Зеленая химия: применение возобновляемых ресурсов

1. Зеленая химия — суть, основные принципы и направления Зеленая химия возникла как научное нап-равление в химии в 90-е годы двадцатого века и ориентирована на существенное сокращение влияния на окружающую среду химических производств. Зеленая химия предполагает взве-шенный и тщательно продуманный подход к подбору исходных материалов и разработке схем химических процессов с целью макси-мального исключения использования вредных веществ. В результате исключаются многие стадии уничтожения и переработки вредных побочных продуктов, отходов, удешевляются производственные процессы, снижаются энергои водопотребление, давление на экологию. Все это предполагает разработку новых схем химических реакций и процессов, переход к тонким химическим технологиям, мало-тоннажной химии, что отвечает наиболее перс-пективным направлениям научно-технического, инновационного развития России. В 1998 году и Дж.С. Уорнер в своей книге «Зеленая химия: теория и прак-тика» сформулировали двенадцать уже знаменитых принципов зеленой химии (см. далее), которыми, на наш взгляд, следует руко-водствоваться в исследованиях и работе не только химикам, но и экономистам, менеджерам по проектному финансированию, инвесторам. В этот же период были определены основ-ные направления развития зеленой химии: — новые пути синтеза; — возобновляемые исходные реагенты (то есть получаемые не из нефти); — замена традиционных органических раст-ворителей; — биотехнология и биоинженерия. Тематика всех конференций созданного в 2006 году Международного союза по чистой и прикладной химии (ИЮПАК) подтвердила ука-занные направления развития зеленой химии, из которых, на наш взгляд, наиболее интересными являются: — применение возобновляемых ресурсов в химических процессах; — будущие экологически безопасные «зеле-ные» источники энергии. Например, инновационные исследования в МИТХТ им. под научным руководством профессора на-правлены на создание технологий в области биотоплива из возобновляемой растительной массы, а также непищевой биомассы из микроводорослей (с участием ассоциации «АСПЕКТ»). Что касается возобновляемых ресурсов растительного происхождения, в практическом плане наиболее интересными являются пробле-мы комплексной переработки отходов сельско-хозяйственного производства, причем на стыке различных отраслей. Приведем только один пример. Для стран, сеющих и производящих рис, глобальной проблемой является утили-зация рисовой шелухи. Традиционно шелуха перетирается и добавляется в корм скоту или сжигается. В КНДР, например, НИИ теплотех-ники разработал установку, которая сжигая за один час 100 кг рисовой шелухи, производит 50 кВт электроэнергии. Но есть и другое решение проблемы. Рисовая шелуха содержит до 20% кремнезема. В России, в Институте химии Дальневосточного отделения РАН разработана технология выделения кремнезема из рисовой шелухи (для фармацевтики), а в качестве по-бочных продуктов получают ксилит для диабе-тиков и рисовое масло. Это практически без-отходная технология. В этом же направлении работает ООО «Микроэлемент» (г. Красно-дар, Россия), немецкая компания «Evonik» — производитель высококачественного микро-кремнезема под торговой маркой AEROSIL. При доработке указанной технологии воз-можно получение поликристаллического крем-ния. В этом направлении в России проводились исследования ВНИИ химической технологии Минатома, однако далее наработки нескольких экспериментальных килограммов дело не по-шло. В то же время компания Thermal Technology (США) путем соединения процесса карботермического восстановления с техноло-гией пиролиза биомассы создала технологию переработки рисовой шелухи в кремний «сол-нечного» качества, являющегося основным материалом для солнечной энергетики. Пожалуй, сейчас это самое впечатляющее инновационное достижение в решении проблем утилизации рисовой шелухи. В итоге предложено несколько подходов по переработке возобновляемого сырья с его практи-чески полной утилизацией; в результате примене-ния указанных подходов затронуты фармацевтика и медицина, биология, строительство, химико-металлургический комплекс, новые материалы, производство электроэнергии, солнечная энергетика. Интересны проблемы комплексной перера-ботки бурых водорослей (ламинарии) для полу-чения альгинатов, виноградного жома для полу-чения биодобавок, содержащих ресвератрол, тыквенных, льняных и конопляных семян (масло медицинского назначения и пищевые добавки), а также стебля и волокон лубяных культур. 2. Применение возобновляемых ресурсов в химических процессах (на примере комплексной переработки лубяных культур) Целлюлоза лубяных культур (льняная, ко-нопляная) в настоящее время рассматривается как основной вид сырья для химической, пищевой и медицинской промышленности, а также производства материалов с высокой энергоотдачей в процессе окисления. До насто-ящего времени в качестве исходного сырья для получения целлюлозы использовали дерево (40% содержания, с учетом лесных запасов России — относительная дешевизна, основная ориентация — производство бумаги) и низко-сортный хлопок (линт) с содержанием целлю-лозы 90%. В силу известных причин хлопковое сырье в России становится менее доступно для пере-рабатывающей промышленности в необходи-мом количестве и по приемлемой цене. Хлопок является импортируемым продуктом, и его цена для нужд предприятий, производящих целлю-лозу, составила в настоящее время не менее 3100 долларов за тонну, что привело к умень-шению загрузки производственных мощностей предприятий, в том числе производящих спец-изделия, на 70-80%. С учетом требований ООН по ограничению применения детского (основ-ного) труда при сборе хлопка, себестоимость хлопка будет только расти. Попытки органи-зации производства собственного российского хлопка в условиях Астраханской области и Краснодарского края не привели к должному результату из-за неподходящих для его произ-водства климатических условий этих регионов. Кроме того, хлопок является монокультурой. В этой связи оптимальным решением проб-лемы является использование однолетних лубо-волокнистых растений льна и конопли, которые производятся в различных регионах России (Вологодская, Новгородская, Ярославская, Тверская, Смоленская, Костромская области, Краснодарский и Ставропольский края). В волокнах льна и конопли целлюлозы содер-жится до 80%, а в созданном сорте льна ЛД-10-38-48 — до 87% (в древесине, продукте много-летнего роста дерева и основном сырье для выделения целлюлозы, содержится 40%). Кроме того, цена сырья составляет порядка 500-600 долларов за тонну, при использовании отходов (костры) — и того меньше (20-60 долларов за тонну). Даже с учетом подготовки, очистки и переработки исходного сырья затраты на полу-чение целлюлозы из волокон и костры льна и конопли практически сравнимы с хлопком. За рубежом в последние 5-10 лет наблю-дается настоящий ажиотаж вокруг лубяных культур, создаются крупные правительственные программы, активно участвует частный бизнес. Посевы льна в Канаде составляют 800 тыс. га, Индии — 1.5 млн. га, Аргентине — 1.5 млн. га, Франции и Бельгии — более 80 тыс. га. Реализуются государственные и межгосударст-венные целевые программы «Саксонский лен» (Германия), «Скандинавский лен» (Финляндия, Дания, Швеция), «Южно-Африканский лен». В США и Канаде два специальных института занимаются вопросами комплексной переработ-ки льна. План расширения и развития произ-водства однолетних целлюлозосодержащих растений принят семеркой развитых стран как одна из приоритетных задач ХХI века. В России в 2007 г. посевы льна-долгунца составили всего 74 тыс. га, а в 2009 г. — всего 34 тыс. га. В Краснодарском крае в 2010 г. посевы льна и конопли составили примерно 700 га, в Волгоградской области — 300 га. Средняя уро-жайность льна — порядка 5-6 центнеров с одного гектара. Если оценивать состояние льняной отрасли, то в настоящее время оно характеризуется попытками федерального центра, местных ад-министраций и бизнеса реконструировать либо модернизировать бывшие льнозаводы и комби-наты, а также пеньковые фабрики, восстано-вить посевы лубяных культур с учетом райо-нирования РФ. Например, реконструкция льно-завода в г. Гаврилов-Ям Ярославской области в рамках ФЦП по развитию льняной отрасли в 2008-2010 гг., которая началась с открытия цеха по производству льняного масла и планов по налаживанию переработки льняного волокна и посевов льна на одной тысяче га. Еще рано говорить о тенденции подъема, но уже начинают формироваться благоприятные предпосылки. Формируется программа по восстановлению посевов льна-долгунца. С масличным льном ситуация лучше. Для улучшения ситуации в настоящее время разрабатывается Стратегия РФ по восстановлению льняной отрасли на 2010-2020 годы, включая разделы по комплексной переработке исходного сырья. Причиной фор-мирования таких разделов является то, что несмотря на попытки ряда организаций, про-мышленная технология получения льняной (ко-нопляной) целлюлозы, не уступающей по своим характеристикам целлюлозе, получаемой из хлопка (линта), до настоящего времени не отра-ботана. Это связано с тем, что льняное (коно-пляное) волокно содержит гораздо больше спутников целлюлозы и по своему составу зани-мает промежуточное положение между древе-синой и хлопком. Решение этой проблемы потребовало новых технологических подходов и решений, которые сформировались в инновационном проекте зе-леной химии по разработке безотходной комп-лексной технологии по переработке низко-сортных волокон и отходов льна и масличной конопли в целлюлозу, карбоксиметилцел-люлозу (КМЦ) технического и пищевого назна-чения, микрокристаллическую целлюлозу, медицинскую вату. 3. Инновационный проект зеленой химии «Льняная целлюлоза» (краткое технико-экономическое обоснование) Методология проектного подхода к реали-зации инновационных проектов, а также основные принципы и подходы были исполь-зованы с учетом имеющихся авторских наработок . Основные термины, используемые в проекте по комплексной переработки льна Льняное короткое низкосортное волокно (так называемая «двойка») — результа пере-работки льна масличного (межеумка, кудряша). Исходное сырье для получения льняной целлюлозы. Льняная костра — древесная часть стеблей (тресты) льна, образующаяся как отходы льно-переработки низкосортного короткого льняного волокна. Полисахарид. Целлюлоза льняная (от лат. клетка, то же самое, что клетчатка) — полисахарид, главная часть клеточных оболочек всех высших рас-тений. Самая чистая природная форма целлюло-зы — волокна семян хлопчатника, а также лубяных культур: льна, конопли и др. В проекте рассматривается льняная целлюлоза, произво-димая из низкосортного короткого льняного волокна как альтернатива, заменитель хлопко-вой целлюлозы. Конечным продуктом пере-работки является льняная медицинская вата. Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) — произ-водная льняной целлюлозы. В проекте по пред-лагаемой технологии производится из льняной костры. Используется как стабилизатор консис-тенции. Основным свойством КМЦ является способность образовывать очень вязкий кол-лоидный раствор. Белково-углеводные корма для животных — активно усвояемая форма полисахаридов. В проекте по предлагаемой технологии произво-дятся из льняной костры. Предназначены для откорма животных. Цель проекта — отработка и внедрение промышленной технологии комплексной и углубленной переработки льняного короткого (непрядомого) волокна в целлюлозу, карбокси-метилцеллюлозу (КМЦ), медицинскую вату, белково-углеводные корма для животных. Форма реализации проекта — вновь созда-ваемая инновационная фирма в форме акцио-нерного общества. Основные учредители и акционеры — разработчики и инвесторы. Механизм реализации проекта — орга-низация, производство и сбыт высокорента-бельной продукции. Тиражирование на коммер-ческой основе отработанной промышленной технологии в виде инжиниринговых услуг. Выход инновационной фирмы на самоокупа-емость через два года с момента запуска произ-водства. Суть проекта — создание пилотного произ-водства комплексной и углубленной перера-ботки низкосортных волокон и отходов льна в высококачественную целлюлозу и ее произ-водные. В рамках пилотного производства будет сформирована производственная линия и отработана указанная промышленная техноло-гия, сформированы технологические регламен-ты и состав технических условий производства по комплексной переработке исходного сырья (включая волокно и костру). Особенностями проекта и отрабатываемой в его рамках технологии является: — соответствие проекта и предлагаемой технологии списку приоритетных направлений развития науки, техники и технологий или пе-речню критических технологий РФ, а именно: технологии переработки и утилизации техно-генных образований и отходов; технология экологически безопасного ресурсосберегающе-го производства и переработки сельско-хозяйственного сырья. Применение предлагае-мой технологии позволяет, с одной стороны, использовать низкосортное растительное сырье и отходы и таким образом решать эколо-гическую проблему их утилизации. С другой стороны, предлагаемая технология позволяет осуществить полную переработку исходного сырья (без отходов) в высококачественные продукты с минимальными экологическими нагрузками для окружающей среды; — использование дешевого исходного сырья является важным фактором в создании высоко-рентабельного, конкурентоспособного произ-водства льняной целлюлозы и ее производных; — импортозамещение исходного сырья для производства льняной целлюлозы как альтер-нативы хлопковой. Выпуск на основе льняной целлюлозы отечественной продукции, заменяю-щей по качеству и ценам ввозимую, импортную продукцию. Отличительной особенностью проекта явля-ется также возможность использования в рам-ках предлагаемой технологии в качестве исход-ного сырья конопляного волокна. При этом расчетные экономические показатели проекта су-щественно не изменятся, так как цена конопляного сырья отличается от льняного на 5-10%. Защищенность предлагаемой к реализации технологии Предлагаемая технология была апробиро-вана в 1970-80-х годах отдельными блоками (частями) коллективом под руководством к.т.н. , с участием к.т.н. , к.х.н. и ряда сотрудников ЦНИИЛКА на различных производствах. Были получены экспериментальные данные и результаты, позволившие значительно упростить техноло-гические процессы получения целлюлозы и ее производных, отработать технологические ре-жимы, способы и методы обработки сырья и продукции на промежуточных стадиях, которые и легли в основу имеющихся «ноу-хау». Тех-нология основывается на отечественном обору-довании, скомплектованном особым способом в технологическую линию и эксплуатируемом по отработанным технологическим регламентам и режимам. Для инвесторов практически отсутст-вуют риски, возникающие обычно при выпол-нении НИОКР по созданию нестандартного оборудования или линии, чем страдают в боль-шинстве случаев предлагаемые к реализации инновационные проекты. Описание и сравнительные характеристики продукции, выпускаемой в рамках проекта Льняная целлюлоза Чисто льняная целлюлоза является доста-точно новым продуктом, как для российского, так и для зарубежного рынка. Сравнительные характеристики получаемой и х