Сайт СФУ
Сибирский форум. Интеллектуальный диалог
ноябрь / 2020 г.

Глубокая переработка в понимании науки

Объявлено, что с 1 января 2021 года будет осуществляться льготное кредитование на модернизацию производств по переработке древесины. Начинание, конечно, правильное. Вот только что понимается под словом «переработка»? А тем более «глубокая переработка» — термин, который в заявлении тоже встречается.

Территория Красноярского края почти на 70% покрыта лесами, что составляет 40 % от общей площади лесного массива Сибирского федерального округа. Казалось бы, обладание такими огромными ресурсами предполагает и огромные возможности их применения. Но так уж сложилось, что огромность оказалась свойственна только вывозу древесины. И ещё хорошо, если это вывоз конструкционного материала для строительства — хоть какая-то добавленная стоимость и рабочие места. А как ещё можно воспользоваться такими богатствами? Что может предложить наука и как научное сообщество понимает эту «глубокую переработку»? Об этом расскажет старший научный сотрудник лаборатории каталитических превращений возобновляемых ресурсов Института химии и химической технологии СО РАН, к.х.н. Юрий Николаевич МАЛЯР.

— Если говорить о богатствах, то Красноярскому краю не только с лесом повезло. А потому тематика научных работ нашего института исторически всегда делилась на две части: одни сотрудники занимались вопросами переработки минерального сырья, а другие органического. Проще говоря, переработкой растений. Да, в настоящее время древесину у нас большей частью вывозят, хотя потенциально она может быть источником большого количества различных продуктов, вывоз которых был бы нам значительно более выгоден. Каких продуктов? В основном целлюлозы и её производных. Но целлюлозно-бумажные комбинаты и гидролизные заводы, которые у нас когда-то были, уже в прошлом.

— Справедливости ради надо сказать, что в том виде, в каком они были, и хорошо, что в прошлом.

— Это так. Все эти «байкальские ЦБК» совершенно неприемлемы. Но здесь дело в том, что технологии получения целлюлозы в промышленном масштабе были отработаны давно, ещё в начале прошлого века. Технологии эти предусматривают использование исключительно агрессивных реактивов. И совсем не потому, что не может быть других. Просто экология, когда эти технологии создавались, ещё никого не интересовала.

Сегодня всё изменилось. Изменилось в смысле экологии, но не в смысле востребованности целлюлозы. Даже на чисто бытовом уровне. Когда мы в магазине выбираем себе одежду, наши предпочтения крутятся вокруг хлопка, шерсти и получаемой из древесины вискозы. Но и она в России, несмотря на все наши лесные богатства, завозная, как хлопок.

Попытки изменить эту ситуацию время от времени делаются. Уже который год идут разговоры о строительстве в Лесосибирске биотехнологического комплекса по производству белёной и вискозной целлюлозы на основе современных технологий. Похоже, на уровне разговоров пока всё и остаётся. И дело не только в деньгах. Видимо, многое упирается опять же в экологию. Мы к её требованиям оказались не совсем готовы.

На Западе экологическая волна поднялась много раньше. И это способствовало появлению там производств, основанных не на классических, а на уже модифицированных процессах, которые позволяют свести к минимуму и выбросы, и отходы. У нас же с этим проблема.

За примером далеко ходить не надо. В том же Канске ничего не могут сделать с лигнином, который образуется при гидролизном производстве. Лигнин — это, по сути, остаток межклеточного соединения растений. Если говорить упрощённо, то всё выглядит так: оболочки клеток, состоящие из целлюлозы, отделяются и получаются волокна. Но между клетками находятся довольно крупные молекулы этого самого лигнина.

— Крупные молекулы? Получается, что отходов больше, чем полезного продукта?

— К счастью, нет. В древесине более пятидесяти процентов целлюлозы. В этом плане это удачный материал. Выход продукта достаточно большой. Вообще, целлюлоза — самый распространённый полимер в мире. Она буквально везде — от травы до деревьев. И у тех и у других клеточные стенки состоят из целлюлозы. А вот межклеточное пространство — тот самый лигнин, создающий большие проблемы. В классических процессах его довольно сложно переработать. Практически можно только сжечь. Но надо понимать, что при сжигании много чего улетает в атмосферу. Поэтому в Канске лигнин просто складировался. И в результате получалась гора, которая время от времени всё равно сама собой загоралась, т.к. эти отходы способны к самовозгоранию.

В США, Канаде и других промышленно развитых странах давно начали строить заводы с иным технологическим циклом. Там для разделения целлюлозы и лигнина применяют другие методы и, соответственно, другие вещества. Чаще всего это дружественные природе органические растворители. И в результате получают более чистый лигнин, который в дальнейшем может широко применяться. Вот с таким лигнином мы у себя в лаборатории в настоящее время и работаем.

Сегодня есть несколько вариантов его использования. Например, модификация с получением сорбентов. Какие-то из них используют при сборе разлившейся нефти, а какие-то даже в медицине. Есть такой российский продукт — полифепан. Он продаётся в аптеках как аналог активированного угля. Но понятно, что фармакологической промышленности не требуется столько сырья, сколько у нас имеется лигнина. В плане переработки интерес могут представлять лишь продукты, в большом количестве востребованные химической промышленностью.

Если говорить о переработке лигнина, то в настоящее время существует два основных направления. Первое — это его деструкция, которая возможна при некоторых условиях. Как я уже говорил, молекула лигнина довольно большая и состоит из разного типа звеньев. Разлагая эти звенья определённым образом, т.е. разрывая химические связи на определённых катализаторах и при определённых условиях, можно получать большой спектр продуктов, востребованных промышленностью. Это ароматические углеводороды, органические кислоты и другие продукты, получаемые сегодня из нефти.

— Раз их получают из нефти, значит, это более выгодно?

— Пока да. Тем не менее европейские и американские химические гиганты вкладывают большие деньги в разработку экологически чистых аналогов синтетических полимеров, производимых из возобновляемого сырья, а не из нефти. Конечно, делают они это не из любви к природе. Просто у них строгое экологическое законодательство, которое имеет тенденцию к ещё большему ужесточению. Их, с одной стороны, за что только не штрафуют, а с другой стороны, за что только не поощряют.

Хотя и у них эти разработки пока носят опытно-промышленный характер. Весь мир работает ещё на уровне опытных заводов. Многотоннажного производства нет. По сути, идёт научный поиск, определяются направления дальнейшего движения. И мы в этот поиск вносим свой вклад.

Каковы успехи? Успех в науке обычно подтверждается качеством статей, т.е. публикациями в высокорейтинговых журналах. У нас в этом плане всё хорошо. Например, статьи, посвящённые каталитической переработке нативных и органосольвентных лигнинов, композитам эфиров бетулина с арабиногалактаном как потенциальным противораковым средствам и антикоагулянтной активности сульфатированных производных арабиногалактана, были опубликованы в «Catalysis Today», «Wood science and technology», «Natural Products research». К нашим разработкам есть интерес и среди зарубежных коллег. В основном со стороны Китая. Есть взаимодействие и с другими заинтересованными участниками. С новосибирским институтом катализа и двумя институтами во Франции создан межинститутский консорциум по переработке биомассы с получением востребованных продуктов. В основном это различные растворители, применяемые в химической промышленности. Технологии их получения уже отработаны.

Несколько лет назад при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы в нашем институте был реализован очень интересный проект. В лабораторном корпусе была создана большая опытно-промышленная установка, которая позволяет достаточно глубоко перерабатывать древесину именно нашими методами.

— Своими силами обошлись? Или кого-то привлекали?

— Установку делали буквально все, начиная с таких корифеев нашей науки, как Борис Николаевич КУЗНЕЦОВ, Николай Васильевич ЧЕСНОКОВ, Валерий Евгеньевич ТАРАБАНЬКО, Владимир Александрович ЛЕВДАНСКИЙ, и кончая простым лаборантом. Конечно, невозможно было обойтись без технологов, инженеров, проектировщиков. И наших, и привлечённых со стороны. Был и индустриальный партнёр. Правда, его больше интересовали сорбенты. Побочный же продукт интересовал меньше, но так или иначе они нам помогали и в технологических, и в экономических вопросах. Всё же наш институт фундаментальный, а в промышленном и тем более экономическом обосновании мы не сильны.

— Это не экспериментальная, а именно опытно-промышленная установка?

— Именно опытно-промышленная. Здесь надо пояснить. Если мы говорим о каких-то лабораторных вещах, то, условно говоря, на экспериментальной установке достаточно получать 30-50 граммов продукта. На опытно-промышленной продукт может исчисляться десятками и сотнями килограммов. В нашем случае это достаточно большой реактор, большие мешалки, насосы, центрифуги, разделители смесей и т.д. Следующий этап в существовании таких установок — получение производственного цикла. Нашу установку уже можно масштабировать и запускать производство.

— Что конкретно на ней удалось получить?

— Например, удалось разделить компоненты древесины берёзы. В том числе и коры. В коре берёзы содержится вещество, называемое бетулин. В последние 15-20 лет он активно изучается. Дело в том, что бетулин и его производные обладают широким спектром биологической активности. Есть исследования бетулиновой кислоты и эфиров бетулина, указывающие на то, что они могут воздействовать на различные опухоли, на некоторые типы вирусов. Вообще, издревле было известно, что измельчённая кора может оказывать заживляющее действие на раны.

— Когда-то в России в каждой крестьянской избе на всякий случай хранился пузырёк с добытым из берёзовой коры дёгтем.

— Да, дёготь всегда применялся. Но выделять активно действующее вещество из древесины берёзы научились сравнительно недавно. И мы тоже у себя получаем этот самый бетулин. Вообще, сегодня он где только не используется — и в различных кремах, и даже в алкогольной продукции. Даже патент имеется на некую антипохмельную добавку. За научную составляющую я здесь говорить не берусь, но тема такая есть.

Мы же занимаемся другой тематикой. Например, с коллегами из медицинского университета проверяли активность производных бетулина на противоопухолевое действие. Результат положительный. Понятно, что это сугубо экспериментальный результат. Ни о каких фармакологических испытаниях речь ещё не идёт. Это, как известно, процесс долгий и сложный.

Второй момент: на этой установке мы смогли получить из древесины лиственницы полисахарид арабиногалактан, имеющий в строении некоторые особенности, благодаря которым он уже сейчас активно применяется как биологически активное вещество. Особо интересна тема растворимости. Арабиногалактан позволяет растворяться даже тем веществам, которые в обычных условиях не растворимы.

Это особенно актуально, когда речь идёт о лекарствах. Все мы сталкивались с тем, что предписанные нам доктором таблетки весят, допустим, 100 мг, но действующего вещества в них, ради которого мы эти таблетки принимаем, только 10 мг. А всё остальное какие-то поливинилпирролидоны, полиэтиленгликоли, силикагели и прочее. По сути это полимеры, чаще всего синтетические, которые так или иначе улучшают растворимость. Ту же функцию выполняет и арабиногалактан. Только молекула у него природная, да к тому же имеет биологически полезные свойства. А прививание ему, например, сульфатных групп позволяет добиться совершенно новых свойств.

В частности, у нас с коллегами из Москвы с НМИЦ гематологии есть совместные работы. Они начались недавно, но уже получены интересные результаты, говорящие о том, что сульфатированный арабиногалактан проявляет антикоагулянтную активность. Т.е. может быть заменителем препарата гепарина, который используется для предотвращения свёртываемости крови. Кстати, в нынешней ситуации пандемии гепарин очень востребован.

Гепарин тоже полимер, но за счёт того, что структура его достаточно сложная и может варьироваться, фармацевтические компании пытаются найти ему аналоги. Выделяемый из древесины лиственницы арабиногалактан в этом смысле очень перспективен. Существует и другой класс полимеров, которые выделяются из ели. Правда, они не настолько перспективны. Но химическая модификация может сильно изменить их свойства. Так что сегодня одно из основных направлений нашей работы — химическая модификация.

— Есть научные разработки, есть опытно-промышленная установка и даже получены некие полезные продукты. А есть ли выход на производство?

— Всё сложно. Здесь наука сталкивается с противостоянием крупных компаний, у которых отлажено производство синтетических веществ. Они уже в них вложились и не хотели бы видеть появление на рынке аналогов из биологического сырья. В ход идут разные методы, с успехом применяемые для противодействия появлению конкурентов во все времена. Пока не будет законодательной мотивации, разработки по переработке биологического сырья будут продвигаться тяжело. Тем более в фармакологии. Там и без того всё сложно.

Так что, несмотря на то, что мы далеко продвинулись и имеем множество патентов, пока всё происходит в рамках науки. Получаемые нами продукты используют другие институты — химические, медицинские. В плане науки работа перспективная, потребителей много. Но для этого промышленные масштабы не нужны. Так что пока хватает опытно-промышленной установки.

— Юрий Николаевич, а что это за водорастворимые полимеры, о которых сегодня так много говорят? Работаете ли вы с ними?

— Начнём с того, что водорастворимый полимер — это совсем не то, что можно бросить в воду, и оно растворится. Да, частички водорастворимого полимера, если говорить предельно упрощённо, могут вести себя как некая соль. Но за счёт того, что это всё-таки частички полимера, а не обычные ионы соли, у них много своих свойств. А потому в результате получается несколько иное. Вязкий раствор, например. Водорастворимые полимеры совершенно необходимы там, где есть постоянная потребность в стабилизации каких-то особых, необходимых для технологического процесса свойств: текучести, сопротивляемости, плотности, вязкости. Всего и не перечислить. Вообще, водорастворимые полимеры — это либо носители каких-то частиц, либо агрегаторы частиц, либо стабилизаторы частиц.

Говоря о водорастворимых полимерах, нельзя не сказать о плёнках. Это очень перспективное направление, которым занимается весь мир. Мы тоже недавно начали заниматься химической модификацией с созданием между молекулами водорастворимых полимеров дополнительных связей. В результате получается структура, из которой при определённых условиях можно сделать плёнку. И если плёнки из полиэтилена, который получают из нефти и газа, можно назвать вечными, то плёнки, созданные на основе природных полисахаридов, ведут себя иначе. Основная их часть биологически разлагаема. Их полисахаридный каркас может перерабатываться бактериями, грибками и прочими организмами.

Этими вопросами мировые гиганты химической промышленности занимаются довольно активно. Их подталкивает постоянно ужесточаемое экологическое законодательство. Понемногу ситуация начинает меняться и у нас. Хотя в нефтедобывающей стране с этим сложнее. Когда на уровне правительства заговорили о необходимости запретить использование пластика в одноразовой посуде, «СИБУР холдинг» (основной российский производитель пластика из побочных продуктов добычи углеводородов — Г.Д.) предложил другие, более интересные варианты. Даже собирал учёных для обсуждения этой проблемы.

Но так или иначе, если одноразовую посуду запретить невозможно, то придётся искать приемлемый в экологическом плане материал для её производства. Кстати, по тематике водорастворимых пластиков открытых материалов немного. И не удивительно. Корпорации не имеют особого желания с кем-то делиться разработками. Ведь в выигрыше окажется тот, кто первым назначит себя избавителем планеты от пластиковых островов в океане, запустив полномасштабное производство экологически безопасной одноразовой посуды и упаковки. Какое место мы занимаем в этой гонке, думаю, понятно. Хотя в смысле фундаментальной науки мы здесь точно в первых рядах.

***

В первых рядах… Это, конечно, хорошо. Но готово ли общество принять то, что готова дать наука? Пока даже термин «глубокая переработка древесины» используется в официальных документах лишь в смысле лесопильного производства. На портале «Будущее России. Национальные проекты» в сообщении о льготном кредитовании перерабатывающих древесину предприятий химия даже не упоминается, хотя «глубокая переработка» там присутствует. Неужели «глубже» пилорамы дело так и не пойдёт?

Галина ДМИТРИЕВА