Климатические изменения, вызванные промышленной деятельностью человека, и перспектива исчерпания традиционного углеводородного топлива заставляют развивать не только альтернативную энергетику, но и искать возобновляемую замену ископаемому сырью для нефтехимических производств.

Развитие мировой химической индустрии как части глобальной энергетической системы человечества связано с двумя четко обозначившимися проблемами. Это, во-первых, непреодолимая пока зависимость от сжигания ископаемого топлива и продуктов его переработки и связанная с этим эмиссия парниковых газов. Вторая проблема – неизбежное со временем исчерпание экономиически оправданных запасов ископаемых углеводородов.

По наименее оптимистичным прогнозам, доступная человечеству нефть иссякнет в ближайшие 30 лет, природный газ – за 50 лет. Реальная угроза климатического дисбаланса планеты и энергетического голода заставляет правительства и компании изучать и внедрять альтернативные способы получения энергии: из ветра, приливных явлений, солнечного света, геотермальных источников, биологической массы – наземных растений и водорослей. Последнее направление интересно еще и потому, что биомасса может быть использована и как источник альтернативного ископаемым углеводородам сырья для нефтехимической индустрии. При этом возобновляемый.

Возможности использования биосырья как основы нефтехимической промышленности изучаются уже в практической плоскости. В США, например, действует федеральная программа, согласно которой к 2030 году 25% всей химической продукции (за исключением неорганической) должна производиться из биомассы. В освоение нового сырья включились многие ведущие химические и нефтяные компании, такие как DuPont, Shell, Dow, ВР, BASF, INEOS, Mitsubishi и другие. Помимо прочего, развитие биотехнологий служит имиджевым интересам компаний, осознающим свою экологическую миссию.

Самый важный продукт

Наиболее известным и масштабным химическим продуктом, вырабатываемым из биологического возобновляемого сырья, является этиловый спирт, за происхождение называемый биоэтанолом. Он получается брожением осахаренного крахмала с помощью дрожжей Saccharomyces cerevisiae (пекарские или винные дрожжи). Мировое производство биоэтанола превышает 80 млн м3 в год, лидерами являются Бразилия и США (сейчас на их долю приходится около 90% производства). Остальная часть производится в Канаде, Китае, ЕС и Индии. Введены в строй первые мощности в Колумбии, странах Центральной Америки, Турции, Пакистане, Перу, Аргентине и Парагвае.

Сегодня биоэтанол производят в основном для использования в качестве автомобильного топлива. Для этих целей, например, в 2009 году в США было использовано 33% всего урожая кукурузы, а выпуск топливного спирта составил 30 млн тонн – сопоставимо с емкостью всего топливного рынка России. Цена на биоэтанол колеблется от $0,2 за литр в Бразилии (сырье – сахарный тростник), $0,25-0,28 в США (кукуруза) до $0,5 в Европе (сахарная свекла, пшеница). Согласно расчетам, даже в России производство биоэтанола из зерна может быть рентабельно.

Вместе с тем, использование пищевых продуктов для производства биоэтанола уже оказывает влияние на предложение этих товаров на продовольственных рынках. Поэтому огромные средства в США и во всем мире брошены на разработку технологий экономически оправданного осахаривания лигноцеллюлозы, то есть получения биоэтанола из древесных отходов, соломы и т.п.

В США, Канаде, Японии уже работают опытные заводы. Пока цена такого этанола в 2 раза выше, чем этанола из кукурузы. Тем не менее, планируется, что его себестоимость может быть снижена. С 2015-2016 годов дальнейшее наращивание мощностей будет идти на базе этого непищевого сырья. К 2030 году в США намечено получать ежегодно 100 млн м3 топливного этанола, из них около 44 млн – из древесного сырья.

Для нефтехимической промышленности дешевый этанол из возобновляемых источников может стать успешной альтернативой углеводородному сырью для получения важнейшего и наиболее крупнотоннажного продукта – этилена.

Соответствующий процесс каталитической дегидратации открыт и изучен достаточно давно. Основное препятствие для создания подобных производств – экономическое. Однако в Бразилии, где самая низкая себестоимость биоэтанола, такие производства создаются в промышленном масштабе.

Так, компания Braskem в сентябре 2010 года запустила завод по производству этилена из 100%-но возобновляемого сырья – сахарного тростника. Расположенный в нефтехимическом комплексе Triunfo, завод будет производить 200 тыс. тонн в год «зеленого» этилена, из которого будет вырабатываться полиэтилен.

Компания Solvay Indupa, бразильское подразделение фирмы Solvay, планирует построить завод по производству 60 тыс. тонн в год биоэтилена из сахарного тростника, который пойдет на производство 125 тыс. тонн в год ПВХ. Расход биоэтанола составит 120 тыс. тонн ежегодно. Надо сказать, что фирма Solvay в 1962-1982 годах уже имела опыт производства ПВХ из спирта.

По оценкам, масштабное производство биоэтилена возможно и экономически оправданно. В случае снижения себестоимости биоэтанола ниже 0,2 евро (либо повышения цены нефти) производство этилена из спирта будет экономически выгоднее традиционного нефтехимического производства.

Газохимия из отходов

Самым простым сырьем, которое может быть получено из биологических источников, является метан в виде так называемого биогаза – продукта брожения. В составе биогаза на долю метана приходится 50-70%, остальное по большей части углекислый газ с небольшими примесями сероводорода, аммиака, водорода, угарного газа. По теплотворнойспособности 1 м3 биогаза эквивалентен 0,6 м3 природного газа и может успешно применятся как топливо.

Получение биогаза в реакторе (называемом метанотенком) является не более чем реализацией природных биологических процессов и следует примеру природы: тысячелетиями происходит процесс образования метана в желудках животных. Перечень только органических отходов, пригодных для производства биогаза, включает в себя: навоз, помет, зерновую и мелассную послеспиртовую барду, пивную дробину, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха, траву, бытовые отходы, а также отходы молоко-заводов, от производств биодизеля, соков, крахмала и патоки, переработки картофеля.

В Китае установлено более 10 млн небольших метанотенков (10-15 м3) в сельской местности, представляющих собой врытые в землю бетонные емкости. Эти реакторы ежегодно производят 7 млрд м3 биогаза, что обеспечивает 60 млн крестьян (приготовление пищи, отопление). Более 3,8 млн таких устройств установлено в Индии. В Дании биогаз составляет 18% энергобаланса, а в Германии биогаз покрывает 11% потребности в газе.

Биогаз, точно так же, как и природный газ, далее может быть использован для производства метанола, синтеза газа и всех стандартных продуктов традиционной газохимии, в том числе азотных удобрений.

Не только этилен

Очевидно, что биоэтилен может стать основой производства всех традиционных продуктов из него даже без смены оборудования и существующих технологий. Вместе с тем, сама биотехнология позволяет получать некоторые нефтехимические продукты особым способом из возобновляемого сырья. Современные технологии ферментации с участием генномодифицированных клеток позволяют получать бутанол из зернового сырья. Наряду с ним образуется также ацетон и этиловый спирт. Так, компанией Environmental Energy на территории США создана экспериментальная установка по производству биобутанола, на которой, по заявлениям специалистов компании, продукт можно производить из всего, что растет на земном шаре. Компании BP и DuPont после четырех лет сотрудничества в июле 2009 года создали в США совместное предприятие Butamax™ Advanced Biofuels LLC. Ожидается, что первый коммерческий завод будет запущен в 2013 году. Разработками в этой сфере занимается и целый ряд других компаний. А в Китае годовое производство биобутанола уже составляет 300 тыс. тонн в год.

Промышленность синтетических каучуков также может получить возможность использовать биосырье. Так, в 2008 году компании Genencor и Goodyear объявили о сотрудничестве в области создания изопрена биотехнологическим путем. Компаниями заявлено о планах создания промышленного производства биоизопрена в 2013 году.

Первая партия биоизопрена была направлена на испытания в конце 2009 года. Goodyear изготовила из этого продукта две демонстрационные шины, одна из которых была размещена в зале ожидания аэропорта Копенгагена, а другая представлена в рамках международной конференции ООН по изменению климата в декабре 2009 года.

Биотехнологии открывают пути для производства из возобновляемого сырья не только таких базовых продуктов, как этилен или бутанол. Это и ацетон, различные спирты и полиолы, кислоты, гликоли и т.д. Это колоссальный спектр химических веществ специального и фармаколо гического назначения. Современные достижения науки и инициатива бизнеса делают реальностью построение новой нефтехимической промышленности в глобальном масштабе. Только без нефти – на основе возобновляемого биологического сырья.

Спектр возможностей

Основные направления использования биологического сырья в нефтехимии

Александр Титов, эксперт службы технологии и обеспечения производства СИБУРа

Владимир Дебабов, д.б.н., профессор, академик РАСХН, чл.-корр. РАН, научный руководитель ГНЦ РФ ФГУП «ГосНИИгенетика»