29. «Паровой взрыв» целлюлозы и канадский парламент
Много лет назад, в 1930-х, в США был разработан особый подход к повышению питательной ценности целлюлозы как корма. Солома как еда не подарок даже животным, хотя жвачные имеют целую хорошо организованную систему желудков, в которых целлюлоза атакуется симбиотическими целлюлолитическими микроорганизмами. Симбиотическими, потому что имеет место симбиоз между этими микробами и самими жвачными животными, обоюдополезный, как и подобает симбиозу. У человека целлюлаз в организме вообще нет, поэтому целлюлозу он переваривать не может в принципе. К чему это я? А к тому, что целлюлоза в природных растительных материалах является довольно труднодоступной для ферментов-целлюлаз, для микроорганизмов, для жвачных животных. Камень преткновения в биотехнологии целлюлозы – это увеличение доступности целлюлозы для ферментов. Природа эволюционно постаралась, чтобы упрятать целлюлозные волокна поглубже от разрушительных микробов и их целлюлаз. В свою очередь те же микробы эволюционно совершенствовали себя и свои целлюлазы, а также другие сходные ферменты, чтобы выиграть в этой борьбе и прокормить себя глюкозой из целлюлозы. Вот такая борьба миров.
В итоге у большинства растений целлюлозные волокна, собранные в длинные жгуты, окружены и переплетены сложными полисахаридами – гемицеллюлозами, основным из которых является ксилан. Ксилан построен по типу целлюлозы, но состоит не из глюкозы, а из другого сахара – ксилозы. Он не кристаллический, а аморфный. Наконец, все это переплетение залито лигнином – твердой полифенольной смолой. И вот все это животным приходится есть, «выковыривая» питательную для них целлюлозу и пропуская лигнин через себя и выводя наружу. Лингин – легкогорючее вещество, поэтому, кстати, кизяк хорошо горит. А кизяк, кто не знает, – это высушенная смесь лигнина с остатками непереваренной целлюлозы.
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.
Тогда, в то тяжелое для Де Лонга время, мы с ним подружились. Началось с того, что он, узнав про мои работы по целлюлазам, прислал образцы своей чистой целлюлозы для испытаний. Скорость их гидролиза в сахара оказалась невероятно высокой. Иначе говоря, целлюлоза Де Лонга была исключительно высокореакционноспособной. Я по-настоящему заинтересовался. Работая в США в середине 1980-х, я оформил небольшой отпуск, взял напрокат машину и поехал к нему в Нью-Брансвик, в Канаду, из Бостона через весь штат Мейн, с юга на север. Проехал и штат Нью-Хэмпшир, но по сравнению с протяженностью Мейна это можно не считать. Моя поездка осложнялась тем, что у меня тогда была только однократная временная виза J-1, и при выезде из США виза «сгорала». В Канаде надо было обращаться в ближайшее консульство США и получать визу для въезда заново. Был некоторый риск, что ее мне не дадут, и это серьезно осложнило бы мою ситуацию. Хотя бы потому, что все мои вещи, книги и все экспериментальные данные остались в США. Но желание посетить лабораторию Де Лонга было слишком велико.
Оказалось, что ближайшие к Нью-Брансвику консульства находятся в разных концах Канады – в Торонто, Онтарио и в Халифаксе, Нова Скоша. Пришлось на машине ехать полдня до Халифакса, и Де Лонг оказался настолько любезен, что составил мне компанию в этой весьма утомительной поездке туда и обратно.
Потом я еще несколько раз бывал у Де Лонга, уже в Эдмонтоне, Альберта. И наблюдал разворачивающуюся драму с полным отказом официальных лиц Канады от технологии Де Лонга. От предложений других компаний отказывался сам Де Лонг, поскольку, по его мнению, новая технология должна служить народу, а не частному капиталу. В этом он был непреклонен. Тем более что компании, прекрасно понимая отчаянную позицию Де Лонга, диктовали ему свои условия, которые иначе как грабительскими не назвать. Де Лонг был готов передать свою технологию в СССР, и я писал на этот счет соответствующие обращения в министерства и ведомства, но все это глохло в каких-то то ли верхах, то ли низах. Иногда до меня доходили «рецензии» на технологию, написанные совершенно канцелярским, дубовым языком, что «рассматриваемый вопрос представляет безусловный народно-хозяйственный интерес и нуждается в дополнительном рассмотрении и изучении». Так ничего в СССР, а потом и в России с технологией Де Лонга не вышло.
В начале 1990 года я получил приглашение из парламента Канады (House of Commons) приехать и выступить на специальном заседании комиссии парламента, посвященном рассмотрению технологии, в качестве эксперта. Я приехал. Перед заседанием я пообщался с парой десятков сенаторов («эм-пис», как тут говорят, то есть сокращенно «член парламента»), и практически все они произносили одну и ту же по сути фразу, но в разных вариантах: технология явно замечательная, крайне важная, но ничего у него не получится. Никто публично не выступит «за». Это – Канада. Too much of vested interests. В примерном переводе – слишком сильны деловые интересы противодействующей стороны. А в совсем примерном – Де Лонг наступает на мозоль слишком влиятельным лицам. Я не верил своим глазам и ушам. Много раз приходилось читать, как компании устраивали заслоны оппонентам, но тут им, компаниям, подыгрывает парламент! Впрочем, если дело действительно касается подвижек в одной из основных отраслей Канады, то приходится быть осторожными. Канадский вариант «тише едешь – дальше будешь». Парламентарии, вероятно, видели картину шире, чем мы с Де Лонгом.
После своего доклада, который передавался по парламентскому внутреннему телевидению, я отправился перекусить в парламентский же ресторан. Или, скорее, кафе или столовую. И опять – только в Канаде! За соседний столик сел обедать Мартин Малруни, премьер-министр Канады. Его характерную внешность я столько раз видел по телевизору – и вот теперь за ланчем, за соседним столом.
Последний раз я разговаривал с Де Лонгом почти год назад, звонил, поздравлял его с Рождеством. Свои разработки он полностью отдал Всемирной академии наук и искусств при условии, что они не будут переданы никакой частной компании. На одном из островов шведской части Балтийского моря академией строится укрупненная установка для продолжения испытаний превращения растительного сырья в ценные продукты. Это теперь один из проектов академии. Де Лонг остался верен себе. Принцип для него был важнее денег.