Биоэталон: валюту сэкономит и окружающую среду сохранит

Сибирный А. Биоэталон: валюту сэкономит и окружающую среду сохранит // Зеркало недели . . 1 декабря 2001 (№ 47) . С. 12

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 с&