Команда проекта «Морские экофермы» взяла интервью у Михаила Плетнева — химика-технолога, доктора химических наук, эксперта Российской академии наук

ㅤㅤㅤ— Как и почему вы заинтересовались водорослями?

ㅤㅤㅤ— Все началось с биотоплива: был интерес к развитию биотопливных технологий, сначала в основном с использованием растительного и отходного масличного сырья. В нулевые годы на это был спрос. Тогда, в 2007−08 годах, многие российские фирмы купили мой отчет по биодизелю, в частности, Нижегородский масложировой комбинат, ГК ЭФКО и ряд других компаний. Но в 2008-м грянул кризис, и всё это изрядно подувяло. Хотя во многих странах интерес к биотопливу сохраняется.
ㅤㅤㅤНачиная заниматься этим вопросом, я пришёл к выводу, что лучшее из пищевого сырья здесь — масличная пальма. Она самая продуктивная, пальмового масла в мире производится много, поэтому с ней достаточно трудно конкурировать. Но недостаток в том, что она вытесняет тропические леса, являющиеся «легкими» планеты и, как и другие масличные культуры, растет на пахотных землях. А чем больше мы занимаем пахотные земли растительной биомассой, предназначенной для технических, а не для пищевых нужд, тем хуже: ведь пахотных земель не хватает. Поэтому подумали: почему бы не попробовать использовать водоросли, которые активно синтезируют триглицериды? Хотя эти триглицериды, конечно, специфические, они несколько отличаются от тех, которые производятся наземными культурами. Тем не менее, они пригодны и для производства биотоплива.
ㅤㅤㅤЕсть водоросли (в основном это микроводоросли), которые производят до 30−40 % масел от своей биомассы, и это масло годится для производства биотоплива. Делались опытные партии, некоторые авиакомпании даже совершали опытные полеты на таком водорослевом биотопливе, добавляя его к обычному авиационному керосину. Неприхотливых водорослей, активно продуцирующих масла, выявлено около десятка.
ㅤㅤㅤВ то же время выяснилось, что биотопливо выгодно делать в том случае, если попутно производить какие-то высокотехнологичные дорогостоящие продукты для фармации и косметики, пищевые красители и биодобавки. Это продукты с высокой добавленной стоимостью, поэтому в целом переработка биомассы оказывается более прибыльной.
ㅤㅤㅤАктивные работы начались в 90-х годах прошлого века. Этим интересовались многие компании. Все крупнейшие производители биотоплива сейчас находятся в Европе и США. Это, в частности, финская Neste, Shell Renewable Diesel, ADM and Renewable Energy Group. Они разрабатывают именно водорослевые технологии и создают совместные предприятия с компаниями, которые специализируются на выращивании водорослей.
ㅤㅤㅤДля производства топлива необходима достаточно высокая продуктивность, создание промышленных биореакторов. Чаще всего это трубчатые биореакторы, где происходит непрерывная циркуляция и подведено достаточно света и тепла. Кроме того, используется и выращивание водорослей в открытых бассейнах и в прибрежной зоне, в специальных садках, где циркуляция происходит просто под солнцем. Но тут труднее контролировать температуру, и нет возможности подогрева. Такие микроводорослевые фермы сейчас существуют в основном в экваториальной зоне, где стабильно теплая вода. Если же температура воды ночью падает до 20−21 °С, то резко снижается продуктивность, а стало быть, выращивание водорослевой биомассы становится нецелесообразным.

ㅤㅤㅤ— Как еще можно использовать водоросли?

ㅤㅤㅤ — Разные виды водорослей используются давно. Самая древняя история — наверное, у японцев и китайцев, которые широко употребляют их в пищу, в виде той же морской капусты. Из водорослей выделяют различные ингредиенты, производят пищевые красители и биоактивные добавки. Ну, а для технических нужд, для производства того же биотоплива или биопластика необходимо крупнотоннажное производство. Таких крупных производств в мире до сих пор нет, только опытные.

ㅤㅤㅤ— Эти технологии себя оправдывают?

ㅤㅤㅤ— Скажем так: они на грани окупаемости, но пока еще не способны себя окупить. Трудно конкурировать с нефтегазовым сырьем. С другой стороны, есть крупные водорослевые фермы, например на Гавайях, которые в достаточно больших количествах выращивают сырье для производства биодобавок. Вот они экономически целесообразны: это выгодно.
ㅤㅤㅤЕсть такая водоросль Botryococcus braunii. Она, помимо того, что синтезирует триглицериды, еще и производит ненасыщенные углеводороды, причем в огромных количествах — 50%, а то и больше от собственной массы. И по мере того, как этот углеводород синтезируется, она всплывает и плавает на поверхности океана, и даже имеет «керосиновый» запах, характерный для ненасыщенных углеводородов. Их можно напрямую перерабатывать в биотопливо или выделять оттуда углеводороды, типа сквалена, которые используются в фармации и в производстве косметики.

ㅤㅤㅤ— Давайте подробнее поговорим о производстве биотоплива. Из чего его можно производить?

ㅤㅤㅤ— Кстати, впервые биодизельное топливо использовал сам инженер Рудольф Дизель в начале прошлого века: он взял растительное арахисовое масло и заправил им двигатель, который сконструировал и запатентовал. Тогда использовались именно масла.
ㅤㅤㅤСейчас биотопливо производят из рапса, подсолнечника, отходных масел, а также из водорослей. Технология примерно одна и та же. Когда водоросль или растение набирает достаточную масличность, все это собирается, концентрируется, водоросли обезвоживаются. Эту массу измельчают, разминают, а потом производят экстракцию масличного сырья. Масло экстрагируется обычным углеводородным растворителем, высушивается и переэтерифицируется метанолом. Сами по себе масла и жиры — это триглицериды жирных кислот, и они слишком тяжёлые для того, чтобы напрямую использоваться в качестве дизтоплива. Для того чтобы уменьшить молекулярную массу, необходима реакция переэтерификации, то есть взаимодействие с метанолом или иным спиртом; при этом высвобождается глицерин. Глицерин - тоже товарный продукт. Если его аккуратно очистить, то это будет глицерин фармацевтического качества, и его можно использовать в органических синтезах и в косметической отрасли как увлажняющий агент.
ㅤㅤㅤМетиловые эфиры жирных кислот — это и есть биодизельное топливо. Европейский биодизель — в основном на рапсе и подсолнухе, а также на отходных маслах. Пробуют делать и на масле ятрофы, но это уже больше в средней и южной полосе. Ятрофа — высокопроизводительная техническая культура, и она хороша тем, что не конкурирует с производством продовольствия за пахотные земли, так как ее можно выращивать на обеднённых почвах.
ㅤㅤㅤЮго-Восточная Азия производит метиловые эфиры жирных кислот на пальмовом масле. Это самая продуктивная наземная культура, с которой трудно конкурировать и масличному рапсу, и сое, и подсолнуху. Но пальма всё равно в десятки раз уступает микроводорослям по продуктивности. Микроводоросли синтезируют масло буквально за считанные дни: десять дней, максимум две недели - и уже можно собирать урожай. А рапс, например, нужно выращивать три месяца!

ㅤㅤㅤ— Насколько сложен процесс производства биотоплива? Окупаются ли вложения в такое производство?

ㅤㅤㅤ— Это до сих пор не окупаемо и дотируется. Это высокотехнологичные процессы, которые ещё только в стадии освоения, особенно это касается биотоплива нового поколения (типа NEXBTL). Крупных современных производств, сопоставимых по мощности с НПЗ, пока нет.
ㅤㅤㅤМногие производства могут окупаться лишь за счёт тех культур, которые вырабатывают что-то подороже, скажем, пищевые красители и биодобавки. Есть комплексные проекты производства масла, вместе с различными биодобавками и фармацевтическими субстанциями. В фармацевтике используются в основном антиоксиданты, которые тоже можно выделять из водорослей. Производят ещё корма для рыб и домашнего скота с высоким содержанием белков и углеводов — уже после извлечения масел, которые идут на биотопливо.
ㅤㅤㅤТакже отжимки могут использоваться как биоудобрение. Есть и технологии производства биопластиков (тех же полилактатов и полигидроксибутиратов) на основе водорослевых культур. Но всё это пока ещё не очень развито - встаёт вопрос конкурентоспособности и масштабирования производства. Одно дело — вырастить водоросли в небольшом фотобиореакторе, а другое — перевести это в крупнотоннажный процесс. Чем больше объём производства, тем выгоднее, тем меньше удельные затраты на производство.

ㅤㅤㅤ— Но помимо выгоды, это же спасение нашей планеты, которая чудовищно засорена пластиком. А заводы, производящие пластмассы, выбрасывают в атмосферу до 400 миллионов тонн CO2 в год! Известны ли вам случаи, когда люди вопреки собственной выгоде занимались чем-то, что помогает окружающей среде?

ㅤㅤㅤ— Такого рода проекты существуют, например, используются при комплексной очистке бытовых и промышленных сточных вод. Водоросли пробовали применять для поглощения атмосферных выбросов фабрик и ТЭЦ: углекислый газ, сажу и прочие загрязнители атмосферы можно направлять к лоткам с водорослями и барботировать через воду. И эти выхлопы, кстати, могут служить пищей для водорослей, для наращивания биомассы.
ㅤㅤㅤКроме того, выхлопы ТЭЦ — они же горячие, так что за счет этого решается и проблема с обогревом, можно регулировать температуру, чтобы не падала производительность. Таким образом, одновременно происходит и очищение выбросов, и наращивание биомассы водорослей, которую потом можно использовать для производства различных полезных вещей. Правда, надо как-то отделить тяжелые металлы, которые образуются, например, после сжигания угля. А вся остальная биомасса годится для того, чтобы делать продукты, востребованные рынком. Такую технологию использовали в Европе, США, Азии. Эти проекты и сейчас пытаются реализовывать, ведь некоторые предприятия штрафуют за чрезмерные выбросы, а это как раз решение экологических проблем: уменьшаются выбросы углекислого газа и прочих загрязнителей в атмосферу, улучшается экологическая обстановка в регионе. Но это сложный процесс, требующий очень дорогого специального оборудования, и серийного производства такого оборудования нет, пока это штучное производство.
ㅤㅤㅤЧто касается пластиковых бытовых отходов, то это — отдельная тема. В развитых странах эта проблема постепенно решается внедрением ресайклинговых технологий: 1) на стадии производства пластмасс и изделий, в изготовлении которых используется б/у (вторичный) пластик; 2) путем раздельного сбора бытовых отходов в специальные контейнеры с дальнейшей сепарацией пластика по видам, его измельчением и очисткой на МПЗ, благодаря чему ему возвращается товарная стоимость; 3) путем просвещения потребителя, начиная со школьной скамьи. Чтобы, например, сократить поток отходов мелкого пластика, загрязняющего окружающую среду, в странах ЕС пробки пластиковых бутылок и пакетов «Тетрапак» теперь делаются неотделимыми от тары, что облегчает их вторичную переработку. Для несортированного и трудно идентифицируемого пластикового мусора используются технологии пиролиза и гидрокрекинга, конвертирующие его в жидкое топливо.

ㅤㅤㅤ— Можно ли использовать водоросли для очистки сточных вод?

ㅤㅤㅤ— Водоросли давно используются в биохимической очистке сточных вод. Это так называемый «активный ил», куда могут входить и водоросли, но в основном это бактерии и грибы. Это симбиоз микроорганизмов, которые способны очищать бытовые и даже промышленные стоки, если они не слишком токсичны для активного ила. При этом также идёт наращивание его биомассы, происходит биологическое очищение и фотохимическое окисление загрязнителей воды. На выходе вода оказывается более чистой, без загрязнителей.

ㅤㅤㅤ— А могут тут помочь биосанитарные фермы водорослей, например, той же цистозиры, которыми занимается KELP FARMS?

ㅤㅤㅤ— Да, в месте сброса очищенной сточной воды можно, конечно, поместить водорослевую ферму и дополнительно очищать воду. Я знаю, что есть такие системы доочистки с помощью зеленых и бурых водорослей и микроводорослей, хлореллы или спирулины, например. Всё это очень развито в Японии и Китае. Ряд водорослевых проектов развивается в Испании. Вообще, в сфере использования водорослей для биоремедиации, для производства биотоплива и прочих субстанций на первом месте по числу патентов сейчас китайцы: это примерно 70% патентов.

ㅤㅤㅤ— А какие виды водорослей более всего пригодны для производства косметики, и какой?

ㅤㅤㅤ— На базе водорослевых ферм, которые существуют в той же Японии, производятся ферменты, омега-3 жирные кислоты, антиоксиданты, пищевые красители и прочие ингредиенты. А поскольку там не слишком тёплое море, японцы создали несколько водорослевых ферм на Филиппинах. Пожалуй, наиболее широкий ассортимент косметических ингредиентов и БАД из водорослей — у гавайской компании Cyanotech - Nutrex. Она в качестве продуцента использует, в частности, спирулину и Haematococcus pluvialis.
ㅤㅤㅤС использованием ингредиентов, выделяемых из водорослей, производится и лечебная, и обычная косметика: косметические кремы, сыворотки, лосьоны с функцией антиоксидантов, питания и увлажнения кожи, а также биоактивная антивозрастная косметика. В косметические рецептуры часто вводят каротиноиды и токоферолы, и есть водоросли, которые заточены под их производство.

ㅤㅤㅤ— Вот, допустим, есть водорослевая ферма - что тут можно произвести, от начала и до конца, если по максимуму ее использовать?

ㅤㅤㅤ— Мы уже много говорили о масляной компоненте, которая хороша для производства биотоплива. Также известно, что из масла водорослей делают компоненты натуральной косметики, такие как эмульгаторы и эмоленты. Второй компонент — это полисахариды, вещества типа крахмалов. Расщепляя их, можно выделять сахара и делать натуральные подсластители, заменители сахара, менее калорийные, чем сахароза.
ㅤㅤㅤЭто и целлюлозные компоненты, и различные компоненты второго плана, которые водоросли синтезируют как фильтры для собственной защиты от чрезмерного солнца: хлорофилл, красные, желтые фильтры, поглощаютщие ультрафиолет. Эти биоактивные компоненты тоже используются в косметике: и как солнцезащитные, и как выравнивающие тон кожи, снижающие кожные раздражения и воспалительные процессы.
ㅤㅤㅤНатуральные красители — это как раз дорогостоящие продукты: скажем, те, которые используют в кулинарии для украшения тортов и пирожных. Наверное, некоторыми из таких красителей можно красить и ткани: сделать что-нибудь типа кошенили - красителя, выделяемого из насекомых.
ㅤㅤㅤА когда мы все это отделили, у нас остаются отжимки, которые могут пойти на органические удобрения и кормовые премиксы. Ведь водоросли, выброшенные после шторма на берег, собирают и используют в качестве удобрения. Это абсолютно натуральный продукт, он не содержит химии, от него нет вреда для окружающей среды. И при этом такое удобрение очень питательно для растений.
ㅤㅤㅤКроме того, оставшуюся биомассу можно высушивать, брикетировать и использовать как топливо, что гораздо менее вредно для окружающей среды, чем ископаемое топливо, ведь это же возобновляемое сырье, которое синтезируют растения. По сути дела, происходит замыкание CO2 в цикл. Растение или водоросль снова путем фотосинтеза усваивает его из атмосферы, и этот углекислый газ идет на производство биомассы, которая тем или иным способом сжигается. При этом снова образуется CO2, который опять участвует в фотосинтезе водорослевой биомассы, то есть углеродный цикл замыкается. Все время крутится один и тот же углекислый газ, без усугубления парниковой проблемы.
ㅤㅤㅤТак же и авиационное биотопливо даёт существенное уменьшение выбросов CO2. Если 20 % биотоплива добавляется в обычное дизельное топливо, то это, соответственно, сокращает вредные выбросы примерно на 20 %. Это и так называемый секвестируемый углекислый газ: за счет цикла фотосинтеза он снова возвращается на поля, где поглощается масличной агрокультурой. Углеродный след от этого биотоплива существенно меньше, чем от обычного ископаемого топлива.

ㅤㅤㅤ— В чем, на ваш взгляд, актуальность подобных экологичных технологий?

ㅤㅤㅤ- Тут совершенно очевидная польза для окружающей среды - снижение ее загрязненности и сокращение парниковых выбросов. Одно дело, когда тот же антиоксидант получается синтетическим путем в 20 химических стадий — сколько тут стоков, сколько отходов, сколько выбросов в атмосферу! А здесь за счет биосинтеза антиоксидант производится в одну простую стадию, достаточно полученную биомассу растения просто расщепить на компоненты и выделить необходимое. При этом не производится новый углекислый газ, один и тот же CO2 циркулирует в атмосфере, и не происходит его пополнения за счет ископаемых видов топлива.
ㅤㅤㅤГлобальное потепление, к сожалению, не останавливается. Считается, что к 2050 году атмосфера станет гораздо более насыщенной углекислым газом, и мировой океан, и земля существенно потеплеют. Некоторые страны начали активно заниматься экологическими проектами, но сейчас в связи с неблагоприятной международной обстановкой многие подобные проекты отодвинуты. Тем важнее использовать экологичные технологии, в том числе с применением водорослей, хотя бы там, где это возможно реализовать.