Загальновідомо: Україна не може сама себе повністю забезпечити енергоносіями і змушена велику частину їх ввозити, що є істотною статтею імпорту та гальмом розвитку нашої економіки. У схожій ситуації опинилося чимало країн, але економічно розвинені держави мають що запропонувати країнам — експортерам нафти, і насамперед— промислову наукоємну продукцію. Водночас навіть розвинені держави, які купують «чорне золото» за кордоном, попри тимчасове падіння цін на світовому ринку нафти, змушені розробляти системні заходи економії споживання енергоресурсів та пошуку альтернативних джерел енергії. Відомо також, що, за оцінкою глобальних запасів нафти, наближається ера її вичерпання. Зрозуміло, це значно загострить енергетичні проблеми більшості країн світу.
Проте для України пошуки альтернативних джерел енергії уже сьогодні мають першорядне значення. У цій статті не ставиться завдання проаналізувати всі аспекти проблеми. Її мета — ознайомити читача з роллю біотехнології в забезпеченні людства альтернативними джерелами. Адже саме біотехнологія допомагає надати зручної для утилізації форми енергії поновлюваної рослинної біомаси або відходам тваринницьких ферм (йдеться в основному про екскременти сільськогосподарських тварин), а також твердим комунальним відходам (сміття). Різні форми енергії біомаси можуть використовуватись для генерування електроенергії, а також як паливо для транспорту.
Є кілька видів транспортного палива, які можна отримувати з біомаси, — біогаз (в основному метан), біодизель та біоетанол. Вважається, що саме паливний етанол має найбільший потенціал, з огляду на невичерпні джерела його отримання. А ними можуть бути трав’янисті рослини та деревина, відходи сільського господарства та деревообробної промисловості, а також побутове сміття. Саме про біопаливний етанол і йтиметься у цій публікації.
Етанол — найдревніший про
дукт біотехнології, яка зародилася не менше 4 000 років до нашої ери у древньому Єгипті та Вавілоні. У цій технології цукри (глюкоза, сахароза та деякі інші) зброджують (ферментують) у безкисневому середовищі пекарськими (спиртовими) дріжджами. Ще донедавна майже весь етанол, отриманий шляхом дріжджового зброджування цукрів, використовувався для виробництва алкогольних напоїв. Лише незначна його кількість, переважно отриманого хімічним шляхом, застовувалась у промисловості.
Однак протягом останніх 25 років ситуація докорінно змінилася. Тепер уже більше половини світового виробництва етанолу використовується як додаток до палива для двигунів внутрішнього згоряння (бензину), і лише близько 15% — для виробництва спиртних напоїв. Наприклад, 1998 р. світова продукція етанолу становила 31 млрд. літрів. Продукція харчового етанолу (спирт, необхідний для виробництва спиртних напоїв) становила близько 4 млрд. літрів, етанолу, що використовується в хімічній промисловості, — 8 млрд. літрів, а паливного етанолу — близько 20 млрд. літрів. Лише 7% етанолу було отримано шляхом хімічного синтезу, а 93% — з допомогою дріжджової ферментації (біотехнологічного синтезу). Близько 60% останнього виробляється з цукру, решта — з зерна. Цікаво, що обсяги виробництва харчового спирту залишаються незмінними з 1975 р., тоді як виробництво паливного етанолу рік у рік зростає (з 2 млрд. літрів у 1975-му до майже 20 млрд. літрів у 1998-му).
На сьогодні весь паливний етанол продукується біотехнологічно — шляхом зброджування (дріжджами) або цукрів (цукрова тростина), або крохмальвмісної сировини (в основному кукурудза). Світові лідери з виробництва паливного етанолу — Бразилія та США. У цих країнах, та ще в Канаді, існують державні програми виробництва паливного етанолу. Таку програму готує Європейське співтовариство (ЄС). 1999 р. Бразилія виробила 6,5 млрд. літрів паливного етанолу, що забезпечило 13% її загальних потреб в енергоресурсах та 19% потреб у рідкому паливі. Це дозволило зекономити 35,6 млрд. доларів, які б за інших обставин пішли на закупівлю нафтопродуктів. Раніше в Бразилії виготовляли в основному безводний етанол, який служив паливом для автомобілів зі спеціальними двигунами. Однак останнім часом Бразилія використовує як паливо суміші, у яких вміст етанолу становить 26% у бензині і 3% —в дизельному паливі. Такі суміші не потребують змін у конструкції двигунів внутрішнього згоряння та дизельних двигунів.
США також є великим промисловим продуцентом паливного етанолу. Завдяки його виробництву Сполучені Штати щорічно заощаджують 1,5 млрд. доларів на імпорті нафтопродуктів. У великих містах США (з населенням понад 1 млн. чол.) у зимовий період використовують лише бензин, що містить 10% етанолу, — так званий бензин Е10, або газохол. Обсяг продажу газохолу в США становить нині 12% загального обсягу продажу бензину. Країни ЄС щорічно виробляють 2 млрд. літрів етанолу, але як паливо використовується сьогодні менше 10% його. Однак ЄС ухвалив законопроект, що запроваджує в 2010 р. додавання 5% етанолу до всіх видів бензину.
Окрім заощадження валюти, застосування паливного етанолу у вигляді бензино-етанольних сумішей дозволяє істотно зменшити вміст шкідливих компонентів вихлопних газів (чадного газу СО, закису азоту N2O, окису азоту NO та інших летких токсичних викидів), порівняно з вмістом їх при використанні чистого бензину. Одинадцять років тому у США було прийнято спеціальний закон, згідно з яким, бензин повинен містити не менше 2% (за вагою кисню) кисневмісних додатків (головним чином етанолу) для зниження вмісту вищезазначених токсичних викидів. Надзвичайно важливий, так би мовити, глобальний позитивний ефект використання біоетанолу як палива, адже вуглекислий газ (СО2), що виділяється під час його спалення, має первинне атмосферне походження. Тобто його можуть знову асимілювати рослини, які в майбутньому служитимуть джерелом отримання паливного етанолу. Коли ж використовується викопне паливо, то виділений ним СО2 є додатковим джерелом сумнозвісного парникового ефекту.
Паливний етанол, отрима-
ний з цукрової тростини, сьогодні повністю себе окупає. Його виробництво в Бразилії щороку, починаючи з 1990-го, зростало на 4%, а собівартість щорічно знижувалась на 3%. Причина цього лежить на поверхні — науково-технічний прогрес галузі: з’явилися нові сорти та поліпшилися технології культивування цукрової тростини, нові технології екстракції цукру, ферментації та дистиляції. Виробництво етанолу з кукурудзи, що практикують США, незважаючи на зменшення собівартості паливного етанолу на 2/3 протягом останніх 15 років, менш прибуткове. Та навіть сьогодні США надають істотні податкові знижки на паливний етанол, щоб здешевити його, порівняно з бензином. Згідно із законодавчим актом, що діятиме до 2007 р., така знижка становить 0,014 долара на літр бензину Е10 (газохолу). Така податкова політика певною мірою зумовлена постійним підтриманням низьких цін на нафтопродукти. Водночас реальна ціна нафтопродуктів — значно вища за продажну (у США аж в 4 рази, якщо підрахувати непрямі затрати уряду Сполучених Штатів на моніторинг та очищення довкілля від шкідливих викидів під час виробництва і застосування нафтопродуктів, а також на підтримання безпеки в основних районах нафтодобування на Близькому Сході).
Якщо навіть у США, де кукурудза дуже дешева, підтримання рентабельності виробництва паливного етанолу потребує державних субсидій, то для інших держав створення рентабельного процесу виробництва (щоб етанол міг скласти цінову конкуренцію імпортованим нафтопродуктам) можливе при подальшому істотному зниженні ціни паливного етанолу. Основними способами здешевлення цього продукту можуть бути заміна сировини для його виробництва і кардинальні зміни технології алкогольної ферментації.
Заміна сировини полягає в тому, що замість зерна злаків для перетворення в етанол використовуватиметься біомаса цілих рослин, як трав’янистих, так і дерев, включно з відходами сільського господарства, деревообробної промисловості і навіть твердими комунальними відходами (сміття). В основному суха біомаса трав’янистих та дерев’янистих рослин складається з целюлози (полімер глюкози), геміцелюлози (полімер глюкози та іншого цукру — ксилози) та лігніну (полімер ароматичних спиртів), скорочено — лігноцелюлози. Використання таких нетрадиційних матеріалів сировини робить сировинну базу для отримання паливного етанолу практично невичерпною. Підрахунки свідчать: використання для виробництва паливного етанолу лише відходів сільського господарства, деревообробної промисловості та комунальних відходів дозволило б США замінити етанолом 40% бензину. Спеціальне ж культивування певних дерев’янистих (наприклад, вільха, осика) та трав’янистих (зокрема сорго) рослин для подальшого перетворення на етанол могло б забезпечити решту 60%.
Проблему алкогольної ферментації лігноцелюлози вивчають, щонайменше, 20 років. Проходять спеціалізовані міжнародні конференції, видаються спеціальні наукові періодичні журнали Biomass and Bioenergy («Біомаса та біоенергія»), Renewable Energy («Поновлювана енергія»), Bioresource Technology («Технологія біоресурсів») тощо. Але проблема виявилась досить складною. Нагадаємо, лігноцелюлоза складається з трьох типів біополімерів — целюлози, геміцелюлози та лігніну. Перші два можна гідролізувати до відповідних мономерів, цукрів, серед яких основні глюкоза (до 40% вмісту) та ксилоза (до 30% вмісту). Методи такого гідролізу, як хімічні, так і ензиматичні, ще далекі від оптимальних. Добре відомі пекарські (спиртові) дріжджі, що ефективно зброджують до спирту глюкозу і здатні ферментувати до етанолу ксилозу, донедавна не були описані взагалі, що, напевно, пояснюється відсутністю вільної ксилози в природі. Все ж такі дріжджі були виявлені, однак вони акумулюють незначні кількості етанолу при ферментації ксилози.
На сьогодні найефективнішим способом отримання етанолу з рослинної сировини (лігноцелюлози) вважається одночасний ферментативний гідроліз целюлози і геміцелюлози з наступною ферментацією отримуваних вільних цукрів до етанолу. Описано грибні целюлази та геміцелюлази, що ефективно гідролізують подрібнену лігноцелюлозу, однак ці ферменти оптимально функціонують при високій температурі (45° С), тоді як відомі на цей час дріжджі зброджують цукри лише при 30° С.
Велика увага приділяється економічності процесу алкогольної ферментації лігноцелюлози. Опубліковано цілий ряд наукових робіт з цього питання. Рентабельність такого виробництва значною мірою залежатиме від продажної ціни етанолу. В одній з робіт обраховано, що при ціні продажу етанолу 33 центи за літр завод, який випускатиме паливний етанол, ферментований з лігноцелюлозних відходів рільництва, не може бути рентабельним без одночасного виробництва іншого продукту — фурфуролу. Допускалося, що вартість перевезення відходів становить 19 центів на тонну сухої маси на 1 км (з врахуванням пробігу порожняком у зворотному напрямку) та що перероблятиметься лише 10% відходів. Завод оптимальної величини мав би переробляти 4 360 тонн відходів на день. Значно більші та менші заводи нерентабельні. Капітальні інвестиції для будівництва такого виробництва мали би становити 455 млн. доларів США. Річний доход становив би 281 млн. доларів, а витрати — 173 млн. доларів, тобто щорічний прибуток (перед сплатою податків) становив би 108 млн. доларів.
Проведено також економічний аналіз виробництва паливного етанолу зі спеціально вирощених з цією метою трав’янистих рослин. У такому разі продажна ціна етанолу бралася 62 центи за 1 літр. При такій ціні виробництво етанолу було б рентабельним без одночасного виробництва інших продуктів, проте остаточну відповідь щодо економічності заводів з виробництва паливного етанолу з лігноцелюлози може дати лише практика. Відповідні пілотні установки існують вже 15 років, а наприкінці 2000-го в Бразилії мав стати до ладу перший промисловий завод з виробництва паливного етанолу з багаси — відходів переробки цукрової тростини, в основному решток стовбурів та листя рослин. Завод має продукувати 75 млн. літрів етанолу на рік і продавати його за ціною, близькою до ціни бензину. Функціонування такого заводу буде першим технологічним і економічним тестом на рентабельність виробництва паливного етанолу з лігноцелюлози за умов використання технології сьогоднішнього дня. Якщо відповідь буде позитивною, це дозволить забезпечити переробку на спирт усієї рослини цукрової тростини (а не лише екстрагованого цукру) без збільшення витрат на перевезення сировини.
Україна також має великі
можливості промислового виробництва паливного етанолу. Оскільки наша держава виробляє багато продуктів рільництва, щорічно нагромаджується велика кількість сільськогосподарських відходів — соломи, кукурудзяних качанів, лузги соняшника). Окрім того, накопичена значна кількість твердих комунальних відходів, які теж в основному складаються з лігноцелюлози. Україна — великий виробник харчового спирту. Водночас багато вітчизняних спиртових заводів працюють з неповним завантаженням або взагалі простоюють. У перспективі потужності цих підприємств можна використати для виробництва біопаливного етанолу з лігноцелюлози, однак таке виробництво має бути рентабельним. Вочевидь, ціна біопаливного етанолу залежатиме як від податкової політики держави, так і від його собівартості, що, своєю чергою, диктується технологією одержання. Попри те, що створення новітніх технологій отримання біопаливного етанолу — дуже актуальна проблема, в Україні донедавна наукові розробки в цьому напрямі не велися взагалі.
Однак поки що існують нерозв’язані наукові проблеми загальнішого характеру, розв’язання яких могло б зробити виробництво паливного етанолу набагато ефективнішим.
Одна з таких проблем полягає в необхідності здешевлення процесу дистиляції етанолу з ферментаційної рідини. Класичний процес надзвичайно енергомісткий (63% усіх енерговитрат процесу виробництва етанолу — витрати на дистиляцію). Це пов’язано з порівняно високою температурою кипіння етанолу (78° С). Кілька років тому американські дослідники запропонували зупиняти процес спиртового бродіння на стадії оцтового альдегіду (температура кипіння 21° С), який можна при кімнатній температурі перетворювати на етиловий спирт з допомогою хімічного каталізу. Однак досі ефективних способів зупинення спиртового бродіння на стадії утворення оцтового альдегіду не було розроблено. Науковці Інституту біології клітини НАН України (м. Львів) вперше запропонували проводити спиртове бродіння з використанням спільної культури пекарських (спиртових) і спеціально отриманих в Інституті мутантних штамів метилотрофних дріжджів. Це справді веде до нагромадження як кінцевого продукту не етанолу, а оцтового альдегіду, дуже леткої сполуки, яка випаровується спонтанно з ферментаційної рідини при кімнатній температурі без будь-якої перегонки.
Усі відомі промислові процеси спиртового бродіння — періодичні, тобто потребують поновлення процесу ферментації після нагромадження близько 10% етанолу, що зумовлено високою токсичністю останнього для дріжджів. Спроби здійснити безперервне спиртове бродіння, під час якого нагромаджуваний етанол постійно б видалявся, а цукрові субстрати для бродіння постійно б додавались, успіху не мали. Згадана вище ідея — використовувати для спиртового бродіння сумісну культуру спиртових і метилотрофних дріжджів з утворенням оцтового альдегіду як кінцевого продукту — може також розв’язати проблему безперервного спиртового бродіння. Якщо ферментацію вести при температурі, вищій за температуру кипіння оцтового альдегіду, останній не нагромаджуватиметься, а спонтанно випаровуватиметься з ферментаційної рідини, і процес його утворення з цукрів може бути безперервним.
Як уже згадувалось, в усьому світі розробляють технології процесу спиртового бродіння лігноцелюлозної сировини, що могло б значно знизити ціну на паливний етанол. Однак спиртові дріжджі не можуть зброджувати до 40% цукрів таких гідролізатів (ксилоза та деякі інші). Знайдено інші види дріжджів, що здатні зброджувати усі цукри гідролізатів, хоча ефективність такого процесу поки що низька. В Україні, на жаль, проблемами спиртового бродіння гідролізатів відходів сільського господарства та деревообробної промисловості донедавна не займався ніхто. Однак, повторюся, протягом останніх років українські вчені досягли серйозних успіхів у розв’язанні цих проблем. Вітчизняні науковці нині володіють унікальними штамами дріжджів, які здатні зброджувати до етилового спирту гідролізати лігноцелюлози, а також генетичними структурами (плазмідами), які можуть посприяти генно-інженерному покращенню таких дріжджів. Українські біологи першими виявили термотолерантні штами метилотрофних дріжджів, які здатні зброджувати до спирту як глюкозу, так і пентози (насамперед ксилозу). Такі штами становлять інтерес для розробки вже згадуваного вище процесу одночасного ензиматичного гідролізу лігноцелюлози з наступною ферментацією утворених цукрів до етилового спирту або до леткого оцтового альдегіду. Отже, розроблені нашими науковцями нові підходи до ферментації лігноцелюлозної сировини можуть зробити цей процес ефективнішим і рентабельнішим.
Проте слід зазначити, що дослідження українських вчених у сфері одержання біопаливного етанолу з лігноцелюлози поки що проводяться як ініціативні, що не мають цільової фінансової підтримки. Водночас проблема паливного етанолу настільки актуальна для нашої держави, що фінансове забезпечення серйозних наукових розробок у цій сфері мало б вирішуватись на державному рівні. Якщо ми хочемо за кілька років налагодити в Україні промислове виробництво біопаливного етанолу з лігноцелюлози, то наукові розробки у цій сфері слід розпочинати негайно. Вважаю, що Україні конче потрібна державна науково-технічна програма «Біопаливний етанол», у виконанні якої мали б взяти участь вчені різних спеціальностей: біотехнологи, мікробіологи, біохіміки, хіміки, в т.ч. нафтохіміки, технологи спиртового виробництва, спеціалісти в галузі енергетики, переробки відходів сільського господарства та деревообробної промисловості. Головною організацією такої державної науково-технічної програми готовий стати Інститут біології клітини НАН України, де відповідні дослідження слід істотно розширити, створивши спеціальну наукову лабораторію, в якій розроблятимуться фундаментальні проблеми одержання паливного етанолу з лігноцелюлозної сировини. Попередні розрахунки свідчать, що бюджетне фінансування такої лабораторії у складі 15 чоловік мало б становити не менше 250 тис. грн. (близько 50 тис. американських доларів) на рік, з яких левова частка йтиме на закупівлю обладнання, матеріалів та реактивів. Очевидно, взяти участь у такій програмі могли б і інші установи НАН України — Інститути мікробіології та вірусології ім. Д.К. Заболотного, біохімії ім. О.В. Палладіна, молекулярної біології та генетики, біоорганічної хімії та нафтохімії, — установи Української аграрної академії наук, деякі галузеві інститути та вузи.
Створення і цільова фінансова підтримка державної науково-технічної програми «Біопаливний етанол» дасть змогу вже протягом наступних п’яти років розробити і запустити в дію в Україні дослідну пілотну установку з отримання етилового спирту з лігноцелюлозної сировини. Протягом наступних трьох-чотирьох років Україна зможе розпочати промислове виробництво біопаливного етанолу, що майже стовідсотково розв’яже всі енергетичні проблеми, які стоять перед нашою державою.
Попередні розрахунки свідчать, що виконання державної науково-технічної програми «Біопаливний етанол» дозволить:
зменшити імпорт енергоносіїв і зекономити значні валютні ресурси (сотні мільйонів доларів на рік) і таким чином зміцнити економічну незалежність України;
завантажити виробничі потужності спиртових заводів, що простоюють;
забезпечити перетворення на спирт відходів сільськогосподарського виробництва та деревообробної промисловості, які сьогодні не використовуються, а також твердих побутових відходів (сміття), на складування яких витрачаються значні кошти.