Львовские дрожжи, американские деньги

Украине, у которой мало своей нефти, зато много плодородной земли и носителей инновационных идей, сам бог велел активно взяться за производство топливного спирта растительного происхождения

Когда цены на нефть на мировых рынках превышают 50 долларов за баррель, в конкурентную борьбу с бензином вступает биоэтанол — спирт, полученный из сельскохозяйственных культур. Он может применяться вместо бензина либо в смеси с ним. Если содержание этанола в таком коктейле не больше 20%, то его можно использовать в любом автомобиле, если выше — необходима небольшая адаптация двигателя.

В то время как цена ископаемого топлива растет, себестоимость биоэтанола постоянно снижается благодаря внедрению более экономичных сортов растений и инноваций, направленных на удешевление производства спирта. Одно из самых основных достоинств этанола в том, что при переходе на это топливо можно использовать существующую инфраструктуру (нефтебазы, автозаправки и т. д.). Ученые считают, что после того как мировые запасы нефти иссякнут, в качестве топлива будет использоваться именно спирт.

Сейчас производство этанола — самый большой биотехнологический бизнес в мире. Рынок спирта стремительно растет: в прошлом году его емкость составила около 40 млрд литров. В мире примерно 10% спирта идет на изготовление спиртных напитков, еще 10% используется в химической и лакокрасочной промышленности, а остальные 80% применяются как добавка к бензину. В Украине, наоборот, больше 70% идет на производство спиртных напитков.

После того как мировые запасы нефти иссякнут, в качестве топлива будет использоваться именно спирт

Скорее всего, созданию альтернатив традиционному топливу в Украине препятствуют нефтяные компании, имеющие своих лоббистов на различных уровнях власти. А вот аграрии, также обладающие широкими возможностями лоббирования, в преимуществах биоэтанола пока не разобрались.

Гены могут все

Кто хоть раз гнал самогон, тот знает почти все про производство биоэтанола. Оно состоит из трех основных этапов: сахарификации, брожения и перегонки. На первом этапе из растительного сырья получают моносахариды (глюкоза, фруктоза и пр.). Для этого сырье замачивают в воде и добавляют ферменты. Второй этап — брожение: тут сахариды с помощью дрожжей превращаются в этиловый спирт. Получается жидкость, содержащая не более 15% этанола, поскольку в более концентрированных растворах дрожжи гибнут. Побочный продукт брожения — углекислый газ — используется для приготовления газированных напитков.

На третьем этапе жидкость нагревают до +78° C. При такой температуре спирт переходит в парообразное состояние, а вода и другие вещества остаются жидкими. Этот этап называют перегонкой или дистилляцией, на его долю приходится две трети всех энергозатрат.

В результате получаются спирт и барда. Барду после высушивания применяют в животноводстве как белково-витаминную добавку к кормам. Полученный спирт для использования в медицине или пищевой промышленности очищают. Чтобы получить топливный этанол, спирт дополнительно обезвоживают.

Так получают спирт из пшеницы, кукурузы или сахарного тростника. Однако спирт можно получать не только из продуктов питания, но и из отходов бумажной промышленности, древесины или соломы. Эти вещества в основном состоят из клетчатки, для разложения которой на моносахариды необходима дополнительная обработка. Для этого сырье либо нагревают до +200° С, либо воздействуют на него высоким давлением (12 атмосфер), либо помещают в серную кислоту, возможна и комбинация всех трех методов. Но в результате такой спирт получается гораздо дороже пшеничного.

Наиболее перспективной считается технология, в которой применяется специальный фермент — целлюлоза. В этом случае сахарификация проходит без использования кислот и всего при +50° С. Но даже при такой температуре дрожжи не работают: они замирают уже при +40° С. Однако эту ключевую проблему удалось решить ученым из львовского Института биологии клетки: они сумели вывести термостойкие дрожжи. «В мире пока ничего подобного нет, — говорит директор института Андрей Сибирный. — С помощью методов генной инженерии были сконструированы штаммы дрожжей, которые осуществляют высокотемпературное брожение. Для этого мы клонировали некоторые гены дрожжей и усилили их, а нежелательные гены удалили. Кроме того, нам впервые удалось ввести в дрожжи гены из различных видов бактерий, которые улучшают синтез спирта». Производительность генномодифицированных дрожжей пока невысока, поэтому работа продолжается — ученые хотят увеличить ее в десять раз.

Еще одна перспективная украинская разработка связана с получением в ходе брожения не спирта, а уксусного альдегида, который можно превратить в спирт химическим путем. Для этого используются другие культуры дрожжей. Преимущество уксусного альдегида — низкая температура кипения (+21° С), что позволяет отказаться от этапа перегонки — альдегид испаряется непосредственно во время брожения. В результате процесс становится непрерывным (существующие процессы спиртового брожения останавливаются после того, как содержание спирта достигнет 15%).

Работы львовских ученых в основном пока финансируются американцами — благодаря связям, приобретенным Сибирным во время работы в Соединенных Штатах. В 1992 году львовский ученый, руководивший лабораторией биохимической генетики во Львовском отделении Института биохимии им. Палладина, принимал участие в международном конгрессе, посвященном дрожжам. Тогда американская компания Archer Daniels Midland (ADM) из штата Иллинойс — один из наиболее крупных производителей биоэтанола — предложила ему сотрудничество. В 1994–1995 годах Андрей Сибирный возглавлял в ней проект по синтезу витамина B2. «Деньги хорошие, но творчества меньше, чем дома. Я вел проект, утвержденный три года назад. Когда предложил внести некоторые корректировки в план работ, услышал, что это невозможно: документ уже прошел согласования с руководством. Тогда предложил, чтобы платили меньше, но исследования позволили проводить во Львове», — рассказывает ученый.

Спирт — не для питья

Бразилия — мировой лидер по внедрению биоэтанола — получает спирт из очень дешевого сахарного тростника. В результате стоимость этилового спирта не превышает 19 центов за литр (в США — 33 цента, в Европе — 55 центов). В прошлом году предприятия Бразилии произвели 16,6 млрд литров этанола — это составило пятую часть топливного рынка страны. Каждая вторая машина в Бразилии оснащена гибридным двигателем, который может работать как на бензине, так и на спирте. По объемам производства биоэтанола с Бразилией конкурируют Соединенные Штаты. В 2005-м в США произвели 16,4 млрд литров биотоплива, а в этом году будет выпущено 20,6 млрд литров. В Северной Америке его производят не из сахара, а из крахмала, в основном — кукурузного. Удешевление производства достигается за счет применения генетически модифицированных сортов кукурузы и интенсивной технологии выращивания (с использованием пестицидов). Около половины американских заправочных станций предлагают в ассортименте топливо Е-85. Использовать эту смесь могут шесть миллионов автомобилей, прошедших соответствующую модернизацию.

Благодаря этанолу к 2012 году США собираются сократить импорт сырой нефти на 250 млн тонн. В департаменте сельского хозяйства Соединенных Штатов пришли к выводу, что при использовании этанола вырабатывается от 134 до 166% энергии, затрачиваемой при выращивании, уборке и переработке кукурузы, тогда как бензин возвращает лишь 80% энергии, используемой в его производстве. Три месяца назад министр сельского хозяйства США Майк Йоханнс заявил, что около 25% урожая кукурузы может быть использовано в качестве сырья для производства этанола (сейчас — 14% урожая кукурузы и 15% урожая сорго).

Однако у этой программы есть и недоброжелатели. По их мнению, если всю американскую кукурузу направить на производство этанола, это позволит сократить потребление бензина всего на 12%. Если попытаться полностью вытеснить бензин, то фермерам под посевы кукурузы, сорго и других энергетических культур потребуется отвести две трети сельскохозяйственных угодий. В результате Соединенные Штаты прекратят импортировать нефть, но начнут покупать продукты питания. Кроме того, использование при выращивании кукурузы пестицидов неблагоприятно отражается на окружающей среде.

Тем не менее фермеры активно осваивают новый рынок сбыта своей продукции. По данным американской Национальной ассоциации производителей зерновых, в изготовлении этанола сейчас задействованы более сорока тысяч человек, а прямой и косвенный вклад в экономику страны составляет больше шести миллиардов долларов в год. Ожидается, что с помощью биотехнологий удастся повысить содержание в кукурузе крахмала, из которого производится этиловый спирт, благодаря чему увеличится его выход (сейчас из тонны кукурузы удается получить около 413 литров этого продукта).

Кроме кукурузы и сорго для производства этанола в США планируют использовать и другие виды сырья. Американское правительство поставило цель в течение шести лет разработать эффективные технологии выпуска целлюлозного этанола из отходов сельского и лесного хозяйства. Ученые подсчитали, если переработать на спирт отходы целлюлозно-бумажных комбинатов, кору деревьев, опилки, кукурузные кочаны, шелуху подсолнечника, а также солому, то потребности в бензине уменьшатся на 70%. Кроме того, по данным их исследований, существует возможность полностью отказаться от ископаемого топлива, создав специальные плантации быстрорастущих деревьев.

Активно используют этанол и автолюбители из ЮАР. Хотя в данном случае речь не идет о биологическом происхождении спирта. В этой стране этанол получают из крекинга газов нефти или каменного угля, причем сравнительно недорого — по 17–20 центов за литр.

Европа к генномодифицированным растениям относится подозрительно и пока отстает во внедрении биоэтанола. Сейчас в ЕС действует норма, требующая, чтобы доля биоэтанола в бензине составляла не больше двух процентов. В соответствии с европейским законодательством к 2010 году этот процент должен увеличиться до 5,75% (аналогичные законы также приняты в Китае и Индии). В нескольких европейских странах автомобили, работающие на Е-85, освобождены от платы за парковку, а производители биоэтанола — от некоторых налогов.

Компания Archer Daniels Midland пошла Сибирному навстречу, и с 1996 года он продолжает проект в Украине, в своей лаборатории, которая в 2000-м была преобразована в Институт биологии клетки. Проект по синтезу витамина был завершен в 2004-м, однако сотрудничество с ADM продолжается: в 2001 году ученые института обнаружили новые свойства термотолерантных бактерий, которые могут использоваться в производстве спирта. Компания ADM заинтересовалась и этим проектом, она же финансирует работу ученых.

Отношения строятся на доверии, и за все годы сотрудничества ни одна из сторон не подвела другую. Единственное требование американцев, которое Андрей Сибирный в шутку называет «правилом первой брачной ночи»: перед публикацией научные результаты нужно предоставить на экспертизу компании для выяснения необходимости патентования данных. Заявку на патент подает ADM, но правообладателем является украинская сторона. Коллектив уже имеет патенты Соединенных Штатов, Европейского союза, Японии и Южной Кореи в области других микробных биотехнологий (всего десять авторских свидетельств и патентов). Сейчас поданы три новые заявки на американские патенты, которые будут защищать различные аспекты изобретений, касающиеся высокотемпературного спиртового брожения.

Можно уже начинать

Для того чтобы завершить исследования, львовянам нужно еще пять лет. Но уже сейчас в Украине экономически выгодно производить биоэтанол — его цена все равно будет ниже, чем стоимость бензина.

В прошлом году в нашей стране было произведено 288 млн литров спирта, при том что мощности спиртзаводов задействованы наполовину. Без каких-либо изменений в технологии отечественные предприятия могут произвести еще столько же, обеспечив пятипроцентное содержание спирта в бензине (в соответствии с украинскими стандартами, в нем не может содержаться больше 5% этанола). Это позволит сэкономить примерно миллион тонн нефти. Даже небольшие добавки этилового спирта в бензин значительно повышают КПД двигателя и уменьшают выброс вредных веществ.

Технология производства добавки к бензину разработана в Украинском научно-исследовательском институте спирта и биотехнологий продовольственных продуктов (УкрНИИспиртбиопрод), впервые ее применили еще 1998 году. В то время было произведено 400 тыс. тонн бензиновых смесей, содержащих 5% этанола. Разработка рецептур бензиновых смесей принадлежит Украинскому научно-исследовательскому институту нефтеперерабатывающей промышленности МАСМА. Тогда один из киевских автопарков месяц работал на бензине с пятипроцентным содержанием этанола.

В 2000 году Кабинет министров утвердил программу «Этанол», правда, с условием, что ее выполнение не будет финансироваться из государственного бюджета. До 2003-го смеси бензина с этиловым спиртом готовились на нефтебазах, которые имели разрешение для проведения этих работ. Затем эта функция была передана нефтеперерабатывающим заводам (НПЗ), после чего производство этих смесей в Украине прекратилось. Не помог даже указ президента, в котором поставлена задача к 2007 году довести содержание высокооктановых кислородсодержащих добавок в бензинах до 5%.

Украинские НПЗ производят бензины очень низкого качества, всего 55% отечественного топлива является высокооктановым, тогда как в странах ЕС этот показатель превышает 93%. Для того чтобы повысить октановое число, в Украине часто используются такие токсичные добавки, как метилтретбутиловый эфир, производство которого в некоторых западных странах уже запрещено. Но этанол в Украине не используют. «Нужно преодолеть сопротивление представителей бизнеса, которые работают с обычными нефтепродуктами», — считает бывший министр сельского хозяйства Александр Баранивский.

На НПЗ свою позицию объясняют необходимостью проводить коренную реконструкцию. Сейчас на предприятиях бензин отделяется от водяных примесей механическим способом (смесь бензина с водой быстро расслаивается, в результате более тяжелая вода оседает на дно емкости). А этанол легко перемешивается с водой, в результате при добавлении этанола полученная смесь будет содержать и незначительное количество воды, что негативно отразится на качестве топлива. Поэтому украинские и азербайджанские ученые предлагают из этанола производить этилтретбутиловый эфир, который не смешивается с водой. Такое производство уже налажено в Сумгаите (Азербайджан). По мнению члена наблюдательного совета компании «ФК-груп» (нефтехимический завод «Галол») Евгения Пущика, в Украине оно станет экономически целесообразным с 1 января 2007 года, когда вступит в силу пятидесятипроцентная льгота на акциз для бензинов с биодобавками.

У нас существуют реальные возможности для производства биотоплива. У нас есть сырье, технология, есть продукт. Только эти возможности не реализованы. Нужен закон об обязательном использовании этанола в качестве добавки к бензину, как это сделано в Европе», — считает директор УкрНИИспиртбиопрод Сергей Олийничук. Но прежде, чем принимать такие законы, в стране необходимо устранить монополию на рынке спирта. Украина — одна из немногих стран, где сохранилась государственная монополия на производство, продажу, экспорт и импорт спирта. В состав госконцерна «Укрспирт» входят восемьдесят спиртзаводов. «Укрспирт» директивным образом неоднократно пытался поднять цены на свою продукцию. Эти попытки едва не привели к кризису на рынке спиртных напитков, они были пресечены Антимонопольным комитетом Украины и ассоциацией СОВАТ (Союз оптовиков и производителей алкоголя и табака). Государство оказалось неспособным эффективно управлять высокодоходной отраслью: большинство отечественных спиртзаводов убыточны, тогда как рентабельность нескольких стабильно функционирующих предприятий составляет более 40%.

Кроме того, госмонополия мешает открытию новых заводов. Уже сейчас американские инвесторы готовы построить в Украине завод по производству биоэтанола из крахмала, а канадцы собираются наладить производство спирта из соломы. Но те и другие ждут антимонопольных мер от украинского правительства.

Сегодня топливо, содержащее этанол, стоит дешевле, чем чистый бензин. Украине, где много плодородной земли, сам бог велел активно взяться за производство топливного спирта. Это позволило бы снизить стоимость бензина и повысить его экологичность, уменьшить энергозависимость страны, создать новые рабочие места, повысить рентабельность сельского хозяйства и сахарных заводов, а также загрузить работой простаивающие спиртзаводы.

Недостатки спирта

В холода двигатель, работающий на спирту, может не завестись. Эту проблему удается решить, добавив в этанол немного бензина. Поэтому в Бразилии и США автомобилисты используют моторное топливо Е-85 (85% этанола и 15% бензина). Еще один недостаток — коррозионная активность спирта. Все детали, соприкасающиеся с таким топливом, должны быть изготовлены из нержавеющей стали или пластика. Автомобильным моторам ржавчина не грозит, но топливные баки, бензовозы и емкости автозаправочных станций могут пострадать.

 Ирина Голобородько, Максим Благонравин, EXPERT