Волокна и биотопливо из водорослей. Часть 1

Опубликовано 08.06.2014
Герман Кричевский   |   просмотров - 3756,   комментариев - 0
Волокна и биотопливо из водорослей. Часть 1

Часть 1. Волокна

Проф. Г. Е. Кричевский

В последнее десятилетие динамично развивается мощное научно-практическое направление «The Blue Economy» («Голубая экономика» или экономика морепродуктов (в широком смысле)) [1-3]. Этому направлению посвящены сотни публикаций и патентов, разработаны новые технологии, созданы сотни научно-производственных компаний в разных странах (Россия – исключение).

Одним из очень важных направлений «Голубой экономики» является глубокая промышленная переработка водорослей из морских, речных, озерных и искусственных водоемов с целью получения широкого ассортимента ценных продуктов: волокна, продукты питания, БАВы, лекарства, биотопливо, белки, масла, простейшие органические вещества как сырье для более сложных продуктов. Поскольку одними из самых массовых продуктов переработки водорослей являются волокна на основе альгината (альгинат – основное вещество водорослей, полисахарид близкий по химическому строению к целлюлозе; algae (лат.) – название водорослей), то данная статья в основном касается именно производства альгинатных волокон с целью возбудить интерес в России к этой экономичной и экологичной технологии производства волокон на возобновляемой растительной основе, которая на побережье нашего Белого моря ежегодно вянет и гниет, в то время как другие страны делают на этом большие деньги [4]. Это гораздо экономичнее, чем пытаться выращивать в России хлопок в нашем неподходящем для этого климате.

О других ценных продуктах из водорослей будет изложено во второй части статьи.

Интерес автора к этой проблеме подогревается тем, что альгинат (из водорослей) широко используется как высококачественный загуститель в текстильной печати активными красителями и тем, что технология «Колетекс» разработанная нами [5] базируется на использовании альгината.

Справка. В СССР альгинат на основе бурых водорослей холодного Белого моря производился на единственном в СССР заводе (Архангельский опытный водорослевый завод). В советское время этот заводик не справляется с потребностью в альгинате мощной (по объему входила в пятерку мировых лидеров) текстильной промышленности СССР. Поэтому значительная часть альгината для текстильной печати закупалось в зарубежных странах с морскими границами, где произрастают водоросли (Англия, Норвегия, Япония).

В настоящее время текстильная промышленность в РФ находится в системном кризисе [7], и потребности в альгинате для текстильной печати сократились до «следовых» количеств. Но альгинат широко используется в пищевой промышленности, в косметике, медицине, поэтому Архангельский завод сосредоточился на производстве альгината для этих направлений. Но и потребность этих отраслей отечественное производство альгината удовлетворить даже в малой степени не может. Комбинат работает не в полном годовом режиме, качество его продукции существенно ниже импортных аналогов. Завод перерабатывает незначительную часть водорослей, выброшенных морем на берег, остальные гниют там без использования.

В то же время мир сильно продвинулся технологически в глубокой переработке водорослей, как сырья для ценнейшего биополимера альгината, для производства топлива, полезных продуктов питания, БАВов, лекарств, белков, природных масел и т.д. [1-3]. Мы и нефть, и газ, которыми владеем в огромном количестве, перерабатываем только до уровня мазута и бензина, предоставляя делать более ценные продукты своим зарубежным конкурентам и закупая у них десятки ценнейших продуктов глубокой переработки и изделий из них (лекарства, пластики, волокна, катализаторы, кузова всех видов транспорта и др.) [7]. Это не проблема «ноу хау», технологии, это проблема выбранной в 1991 году экономической модели развития России, которая не менялась все эти 24 года (все это производилось в СССР) [7].

Конъюнктура на мировом рынке природных волокон.

В мире в 2010 году было произведено 35 млн. тонн природных волокон растительного и животного происхождения на 50 млрд. долларов. Из них в «чистый» текстиль пошло 23 млн. тонн. Остальные 12 млн. тонн использованы, главным образом, для производства конструкционных композитов (все виды транспорта, строительство, сельское хозяйство). Стоимость природных волокон, идущих для производства композитов на их основе (самый динамично развивающийся вид конструкционных материалов) составила в 2010 году 2,1 млрд. долларов, а в 2015 году удвоится [6].

Для примера, среднестатистический легковой автомобиль марки BMW содержит до 24 кг льна, входящего в состав композитов. Фюзеляж современного самолета состоит на 50% из композитов. Современные, сверхпрочные, конструкционные композиты производят на основе нового поколения высокопрочных синтетических волокон и нового поколения сверхпрочных полимеров, составляющих полимерную матрицу композитов. Использование композитов на основе волокон – основной путь замены тяжелых и подверженных коррозии металлических конструкций. А это экономия топлива, повышение технологичности производства элементов транспорта (композиту легче придать необходимую форму, чем металлу).

Самое массовое природное волокно – хлопок, которого в 2010 году произведено 25 млн. тонн. В последнее время в лидеры по выращиванию хлопка вышел Китай (32%), на втором месте Индия (22%), затем США (12%, в 20-м веке были лидерами) [7]. В США посевы хлопка существенно снижены в конце 20-ого века за счет бурного роста производства синтетических волокон, в том числе нового поколения [6].

Китай начинает заменять посевы хлопка, требующие большой затраты воды на мелиорацию и удобрений на культивирование, на посевы конопли для производства пеньки для технических целей. Конопля не требует высокого качества земли (можно пустить под зерновые), сильного орошения. Генетически модифицированная конопля не содержит наркотика [6].

Растительные волокна и, прежде всего, хлопок занимают большие посевные площади и не дают возможности на них культивировать зерновые культуры. Это важнейшая проблема, прежде всего, в странах с большим населением и дефицитом продуктов питания. Китай с населением более 1 млрд. человек первым приступил к решению проблемы замены «земных» растительных волокон на волокна из водорослей (произрастают в воде) и первым добился в этом большого успеха [1], который, во-первых, связан с тем, что Китай является самой богатой страной по всем видам самопроизрастающих водорослей.

Во-вторых, нашелся энтузиаст, предприниматель и одновременно председатель 7,8,9,10 созывов Всекитайского собрания народных представителей Dgi Yujin. [1] До этого он основал могучую текстильную империю – производство полотенец из хлопка для всего мира. Интерес к проблеме замены хлопка на волокна из водорослей усиливается в Китае дополнительно тем, что ежегодно сезон произрастания водорослей (июнь-июль) в прибрежных морских водах требует большого расхода кислорода и мешает жизнедеятельности морских животных. А в некоторых пресноводных озерах бурный рост водорослей частично или полностью нарушает водоснабжение населения некоторых районов Китая. Так что это проблема комплексная, государственной важности и в решение этой проблемы требовался настоящий, а не лжегосударственник. И этой проблеме с Dgi Yujin повезло. Его опыт текстильщика, организатора и общественника привели к созданию научно-производственной команды (творческий коллектив). Эта команда, сотрудничая с ведущими Университетами Китая, в 2008 году организовала промышленное производство прочных альгинатных волокон, которые использовали в качестве наполнителя в цемент при строительстве олимпийских объектов.

Первые альгинатные волокна, полученные китайской командой (альгинтаные волокна известные с середины прошлого века, были не прочны, растворимы в щелочных растворах и использовались в основном в медицине) оказались хрупки и нашли применение только для медтекстиля (раневые покрытия). Видоизменив технологию экстракции альгината из бурых водорослей (250 кг из 1-ой тонны) и схему формования волокон, получили прочные (прочнее хлопка), огнестойкие волокна, поглощающие электромагнитные волны. Текстиль из этих волокон нашел применение в защитной одежде (армия, спасатели, маскировка).

В 2011 году Китай построил завод по производству волокон из альгината на 1000 тонн в год. В ближайшие годы в Китае планируется производить 1,9 млн. тонн альгинатных волокон. И тогда волокна из альгината станут третьими волокнами по значимости среди волокон растительного происхождения после хлопка (25 млн. тонн), льна и джута (2,9 млн. тонн).

Идею производства альгинатных волокон нового поколения из водорослей (почти из воздуха, вернее из воды) подхватили на Тайване и в Германии. Всемирно известная австралийская фирма Lenzing (главный производитель искусственных целлюлозных вискозных волокон широкого ассортимента) сформировала научно-производственную группу по производству нового поколения альгинатных волокон. Рекламные материалы, опубликованные фирма Lenzing, демонстрируют очень красивые, эстетичные, модные изделия различного вида (платья, блузки, кофты).

С целью производства из водорослей волокон и других ценных продуктов ученые и технологи пошли дальше [2,3] и для того, чтобы уйти от зависимости от капризов природы (урожая водорослей), перешли к выращиванию определенного вида водорослей в специально созданных водоемах при естественном освещении на специальных фермах-плантациях. При этом используются последние достижения в области обычной и генной инженерии, фотоники, химии, нанотехнологии и других прорывных технологий. Последние разработки в этой области касаются выращивания водорослей из микрокультур в биореакторах [3].

С точки зрения классификации волокон, волокна из альгината следует отнести к искусственным волокнам, так как они получаются из биополимера (полисахарида) альгината, которому путем физико-химических превращений придается волоконная структура.

Наибольшего успеха в переработке водорослей добились США, которые промышленно производят множество ценных продуктов на основе глубокой переработки выращенных водорослей [2,3].

Близкая ситуация возникла в конце 18-ого века, когда доминировали (100%) в текстиле натуральные волокна, а мировая текстильная промышленность интенсивно развивалась и требовала больших объемов волокон по более низкой цене. К этому моменту подоспела первая промышленная революция, которая и смогла решить эту проблему, разработав технологию производства химических волокон (man-made fibres). Этот процесс продолжается до сих пор, и в ассортименте текстильщика, наряду с природными растительными и животными волокнами, имеются десятки видов химических (искусственных и синтетических волокон).

Пример с альгинатными волокнами из водорослей показывает, что наряду с появлением все новых химических волокон с высокими потребительскими свойствами, в конкуренции с этим прогрессивным направлением находится поиск новых путей использования ресурсов природы.

Альгинатные волокна, генно-модифицированный сверхпрочный хлопок, клонирование овечки Долли, целлюлоза с помощью микроорганизмов, паучий шелк и другие новации, относящиеся к новому направлению науки и практики – бионики [8], приходят в реальную жизнь мирового текстиля на основе успехов прорывных научных направлений (NBIC – нано- био-, инфо-, когнитивные технологии) и, конечно, традиционных технологий (химические, механические).

Написание данной статьи автором, как и других последних публикаций, предпринято с целью информировать федеральные структуры (Минпромторг, Минобрнауки), специалистов-текстильщиков о том, что развитие отечественного текстиля в большей части не вписывается в мировой тренд жесткой связки наука – образование – новые технологии производства.

Автору также хотелось бы взбудоражить, разбудить пытливые умы молодых специалистов, показать им множество существующих проблем, в решении которых они могли бы принять активное участие.

Нужно понимать, что современное производство текстиля и одежды – это сложнейшие современные технологии, впитавшие (как и во все времена) все достижения XX и XXI веков и сохранившие все самое лучшее из прежних времен.

Рекомендованная литература.

1. J.Singh. Renewable and sustainability energy. Reviews 14 (2010), 2596-2610.

2. Tamas Juracsek. Algae farming. Overview 4/25/2013.

3. G.Pauli. The Blue Economy Case77, Fibre from Algae.

4. Г. Е. Кричевский. Химическая технология текстильных материалов. Том 2. Учебник для вузов в 3-х томах. - М.: Изд-во МГУ, 2001. - 540 с.

5. Направленное подведение лекарственных препаратов при лечении онкологических заболеваний. Под редакцией А. В. Бойко, Л. И. Корытовой, Н. Д. Олтаржевской. – М.: МК, 2013. – 200 с.

6. Г. Е. Кричевский. Всё или почти всё о текстиле. Т.1-2. М., изд-во «Известия», 2013, 240 с., 192 с.; 2014, 400 с.

7. Г. Е. Кричевский. Нано-, био-, химические технологии в производстве нового поколения волокон, текстиля и одежды. Издание первое. — М.: 2011. - 528 с. 


Комментарии:

Пока комментариев нет. Станьте первым!