опасную серу полимер, который практически невозможно перерабатывать.
Формулируя новые рецепты переработки отходов, учёные поставили перед собой еще одну задачу: исключить из процесса серную кислоту, а на замену ей создать твёрдые катализаторы для гидролиза полисахаридов.
«Здесь у нас тоже есть определённые наработки, - отмечает Оксана Таран. - Мы отыскали катализаторы, которые будут устойчивы, но ещё продолжаем работать в этом направлении. Как закончим с этим, представим новую технологию переработки полисахаридов в различные сахара, то потребуется ещё кое-что, а именно, микроорганизмы, которые могли бы перерабатывать все эти продукты в биоэтанол или биобутанол. Бактерии, которые используются сегодня в гидролизном производстве, к сожалению, не могут перерабатывать различные виды сахаров, например, глюкозу и ксилозу. Ну не хотят они кушать ксилозу, и всё тут! Поэтому нам нужно сделать ещё одну замену: с помощью биоинженерных методов создать новые микроорганизмы, которые могли бы поглощать все продукты, которые мы желаем перерабатывать в топливо. За эту часть проекта отвечают микробиологи, работающие в нашем институте в группе кандидата биологических наук Ксении Сорокиной, и индийские коллеги».
Внешний вид углеродных катализаторов на основе материала серии Сибунит для процесса гидролиза-дегидратации полисахаридов с получением моносахаров (глюкозы и ксилоза) и 5-ГМФ
Кроме всего прочего, при гидролизе полисахаридов по новой схеме образуются побочные продукты - редкие ароматические соединения, производные фуранового ряда, применяемые при изготовлении фармацевтических препаратов, производстве полимеров или в качестве добавок к моторным топливам. В частности, это вещество гидроксиметилфурфурол (в России его называют 5 ГМФ), которое в мире практически не производят, его выпуск лишь осваивают опытные заводы в США. Цена этого вещества может достигать 1000 долларов за килограмм, только потому, что не отработаны технологии его производства. Учёные Института катализа считают, что в рамках этого проекта смогут найти условия гидролиза целлюлозы, чтобы 5 ГМФ получался с хорошим выходом.
В результате этой многовекторной работы предполагается получить ряд патентов, которыми вместе либо по отдельности можно будет заинтересовать гидролизные предприятия в России и за рубежом, поставившие целью оптимизировать свои технологические процессы.
«Наши способы получения биотоплива и ценных химических веществ будут намного эффективнее тех, что используются сегодня, и вместо устаревших гидролизных заводов позволят создать совершенно новые производства по комплексной переработке биомассы», - убеждена Оксана Таран.
Учёные работают над проектом пока несколько месяцев. За это время им удалось подобрать условия для механической активации биомассы, найти замену старым катализаторам для гидролиза веществ, а также отыскать подходы к созданию микроорганизмов, задействованных в производстве биотоплива.
Но пока не получены патенты на каждую из этих технологий, исследователи предпочитают рассказывать об этом, не вдаваясь в детали. Ведь конечная цель проекта - представить полный технологический цикл современной переработки лигноцеллюлозной биомассы, под который можно было бы адаптировать существующие предприятия. Фактически это проект модернизации конкретных производств.
Проект «Разработка комплексного (биотехнологического и нанокаталитического) процесса переработки лигноцеллюлозной биомассы (солома/ древесные отходы) в топлива и востребованные химические вещества» поддержан ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы».
http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=221&d_no=96457#.VUKHNGe-BR1