Новый катализ для новой химии: почему биомасса неподвластна «нефтяным» методам

Биомасса, представляющая собой органический материал растительного происхождения, играет все более важную роль в переходе на возобновляемую энергетику. Несмотря на сопутствующие вызовы, ее использование сулит значительные экологические преимущества. Однако эффективная переработка биомассы была бы невозможна без современных катализаторов, которые обеспечивают необходимую скорость и селективность химических процессов. Именно благодаря катализу растительная биомасса реализует свой потенциал как часть естественного углеродного цикла. Эту тему мы обсудили с российским ученым Оксаной Таран.

Доктор химических наук, профессор Российской академии наук Оксана Таран — заведующий лабораторий каталитических превращений возобновляемых ресурсов Института химии и химической технологии Сибирского отделения (СО) РАН, заведующий кафедрой органической и аналитической химии Института цветных металлов Сибирского федерального университета. В числе ее научных интересов — каталитическая переработка растительной биомассы и создание катализаторов для этого процесса, а также химия окружающей среды, химическая кинетика, электрохимия, фотохимия, химия углеводов и др. Оксана Таран — неоднократная участница конференции «АИСТ» (секция «Малотоннажная химия»), которая последние годы проходит в Минске в НАН Беларуси.

— Оксана Павловна, чем катализаторы для переработки биомассы, которые вы создаете, принципиально отличаются от традиционных катализаторов, применяемых в нефтехимии? 

— Отличия касаются в первую очередь двух аспектов: структуры и стабильности.

Во-первых, классические нефтехимические катализаторы, например цеолиты, — это микропористые материалы. Их разработчики стремятся добиться как можно большей удельной поверхности, то есть площади поверхности на единицу массы, — это могут быть даже тысячи квадратных метров на грамм. Так, удельная поверхность тех же цеолитов достигает 700—1 000 м²/г. И это идеально для работы с небольшими молекулами нефти.

Но биомасса представляет собой твердое вещество. Она состоит из трех основных компонентов: из биополимеров — целлюлозы как основы биомассы, из гемицеллюлоз в качестве гибкого связующего агента и из лигнина — жесткого защитника. Такие макромолекулы, даже если растворены каким-то образом, не могут проникнуть в поры микропористого катализатора, и этом случае в нем действует только внешняя геометрическая поверхность. Поэтому для обработки биомассы нужны катализаторы другой морфологии, другой формы. Поры должны быть макроскопическими или представлять собой как минимум мезопоры, так называемые средние, то есть иметь размер 100 нанометров и больше.

Во-вторых, биомасса в отличие от нефтепродуктов содержит значительно больше кислорода, а процессы ее переработки, как правило, проходят либо в воде, либо при ее активном участии. Даже используемые спирты часто ее содержат. Кроме того, в ходе этих процессов вода выделяется как побочный продукт.

Подавляющее большинство традиционных катализаторов и их носителей, применяемых в нефтехимии, — силикагель, оксид алюминия, цеолиты нестабильны в таких условиях: они либо теряют активность, то есть «отравляются» водой, либо попросту в ней растворяются. Это особенно актуально при высоких температурах (250 °C и выше). Следовательно, для переработки биомассы требуются носители, которые не боятся кипятка. К таким материалам относятся, например, графитизированный углерод, а также устойчивые оксиды титана, циркония, церия, ниобия. Их выбор существенно ýже, а стоимость, как правило, выше.

Резюмируя, отмечу, что и в России, и в Беларуси биомассы много. Ключевая проблема в том, что раз существующие нефтехимические катализаторы не годятся, нам приходится с нуля создавать совершенно новый продукт для ее переработки. А это значит, что мы на пороге фактически новой отрасли, связанной с производством катализаторов для биомассы.

— Расскажите, пожалуйста, о стратегии lignin-first. Почему первичное извлечение лигнина считается ключевым для комплексной переработки биомассы? Как вы считаете, насколько это применимо для России, Беларуси?

— Эту стратегию необходимо внедрять в практику. Наши традиционные производства — гидролизное и целлюлозно-бумажное — работают преимущественно с одним компонентом лигноцеллюлозной биомассы — с целлюлозой. При этом гемицеллюлозы и лигнин часто уходят в отходы. Например, на старых гидролизных предприятиях лигнин просто накапливался, а на современных целлюлозно-бумажных комбинатах его вместе с гемицеллюлозами сжигают для получения энергии или регенерации химикатов.

Стратегия lignin-first подразумевает, что в первую очередь мы работаем с лигнином. Он представляет собой ароматический полимер и является на планете единственной возобновляемой альтернативой ароматическим соединениям. Вся нефтяная ароматика когда-то образовалась из лигнина, но ждать миллионы лет для ее обновления — не вариант, поэтому мы разрабатываем для этого специальные технологии.

Суть в том, чтобы сначала извлечь лигнин, провести его деполимеризацию и получить мономеры или полимеры для дальнейшего использования в химической промышленности либо в качестве топлива. После этого мы переходим к целлюлозному остатку, который содержит уже меньше примесей. Гемицеллюлозы тоже можно выделять на определенных этапах и перерабатывать, например, в гликоли, широко применяемые в нефтехимии.

Я слышала, что в мире уже существуют опытно-промышленные установки для восстановительной переработки лигноцеллюлозной биомассы каталитическими методами, хотя сама с такими материалами пока не сталкивалась. Однако хотелось, чтобы и мы двигались в этом направлении.

На научных конференциях у меня порой спрашивают: зачем этим заниматься, если можно продолжать работать с нефтью? Но далеко не все химики изначально занимались нефтью. Кроме того, мировая наука сейчас активно развивается в области именно биомассы. Мы много сотрудничали с европейскими коллегами и даже знаем специалистов, которые преуспели в этом направлении в США, — как профессор Массачусетского университета Юрий Роман-Лешков, кстати, белорус по происхождению.

В странах Востока — Индии и Китае — переработка растительного сырья и лигноцеллюлозных отходов ведется широким фронтом. Если у нас много отходов деревообработки, то у них — огромное количество сельскохозяйственных остатков: кукурузные кочерыжки, скорлупа пальмовых орехов и т.д. Там из кукурузы уже получают, например, ксилит — заменитель сахара. Кроме того, на Востоке много ресурсов вкладывают в культивирование сельскохозяйственных энергетических культур, которые тоже дают ценные отходы: та же кукуруза и сахарный тростник выращиваются для производства этанола в промышленных масштабах, рапс — для биодизеля и так далее. Если Восток обгонит нас в технологиях и сможет уйти от закупок нефти и газа, полностью перейдя на биомассу, то это станет серьезным вызовом для экспортеров углеводородов. Шутка, конечно. Но как знать, как знать…

— Какие именно ценные продукты можно получить из растительного сырья с помощью ваших технологий и в каких отраслях промышленности они могут конкурировать с продуктами из нефти?

— Институт химии и химической технологии СО РАН ведет широкий спектр работ. Наиболее перспективным нам видится не выделение какого-то одного компонента сырья, что может быть востребовано, но часто приводит к большому количеству отходов, снижая экономическую эффективность и экологическую пользу, а глубокая переработка всей биомассы для получения целой линейки продуктов: от топливных (хотя они считаются наименее экономически выгодными) до фармацевтических (они, наоборот, наиболее рентабельны).

Приведу конкретный пример. У нас в институте разработана комплексная технология переработки биомассы березы, причем использовать нужно как кору, так и опилки. Из березовой коры мы выделяем два основных компонента: бересту и луб. Береста содержит бетулин — тритерпеновое соединение, которое составляет до 80% ее состава и придает березе характерный белый цвет. Бетулин — высокоактивное вещество с широким спектром действия (гемостатическим, противоопухолевым, противовирусным), но он нерастворим в воде, что ограничивает его применение. Наш институт активно работает над созданием растворимых производных бетулина, что открывает огромные перспективы для фармацевтики. Хотя выделить чистый бетулин сложно (в отличие, например, от терпеноидов сосны), мы считаем, что за этим направлением большое будущее.

Если говорить о практическом применении бересты, то в свое время по заказу одного из крупных российских концернов мы разработали технологию ее переработки в пробковый агломерат для производства отделочных панелей и напольных покрытий. Это особенно актуально для фанерных предприятий, где березовая кора становится крупнотоннажным отходом.

А луб может использоваться для производства энтеросорбента. Более того, добавляя в него производные бетулина, мы создаем сорбент с улучшенными свойствами. Так, апробация на птицефермах показала, что такой сорбент существенно снижает падеж птиц от кишечных инфекций.

Древесина (опилки) березы содержит ксилан, из которого можно производить пищевую добавку ксилит. В нашем институте для этого разработаны эффективные «one pot» технологии, когда процессы происходят «в одном котле»: мы используем бифункциональный катализатор, содержащий одновременно кислотные и металлические центры, и в одном реакторе под действием водорода сразу преобразуем ксилан в ксилит. После этого остается биомасса, состоящая в основном из лигнина и целлюлозы.

Далее с этим остатком можно работать разными методами. Например, под руководством профессора Бориса Николаевича Кузнецова — руководителя научного направления Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» в нашем институте развивается метод окислительной делигнификации. То есть лигнин окисляется до ценных двухосновных кислот, например, янтарной, а из оставшейся целлюлозы получают востребованный продукт — микрокристаллическую целлюлозу. Из нее в свою очередь можно выделить еще более ценные формы — микрофибриллированную и нанофибриллированную целлюлозу, которая сегодня присутствует на рынке, но отличается высокой стоимостью.

Таким образом, наша стратегия позволяет создавать из отходов древесины целый портфель продуктов — от строительных материалов и пищевых добавок до фармацевтических субстанций и высокотехнологичных целлюлозных материалов, способных конкурировать с нефтепродуктами в соответствующих секторах экономики.

Более того, скажу: в ХХ веке химики всего мира формировали комплексную нефтепереработку, и развитие этой отрасли — refinery — до сих пор не останавливается, а XXI век будет посвящен, наверное, комплексной переработке древесных и сельхозотходов. Даже уже есть название — biоrefinery.

Научные дискуссии в рамках образовательной программы «Техлид: управляй развитием». Красноярск, декабрь 2025 года

— В конференции «АИСТ» («Альтернативные источники сырья и топлива») в Минске вы участвуете не впервые. Например, 10 лет назад, в 2015-м, вы приезжали с докладом «Cu/ZSM-5 — уникальные катализаторы пероксидного окисления. От очистки сточных вод до функционализации легких алканов». В октябре 2025 года вы открывали конференцию «АИСТ» выступлением на тему «Гидропереработка лигноцеллюлозной биомассы как альтернативного источника сырья и топлива». На мой взгляд, видна масштабная смена фокуса. Это осознанный стратегический поворот, вызванный запросами времени, или же ваши ранние работы с катализаторами логически подвели вас к решению глобальной проблемы замены нефтяного сырья? 

— Это, скорее, логическое продолжение и расширение исследований. Конечно, за прошедшее десятилетие многое изменилось: я переехала из Новосибирска в Красноярск, прошла путь от заместителя директора до директора института, что, безусловно, расширило круг моих научных интересов и возможностей. Да, частные, конкретные задачи мы по-прежнему решаем, но сейчас, как я уже говорила, акцент сместился на комплексный подход. Ведь производство высокомаржинальных продуктов (например, фармацевтических субстанций) может сделать экономически оправданным получение менее дорогих, но массово востребованных материалов или топлива.

Что касается пленарного выступления на конференции «АИСТ — 2025», то его задача — представить тему широко, обозначить фундаментальные принципы, не погружаясь в излишние детали. Наши процессы и методы действительно эволюционировали, хотя мы продолжаем развивать и прежние направления. В целом вы правы, видя в этом стратегический поворот. Если говорить глобально, то, да, мы предлагаем альтернативы нефти. Пока заменить ее полностью невозможно, но работать в этом направлении необходимо. Нефть — исчерпаемый ресурс, и готовиться к будущему нужно уже сегодня.

Участники конференции «АИСТ». Минск, октябрь 2025 года

— В таком случае, если заглянуть лет на 30—50 вперед, то как, по-вашему, изменится структура химической промышленности? Мы движемся к полному замещению нефти биомассой или же нефть сохранит за собой нишу «бензина для химии» — сырья для особо ценных продуктов, в то время как базовые химикаты и топливо будут производиться из возобновляемых источников?

— Все довольно просто: как человечество переходило от дров к углю, а от угля к нефти, так и в будущем, когда добыча труднодоступной нефти, например, со дна Северного Ледовитого океана станет экономически невыгодной, переработка биомассы окажется более целесообразной.

В своей лекции я показывала, что менее 10% добываемой нефти идет на производство химикатов и материалов. Если говорить о том, что разведанных запасов нефти хватит, условно, на 50 лет, то, используя ее только для химии (те самые 10%), мы растянем этот ресурс на 500 лет. К этому и нужно стремиться: когда нефть станет дорогой, ее будут расходовать только на ценные продукты, а для получения энергии сойдет и более дешевое сырье.

Конечно, сегодня самым бюджетным топливом остается уголь, но его использование порождает серьезные экологические проблемы. Если бы в свое время не была разрушена гидролизная промышленность СССР, то сейчас нам было бы гораздо проще: почти 70 предприятий по всей стране могли бы стать базой для создания современных производств. Однако сегодня таких заводов осталось лишь два. Один в Беларуси — в Бобруйске, другой в России — в Кирове.

Что касается прогнозов, то на конференции «АИСТ — 2025» много говорили о зеленой энергетике: предлагали строить ветряки, использовать солнечную энергию… Нобелевский лауреат академик РАН Жорес Алферов (кстати, белорус — родом он из Витебска) даже как-то заметил в подобном контексте: у нас уже есть термоядерный реактор — Солнце, срок службы которого около 4 миллиардов лет, так давайте научимся использовать его эффективно. Но как быть там, где солнца практически нет?

Я и сама занималась солнечным фотокатализом, продолжаю эти исследования до сих пор. Но в какой-то момент мы с российским академиком Валентином Николаевичем Пармоном пришли к выводу, что рациональнее переключиться на то, что уже эффективно работает в наших условиях, — на зеленые растения. Это логично. Помню, на курсе по экологии в университете нас спрашивали: «Солнечная энергетика — это эффективно?» Мы отвечали: «Да, эффективно». «А выкопать тонны алюминия, расставить зеркала в пустыне — это экологично?» — «Да, экологично». Конечно, в пустыне, где много солнца и нет растительности, это оправдано. Но вырубить лес в Беларуси или Сибири, чтобы поставить солнечные батареи, — это, считаю, ни экономически, ни экологически неразумно. В Сибири их еще и снегом на полгода занесет. В каждом регионе должен быть свой рациональный сбалансированный подход.

Конференция «АИСТ». Минск, май 2015 года

— Чувствуете ли вы как женщина-ученый особую ответственность за устойчивое развитие и сохранение жизни на планете? Какова ваша глобальная цель?

— Хороший вопрос. Честно говоря, не задумывалась о гендерном аспекте этой ответственности. Но как ученый, конечно, осознаю свою роль. Думать о будущем планеты — часть нашей профессии. Мы стараемся закладывать экологическое мышление у студентов, объяснять принципы рационального природопользования. Но я, пожалуй, не мыслю глобальными абстракциями вроде «спасения человечества». У меня более четкая цель.

Хочется, чтобы мой город и мой регион стали чище, технологичнее, чтобы мои студенты были успешные, чтобы в будущем их работа приносила реальную пользу. И конечно, я вижу свою задачу в том, чтобы наша страна стала одним из мировых лидеров в том числе в области зеленой химии и технологий переработки возобновляемого сырья. Мы пытаемся воспитывать в молодежи не только патриотизм, но и научную гордость — показывать на примерах, что результаты наших исследований могут быть конкурентоспособными и значимыми на мировом уровне.

Ведь устойчивое развитие начинается не с глобальных лозунгов, а с конкретных технологических решений. Создать безотходный цикл переработки биомассы, предложить замену нефтепродуктам, снизить экологическую нагрузку от промышленного производства — это и есть вклад в сохранение жизни на планете. Поэтому мой подход такой: сначала нужно навести порядок в своем доме — в своей лаборатории, в своей научной области, в своей стране. Создавая эффективные, чистые технологии здесь и сейчас, мы готовим основу для более устойчивого будущего в целом.

— И напоследок скажите: правда, что у вас, сибирячки, белорусские корни?

— Да. Моя мама, ее девичья фамилия — Борисенко, родилась в селе Беседовичи Хотимского района Могилевской области. Она с отличием окончила Тульский военно-механический институт и отправилась по распределению «за туманом и за запахом тайги» в Новосибирск. Прочитав в газетах о строительстве Академгородка, решила начать там взрослую жизнь, да так навсегда и осталась в Сибири. Здесь она встретила моего будущего отца, украинца по происхождению, ярко проявила себя на профессиональном поприще — девочка из белорусской деревни стала заслуженным технологом Российской Федерации, и ее имя по сей день украшает доску Почета Ленинского района Новосибирска.

В Академгородке моя мама оказалась, когда я поступила в Новосибирский государственный университет.

Беларусь я считаю своей малой родиной и стараюсь приезжать при любой возможности. Люблю Минск. Кроме того, за годы трудовой деятельности у меня сложились тесные связи с коллегами из Национальной академии наук Беларуси, появились знакомые, друзья.

Я благодарна белорусскому академику Владимиру Еноковичу Агабекову за многолетнее плодотворное сотрудничество, за приглашения на конференцию «АИСТ», за его твердые научные убеждения, за уверенность в актуальности нашей общей работы. Именно такие личные и профессиональные связи, переплетающиеся через расстояние около 5 тысяч километров, и делают науку по-настоящему единой и сильной.

ФОТО Наталья Нияковская, открытые источники