Дерево напоїть, нагодує і бак заправить

Практично будь-який живий організм на Землі, будь то бактерія або людина, прямо або побічно використовує для своєї життєдіяльності енергію Сонця. Людина - непрямий споживач сонячної енергії (хемо-органотроф): його організм, «привласнює» енергію хімічних зв'язків органічних речовин, накопичених рослинами в процесі фотосинтезу. При цьому ми використовуємо тільки ті компоненти рослин,

які може перетравити наш шлунково-кишковий тракт: моно- і дісахариди; розгалужені полісахариди (крохмаль і глікоген); жири і жирні кислоти; білки; органічні кислоти (оцтова, молочна, яблучна і т. д.); одно- і багатоатомні спирти (етиловий, гліцерин, ксиліт) і т. д. Цих речовин в біомасі природних рослинних біоценозів (лісів) менше 6%, решта 94% - це целюлоза, геміцелюлози і лігнін, які не входять до харчового ланцюга більшості тварин і людини.

Низька харчова продуктивність лісів змусила людини створити штучні біоценози - агробіоценози, які можуть виробляти до 50-60% придатних в їжу речовин від загального приросту біомаси. Зараз під сільськогосподарські угіддя зайнято більше 13% (з луками 34%) суші. Вирубка лісів і розширення оброблюваних земель змінили природні ландшафти та гідрологічний режим, привели до деградації грунтів та забруднення більшості річок, зникнення багатьох видів тварин і рослин.
Особливо сильно це проявилося в останні 70 років, коли відбулася індустріалізація світового сільськогосподарського виробництва. З одного боку, більш ніж в три рази зросла продуктивність сільськогосподарських земель, але з іншого - ще більше збільшилося навантаження на навколишнє середовище, оскільки людина почала використовувати енергію викопного палива для механізованої обробки грунту, для отримання та внесення добрив, пестицидів, гербіцидів і т.д.
Виникає питання: як забезпечити людство продовольством при дефіциті викопного палива? Адже вже зараз ясно, що сучасні методи обробки земель ведуть до екологічної кризи, а при нестачі кам'яного вугілля, нафти і газу продуктивність агробіоценозів впаде, і вони не зможуть прогодувати зростаюче населення планети. Концепція сталого розвитку, прийнята міжнародним співтовариством ще в 1992 році, закликає подолати екологічну кризу, раціоналізуючи споживання і регулюючи чисельність населення, тобто знижуючи споживання в розвинених країнах і приріст населення в країнах, що розвиваються. Незважаючи на те що за останні 30 років темпи зростання населення планети дійсно знизилися з 6,1 до 3,4 дитини на одну жінку, в країнах, що розвиваються більш 800 млн. чоловік все ще голодують.
Говорити ж про зниження рівня споживання в розвинених країнах навіть і не доводиться.
Однак існують простіші шляхи подолання екологічної кризи.

Ресурси ростуть в природі

Є досить раціональне рішення: поступово розширити площі лісів і побудувати виробництва, що дозволяють використовувати їх біомасу для отримання кормів і продуктів харчування. Не подумайте, мова не про скорочення виробництва яблук, картоплі та зерна, тобто все, що людина споживає в природному вигляді. Йдеться про ті сільськогосподарські культурах, продукцію яких людина використовує після глибокої переробки, практично у вигляді чистих речовин: цукор, рослинна олія, етиловий спирт, білкові ізоляти, а також кормові продукти для тваринництва. Такі культури займають трохи менше 50% загальної площі сільгоспугідь, і заміна їх лісами на довгі роки відсунула б наступ екологічної кризи. Це не утопічна ідея, а цілком реальна технологія, перевірена на практиці (про що трохи нижче).
Біомаса лісів відрізняється від біомаси сільськогосподарських культур тим, що вона в основному складається з лінійного полісахариду - целюлози, тоді як майже все вирощене людиною - з розгалуженого полісахариду крохмалю або цукрів. При цьому продуктивність і ККД фотосинтезу лісів і полів приблизно однакові. Так, 1 га лісу в помірних широтах дає приріст біомаси 3,0-5,5 т/рік, 1 га степу - 4,0-5,0 т/рік. Якщо перерахувати на лінійні полісахариди, то це 1,8-3,3 т/рік - стільки ж полісахаридів, тільки розгалужених, вийде з 1 га кукурудзи.
При цьому зростає деревина сама і не вимагає ніякої додаткової енергії, крім сонячної. Вона дуже технологічна - може довгий час зберігатися під відкритим небом, не має сезонності при заготівлі і зручно транспортується. Ключове питання: як перетворити полісахариди, що містяться в деревині, в повноцінний харчовий або кормовий продукт?

Як з дерева зробити спирт і цукор

Цю проблему почали вирішувати відразу після того, як в 1819 році французький хімік А. Браконно довів, що молекули целюлози, як і крохмалю, складаються з виноградного цукру (глюкози). Браконно обробив лляне полотно (целюлозу) концентрованою 91% -ною сірчаною кислотою і отримав практично чисту кристалічну глюкозу. Проте використовувати целюлозу як сировину для промислового отримання глюкози неможливо, оскільки процес її виділення з деревини складний і дорогий. Можна думати тільки про пряму переробку деревини.
У деревині нам важлива вуглеводна частина, яка, власне, і має харчову і кормову цінність. Вуглеводна частина представлена геміцелюлозами (15-30%) і целюлозою (35- 50%), все інше - поліфенольне з'єднання лігнін (12-30%), смолисті речовини, терпени, стерини, танніди і т.Д. (1-5%) - має суто технічне значення.
Перші технологічно прийнятні рішення переробки деревини з отриманням продуктів, які раніше добували лише з сільськогосподарської сировини, були випробувані в 1899 році практично одночасно в Росії, США і Німеччини. Процеси ці були дуже недосконалі, і незабаром промислові установки закрили. Тільки в 1934 році в Німеччині і Радянському Союзі заробили виробництва, засновані на гідролізі деревини, розведеної сірчаною кислотою. При такому методі гемицеллюлоза Гідролізовалась повністю, деревна целюлоза на 70-80%, а з однієї тонни деревини отримували до 500 кг суміші гексозних і пентодних цукрів.
Правда, розчини цукрів виходили дуже розведеними (3-5%), в них було багато різних домішок (невуглеводних компонентів деревини) і продуктів розпаду цукрів. Самостійної харчової цінності гідролізати деревини не мали, зате такий розчин легко можна було збродити і отримати етиловий спирт або виростити дріжджову біомасу, тобто отримати продукти, які до цього робили виключно з харчової сировини.
Очевидно, що в 1934 році гідролізні заводи створювали зовсім не для вирішення екологічних проблем: потрібен був каучук, для каучуку - бутадієн, для бутадієну - етиловий спирт. А під час і після війни, як в Німеччині, так і Радянському Союзі, деревина залишилася єдиною доступною нехарчовою вуглеводною сировиною для виробництва спирту. У роки Другої Світової війни його потрібно було ще більше, але ніхто й подумати не міг робити спирт із зерна або картоплі, тому в найважчі воєнні роки (1942 -1944) пустили в експлуатацію Архангельський, Тавдинський, Канський і Саратовський гідролізні заводи. Кожен завод, крім випуску стратегічного продукту, економив до 40 000 тонн зерна на рік, яке врятувало від голоду більше 900 000 чоловік.
Розквіт вітчизняної гідролізної промисловості припав на 70-ті роки минулого століття. Спирт як кінцевий продукт гидролизного виробництва втратив своє значення, виробництва переорієнтувалися на випуск білкових кормових дріжджів. У країні працювали 46 гідролізних заводів, які давали більше 450 тис. Т/рік кормового білка і 140 млн. літрів етилового спирту. Цю ж кількість могло бути отримано з 270 тис. га посівів сої і 280 тис. га пшениці. Площа ж лісу, необхідного для забезпечення сировиною такого виробництва, була всього 14 тис. Гектарів. Більш того, в якості сировини для гідролізних заводів ніколи не використовували «ділову» деревину, а тільки дрова і відходи лісопиляння.
Паралельно з розвитком діючої технології в Радянському Союзі та Німеччині йшли роботи по створенню інших процесів гідролізу, в тому числі за допомогою концентрованих кислот: сірчаної та 41-58% -ної хлористоводневої. Нова технологія передбачала зовсім інший процес - він проходив при температурі 40-80 "С, не супроводжувався розпадом цукрів і дозволяв отримувати досить чисті концентровані розчини цукрів (20%) з виходом до 600 кг з 1 т деревини. Такі розчини вже мали самостійну кормову і харчову цінність, їх можна було використовувати для отримання чистих вуглеводних продуктів (медичної глюкози, глюкозо-фруктозних сиропів, кормової патоки), а також продуктів їх біохімічної переробки (мікробного білка, амінокислот, жирів, антибіотиків, ферментних препаратів , ксиліту, етилового спирту і т.д).
Незважаючи на її очевидні переваги, технологію гідролізу концентрованими кислотами зупинили на дослідно-промисловій стадії. У 60-х роках здавалося, що індустріалізація сільського господарства скоро вирішить всі проблеми продовольства, і вже ніхто не думав про економію сировини харчового призначення...
Зараз через погіршення екологічної обстановки було б корисно згадати технології переробки деревини. Адже це і є та сама можливість виробляти харчові та кормові продукти з мінімальною витратою викопного палива, одночасно не впливаючи на природні екосистеми.

Таблиця
Порівняння енерговитрат при виробництві спирту з рослинної біомаси

Деревина 1 - деревина, отримана гідролізом розбавленою сірчаною кислотою.
Деревина 2 - деревина, отримана гідролізом концентрованою соляною кислотою.

* З урахуванням використання вологого деревного лігніну (6200 кг) в якості котельного палива.
** З включенням витрат тепла на сушку барди.
При розрахунку були прийняті середньогалузеві норми витрат сировини, матеріалів та енергоресурсів на виробництво спирту. Щоб можна було порівняти різні види енергії, що використовуються на той чи інший процес, для електроенергії введений коефіцієнт 0,4, для пара - 0,75.
При розрахунку витрат енергії на утилізацію відходів виробництва передбачалося, що вони використовуються повністю і з них виходить сухий білковий кормовий продукт, еквівалентний по живильній цінності пшениці.

Ліс замість поля: екологія плюс енергія

Продукти для харчування і корми - це енергія для росту і життєдіяльності, але для їх отримання також потрібна енергія. Чим менше енергії витрачається на отримання одиниці продукту і чим менше енергія неутилізованих відходів виробництва, тим менше вплив на навколишнє середовище.
Порахуємо, скільки потрібно затратити енергії, щоб отримати 1000 л етилового спирту з деревини і зерна в кліматичних умовах (див. Таблицю). При цьому треба пам'ятати: вирощування зерна вимагає крім сонця паливно-енергетичних витрат на обробку грунту, виробництво добрив і засобів захисту рослин, і все це потрібно врахувати в загальному енергетичному балансі виробництва. У той же час якщо використовувати деревину, то додаткова енергія витрачається тільки на її заготівлю, транспорт і подрібнення. Більш того, лігнін - невуглеводну частину деревини, можна використовувати в якості котельного палива (теплотворна здатність вологого лігніну близько 2500 ккал/кг) для компенсації енерговитрат, що йдуть на гідроліз целюлози.
З наведених у таблиці даних видно, що використання деревини енергетично значно ефективніше. Цей висновок тим цінніший, що в даний час вчені розробляють проекти виробництва паливного етанолу з сільськогосподарської продукції. Причому все це робиться під «екологічним» гаслом заміни викопного палива на поновлюване, рослинне.
Однак на отримання 1000 л етанолу (з теплотворною здатністю 5 Гкал) з кукурудзи потрібно витратити близько 9 Гкал викопного палива! Може, в США це і має якийсь сенс, оскільки в ній постійне перевиробництво зерна і отримання паливного етанолу з цього цінного продукту дотує держава. Але набагато вигідніше зайнятися гидрогенизацією вугілля з прямим отриманням з нього моторних палив або розвивати виробництво паливного етанолу з біомаси лісу.
Що ж стосується харчових продуктів і кормів, то отримувати з деревини цукор, глюкозо- фруктозні сиропи, кормову патоку і кормовий білок не тільки екологічно, а й економічно доцільніше, ніж вирощувати цукровий буряк або сою.

Перспективи розвитку гідролітичної переробки деревини

Найбільш доцільний шлях виробництва продуктів харчування - досягнення згоди з Природою, в більшості випадків приймаючи її умови. Брати тільки те, що дає вона сама, і грамотно користуватися її дарами, не намагаючись зруйнувати сформовану екосистему.
Найбільший дар природи - ліс, і тільки він, в умовах наростаючого дефіциту викопного палива, нагодує людство.
Продуктами гідролітичної переробки деревини можуть стати не тільки традиційні спирт, фурфурол, кормові дріжджі, кормова патока і харчова глюкоза, а й продукти біохімічної переробки глюкози - глюкозо-фруктози сиропи, білкові ізоляти, амінокислоти, вітаміни, ферменти, жири і т.д.
Є ще один супутній ефект - розширення площі лісів допоможе знизити ефект від викидів парникових газів, що особливо актуально в зв'язку з вступом в силу Кіотського протоколу.
Звичайно, суть пропозиції - не негайна ліквідація орних земель і посадка там лісу. Ліси ростуть повільно, та й заводи будуються не миттєво. Мова - про тенденції. Потрібно кормову, харчову та хімічну промисловості орієнтувати на використання деревини в якості сировини, оскільки вона вимагає значно менших енергетичних витрат на відтворення, ніж сільськогосподарська продукція. Зі зменшенням запасів нафти, газу і вугілля, сільськогосподарське виробництво буде дорожчати, продуктивність його падати, а ліс як ріс, так і буде рости...

Що ще можна прочитати про гідролізну переробку деревини
Ю.І.Холькін. Технологія гідролізних виробництв.М .: Лісова промисловість, 1989.