В голове моей опилки

Научный консультант: Анна Бахтиярова, замдиректора института химической переработки биомассы дерева и техносферной безопасности СПбГЛТУ

Вот представьте, растет дерево – стоит себе в лесу, пока его не срубят для промышленных нужд. Потом отправляется на лесообрабатывающее предприятие, где из него сделают сырье, которое позже станет стеной в доме или бумагой для принтера. Но на 1 кубометр вывезенной из леса древесины приходится до 500 кг так называемых отходов лесопроизводства: пней, веток, листьев и сучьев. Все это целлюлоза – главный «ингредиент» для получения всех упомянутых далее вещей.

Этанол: из древесины в спирт

Вместо того чтобы выбросить или сжечь отходы, их отправляют дальше, на специальные заводы. Там растительное сырье сначала подвергают гидролизу (расщепляют под действием воды), в результате выделяются сахара. К ним добавляют дрожжи, сахара начинают бродить, превращаясь в этанол, или гидролизный спирт.

Получение сахара из растительного сырья берет начало в 1811 году, когда в Санкт-Петербурге русский химик Константин Кирхгоф изучал производство фарфора и искал доступный заменитель аравийской камеди. На эту роль пробовался крахмал, и, когда Кирхгоф разбавил его водой и добавил серной кислоты, поставив на огонь, получилась густая сладкая масса. Из смеси выделились сахара. Позже, в 1819 году связь между спиртом и «опилками» также обнаружил французский химик Анри Браконно. Тогда он впервые преобразовал целлюлозу в сахара с помощью серной кислоты и воды. Вскоре процесс обрел промышленные масштабы – начали строиться заводы по производству целлюлозного этанола, а затем и гидролизные предприятия. Так из пробирки на лабораторном столе Браконно этанол попал в котлы инженеров-технологов в заводских цехах.

Анри Браконно, walmart.com

Представьте себе гидролизный завод… скорее всего, вы его никогда не видели, так что включайте воображение. Картина примерно такая: в заводских помещениях стоят большие варочные котлы (по-технически – гидролизаппараты). И ждут, когда их «накормят» – погрузят в них отходы лесопроизводства: опилки, древесную стружку или щепки. При этом в котлы постоянно поступает раствор серной кислоты. Под давлением и при температуре 170–185° начинается гидролиз целлюлозы. Вскоре выделяется раствор, содержащий около 4 % сахаров. После его подготовки получается сусло (питательная среда), которое поступает на сбраживание – и с помощью дрожжей становится спиртом.

Если хочется статистики, то из одной тонны древесины (то есть клетчатки) можно вывести около 200 л этилового спирта. Такое же количество получится при обработке полутора тонн картофеля или 0,7 т зерна. Только картофель или зерно нужно посадить и вырастить, а целлюлоза доступна при рубке лесов. Так, каждый миллион литров гидролизного этилового спирта освобождает для питания около 3 тыс. т хлеба или 10 тыс. т картофеля и около 600 га посевной площади.

vit.de

На базе отходов целлюлозно-бумажного и крахмало-паточного производства выращивают кормовые дрожжи. Они идут на корм сельскохозяйственным животным, птице и рыбе. А во времена Ленинградской блокады в городе организовали производство пищевых дрожжей на базе древесных гидролизатов. Также в октябре 1941 года в Ленинградской лесотехнической академии предложили производить гидроцеллюлозу («пищевую целлюлозу») как добавку к ржаному хлебу и белковым пищевым дрожжам.

Биоэтанол: из древесины в топливо

Полученный спирт – это практически готовое «биотопливо второго поколения»: биоэтанол. Сейчас его, в основном, получают из сахарного тростника (Бразилия) и кукурузы (США). Но можно производить его и из растительных отходов: опилок, листьев, шелухи, соломы, кожуры, оставшейся от пищевого сырья. Биоэтанол можно в разных пропорциях добавлять к бензину и использовать как моторное топливо для транспорта. Но если содержание этанола в такой смеси больше 10 %, то двигатель нужно модернизировать, поскольку некоторые материалы в нем могут быть несовместимы с этанолом (например, цинк, свинец, алюминий, латунь и т. д.).

Биотопливо первого поколения производят из пищевого сырья (сахарный тростник и свекла, кукуруза). Биотопливо второго поколения делают из биологических отходов, содержащих целлюлозу. Для биотоплива третьего поколения (этанол и биодизель) сырье выращивают специально: водоросли или другие виды быстрорастущей биомассы. Сейчас оно только на стадии разработки.

Топливо из пищевого растительного сырья имеет один существенный недостаток – приходится занимать посевные площади, и кукуруза или тростник, которые могли бы стать едой, отправляются на производство топлива. У биотоплива из целлюлозы неоспоримый плюс: для него используются «ненужные» отходы, которые могли бы просто сжечь или выбросить.

Завод по производству этанола в штате Айова (США), wikipedia.org

В 2009 году в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences вышла статья экологов из Университета Миннесоты (США), которые изучили стоимость производства и использования разных видов топлива, а также экологические последствия их применения. Цена одного литра бензина составляла 18 центов, литра биоэтанола из крахмала – от 18 до 40 центов, а литр биотоплива второго поколения стоил от 5 до 9 центов. Кроме того, при сжигании целлюлозного топлива в атмосферу выделяется меньше аэрозолей, плохо влияющих на здоровье людей.

Биоэтанол из древесины пока не распространен – лидируют все же сахарно-кукурузные виды. Но из-за них приходится сокращать сельскохозяйственные продовольственные земли в пользу топливных, вырубать леса для создания плантаций, истощать природные ресурсы. Получается замкнутый круг, когда хочется уменьшить экологический вред, но в процессе наносится другой. И как его разорвать, пока неизвестно. Здесь есть важный нюанс – биотоплива могут оказать реально положительный эффект только при реализации глобальной концепции «устойчивого развития». Чтобы не одна-две страны производили биотопливо и заботились о природе, а весь цивилизованный мир задумался об этом, старался уменьшить свой экологический след, контролировал демографические процессы и стимулировал людей на разумное потребление.

Фурфурол – еще один продукт химической переработки растительных отходов: стеблей подсолнечника, соломы, отрубей, шелухи. У него даже ярко выраженный запах хлеба или миндаля. Фурфурол входит в состав антимикробных препаратов, растворителей, сигарет и жидкостей для вейпа, а также твердых смол, которые используются в производстве самолетных и автомобильных деталей.

Ксилит: из древесины в жвачку

Продукты переработки растительного сырья встречаются даже… в жевательных резинках. Тот самый «орбит без сахара» правильнее назвать «орбитом с ксилитом». А ксилит, известный как пищевая добавка Е967, – это сахарозаменитель. Его часто используют в продуктах для людей с диабетом или просто в любых продуктах, на которых нужно сделать маркетинговую пометку «без сахара». Ксилит получают из растений: березы, соломы, кукурузы, шелухи овса и миндаля, или из побочных продуктов производства целлюлозы.

Вот последнее, а еще береза, нас и интересует. Сырье, содержащее ксилан (группа веществ в клеточной стенке растений), гидролизуют до ксилозы (про гидролиз мы уже знаем, а ксилоза – это опять же сахар). Ее отделяют от основной смеси, гидрируют (подвергают реакции с водородом), получая сам ксилит. Завершающая стадия – ксилит очищается перекристаллизацией: жидкий раствор постепенно остужают, из него в осадок выпадают кристаллы «сахара».

Ксилит может быть пищевым и медицинским. Пищевой облегчает жизнь людям с сахарным диабетом, поскольку из всех сахарозаменителей он наиболее близок по вкусу и сладости к сахару, но при этом не повышает его уровень в крови. А медицинский ксилит используют в стоматологии – он входит в состав многих зубных паст и благоприятно действует на эмаль и десны.

Вискоза: из древесины в одежду

Еще один интересный факт: побочный продукт древесины есть на каждом из нас. Из переработанной целлюлозы делают вискозное волокно, из которого сделаны практически весь домашний текстиль и трикотажная одежда. Принцип примерно тот же – на промышленных предприятиях древесную целлюлозу превращают в вискозу. Шаг первый: обработать целлюлозу водным – 16 мин при температуре 45–75 °C. Шаг второй: удалить излишки раствора – получится некая смесь из 30 % целлюлозы и 17 % гидроксида натрия. Шаг третий: спрессовать полученную влажную целлюлозу, измельчить и оставить «дозревать». Шаг четвертый: сформировать из полученной массы нити вискозы. Шаг пятый: отделить все ненужное и высушить вискозное волокно. Шаг шестой: превратить волокно в нити, а нити в ткань. Конечно, это все сопровождается сложными химическими процессами, формулами и терминами, но алгоритм понятен.

Производство вискозы, gazpromhv.ru

После получения вискозы формируют волокна – в цехе прядения вискоза фильтруется и пропускается через аппарат со множеством мелких отверстий. После она поступает в чан с серной кислотой, где вновь получается целлюлоза, но уже в виде длинных волокон, образующих нити. Вискозное волокно легко окрашивается, благодаря чему производители предлагают нам ткани любых расцветок. Но из вискозы не только шьют одежду - из нее делают разные бытовые вещи: губки для мытья посуды, мочалки и даже целлофан (да-да, те самые пакетики делают из древесины).

«Сибволокно». Фото: Виталий Баранов, wikipedia.org

Сиблон – улучшенное вискозное волокно, изобретенное в 1970-х годах. Оно производилось на комбинате «Сибволокно» в Красноярском крае до начала 2000-х годов. Такое волокно получали только из древесины хвойных пород. Оно было в полтора раза прочнее обычной вискозы, устойчивее к щелочам, а ткани из сиблона меньше садились и мялись.Это не все продукты переработки древесины, их гораздо больше – мы назвали лишь те, с которыми большинство из нас хотя бы раз сталкивалось. Именно поэтому так важны технологии биорефайнинга – глубокой переработки древесины: если внедрить их в производство, то польза срубленных деревьев увеличится в разы. Тогда каждая ветка или сук будут давать нам все: от дров до крема для рук.