Водоросли прорастают химией

Бензин, но без серы. Бензол, но не из нефти. Это образная формула «зелёной химии», призванной помочь человеку защитить природу от вредных выбросов и сберечь невозобновляемые ресурсы. Следуя этому зелёному тренду, учёные из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова и Московского физико-технического института нашли оригинальный способ производить из водорослей то, что традиционно делают из углеводородов: базовые компоненты для моторных топлив и химической промышленности.

Существенный процент химических производств не обходится без ароматических соединений — бензола, толуолов, ксилолов, нафталина, декалинов и других веществ. Эти незаменимые на сегодня компоненты традиционно производят из нефти. А нефть, в свою очередь, учёные считают невозобновляемым ресурсом. Существует мнение, что расточительное использование её запасов рано или поздно приведёт планету к энергетическому коллапсу, а в более далёкой перспективе наращивание энергетических мощностей на основе ископаемого топлива и вовсе может обернуться катастрофическим накоплением углекислого газа и дефицитом кислорода в атмосфере Земли.

Производство продуктов нефтехимии несёт с собой и массу побочных эффектов для экологии. На этом фоне в мире всё более активно развивается направление «зелёной химии» — производства тех же химических соединений из возобновляемого растительного сырья. Прежде всего, из масличных культур, например, рапса или подсолнечника. Впрочем, у этого зелёного ресурса тоже есть свой недостаток: он претендует на гигантские площади сельхозземель, и, если их получит, потеснив пшеницу, рис, картофель, кукурузу и прочее, то взлетят в цене продукты питания, то есть то, что даёт энергию самому человеку. Учитывая это обстоятельство,

на роль возобновляемого источника сырья для химических компонентов учёные сегодня пробуют микроводоросли — древнейшие цианобактерии, которые можно культивировать в промышленных масштабах, не занимая сельскохозяйственные поля.

Из них получают масло и затем — вещества для химической промышленности. Патентов на способы извлечения полезных компонентов из микроводорослей достаточно много, но реально работающих производств по всему миру единицы. Причина в том, что по большей части предлагаемые способы весьма затратны и в целом не очень удобны для практического внедрения.

Команда учёных из МФТИ и Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова, в кооперации с бизнесом, разрабатывает технологию переработки биомассы водорослей в топливо, мало чем отличающееся от моторного топлива из нефтяного сырья (разве что в лучшую сторону, так как оно не предполагает вредных серных выбросов), и базовые продукты химической промышленности. Предложенные подходы, как считают сами разработчики, имеют преимущества.

• 
• Гехман

Александр Гехман: «Наш процесс не требует растворителей, катализаторов или других реагентов. Даже воду мы используем ту, в которой произрастают микроводоросли. Всё, что нам нужно, — это пустая труба, нагретая до определённой температуры, и насос, который качает воду под давлением 300 атмосфер».

«Существующие сегодня процессы предлагают извлечение масла из обводнённых водорослей при помощи экстракции. Это когда зелёную массу обрабатывают растворителями, и ждут, когда масло перейдет из водной фазы в органическую. Мы же предлагаем концентрат биомассы (масло и целлюлозу) разлагать на более простые компоненты посредством гидролиза, то есть под воздействием нагретой до высокой температуры воды, под давлением, — рассказывает руководитель проекта, заведующий лабораторией металлокомплексного катализа ИОНХ Александр Гехман. — Наш процесс не требует растворителей, катализаторов или других реагентов. Даже воду мы используем ту, в которой произрастают микроводоросли.

Всё, что нам нужно, — это пустая труба, нагретая до определённой температуры, и насос, который качает воду под давлением 300 атмосфер.

В результате получается водный раствор глюкозы и свободные жирные кислоты. В присутствии катализаторов свободные жирные кислоты можно превратить в олефины — ключевые исходные вещества для синтетических масел, насыщенные углеводороды, по составу близкие к дизельной фракции».

В лабораторных условиях в ИОНХ РАН и Институте нефтехимического синтеза РАН ранее уже был получен так называемый «green diesel» — углеводороды дизельной фракции. Дальше предполагается совместить преобразование жирных кислот с реакцией крекинга и последующим выходом лёгких бензиновых фракций.

• 
• водоросли2

Большие надежды учёные возлагают на получение востребованных продуктов основного органического и нефтехимического синтеза из растительных масел и свободных жирных кислот. Например, дегидроциклизация в присутствии катализаторов позволяет получать из возобновляемого сырья так называемую бензол-толуольную фракцию и водород, который будет использован на стадии получения «green diesel».

• 
• водоросли3

Авторы проекта убеждены, что в России имеются все возможности для внедрения разработанных технологий. «У нас много мест, где есть пустующие площади не сельскохозяйственного назначения, и много солнца, необходимого для выращивания водорослей, плюс вода, хотя  бы морская. В первую очередь это Крым и Краснодарский край. Среди ближайших соседей подходящие условия в Туркменистане, — там тоже можно развернуть биореактор с хорошей производительностью, — полагает Александр Гехман. — Продукты, на производство которых направлены все наши усилия, в конечном итоге должны стать экологически чистой базой для создания продуктов с высокой добавленной стоимостью, которых так не хватает нашей экономике».