Зеленая химия как научное направление, возникла в конце XX века. В ее основе лежит идея, что новые схемы химических реакций и процессов должны сократить влияние химических производств на окружающую среду. Специалисты ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» не отстают от мировых трендов. О перспективах зеленой химии в Красноярске рассказывают директор Института химии и химической технологии СО РАН Оксана Павловна Таран и старший научный сотрудник ИХХТ СО РАН Юрий Николаевич Маляр.

О том, как принципы «зеленой химии» влияют на развитие науки и промышленности рассказывает доктор химических наук, профессор РАН, директор Института химии и химической технологии СО РАН Оксана Таран.

Большинство процессов, которые разрабатывают исследователи нашего института, основаны на принципах «зеленой химии». Они базируются на нескольких положениях: использование более безопасных растворителей и реагентов; работа с возобновляемым растительным сырьем в области органической химии и каталитических реакций; использование физико-химических основ переработки природного органического сырья, включая растительную биомассу; «экономия атомов», то есть уменьшение количества реагентов, как идеология новых реакций и процессов.

Начнем с основ. Химическая технология — это очень сложный процесс. Только 5-7% разработок находят свое применение в реальном производстве. Это характерно для передовых стран и лучших условий, отличных от наших с недофинансированием и выживанием. В 90-е годы в российской науке был провал, тогда многие считали, что купить технологии проще, чем развивать собственную науку. Это привело к спаду технологических запросов от предприятий. Ведь даже малотоннажная химия — это миллиардные инвестиции. Сейчас мировой тренд на возобновляемые энергетику и сырье для химической промышленности дошел и до Красноярского края, где огромные запасы возобновляемого сырья.

Мы стали получать больше заказов, но не стоит забывать, что и предприятия сталкиваются со своими сложностями. Чтобы внедрить новую технологию, компаниям приходится менять технологические процессы. Это сложно и дорого. Химическая технология проходит очень много этапов: от лабораторного опыта до укрупненной лабораторной установки, пилотной установки, далее опытно-промышленной установки и только потом большого промышленного реактора. Не все, к сожалению, это понимают. В конце прошлого века был тренд на математическое моделирование химических процессов, и казалось, можно будет сразу перейти от пробирки к колонне. Какие-то элементы новой технологии можно смоделировать, но на практике химическая технология все равно должна пройти все обозначенные выше этапы.

Такая отрасль как медицинская химия оперирует меньшими объемами сырья и готового продукта, здесь не нужен крупный реактор. В нашем институте ведутся активные работы по поиску и тестированию биологически-активных веществ, выделяемых из природного органического сырья. Но и в этой сфере есть свои проблемы на пути внедрения. Казалось бы, что после того как получена биологически-активная молекула, можно проводить биотестирование и отдавать ее фармацевтической компании в производство. В реальности до стадии массового производства необходимы доклинические и клинические испытания, на которые нужны миллиардные средства.

От нефти к древесине

Прошлый век был веком развития нефтепереработки. Появились новые процессы и технологии, которые позволили получить огромное количество различных продуктов из нефти. Это топлива, пластики, резины, химические волокна, адгезивы и многое другое. В принципе, из растительной продукции можно сделать даже больше продуктов, чем из нефти. Например, кроме топлива и полимеров, выделять различные биологически активные вещества. Но, к сожалению, перенести все технологии из нефтехимии на растительное сырье невозможно.

За миллионы лет в толще земли при высоких температурах и давлении нефть, как органическая субстанция, избавилась от кислорода. Растительное сырье содержит существенное количество кислорода. Для него требуются совсем другие растворители — вода и спирт, в которых нефть нерастворима. То есть большую часть технологий, разработанных для нефтехимии, невозможно применить к биотопливу. Для этого нужны новые технологии, новые катализаторы, новые процессы.

Когда будет достигнут баланс между стоимостью нефти, ее переработкой и стоимостью аналогичных процессов для растительного сырья, мир перейдет на биотопливо и биологическое сырье. Уже сейчас разработано большое количество технологий, но они пока не выдерживают ценовой конкуренции. Другая проблема связана с различиями в транспортировке сырья. Жидкую нефть в больших количествах можно транспортировать от места добычи до места переработки по трубам, а вывоз опилок, скажем, из Лесосибирска — это отдельная задача. Возить автомобильным транспортом эту биомассу экономически невыгодно. Наиболее очевидный вариант решения задачи — это переработка сырой продукции прямо на месте, но есть и другие подходы.

21 век будет веком biorefinery

Если прошлый век был веком переработки нефти (refinery), то XXI век станет веком переработки биомассы (biorefinery). Biorefinery или комплексная переработка биомассы подразумевает экстракцию всех полезных веществ, например, из древесины. Из нее будут извлекаться биологически-активные вещества, в частности, лигнин будет перерабатываться в востребованные ароматические соединения, из которых можно получать пластики, топливо и прочее. Раньше на ЦБК и гидролизных заводах лигнин считался обычным отходом. К сожалению, пока у нас биодобавки делают отдельно, фанеру отдельно, древесный спирт отдельно. В результате получение биотоплива и биохимикатов не может конкурировать с нефтехимией. Если же объединить производство всех продуктов в одном месте, то оно станет окупаемо.

Сейчас распространено мнение, что 21 век будет веком biorefinery, и к его концу человечество будет получать из различной растительной биомассы такие продукты как жидкое топливо, энергию, химикаты, пластики, лекарства и многое другое. В том числе из отходов сельхозпроизводства. На недавнем нефтехимическом конгрессе в Татарстане звучали разные точки зрения. Некоторые эксперты говорят, что нужно продолжать больше вкладывать в добычу нефти. Важно помнить, что в двух таких странах, как Индия и Китай, нет нефти, но есть более двух миллиардов жителей. В этих странах образуется много отходов сельского хозяйства и смежных производств. Когда Китай и Индия научатся производить из этих отходов топливо, различные виды пластика, химические вещества и растворители, тогда наша нефть им будет не нужна. Как минимум необходимо глубже перерабатывать нефть. Мы продаем сырую нефть, а иностранные МПЗ могут перерабатывать ее в сотни продуктов, которые мы потом у них до последнего времени покупали. Сюда относятся такие привычные всем вещи как липкая лента, клей, присадки и прочее.

На последнем Азиатско-тихоокеанском конгрессе по катализу две трети выступлений было посвящено теме biorefinery. В этом регионе опыт переработки растительной биомассы накапливают бешеными темпами. Индия и Китай идут в этом направлении широким фронтом — нам уже догонять приходится. По медицинской химии мы уже тоже отстаем от Индии и Китая. Хотя первые работы в направлении переработки древесной биомассы в жидкие топлива и химические вещества был сделаны в России еще в прошлом веке. В СССР было более 40 гидролизных предприятий, а сейчас в России остались единицы. Гидролизный завод в нашем регионе, в Канске, был обанкрочен в 2010 году. Ангарский гидролизный завод в соседнем регионе сейчас в положении выживания. На этих и подобных предприятиях получали этиловый спирт, фурфурол, кормовые дрожжи, а лигнин оставался в отходах. В Красноярске кроме гидролизного был и целлюлозно-бумажный комбинат. То есть вся основа для biorefinery, комплексной переработки растительного сырья была. Нужно было только внедрять новые технологии. Оборудование для химической промышленности стоит огромных денег, имевшееся оборудование можно было бы использовать. Теперь придется все создавать заново. 

Больше санкций хороших и разных

Предприятия к новым технологиям подталкивает рынок, а также, как ни странно, санкции. Бизнесу, как и государству, пришлось обратить внимание на отечественную науку в условиях невозможности покупать технологии за рубежом. Хотя, в российской науке не так хорошо отлажены коммерческие процессы. Институты и люди у нас в России, по меркам западного рынка, работают за копейки. Академический институт не может позволить разрабатывать химические технологии готовые к продаже «под ключ». Это невозможно, потому что у академического института для отработки технологии на опытно промышленном уровне нет необходимых ресурсов. Необходимы специальные компетенции и средства для проектирования и создания установок, которых в академических институтах практически нет.

За последние несколько месяцев некоторые крупные компании делали рассылки по химическим институтам со списками до сотен позиций импортозамещения. Выяснилось, что многое в стране мы не выпускаем. Кое-что из этого списка мы берем в работу. Но на любую разработку, тем более с нуля, требуются время и ресурсы. Хотя, как выясняется, не всегда это нужно. Например, одна татарская компания в качестве продукта импортозамещения запросила канифоль. Мы спросили, чем их не устраивает канифоль из Лесосибирска, где есть ее производство. Оказалось, они даже не знали, что там ее выпускают, не знали, что можно доработать технологию, если не устраивает качество продукта. Больше санкций хороших и разных.

Приоритетные направления красноярской зеленой химии

Основываясь на принципах «зеленой химии», мы разрабатываем научные основы химических технологий переработки как органического, так и неорганического сырья. Все институты имеют исторически сложившиеся научные направления. Направления в химии, на которых мы специализируемся следующие:

- физико-химические основы новых экологически безопасных металлургических и химико-технологических процессов комплексного извлечения целевых продуктов из поликомпонентного сырья;

- физико-химические основы процессов глубокой переработки природного органического сырья, включая растительную биомассу и бурые угли.

Гидрометаллургия — это одно из наиболее важных направлений для нашего института. Сотрудники, работающие в этом направлении, имеют большой опыт разработки основ технологий извлечения редкоземельных металлов из руд методами растворения и экстракции. Месторождений редкоземельных металлов в мире не так много, они трудно перерабатываемые, а цены на редкоземельные металлы растут в связи с развитием электроники.

Кроме того, имеются наработки по технологии переработки попутных рассолов нефтедобычи, в которых тоже много «вкусного», включая литий, бром и другие стратегически важные элементы. Это тоже очень перспективно, потому что в Красноярском крае много таких рассолов. Раньше их извлечение и переработка были невыгодны нефтяным компаниям. Сейчас, в связи с экспоненциальным ростом цены на литий, становится непонятно, что лучше извлекать из недр: нефть или рассол. Сразу встает вопрос о технологии их переработки.

Иногда новые возможности возникают там, где не ждешь. Например, «Норникель» недавно объявлял конкурс «Палладиевый вызов», но его приостановили в связи с международной ситуацией. Оказывается, перед промышленностью стоит вопрос о перспективах продажи палладия. Это вызвано ростом рынка электромобилей и сокращением количества автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, для которых производятся катализаторы, содержащие палладий. Значит нужны новые технологии с использованием палладия.

В связи с трендом на биотопливо у нас есть контакты с нефтехимическими компаниями. Для того, чтобы работать с партнерами в разных странах, где более предпочтительно топливо с пометкой bio, компании пытаются внедрять продукты из растительного сырья. Сибирское отделение РАН активно сотрудничает с нефтехимической компанией «Татнефть». Это пример компании, где дело даже не в рынке, а в прогрессивном руководстве. Они активно разрабатывают новые технологии, поддерживают свою науку, поддерживают науку в стране. Другие компании из нефтехимической отрасли тоже постепенно делают шаги по направлению «зеленых технологий», но не так активно, как «Татнефть».

Сейчас работаем по договору с ООО «СВЕЗА-Лес» — крупнейшим производителем березовой фанеры в России. Компания входит в группу компаний «Северсталь». Разрабатываем отечественную замену пробковому материалу, из которого делают пробковые полы, стены и так далее. Пробковый дуб у нас в России не растет, а вот березы много. У этого крупного производителя большое количество кородревесных отходов, они не токсичны, их можно использовать, например, для создания разных материалов. Так же мы можем из бересты извлекать бетулин и бетулоновую кислоту. Таким образом, мы не только сможем предложить для рынка материал вместо импортного, но и решить вопрос утилизации кородревесных отходов на различных фанерных заводах.

Медицинская химия — перспективное направление. У нас в крае огромное количество лесов, соответственно, в процессе лесозаготовки и лесопереработки образуется огромное количество отходов. Вплоть до 50 % от массы заготовленной древесины уходит в отходы. Из таких отходов можно выделять дигидрокверцетин лиственницы, арабиногалактан лиственницы, биологически активные вещества из березы. В Красноярском крае больше всего леса в мире, где еще, как ни здесь, получать эти потенциально важные химические продукты из растительной биомассы. Переработка растительного сырья — это химические вещества, биотопливо, биологически активные вещества для питания, медицины, ветеринарии, новые органические, композитные, наноматериалы и так далее.

О своих разработках мы стараемся рассказывать на специализированных форумах и конференциях, где собираются представители предприятий. Иногда нас находят по научным трудам. Ведь часто сотрудники R&D департаментов промышленных компаний — это бывшие ученые. Мы стараемся не сидеть на месте и использовать все возможности.

Не последнее место в нашем развитии занимают кадры. Нужно, чтобы молодежь понимала важность, нужность, перспективность работы. Сейчас выпускники вузов, к сожалению, очень редко идут в науку. А нужны специалисты высокого уровня, которые могут новые технологии разрабатывать, а не только использовать. У нас несколько базовых кафедр в СФУ, сотрудники работают преподавателями в СибГУ им. М.Ф. Решетнёва. Чтобы привлечь молодежь берем магистрантов на ставки инженера, студентов привлекаем к работе по грантам и договорам. Сейчас планируем создать молодежную лабораторию с тематикой разработки новых «зеленых» материалов для космической и гражданской отраслей. Надеемся, руководство одобрит эту идею.

Какие перспективы видят для себя в «зеленой химии» молодые ученые рассказывает кандидат химических наук, старший научный сотрудник, председатель совета молодых ученых ИХХТ СО РАН Юрий Маляр, представляющий направление глубокой переработки возобновляемого сырья.

Наш отдел переработки биомассы занимается получением новых материалов по двум крупным направлениям. Первое — извлечение из природных веществ аналогов того, что сейчас делают из нефти. Второе — фракционирование древесины, которая состоит из различных компонентов, и выделение из нее различных веществ.

Этими направлениями в институте занимаются три лаборатории: химии природного органического сырья под руководством доктора химических наук профессора Бориса Николаевича Кузнецова, физико-химических методов исследования материалов под руководством доктора химических наук доцента Николая Васильевича Чеснокова и каталитических превращений возобновляемых ресурсов под руководством доктора химических наук профессора РАН Оксаны Павловны Таран. Каждая лаборатория работает по своей тематике, но есть и пересечения. Поэтому у нас скорее не разные лаборатории, а большая команда, которая занимается разработкой разных направлений.

Одно из веществ, которым мы углубленно занимаемся — это бетулин. Его активно изучают уже лет тридцать из-за перспективной биологической активности, но до сих пор не могут внедрить. В мире проведено очень много исследований, получено несколько тысяч производных бетулина. Проблема в том, что это вещество и его производные плохо растворяются в воде. Их сложно донести до нужной точки организма. Также внедрению любого препарата или соединения в сферу медицины предшествуют испытания — это процесс с очень большой стоимостью и растянутый во времени на 10-15 лет.

Другой вопрос в том, что, с одной стороны, у нас есть патенты и производные бетулина, но часто заинтересованными лицами становятся те, кто производит препарат-конкурент. Они готовы заплатить деньги, чтобы то, что мы разработали никуда не пошло. Зачем модернизировать свое производство и тратить на это деньги, пока не появился конкурент, который делает лучше? Но ситуация постепенно меняется.

На стыке фундаментальных исследований и практики

В прошлом году у нас вышла обзорная статья, информация о которой широко разошлась в СМИ. Представители одной из компаний, производитель БАДов, обратили внимание на эту разработку, заинтересовались развитием темы и обещают провести доклинические испытания.

Сейчас мы исследуем вместе с доктором биологических наук, ведущим научным сотрудником Национального медицинского исследовательского центра гематологии Минздрава России Натальей Николаевной Дрозд влияние сульфатированных полисахаридов, полученных в нашем институте, на некоторые факторы свертываемости крови. Гепарин, который используется в качестве антикоагулянта сейчас, нуждается в замене, потому что дает много побочных эффектов. Предпринимаются попытки разработать стандартизированный процесс, который уберет негативные факторы гепарина. Один из подходов — получение сульфатированных полисахаридов, которые могут проявлять антикоагулянтную активность.

Антикоагулянтными свойствами могут обладать и сульфатированные производные лигнинов. С использованием модифицированной методики нами синтезированы новые образцы сульфатированных лигнинов. Коллеги-медики уже проводят эксперимент, где с фармакологической точки зрения исследуются несколько факторов свертываемости крови, на которые могут оказывать влияние наши вещества. Планируется установить, как химическая структура влияет на тот или иной компонент крови. Несомненным плюсом таких исследований является их междисциплинарность и практическая направленность. Радует, что есть точки соприкосновения, что исследование интересно и химикам, и медикам.

Также совместно с НМИЦ гематологии Минздрава России и Институтом высокомолекулярных соединений РАН мы написали междисциплинарный грант РНФ. Нашли общие интересы, общие подходы, где коллеги нам помогут в выполнении более прикладных задач. С нашей стороны — это фундаментальные исследования метода выделения полисахаридов, методы их модификации. Коллеги займутся получением функциональных материалов, которые будут исследованы на возможность мдицинского применения. Работа межрегионального научного коллектива планируется под руководством доктора химических наук Светланы Алексеевны Кузнецовой.

Молодые ученые вовлечены и в другие междисциплинарные проекты. Например, с Красноярским научно-исследовательским институтом сельского хозяйства мы занимаемся разработкой удобрений, испытываем их в полевых условиях. Есть и работы по экологическому направлению. Мои коллеги участвуют в Большой норильской экспедиции, где занимаются анализом загрязнений в донных отложениях и почве. Подобные исследования и отработка сопутствующих методик перспективна, потому что многим заказчикам интересна экологическая экспертиза или анализ образцов с целью поиска каких-то компонентов. Так мы решаем и прикладные задачи и, развиваем фундаментальную науку.

Сейчас думаем о создании молодежной лаборатории, занятой разработкой новых материалов с уникальными свойствами. Возможно в рамках этой лаборатории мы сможем выполнять сторонние практические заказы. Надеемся, что это будет возможно при трехсторонней поддержке нашего ФИЦ, Института цветных металлов и материаловедения СФУ и СибГУ науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнёва. Наш академический институт и новая лаборатория может стать одним из важных участников длинной цепочки от азов в виде фундаментальной науки, укрупнения, промышленной установки и передачи промышленному заказчику до конечного потребителя. Если удастся построить такой цикл в Красноярске, то будет отлично.