Микробиолог Зоригто Намсараев о пяти поколениях биотоплива, микроводорослях и развитии передовых технологий
— Что такое биотопливо?
— Биотопливо — это органические соединения, которые мы можем использовать для получения энергии. Существуют различные виды биотоплива: твердое (древесные пеллеты, щепа и т.д.), газообразное (биогаз, биоводород, синтез-газ) и жидкое. Жидкое биотопливо самое интересное, так как оно может использоваться на двигателях внутреннего сгорания и реактивных двигателях заменяя топливо из нефтепродуктов. Как правило, это особые углеродные молекулы длиной около 14-15 атомов. В живых организмах они встречаются не очень часто, поэтому нам нужно пытаться каким-то образом находить источники таких длинных молекул. Существуют два способа поиска. Первый способ – использовать существующие пути биосинтеза и каким-то образом пытаться их оптимизировать. Другой вариант — это рассчитать на компьютере принципиально новый путь биосинтеза и создать его в организме с использованием средств синтетической биологии.
— Какие проблемы с топливом существуют на данный момент?
— На самом деле, проблем с топливом сейчас очень много. Мы живем в мире нефти, вся наша цивилизация построена на нефти, весь транспорт, реактивная авиация. Без этого топлива мы не сможем жить. И здесь существует большая проблема: нефть является ископаемым ресурсом, а это значит, что в какой-то момент у нас может оказаться недостаточно ее запасов, пригодных для индустриальной коммерческой добычи, нефть останется где-то в глубоких залежах, в каких-то экономически невыгодных условиях и так далее. Мир уже начинает готовиться к этому моменту. Существует два вопроса. Первый: когда наступит этот момент? И второй вопрос: успеем ли мы разработать соответствующие технологии? Биотопливо — это один из кандидатов на роль такой технологии будущего.
— Какие варианты биотоплива были в истории человечества?
— Основное топливо во многих странах — это древесина. Например, в Танзании порядка 70% энергии до сих пор происходит именно от нее. Конечно, развитые страны от этого ушли очень далеко. Древесина — это на самом деле ресурс исчерпаемый, то есть, если мы будем вырубать деревья слишком быстро, то у нас, естественно, энергия закончится. Такой кризис был в Англии в XVI-XVII веках. У них были огромные леса. Существовала даже пословица, в которой говорилось, что в Англии белка способна пересечь всю страну, не спрыгнув на землю. Но для того, чтобы выплавлять сталь, нужно было тратить древесный уголь. В то время на 1 килограмм стали необходимо было 50 килограмм угля. А чтобы получить древесный уголь, нужно было собрать много древесины и обжечь ее. Таким образом, англичане вырубили практически все экономически рентабельные леса. Примерно в начале XVII века из-за этого в Англии резко упала выплавка железа. Они стали импортировать железо из Швеции и России. Это происходило до тех пор, пока они не открыли следующий источник энергии — каменный уголь. Тогда индустриальная машина английской промышленной революции заработала снова.
Сейчас может сложиться похожая ситуация. У Англии были огромные запасы угля, и в свое время они посчитали, что его хватит на три тысячи лет, разделив количество запасов на ежегодную добычу. Но в 1860 году Джевонс написал книгу «Вопрос об угле в Англии», где рассказал о том, что потребление угля увеличивается на 3% в год, и к концу XX века уголь в Англии закончится. Он был абсолютно прав. Сейчас в Англии только 6 крупных шахт, а при Джевонсе было 3 тысячи.
— Что появилось после древесины?
— После древесины появилось масло. Рудольф Дизель в конце 19 века использовал на своем двигателе растительное масло, и он работал. Сейчас проблема состоит в том, что для обеспечения нашего общества автомобильным топливом, у нас недостаточно места, где мы могли бы выращивать культуры, из которых производится растительное масло. Кроме того, если мы начнем сажать пальмы, сою или рапс для того, чтобы производить топливо, нам будет не хватать земли для производства продуктов питания. Сейчас существует очень серьезная проблема: продукты против топлива. Таким образом, первое поколение биотоплива, произведенное из тех продуктов, которые могут использоваться для производства продуктов питания — это тупиковый путь развития. Ставится задача производить биотопливо таким способом, чтобы оно ни в коем случае не вступало в конкуренцию с производством продуктов питания. Это уже биотопливо второго поколения. Из соломы, различных отходов сельского хозяйства, древесины можно получать те же виды биотоплива, что и из пищевых культур.
— Насколько первое и второе поколения биотоплива эффективны и жизнеспособны?
— Есть два основных вида биотоплива первого и второго поколения: этанол и биодизель получаемый из растительных масел. В США много кукурузы, а в Бразилии — сахарного тростника, поэтому там очень удобно получать спирт. Его можно добавлять в определенной концентрации в бензин. Сейчас производится множество автомобилей, которые способны ездить на таком бензине, на «зеленом» бензине с добавкой этанола. В США, Бразилии и Европе производство биотоплива первого поколения используется фактически для дополнительного стимулирования сельского хозяйства и снижения зависимости от нефти.
Первое и второе поколение биотоплива— это попытка задействовать существующие мощности. Потому что строить с нуля индустрию в капиталистическом мире очень сложно и дорого. Гораздо лучше задействовать существующие технологии получения спирта и растительных масел. Первое и второе поколение используют эти технологии. А вот третье поколение биотоплива — это совершенно новая вещь. В основе процесса получения биотоплива лежат фотосинтетические микроводоросли. Они используют энергию света для того, чтобы поглотить углекислоту из воздуха для производства органических соединений. Микроводоросли очень маленькие — 1, 2, 3, 10 микрометров в диаметре, и способны производить очень большое количество жиров внутри клетки — липидов. Эти липиды обладают длинной углеродной цепочкой. Их можно выделить и переработать в биотопливо. Плюсы в том, что этим микроводорослям не нужно выращивать корневую систему, листья и так далее, то есть это просто клетки с липидами внутри. Они очень быстро растут, их можно достаточно технологично собирать. И сейчас это, конечно, очень интересное направление.
— Как выглядит процесс получения биотоплива третьего поколения?
— Для начала нужно вырастить микроводоросли. Затем эту биомассу нужно собрать.
Ее можно просто взять как есть, засунуть в установку и поднять температуру давление. Произойдет гидрокрекинг и выделится фракция бионефти. Ее мы можем почистить на обычных нефтеперегонных установках. Существует и другой вариант. Мы можем выделить какую-то фракцию из биомассы микроводорослей и переделать ее в биотопливо химически. Итаких технологий очень много.
Если сравнивать с обычными сельскохозяйственными культурами, из микроводорослей можно получить на порядок больше биотоплива. Это происходит из-за того, что, во-первых, им не нужно синтезировать корни, ветки, листья, они представляют собой маленькие клетки. Во-вторых, они очень быстро растут. Сельскохозяйственная культура растет в течение длинного сезона. А для того, чтобы вырастить микроводоросли, нужна пара недель.
— Что представляет собой лаборатория по производству биотоплива из микроорганизмов?
— Основа такой лаборатории это большая установка под названием «фотобиореактор». Они могут быть как открытыми, так и закрытыми. Открытые фотобиореакторы — это пруды, заполненные водой темно-зеленого цвета, закрытые — это целлофановые мешки или пластиковые трубы, внутри которых растут микроводоросли. Когда они вырастают, их собирают, разрушают, выделяют нужную фракцию, и потом уже эту фракцию химически перерабатывают.
Есть еще и четвертое поколение биотоплива. Это технология, при которой используются фотосинтезирующие цианобактерии, которые напрямую производят конечный продукт из СО2. Такой способ очень сильно повышает производительность системы. Представьте себе клетку, которая осуществляет фотосинтез. Она поглотила молекулу углекислого газа из воздуха, превратила ее в органическое соединение, а затем туда, в эту клетку, добавили, например, два гена. Ферменты, которые кодируются этими генами, переработали эти органические соединения в этанол, спирт вышел из клетки наружу. После этого мы можем сделать систему, в которой поверхность воды в фотобиореакторе будет нагреваться солнечным светом, и с нее будет испаряться спирт. Затем можно конденсировать спирт и собирать его. Это очень интересная разработка, она позволяет избежать всех промежуточных этапов сбора и переработки биомассы, сейчас в США она находится на ранней промышленной стадии.
В России, конечно, тоже существует много технологий, в том числе основанных на еще советских разработках. Но нас тормозит то, что в России пока не создан рынок биотоплива. Например, если мы произведем этанол, с него будут брать акцизы, в то время как технически возможно сразу на заводе добавлять этанол в бензин и получать биотопливо. Сейчас идет обсуждение возможности добавления 5% спирта в бензин. Экономический эффект от этого тоже был бы положительный. В России есть огромные территории, где занимаются сельским хозяйством, но экономически рентабельно вывозить зерно на экспорт достаточно сложно. Ведь у нас пока что не очень большой внутренний рынок по сравнению с площадями доступными для развития сельского хозяйства. Можно конечно использовать зерно в качестве корма для скота, но, к сожалению, у нас еще недостаточно развито животноводство. Поэтому производство биотоплива или биопластиков может стать весьма перспективным направлением развития сельского хозяйства. Сейчас рынок биопластиков растет со скорость около 20% в год. Это очень перспективная тема.
— Какие еще есть виды биотоплива?
— Сейчас в разработке находится пятое поколение. Это электробиосинтез — использование электричества для синтеза биотоплива. Существуют микробы, которые способны потреблять электроэнергию с электрода, погруженного в раствор. Потенциально они обладают очень высоким КПД. Например, КПД солнечной батареи, которую можно купить в супермаркете составляет порядка 10-15%. Некоторые микроорганизмы способны направлять до 80% электронов полученных с электрода на синтез органических соединений. Если мы сосчитаем 80% от 10-15%, то получится, что порядка 8-12% энергии солнечного света используется для синтеза органических соединений. Казалось бы, не очень много. Но если сравнивать с обычным фотосинтезом, на котором существует вся биосфера, то он обладает эффективностью около 1% конверсии.
— Какие преимущества есть у этого поколения биотоплива?
— Во-первых, это возобновляемый ресурс. То есть его можно использовать очень долго, не обращая внимания на то, что у нас заканчивается нефть или что-то еще происходит. Во-вторых, если мы действительно придумаем такие технологии, которые не будут занимать площади для сельского хозяйства и тратить пресную воду, то тогда мы сможем увеличить производство и продуктов питания и биотоплива. Более того, с помощью таких технологий можно получать биополимеры, пищевые добавки и т.д. Даже еду на определенном этапе развития технологии можно было бы синтезировать таким образом.
Сейчас растет количество населения. Нас сейчас около семи миллиардов. Через 35 лет нас будет уже более девяти миллиардов, это на 35% больше. А вот еды, по прогнозам, человечество будет потреблять на 100% больше. Свободной земли приемлемого качества для того, чтобы увеличить в два раза производство питания, у нас к сожалению нет, поэтому нужна глобальная интенсификация производства продуктов питания.
— Какие основные проблемы существуют в развитии этого направления?
— На мой взгляд, главное — это создание рынка. Когда создается рынок, сразу привлекается частная инициатива, а это мощнейший драйвер для развития данной отрасли. Мне кажется, основные задачи на данный момент — это грамотная государственная экономическая политика по созданию рынка биотоплива и биополимеров, а также стимулирование научных исследований в этой области.
Зоригто Намсараев — 30.05.2014
Источник: http://postnauka.ru/talks/26588