Светлое будущее «зеленой химии»

Научное направление в химии под названием «зеленая химия» сформировалось в 90-х годах XX века и довольно быстро нашло сторонников в химическом сообществе. Сегодня сомневаться в перспективах «зеленой химии» — все равно, что протестовать против мира во всем мире. На пленарном заседании IX Московского международного химического саммита участники слушали выступление академика РАН Ильи Моисеева о возможных путях развития «зеленой химии».

Критерии селекции

Для разработки стратегии развития и механизма управления любой отраслью, а «зеленая химия» — не исключение, требуется разработка научно-технологической платформы. Американские эксперты считают, что в числе главных критериев при выборе базовых элементов платформы следует учитывать востребованность отобранных соединений промышленностью, возможность масштабирования их производства, широкую литературную известность как базового соединения, так и продуктов, производимых на его основе:

• соединение или технология должны быть хорошо освещены в литературе,
• известны примеры широкого использования продукта в химической технологии,
• известны примеры прямой замены продуктов нефтехимии на производимые из возобновляемого сырья,
• известны пути производства продуктов в крупном масштабе, выбранные соединения дают платформу для производства широкого спектра продуктов,
• расширение масштаба выпуска продукции в рамках пилотной, демонстрационной или промышленной установки не вызывает затруднений,
• продукт, производимый из биомассы,
• существует как коммерческий, производимый продукт может быть использован в качестве платформы
• для химического производства,
• производство продукции в коммерческих масштабах из возобновляемого углерода хорошо известно.

К перечисленному можно было бы добавить еще одно условие — производство продукта на базе нефтехимического сырья связано со значительными затратами.

Таким образом, при выборе критериев селекции элементов технологической платформы главное внимание уделяли востребованности продукта на рынке и возможности привлечения внимания химиков к этому веществу. В число базовых продуктов вошли: 3-гидроксипропионовая кислота, янтарная кислота, фурандикарбоновая кислота, аспаргиновая кислота, глюкаровая (сахарная) кислота, глютаминовая кислота, итаконовая (метиленянтарная) кислота, левулиновая кислота, 3-гидроксибутиролактон, глицерин, сорбита, ксилит. Некоторые из этих соединений, такие как двуосновные кислоты — фурандикарбоновая кислота, янтарная кислота, аспаргиновая, — уже сегодня востребованы рынком сами по себе, другие составляют предмет исследования в качестве базовых продуктов.

Более других востребована янтарная кислота. Из янтарной кислоты получают ферментативно 1,4-бутандиол. Этими двумя соединениями заинтересованы две гигантские компании — Coca-Cola и DuPont. Фирма Genomatica создала aерментер объемом в 13 тысяч литров, который используется в пилотной установке производства 1,4-бутандиола. Genomatica и Novamond намерены сегодня производить 40 миллионов фунтов бутандиола из янтарной кислоты для того, чтобы выпускать бесфталатные бутылочки, заменить терефталевую кислоту и ее поликонденсаты на новый материал — на поликонденсат янтарной кислоты и 1,4-бутандиола. Наряду с биоизопреном, которым занимается Genencor и Goodyear, — это яркий пример того, как «зеленая химия» успешно решает проблему, оказавшуюся не по силам традиционной нефтехимии.

Передовые фирмы включают в свой ассортимент все больше продуктов, получаемых из возобновляемого сырья. В развитие «зеленой химии» инвестируется все больше средств. Так, в США поставлена задача — в течение 25 лет перевести на растительное сырье до 25 % химической промышленности. Под эти разработки выделяется более 500 миллионов долларов в год.

Ферментация промышленных газов

Перспективные направление «зеленой химии» — ферментация промышленных газов с целью получения полупродуктов синтеза этанола, ацетона, бутанола и др.

Компания Lanza Tech успешно занимается разработкой процессов ферментации СО в топлива и химические продукты. Бактерии фирмы Lanza Tech модифицированы с целью селективного производства бутанола, ацетона, изопропанола и янтарной кислоты из газов. Успешно проведены испытания пилотной установки получения этанола мощностью 15 тысяч галлонов в год. Сырьем являлись газовые выбросы металлургического завода, в состав которых входит оксид углерода.

Следующий этап в развитии процессов переработки отходящих газов — применение в качестве сырья диоксида углерода, который является источником углерода. Как источник энергии для синтеза используют водород.

Биотопливо и не только

Сегодня биоэтанол — реально используемое топливо. Руководство ЕС поставило цель: довести долю биотоплива в общем топливном балансе к 2020 году до 20%. Для реализации поставленной цели необходимо производить 18 миллионов тонн биотоплива, на это потребуется 80 миллионов тонн биомассы, произрастающей на территории площадью в 4 миллиона гектаров. Для получения этанола из непищевого сырья, например из водорослей, необходима значительно меньшая территория.

Сегодня производство биоэтанола уже рентабельнее производства этилового спирта гидратацией этилена. Последний процесс мало где в мире используется. Если биотехнология этанола будет усовершенствована благодаря развитию генной инженерии, то его стоимость к 2016 году снизится с 3 долларов за галлон до 0,5, тогда цена на биоэтанол приблизится к выгодной для производства этилена и полиэтилена. Такая схема позволит значительно потеснить нефть в качестве основного сырья для нефтехимической промышленности и перейти к возобновляемым сырьевым источникам.

Крайне востребованное соединение — изобутен, которое используют в производстве каучуков, также можно получать из этанола. Есть катализаторы, позволяющие получать из диметилового эфира и метанола триптан — высокоэнергетическое соединение, которое можно использовать как эффективную топливную добавку.

От дизеля до бензина

В Институте нефтехимического синтеза РАН установили, что в условиях длительного нагревания в атмосфере восстановителя алюмоплатинового катализатора из платины и алюминия образуются наноразмерные частицы интерметаллида. В качестве восстановителя можно использовать спирт или водород. Получение наноразмерных интерметаллидов открывает новые возможности. Превращение спирта в алкан с углеродным скелетом, насчитывающим, по крайней мере, удвоенное число атомов углерода по сравнению с углеводородной цепью исходного спирта идет значительно активнее.

Алюмоплатиновые нанокатализаторы позволяют осуществлять реакции превращения этанола в компоненты топлива, и не только этанола. Так, смеси этанола с другими спиртами, смесь этанола и циклопентанола, этанола и глицерина — все это можно превратить в моторные топлива. Причем в зависимости от условий можно получать разные виды топлива — от дизельного до бензинового. На катализаторе ZSM-5 (на основе оксидов кремния и алюминия), конверсия липидов в ароматические соединения составляет 100 %, процесс протекает с низким газовыделением. Липиды производятся микроводрослями, которые постепенно становятся реальным сырьем для большой химии.

Сегодня разработаны катализаторы для конверсии биогаза, содержащего метан и углекислоту, в синтез-газ, который является основным сырьем для многих химических технологий. Таким образом, из двух вредных для окружающей среды газов получаются газы, которые можно непосредственно подавать в процесс Фишера-Тропша.

Заключение

Конечно «зеленая химия» сегодня, можно сказать, пребывает в детском возрасте. В целом в мире доля использования биомассы в качестве сырья составляет всего 0,7 тысячи тонн в год, в то время как ископаемого сырья — 230 миллионов тонн в год. Многие промышленные страны идут по пути совместного развития нефтехимии и «зеленой химии». Так, в Канаде создаются так называемые биогибридные кластеры — строительные блоки будущей экономики страны. Ученым и технологам, работающим в сфере «зеленой химии», предстоит еще немало сделать для того, чтобы отрасль успешно перешагнула в юность. Однако никто не сомневается, что это станет реальностью.

По мнению специалистов компании Evonik, Европа со временем будет зависеть от импорта не природного газа, а возобновляемых ресурсов углерода из разных точек планеты.

Илья Моисеев, академик РАН