Анатолий Клёсов - Интернет: Заметки научного сотрудника

Ближе к делу. Как можно просто и экономически эффективно «обнажить» целлюлозу в растительных материалах и сделать ее более доступной для химических и биологических реакций – это вопрос вопросов биотехнологии целлюлозы. Под растительными материалами в биотехнологии обычно понимают отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности, которые не находят полного спроса и поэтому представляют собой «отходы». Можно механически измельчить, но на это требуется столько энергии, что никакая экономика не выдерживает. Измельчить, скажем, хрупкий уголь – нет проблем. А вот измельчить волокнистую целлюлозу – очень энергоемкая задача.

Химическое разделение целлюлозы и лигнина – давно решенная задача, на этом стоит вся бумажная промышленность. Можно лигнин в раствор, а целлюлозу в осадок. Можно наоборот – целлюлозу в раствор, а лигнин в осадок. Но все это опять же дорого, поэтому бумага и дорогая. Биотехнология отходов такой экономики не выдержит.

И вот приходим к тому, с чего начали эту главу. В 1930-х годах в США был разработан процесс, получивший название процесс Мейсона. Или паровой взрыв растительного сырья. В одном из вариантов он выглядит так. В автоклав закладывают влажные древесные опилки и повышают давление и температуру. Скажем, до 150 градусов Цельсия. Поскольку давление тоже высокое, вода в опилках не кипит. Но если автоклав резко открыть, то вода моментально вскипает в каждой клеточке растительного сырья. Происходит паровой взрыв, и каждую частицу опилок буквально разносит в клочья. Вместо компактной массы опилок имеем рыхлую гору «взорванной» целлюлозосо-держащей массы. Целлюлоза в ней уже частично отделена от лигнина, а более слабый в химическом отношении ксилан вообще разрывается на части и переходит во влагу как в водный раствор. Животные эту массу поедают с большим удовольствием. Поэтому технология Мейсона и нашла немедленное применение в облагораживании кормов в сельском хозяйстве, будь то опилки или солома. О биотехнологии целлюлозы тогда не думали, и целлюлазы еще были практически неизвестны.

На подобном явлении, к слову, основан «попкорн-эффект», – получение воздушной кукурузы.

Прошли годы, настали 1980-е, и канадский исследователь Эдвард Де Лонг посмотрел на процесс «парового взрыва» под другим углом. Не под сельско-хозяйственно-кормовым. А под углом получения чистой целлюлозы для бумажной и химической промышленности, не применяя стадии «варки целлюлозы», как это делают для отделения ее от лигнина.

Если в двух словах, он подобрал условия «парового взрыва», при котором происходит практически полное химическое отделение целлюлозы от лигнина. Физически это смесь, та самая влажная рыхлая масса, но химические связи между ними разорваны. Весь цикл нагревания опилок острым паром и последующего взрыва (сбросом давления) происходит за сорок секунд. В сконструированном Де Лонгом реакторе все происходит автоматически: загрузка опилок в аппарат, вброс пара и соответствующий подъем давления и температуры, сброс давления и моментальный хлопок-взрыв, выгрузка рыхлой массы, и цикл повторяется каждую минуту или даже быстрее. Фактически происходит процесс крекинга растительного сырья. Парокрекинга.

Следующая стадия выглядит еще более впечатляюще. Образованную рыхлую массу загружают в большую стеклянную колонну и пропускают обычную воду. Вода выносит раствор ксилозы тех самых сахаров, которые образовались из слабенькой на удар гемицеллюлозы, а именно ксилана. Это – полезный продукт. Из ксилана можно получать, например, ксилит.

Вторым через колонну пропускают очень разбавленный водный раствор щелочи. Буквально 0.1–0.2 %. И вдруг, как только фронт раствора щелочи касается серо-коричневатой массы в колонне, он тут же темнеет, и эта темная полоса ползет вдоль колонны к выходу. Это идет растворение, экстракция лигнина щелочью и извлечение его из смеси. Продукт – совершенно чистые фрагменты лигнина, оторванные от целлюлозы парокрекингом, без участия химических реагентов. То же самое – фрагментация и извлечение лигнина – происходит при «варке» целлюлозной пульпы для производства бумаги, миллионами тонн, но какое различие! «Варку» производят сильными химическими агентами, с чудовищным загрязнением среды (помните старую байкальскую историю? Да она происходит на любом целлюлозно-бумажном комбинате), которое приходится «нейтрализовать» сложными технологическими приемами и созданием дорогих служб на комбинатах. Наконец, лигнин при этом получается «мертвым», совершенно обезображенным, «скукоженным», не имеющим почти ничего общего с исходным природным лигнином.

А процесс Де Лонга, повторяю, эфективен, практически никакой химии, влияние на окружающую среду несравнимо меньше, чем современных промышленных процессов. Просто до невероятности. Опилки, пар, мягкое отделение лигнина от целлюлозы, колонная экстракция водой и слабой щелочью. В колонне остается практически чистая целлюлоза. Она чуть подпачкана следами темного лигнина, но если пропустить слабенький отбеливающий раствор, например перекись водорода, в колонне остается белоснежная целлюлоза. Которой опять же химия практически не касалась, и поэтому целлюлозные волокна Де Лонга необычайно длинные и прочные.

Поначалу процесс Де Лонга встретили – на местном уровне – с энтузиазмом, и он получил муниципальный грант, который позволил ему построить пилотную установку с масштабами переработки нескольких тонн целлюлозного сырья в день. И вдруг после успешной демонстрации процесса Де Лонг произнес роковые слова: «новый процесс получения целлюлозы для бумаги». И еще: «упрощение технологии производства бумаги». И еще: «повышение эффективности производства при меньшей численности занятых на производстве». Надо знать, что эти слова были произнесены в Канаде. Где из 30 миллионов населения два миллиона занимаются производством бумаги.

Вы представляете, что такое перестроить структуру производства, в которое вовлечены миллионы людей? Существенная доля населения страны? Тем более когда эта перестройка грозит сокращением числа занятых на производстве? Это потрясение основ. Это напрашиваться на социальные катаклизмы. Это анафема.

Анафема и случилась. В разгар испытаний грант Де Лонга был упразднен, деньги прекратили поступать. Де Лонг вложил в продолжение испытаний практически все свои личные средства, переехал из Нью-Брансвика (канадская провинция) в более дешевую Альберту (другая, дальняя канадская провинция), перевез туда реактор и продолжил испытания. Его единственные сотрудники – это его взрослые дети, два сына и дочь. Но официальные лица стали обкладывать Де Лонга со всех сторон. Звучит сегодня невероятно, но так произошло совсем недавно, в 1980-х годах.