БИОЭТАНОЛ: ВАЛЮТУ СЭКОНОМИТ И ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ СОХРАНИТ

Общеизвестно: Украина не может сама себя полностью обеспечить энергоносителями и вынуждена большую часть их ввозить, что является важной статьей импорта и тормозом развития нашей экономики. В схожей ситуации оказались многие страны, но у экономически развитых государств есть что предложить странам-экспортерам нефти, и прежде всего — промышленную наукоемкую продукцию. Однако даже развитые государства, покупающие «черное золото» за рубежом, несмотря на временное падение цен на мировом рынке нефти, вынуждены разрабатывать системные меры экономии потребления энергоресурсов и искать альтернативные источники энергии. Известно также, что, исходя из оценки глобальных запасов нефти, приближается эра ее исчерпания. Естественно, это значительно заострит энергетические проблемы большинства стран мира.

Для Украины поиски альтернативных источников энергии уже сегодня имеют первостепенное значение. В этой статье не ставится задача проанализировать все аспекты проблемы. Ее цель — ознакомить читателя с ролью биотехнологии в обеспечении человечества альтернативными источниками. Ведь именно биотехнология помогает придать удобную для утилизации форму энергии возобновляемой растительной биомассы или отходам животноводческих ферм (речь идет в основном об экскрементах сельскохозяйственных животных), а также твердым коммунальным отходам (сор). Различные формы энергии биомассы могут использоваться для генерирования электроэнергии, а также в качестве топлива для транспорта.

Есть несколько видов транспортного топлива, которые можно получить из биомассы, — биогаз (преимущественно метан), биодизель и биоэтанол. Считается, что именно топливный этанол имеет наибольший потенциал, учитывая неисчерпаемые источники его получения. Ими могут быть травянистые растения и древесина, отходы сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности, а также бытовой мусор. Именно о биотопливном этаноле и рассказывает эта публикация.

Этанол — древнейший продукт
биотехнологии, зародившейся не менее 4000 лет до нашей эры в Древнем Египте и Вавилоне. В этой технологии сахара (глюкоза, сахароза и некоторые другие) сбраживаются (ферментируются) в бескислородной среде пекарскими (спиртовыми) дрожжами. Еще до недавнего времени почти весь этанол, полученный путем дрожжевого сбраживания сахаров, использовался для производства алкогольных напитков. Лишь незначительное его количество, полученное преимущественно химическим путем, применялось в промышленности.

Однако за последние 25 лет ситуация коренным образом изменилась. В настоящее время уже более половины мирового производства этанола используется в качестве добавки к топливу для двигателей внутреннего сгорания (бензина), и лишь около 15% — для производства спиртных напитков. Например, в 1998 г. мировое производство этанола составляло 31 млрд. литров, пищевого этанола (спирт, необходимый для производства спиртных напитков) производили около 4 млрд. литров, этанола, используемого в химической промышленности, — 8 млрд. литров; а топливного этанола — около 20 млрд. литров. Лишь 7% этанола было получено путем химического синтеза, а 93% — с помощью дрожжевой ферментации (биотехнологического синтеза). Около 60% последнего производится из сахара, остальное — из зерна. Интересно, что объемы производства пищевого спирта остаются неизменными с 1975 г., в то время как производство топливного этанола год от года возрастает (с 2 млрд. литров в 1975-м до почти 20 млрд. литров в 1998-м).

На сегодня весь топливный этанол продуцируется биотехнологически — путем сбраживания (дрожжами) или сахаров (сахарный тростник), или крахмалосодержащего сырья (в основном кукуруза). Мировые лидеры по производству топливного этанола — Бразилия и США. В этих странах, да еще в Канаде, существуют государственные программы производства топливного этанола. Подобную программу готовит Европейский Союз (ЕС). В 1999 г. Бразилия произвела 6,5 млрд. литров топливного этанола, что обеспечило 13% ее общих потребностей в энергоресурсах и 19% потребностей в жидком топливе. Это позволило сэкономить 35,6 млрд. долларов, которые иначе пошли бы на закупку нефтепродуктов. Раньше в Бразилии производили в основном безводный этанол, служивший топливом для автомобилей со специальными двигателями. Но в последнее время Бразилия использует в качестве топлива смеси, в которых содержимое этанола составляет 26% в бензине и 3% — в дизельном топливе. Такие смеси не требуют изменений в конструкции двигателей внутреннего сгорания и дизельных двигателей.

США также являются крупным промышленным продуцентом топливного этанола. Благодаря его производству Соединенные Штаты ежегодно экономят 1,5 млрд. долларов на импорте нефтепродуктов. В крупных городах США (с населением более 1 млн. чел.) в зимний период используют лишь бензин, содержащий 10% этанола, — так называемый бензин Е10, или газохол. Объем продажи газохола в США составляет 12% от общего объема продажи бензина. Страны ЕС ежегодно производят 2 млрд. литров этанола, но в качестве топлива используется сегодня менее 10%. Однако ЕС принял законопроект, предусматривающий до 2010 г. добавление 5% этанола ко всем видам бензина.

Кроме сбережения валюты, применение топливного этанола в виде бензиново-этанольных смесей позволяет существенно уменьшить содержание вредных компонентов в выхлопных газах (угарного газа, закиси азота, окиси азота и прочих летучих токсичных выбросов). Одиннадцать лет назад в США был принят специальный закон, по которому бензин должен содержать не менее 2% (по весу кислорода) кислородосодержащих добавок (главным образом этанола) для снижения токсичности выхлопа. Чрезвычайно важным, можно сказать глобальным, является положительный эффект использования биоэтанола в качестве топлива, ведь выделяемый при его сжигании углекислый газ имеет первичное атмосферное происхождение. То есть его могут опять ассимилировать растения, которые в будущем станут источником получения топливного этанола. А при использовании ископаемого топлива выделяется СО2, являющийся дополнительным источником пресловутого парникового эффекта.

Полученный из сахарного тро-
стника топливный этанол полностью себя окупает. Ежегодно его производство в Бразилии, начиная с 1990-го, возрастало на 4%, а себестоимость снижалась на 3%. Причина этого на поверхности — научно-технический прогресс отрасли: появились новые сорта и улучшились технологии культивирования сахарного тростника, новые технологии экстракции сахара, ферментации и дистилляции. Производство этанола из кукурузы, практикуемое в США, несмотря на уменьшение себестоимости топливного этанола на 2/3 за последние 15 лет, менее прибыльно. Но даже сегодня США дают серьезные налоговые скидки на топливный этанол, чтобы сделать его дешевле бензина. По закону, который будет иметь силу до 2007 г., эта скидка составляет 0,014 доллара на литр газохола. Подобная налоговая политика в определенной степени обусловлена постоянным поддержанием низких цен на нефтепродукты. Между тем реальная стоимость нефтепродуктов значительно выше продажной (в США в 4 раза, учитывая косвенные затраты правительства Соединенных Штатов на мониторинг и очищение окружающей среды от вредных выбросов при производстве и применении нефтепродуктов, а также на поддержку безопасности в основных районах нефтедобычи на Ближнем Востоке).

Если даже в США, где кукуруза очень дешевая, поддержание рентабельности производства топливного этанола требует государственных субсидий, то для других государств создание рентабельного процесса производства (чтобы этанол мог составить ценовую конкуренцию импортируемым нефтепродуктам) возможно при дальнейшем существенном снижении цены топливного этанола. Основными способами удешевления этого продукта могут быть замена сырья для его производства и кардинальное изменение технологии алкогольной ферментации.

Замена сырья заключается в том, что вместо зерна злаков для превращения в этанол будет использоваться биомасса целых растений как травянистых, так и деревьев, включая отходы сельского хозяйства, деревообрабатывающей промышленности и даже твердые коммунальные отходы (мусор). В основном сухая биомасса травянистых и деревянистых растений состоит из целлюлозы (полимер глюкозы), гемицеллюлозы (полимер глюкозы и другого сахара — ксилозы) и лигнина (полимер ароматических спиртов), сокращенно — лигноцеллюлозы. Использование таких нетрадиционных материалов сырья делает сырьевую базу для получения топливного этанола практически неисчерпаемой. Подсчеты свидетельствуют: использование для производства топливного этанола только отходов сельского хозяйства, деревообрабатывающей промышленности и коммунальных отходов позволило бы США заменить этанолом 40% бензина. Специальное же культивирование определенных деревянистых (например, ольха, осина) и травянистых (в частности, сорго) растений для дальнейшего превращения в этанол могло бы обеспечить остальные 60%.

Проблему алкогольной ферментации лигноцеллюлозы изучают, по крайней мере, 20 лет. Проходят специализированные международные конференции, издаются специальные научные периодические журналы Biomass and Bioenergy («Биомасса и биоэнергия»), Renewable Energy («Возобновляемая энергия»), Bioresource Technology («Технология биоресурсов») и т.д. Но проблема оказалась довольно сложной. Напомним, лигноцеллюлоза состоит из трех типов биополимеров — целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Первые два можно гидролизировать до соответствующих мономеров, сахаров, среди которых основные глюкоза (до 40% содержимого) и ксилоза (до 30% содержимого). Методы подобного гидролиза, как химического, так и энзиматического, еще далеки от оптимальных. Хорошо известные пекарские (спиртовые) дрожжи, эффективно сбраживающие до спирта глюкозу и способные ферментировать до этанола ксилозу, до недавнего времени не были описаны вообще. Это, наверное, объясняется отсутствием свободной ксилозы в природе. Все-таки подобные дрожжи были выявлены, однако они аккумулируют незначительные количества этанола при ферментации ксилозы.

На сегодня самым эффективным способом получения этанола из растительного сырья (лигноцеллюлозы) считается одновременный ферментативный гидролиз целлюлозы и гемицеллюлозы с последующей ферментацией получаемых свободных сахаров до этанола. Описаны грибные целюллазы и гемицелюллазы, которые эффективно гидролизируют измельченную лигноцеллюлозу. Однако эти ферменты оптимально функционируют при высокой температуре (45° С), тогда как известные на это время дрожжи сбраживают сахара лишь при 30° С.

Большое внимание уделяется экономичности процесса алкогольной ферментации лигноцеллюлозы. Опубликован целый ряд научных работ по этому вопросу. Рентабельность такого производства в значительной мере будет зависеть от продажной цены этанола. В одной из работ подсчитано, что при цене продажи этанола $0,33 за литр завод, который будет выпускать топливный этанол, ферментированный из лигноцеллюлозных отходов полеводства, не может быть рентабельным без одновременного производства другого продукта — фурфурола. Предполагалось, что стоимость перевозки отходов составит $0,19 на тонну сухой массы на 1 км (с учетом пробега порожняком в обратном направлении) и что будет перерабатываться лишь 10% отходов. Завод оптимальной величины должен был бы перерабатывать 4360 тонн отходов в день. Значительно большие и меньшие заводы нерентабельны. Капитальные инвестиции для строительства такого производства должны были бы составить 455 млн. долларов США. Годовой доход составлял бы 281 млн. долларов, а расходы — 173 млн. долларов, то есть ежегодный доход (перед уплатой налогов) составлял бы 108 млн. долларов.

Проведен также экономический анализ производства топливного этанола из специально выращенных с этой целью травянистых растений. В таком случае цена этанола бралась по $0,62 за 1 литр. При такой цене производство этанола было бы рентабельным без одновременного производства других продуктов. Тем не менее окончательный ответ относительно экономичности заводов по производству топливного этанола из лигноцеллюлозы может дать только практика. Соответствующие пилотные установки существуют уже 15 лет, а в конце 2000-го в Бразилии должны были запустить первый промышленный завод по производству топливного этанола из багасы — отходов переработки сахарного тростника, в основном — остатков стволов и листьев растений. Завод должен производить 75 млн. литров этанола в год и продавать его по цене, близкой к цене бензина. Функционирование такого завода будет первым технологическим и экономическим тестом на рентабельность производства топливного этанола из лигноцеллюлозы в условиях использования технологии сегодняшнего дня. Положительный результат позволит обеспечить переработку в спирт всего растения сахарного тростника (а не только экстрагированного сахара) без увеличения затрат на перевозку сырья.

Украина также имеет широкие
возможности промышленного производства топливного этанола. Поскольку наше государство производит много продуктов полеводства, ежегодно накапливается большое количество сельскохозяйственных отходов — соломы, кукурузных кочанов, шелухи подсолнуха. Кроме того, собрано значительное количество твердых коммунальных отходов, в основном состоящих из лигноцеллюлозы. Украина — крупный производитель пищевого спирта. Вместе с тем многие отечественные спиртовые заводы работают с неполной загрузкой или вообще простаивают. В перспективе мощности этих предприятий можно использовать для производства биотопливного этанола из лигноцеллюлозы, однако такое производство должно быть рентабельным. Очевидно, что цена биотопливного этанола будет зависеть как от налоговой политики государства, так и от его себестоимости, которая, в свою очередь, диктуется технологией получения. Несмотря на то что создание новейших технологий получения биотопливного этанола весьма актуальная проблема, в Украине до недавних пор научные разработки в этом направлении не велись вообще.

Но пока еще существуют неразрешимые научные проблемы более общего характера, решение которых могло бы сделать производство топливного этанола намного более эффективным.

Одна из таких проблем состоит в необходимости удешевления процесса дистилляции этанола из ферментационной жидкости. Классический процесс очень энергоемкий (63% всех энергозатрат процесса производства этанола — затраты на дистилляцию). Это связано со сравнительно высокой температурой кипения этанола (780 С). Несколько лет назад американские исследователи предложили останавливать процесс спиртового брожения на стадии уксусного альдегида (температура кипения 210 С), который в процессе химического катализа при комнатной температуре можно превращать в этиловый спирт. Но до сих пор эффективные способы остановки спиртового брожения на стадии образования уксусного альдегида не разработаны. Научные сотрудники львовского Института биологии клетки НАН Украины впервые предложили проводить спиртовое брожение с использованием общей культуры пекарских (спиртовых) и специально полученных в институте мутантных штаммов метилотрофных дрожжей. Это действительно ведет к накоплению в качестве конечного продукта не этанола, а уксусного альдегида, очень летучего соединения, испаряющегося спонтанно из ферментационной жидкости при комнатной температуре без какой-либо перегонки.

Все известные промышленные процессы спиртового брожения — периодические, то есть необходимо возобновлять процесс ферментации после накопления около 10% этанола, что обусловлено высокой токсичностью последнего для дрожжей. Попытки провести непрерывное спиртовое брожение, при котором накопленный этанол постоянно бы удалялся, а сахарные субстраты для брожения постоянно бы добавлялись, успеха не имели. Упомянутая выше идея — использовать для спиртового брожения совместную культуру спиртовых и метилотрофных дрожжей с образованием уксусного альдегида как конечного продукта — тоже может решить проблему непрерывного спиртового брожения. Если ферментацию проводить при температуре, превышающей температуру кипения уксусного альдегида, последний не станет накапливаться, а будет спонтанно испаряться из ферментационной жидкости, и процесс его образования из сахаров может быть непрерывным.

Как уже упоминалось, во всем мире разрабатывают технологии процесса спиртового брожения лигноцеллюлозного сырья, что могло бы значительно снизить цену на топливный этанол. Но спиртовые дрожжи не могут сбраживать до 40% сахаров таких гидролизатов (ксилоза и некоторые другие). Найдены другие виды дрожжей, которые могут сбраживать все сахара гидролизатов, хотя эффективность такого процесса пока низкая. В Украине, к сожалению, проблемами спиртового брожения гидролизатов отходов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности до недавнего времени не занимался никто. Но, напомню, на протяжении последних лет украинские ученые добились серьезных успехов в решении этих проблем. Отечественные ученые сегодня имеют уникальные штаммы дрожжей, могущие сбраживать до этилового спирта гидролизаты лигноцеллюлозы, а также генетические структуры (плазмиды), способствующие генно-инженерному улучшению таких дрожжей. Украинские биологи первыми открыли термотолерантные штаммы метилотрофных дрожжей, которые могут сбраживать до спирта как глюкозу, так и пентозы (прежде всего ксилозу). Такие штаммы представляют интерес для разработки уже упоминавшегося выше процесса одновременного энзиматического гидролиза лигноцеллюлозы с последующей ферментацией образуемых сахаров до этилового спирта или до летучего уксусного альдегида. Следовательно, разработанные нашими учеными новые подходы к ферментации лигноцеллюлозного сырья могут сделать этот процесс более эффективным и рентабельным.

Тем не менее следует отметить, что исследования украинских ученых в области получения биотопливного этанола из лигноцеллюлозы пока проводятся как инициативные, не имеющие целевой финансовой поддержки. Вместе с тем для нашего государства проблема топливного этанола настолько актуальна, что финансовое обеспечение серьезных научных разработок в этой сфере должно было бы решаться на государственном уровне. Если мы хотим за несколько лет наладить в Украине промышленное производство биотопливного этанола из лигноцеллюлозы, то научные разработки в этой сфере нужно начинать немедленно. Считаю, что Украине крайне необходима государственная научно-техническая программа «Биотопливный этанол», в выполнении которой должны были бы участвовать ученые разных специальностей: биотехнологи, микробиологи, биохимики, химики, в т.ч. нефтехимики, технологи спиртового производства, специалисты в области энергетики, переработки отходов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности. Главной организацией такой государственной научно-технической программы готов стать Институт биологии клетки НАН Украины, где соответствующие исследования нужно существенно расширить, создав специальную научную лабораторию, где бы решались фундаментальные проблемы получения топливного этанола из лигноцеллюлозного сырья. Предыдущие расчеты показали: бюджетное финансирование такой лаборатории в составе 15 человек должно составлять не менее 250 тыс. грн. (около 50 тыс. американских долларов) в год, из которых львиная доля будет расходоваться на закупку оборудования, материалов и реактивов. Видимо, участвовать в такой программе могли бы и другие учреждения НАН Украины — Институты микробиологии и вирусологии им. Д.К. Заболотного, биохимии им. О.В. Палладина, молекулярной биологии и генетики, а также биоорганической химии и нефтехимии, учреждения Украинской аграрной академии наук, некоторые отраслевые институты и вузы.

Создание и целевая финансовая поддержка государственной научно-технической программы «Биотопливный этанол» позволяет уже на протяжении следующих пяти лет разработать и запустить в действие в Украине исследовательскую пилотную установку по получению этилового спирта из лигноцеллюлозного сырья. В течение следующих трех-четырех лет Украина сможет начать промышленное производство биотопливного этанола, что почти на сто процентов решит все энергетические проблемы, стоящие перед нашим государством.

Предварительные расчеты показывают, что выполнение государственной научно-технической программы «Биотопливный этанол» позволит:

— уменьшить импорт энергоносителей и сэкономить значительные валютные ресурсы (сотни миллионов долларов в год), и таким образом укрепить экономическую независимость Украины;

— загрузить производственные мощности простаивающих спиртовых заводов;

— обеспечить превращение в спирт не использующихся сегодня отходов сельскохозяйственного производства и деревообрабатывающей промышленности, а также твердых бытовых отходов (мусор), на складирование которых расходуются значительные средства.