Волокна та біопаливо з водоростей
Запрошення на семінар НОР-МІФІ
Вийшла у світ книга «Інноваційні сист.
Як купити книги професора Кричевського.
Дизайн «науки» та «вченого»
Чи є нанонаука?
Проф. Г. Є. Кричевський
В останнє десятиліття динамічно розвивається потужний науково-практичний напрямок "The Blue Economy" ("Блакитна економіка" або економіка морепродуктів (у широкому сенсі)) [1-3]. Цьому напрямку присвячено сотні публікацій та патентів, розроблено нові технології, створено сотні науково-виробничих компаній у різних країнах (Україна – виняток).
Про інші цінні продукти з водоростей буде викладено у другій частині статті.
Довідка. У СРСР альгінат на основі бурих водоростей холодного Білого моря вироблявся на єдиному заводі в СРСР (Архангельський досвідчений водоростевий завод). За радянських часів цей завод не справляється з потребою в альгінаті потужної (за обсягом входила до п'ятірки світових лідерів) текстильної промисловості СРСР. Тому значна частина альгінату для текстильної друку закуповувалося в зарубіжних країнах з морськими кордонами, де ростуть водорості (Англія, Норвегія, Японія).
В даний час текстильна промисловість в Україні перебуває у системній кризі [7], і потреби в альгінаті для текстильного друку скоротилися до «слідових» кількостей. Але альгінат широко використовується у харчовій промисловості, у косметиці, медицині, тому Архангельський завод зосередився на виробництві альгінату для цих напрямків. Але й потреба цих галузей вітчизняне виробництво альгінату задовольнити навіть мало не може. Комбінат працює не в повному річному режимі, якість його продукції суттєво нижчаімпортних аналогів. Завод переробляє незначну частину водоростей, викинутих морем на берег, решта гниє там без використання.
У той самий час світ сильно просунувся технологічно у глибокій переробці водоростей, як сировини для найціннішого біополімеру альгінату, виробництва палива, корисних продуктів, БАВів, ліків, білків, природних масел тощо. [1-3]. Ми і нафту, і газ, якими володіємо у величезній кількості, переробляємо лише до рівня мазуту та бензину, надаючи більш цінні продукти своїм закордонним конкурентам і закуповуючи у них десятки найцінніших продуктів глибокої переробки та виробів з них (ліки, пластики, волокна, каталізатори) , кузова всіх видів транспорту та ін) [7]. Це не проблема «ноу хау», технології, це проблема обраної в 1991 році економічної моделі розвитку України, яка не змінювалася всі ці 24 роки (все це вироблялося в СРСР) [7].
Кон'юнктура на світовому ринку природних волокон.
У світі у 2010 році було вироблено 35 млн. тонн природних волокон рослинного та тваринного походження на 50 млрд. доларів. З них у «чистий» текстиль пішли 23 млн. тонн. Інші 12 млн. тонн використано, головним чином, для виробництва конструкційних композитів (всі види транспорту, будівництво, сільське господарство). Вартість природних волокон, що йдуть для виробництва композитів на їх основі (країна, що динамічно розвивається, конструкційних матеріалів) склала в 2010 році 2,1 млрд. доларів, а в 2015 році подвоїться [6].
Наприклад, середньостатистичний легковий автомобіль марки BMW містить до 24 кг льону, що входить до складу композитів. Фюзеляж сучасного літака складається з 50% з композитів. Сучасні, надміцні, конструкційні композити виробляють на основінового покоління високоміцних синтетичних волокон та нового покоління надміцних полімерів, що становлять полімерну матрицю композитів. Використання композитів на основі волокон – основний шлях заміни важких і схильних до корозії металевих конструкцій. А це економія палива, підвищення технологічності виробництва елементів транспорту (композиту легше надати необхідної форми, ніж металу).
Наймасовіше природне волокно – бавовна, якої у 2010 році вироблено 25 млн. тонн. Останнім часом у лідери з вирощування бавовни вийшов Китай (32%), на другому місці Індія (22%), потім США (12%, у 20 столітті були лідерами) [7]. У США посіви бавовни значно знижено наприкінці 20-го століття з допомогою бурхливого зростання виробництва синтетичних волокон, зокрема нового покоління [6].
Китай починає замінювати посіви бавовни, що вимагають великої витрати води на меліорацію та добрив на культивування, на посіви конопель для виробництва пеньки для технічних цілей. Коноплі не потребують високої якості землі (можна пустити під зернові), сильного зрошення. Генетично модифіковані коноплі не містять наркотику [6].
Рослинні волокна і, перш за все, бавовна займають великі посівні площі та не дають можливості на них культивувати зернові культури. Це найважливіша проблема, передусім, у країнах із великим населенням та дефіцитом продуктів харчування. Китай із населенням понад 1 млрд. чоловік першим приступив до вирішення проблеми заміни «земних» рослинних волокон на волокна з водоростей (виростають у воді) і першим досягнув цього великого успіху [1], який, по-перше, пов'язаний з тим, що Китай є найбагатшою країною за всіма видами водоростей, що самозростають.
Перші альгінатні волокна, отримані китайською командою(Альгітанні волокна відомі з середини минулого століття, були не міцні, розчиняються в лужних розчинах і використовувалися в основному в медицині) виявилися крихкі і знайшли застосування тільки для медтекстилю (ранові покриття). Видозмінивши технологію екстракції альгінату з бурих водоростей (250 кг з 1-ої тонни) і схему формування волокон, отримали міцні (міцніше за бавовну), вогнестійкі волокна, що поглинають електромагнітні хвилі. Текстиль із цих волокон знайшов застосування у захисному одязі (армія, рятувальники, маскування).
У 2011 році Китай збудував завод з виробництва волокон з альгінату на 1000 тонн на рік. Найближчими роками в Китаї планується виробляти 1,9 млн. тонн альгінатних волокон. І тоді волокна з альгінату стануть третіми волокнами за значимістю серед волокон рослинного походження після бавовни (25 млн. тонн), льону та джуту (2,9 млн. тонн).
З метою виробництва з водоростей волокон та інших цінних продуктів вчені та технологи пішли далі [2,3] і для того, щоб уникнути залежності від капризів природи (урожаю водоростей), перейшли до вирощування певного виду водоростей у спеціально створених водоймах при природному освітленні на спеціальних фермах-плантаціях. При цьому використовуються останні досягнення у галузі звичайної та генної інженерії, фотоніки, хімії, нанотехнології та інших проривних технологій. Останні розробки в цій галузі стосуються вирощування водоростей із мікрокультур у біореакторах [3].
З погляду класифікації волокон, волокна з альгінату слід віднести до штучних волокон, оскільки вони виходять з біополімеру (полісахариду) альгінату, якому шляхом фізико-хімічних перетворень надається волоконна структура.
Найбільшого успіху в переробці водоростей досягли США, які промислововиробляють безліч цінних продуктів на основі глибокої переробки вирощених водоростей [2,3].
Близька ситуація виникла наприкінці 18 століття, коли домінували (100%) у текстилі натуральні волокна, а світова текстильна промисловість інтенсивно розвивалася і вимагала великих обсягів волокон за нижчою ціною. До цього моменту прийшла перша промислова революція, яка і змогла вирішити цю проблему, розробивши технологію виробництва хімічних волокон (man-made fibres). Цей процес триває досі, і в асортименті текстильника, поряд із природними рослинними та тваринними волокнами, є десятки видів хімічних (штучних та синтетичних волокон).
Приклад з альгінатними волокнами з водоростей показує, що поряд з появою нових хімічних волокон з високими споживчими властивостями, у конкуренції з цим прогресивним напрямом знаходиться пошук нових шляхів використання ресурсів природи.
Альгінатні волокна, генно-модифікована надміцна бавовна, клонування овечки Доллі, целюлоза за допомогою мікроорганізмів, павуковий шовк та інші новації, що відносяться до нового напряму науки і практики – біоніки [8], приходять у реальне життя світового текстилю на основі успіхів проривних наук NBIC – нано-біо-, інфо-, когнітивні технології) та, звичайно, традиційних технологій (хімічні, механічні).
Автору також хотілося б схвилювати, розбудити допитливі уми молодих фахівців, показати їм безліч існуючих проблем, у вирішенні яких вони могли б взяти активну участь.
Потрібно розуміти, що сучасне виробництво текстилю та одягу – це найскладніші сучасні технології, що ввібрали (як і за всіх часів) усі досягнення XX та XXI століть та зберегли все саменайкраще з колишніх часів.
1.J. Singh. Renewable і sustainability energy. Reviews 14 (2010), 2596-2610.
2.Tamas Juracsek. Algae farming. Overview 4/25/2013.
3.G.Pauli. The Blue Economy Case77, Fibre від Algae.
4.Р. Є. Кричевський. Хімічна розробка текстильних матеріалів. Том 2. Підручник для вузів у 3-х томах. - М: Вид-во МДУ, 2001. - 540 с.
5.Спрямоване підведення лікарських препаратів при лікуванні онкологічних захворювань. За редакцією О. В. Бойка, Л. І. Коритової, Н. Д. Олтаржевської. - М.: МК, 2013. - 200 с.
6.Р. Є. Кричевський. Все або майже все про текстиль. Т.1-2. М., вид-во "Известия", 2013, 240 с., 192 с.; 2014, 400 с.