Что такое зеленая химия и при чем здесь безотходная философия

Современная жизнь невозможна без химии: ее процессы и продукты используют все индустрии: и добывающие, и обрабатывающие, и сельское хозяйство, и сфера услуг. Истощение природных ресурсов и проблема отходов привели науку к выводу: человечеству нужно кардинально изменить промышленные технологии, чтобы сохранить планету. Химии предстоит стать зеленой – максимально безотходной и экологичной. Кто и как развивает это направление науки?

Безотходная философия

30 лет назад химические предприятия выделялись «лисьими хвостами» из труб – оранжево-коричневым дымом с диоксидом азота. «Сейчас вы такого не встретите – промышленность кардинально изменилась. Не осталось предприятий, которые выбрасывают такое количество вредных веществ в воздух», – рассказывает доктор химических наук, профессор РАН и ректор РХТУ им. Д. И. Менделеева Александр Мажуга (интервью с ним см. на стр. 10–11). Выбросы только парниковых газов в России по сравнению с 1990 г. снизились на 48,4%, подтверждают данные Минприроды.

Но одного уменьшения выбросов парниковых газов мало, для того чтобы снизить нагрузку на окружающую среду. Пока отечественная промышленность и люди продолжают производить все больше отходов – и промышленных, и бытовых. По данным Росприроднадзора, в 2017 г. в стране образовалось 6,22 млрд т отходов – на 66,5% больше, чем в 2010 г.

Промышленности нужны масштабная экологическая модернизация и переход на лучшие современные технологии, констатировал Владимир Путин в послании Федеральному собранию в 2018 г. С 2019 г. на экологичные технологии должно перейти 300 промпредприятий с самым сильным воздействием на окружающую среду, а с 2021 г. – все предприятия с высокой категорией риска для окружающей среды.

Решению экологических проблем помогут исследования в области зеленой химии, разработка новых экологичных химических процессов и внедрение таких технологий на предприятиях, уверен ректор РХТУ. «Зеленая химия» – новое словосочетание индустриальной эры. Это научное направление и философия. Ее задача – сделать химическую продукцию и сам процесс производства безопасными и безотходными», – объясняет Мажуга.

Эффективность на уровне атомов

История зеленой химии началась всего 30 лет назад. В начале 1990-х гг. руководивший отделением промышленной химии в Агентстве по охране окружающей среды США Пол Анастас сформулировал концепцию нового научного направления: проще предотвратить образование опасных отходов на этапе разработки технологий, чем позднее решать проблемы с утилизацией. Ученые разработали 12 принципов зеленой химии, суть которых сводится к тому, что новые технологии должны минимизировать ущерб окружающей среде, быть более выгодными экономически и функционально превосходить существующие аналоги.

«Зеленая химия – это создание процессов и технологических систем, которые не оказывают вредного воздействия на окружающую среду и человека. Все очень просто и понятно», – резюмирует Наталия Тарасова, директор Института химии и проблем устойчивого развития РХТУ и экс-президент Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC).

Один из главных параметров зеленой химии называется «Е-фактор», или соотношение массы произведенного вещества и отходов, рассказывает Мажуга. В идеальном мире отходов не должно быть вовсе, в реальности – чем их меньше, тем лучше. По этому показателю самой зеленой отраслью оказывается нефтехимия: Е-фактор отрасли почти 1, и на 1 кг готового продукта приходится 1 кг отходов. А аутсайдер – фармацевтика, которая для получения 1 кг действующего вещества генерирует в среднем 25 кг отходов.

Классическим примером применения принципов зеленой химии считается производство с действующим веществом ибупрофен (нестероидное противовоспалительное), рассказывает Мажуга. Популярное лекарство синтезировали в шесть стадий, в ходе которых 60% сырья уходило в отходы, в том числе токсичные. В начале 1990-х, когда срок патента на препарат истек, фармацевтические компании модернизировали технологию: за счет катализа сократили синтез до трех этапов, а объем отходов – до 23% от исходного веса.

Главное достижение зеленой химии – переход от токсичных хлорорганических растворителей (бензола и толуола) к воде или углекислому газу, считает Мажуга. «В углекислом газе в состоянии флюида проводятся сверхкритические реакции. Газ испаряется, собирается в отдельном резервуаре и конденсируется – получается замкнутый цикл», – объясняет он. Именно с помощью сверхкритического углекислого газа получают кофе без кофеина.

Другой знаковый пример – замена токсичных элементов, которые применяют в 90% промышленных химических процессов. Традиционно в качестве катализаторов используются ионы и соединения тяжелых металлов: свинца, меди, хрома, палладия, платины, осмия. Зеленая химия заменяет их на более экологичные кальций, магний и др.

Зеленое государство

Американское агентство по охране окружающей среды учредило Институт зеленой химии в 1997 г., позднее отдельные исследовательские лаборатории по направлению зеленой химии появились в крупных университетах США. Евросоюз для обмена передовыми экологичными технологиями учредил Центр устойчивого развития химии в Бонне. Английские университеты обзавелись специализированными кафедрами и центрами разработок зеленых технологий.

С позиции фундаментальных исследований российская наука не отстает от ученых США и Великобритании, говорит Мажуга. На государственном уровне Россия также поддерживает зеленую химию, но не как отдельное направление, а через конкретные проекты – создания новых очистных сооружений, переработки отходов, производства биоразлагаемых материалов. Отдельно Минпромторг при помощи грантов и налоговых льгот поддерживает внедрение экологичных технологий в промышленности и биологических средств повышения урожайности в сельском хозяйстве вместо пестицидов и гербицидов.

Развитию зеленой химии способствует общество, а не только государство, уверена Тарасова. «О проблеме твердых бытовых отходов ученые говорят последние 40–50 лет, но, когда она достигла таких масштабов, что люди начали оказывать сопротивление строительству новых полигонов, государство вынуждено вмешаться. Как итог, уже на государственном уровне решается проблема переработки отходов», – объясняет она. Другой пример – реакция потребителей на проблему разрушения озонового слоя, когда в одночасье покупатели из США отказались от аэрозолей и таким образом вынудили производителей заменить флаконы на безвредные для озонового слоя.

В России промышленные предприятия не торопятся массово внедрять зеленые химические технологии, пока экономия на зеленой химии не слишком очевидна и изменение технологических процессов сопряжено с очень большими рисками, признает ректор РХТУ. Отечественные компании сейчас находятся на этапе разработки таких технологий, объясняет Тарасова. Она указывает на пример российского производителя удобрений «Фосагро», который совместно с ЮНЕСКО, Продовольственной и сельскохозяйственной организацией ООН (FAO) и международным союзом по теоретической и прикладной химии (IUPAC) финансирует исследования молодых ученых в области зеленой химии.

Пижма против жуков

«Фосагро» совместно с ЮНЕСКО и IUPAC создала фонд поддержки молодых ученых – химиков в 2013 г. Проект «Зеленая химия для жизни» выдает гранты на исследования в сферах охраны окружающей среды, здравоохранения, продовольствия, энергоэффективности и рационального использования природных ресурсов.

«Зеленая химия для жизни» дает путевку в жизнь талантливым перспективным ученым и, главное, прививает исследователям новое экологическое сознание, заставляет смотреть на все разработки через призму влияния технологий на окружающую среду, объясняет начальник отдела по международным проектам «Фосагро» Александр Антонов. По его словам, для компании этот проект благотворительный: от ученых не ждут немедленно готовых к реализации прикладных решений для химической промышленности. «Для нас это вклад в устойчивое развитие, в будущее планеты, но в перспективе мы рассчитываем на внедрение этих разработок», – говорит он.

«Благодаря гранту «Фосагро» и ЮНЕСКО я начал исследования нового поколения растительных пестицидов и сейчас продолжаю работу, но уже при поддержке Образовательной комиссии Пакистана. Я верю, что в скором будущем мы сможем предложить рынку готовый продукт, который позволит увеличить урожаи в сельском хозяйстве без химических пестицидов», – рассказывает изданию «Ведомости&» Мухаммад Исмаил из Международного университета Каракорам (Пакистан).

Для борьбы с вредителями посевов Исмаил разрабатывает экологичные препараты из растительного сырья, например пижмы. По его словам, за год работы по гранту он выделил соединения с новыми структурами и начал тестирование их эффективности в борьбе с вредителями посевов и в качестве лекарства при хронических заболеваниях человека.

За шесть лет жюри проекта «Зеленая химия для жизни» рассмотрело больше 600 заявок и присудило гранты 34 молодым ученым из 26 стран мира. В феврале «Фосагро» продлила программу до 2022 г., увеличила общий объем финансирования проекта до $2,5 млн и учредила специальный грант для поддержки исследований в области использования фосфогипса.

Гранты позволили разработать несколько революционных технологий, рассказывает Антонов.

Например, болгарский доктор наук Свилен Симеонов придумал, как использовать получаемый из сельхозотходов фурфурол в синтезе новых материалов для медицины. «Мои нынешние исследования берут начало в проекте по гранту [«Фосагро», ЮНЕСКО и IUPAC]. Он дал мне возможность начать собственный исследовательский проект по переработке биомассы и оснастить лабораторию нужным оборудованием, – рассказал он «Ведомости&». – Сейчас мы на втором этапе разработок, и нас поддерживает Фонд научных исследований Болгарии. Мы создаем инновационные подходы для утилизации биоразлагаемых отходов и создания платформы для органического синтеза».

Доктор наук Уиклифе Чисутиа Ваньони из Найроби создал технологию переработки куриных перьев в аминокислоты, белки и пептиды, из которых можно делать корма для животных. «Мы начали этот проект, чтобы решить проблему с загрязнением городских окраин отходами птицеводства. Только представьте: миллионы тонн богатых микроэлементами и белками куриных перьев просто выбрасывается. Многие предприятия сжигают их, другие просто закапывают в землю», – рассказывает он о своей разработке. Кенийский ученый выделил новый термостойкий щелочной фермент, который позволяет выделить белки из кератина и мягких костей. «Захватывающе смотреть, как в короткий срок в нейтральной среде при нормальной температуре и без загрязнения окружающей среды энзим разлагает перья», – поделился он.

Россиянка Алсу Ахметшина, получившая грант в 2015 г., разрабатывает экологичный способ отделения углеводородных газов от токсичных и коррозионно­активных кислых компонентов на нефтеперерабатывающем производстве. Ее группа на базе Нижегородского государственного технического университета создает мембраны для разделения кислых газов на основе полимерных ионных жидкостей – экологичные аминокислоты, карбоновые кислоты, которые встречаются в природе.

Здоровье почв и стартапов

Успех программы грантов для талантливых исследователей вдохновил «Фосагро» на участие еще в одном международном проекте в сфере зеленой химии – глобальной инициативе в области защиты почв. В 2018 г. компания подписала соглашение с Продовольственной и сельскохозяйственной организацией ООН (FAO). Задача совместного проекта – помочь сельхозпроизводителям анализировать состав почв и оценивать потребность в разных удобрениях, объясняет Антонов. Проект предполагает создание региональных сетей почвенных лабораторий в развивающихся странах, где особое внимание предполагается обратить на оценку качества и безопасности удобрений. «Фосагро», продолжает он, отвечает за налаживание единого мирового механизма продвижения технологий и знаний в области устойчивого землепользования, в том числе с учетом российского опыта. В июне «Фосагро» выступила официальным партнером запуска региональной сети африканских почвенных лабораторий (African Soil Laboratory Network – AFRILAB).

В структуру «Фосагро» входит единственный в России НИИ, занимающийся исследованиями производства минеральных удобрений, – Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам им. профессора Я. В. Самойлова. В 2019 г. институт отмечает 100-летие с момента образования. Это флагманский отраслевой институт, разрабатывающий и внедряющий новые технологии с минимальным воздействием на окружающую среду. НИУИФ разрабатывает комплексные решения для подбора удобрений и их правильного внесения. Недавно в ходе масштабного эксперимента с Международным институтом питания растений в Вологодской области с использованием высокоточных техник применения удобрений удалось добиться роста урожайности на 30% и получить четвертый дополнительный урожай кормовых трав на опытном поле.

Для поддержки отечественных ученых – химиков «Фосагро» инициировала еще один проект – акселератор Mendeleev на базе РХТУ. Его задача – помогать молодым разработчикам создавать коммерческий продукт, рассказал Мажуга. По его словам, участвовать в акселерационной программе могут команды ученых с готовыми разработками, которым нужна помощь в выводе продукции на рынок. Акселератор приглашает разработчиков в области агротехнологий, биофармацевтики, промышленной химии и производства новых материалов. Главное условие – соответствие идеи проекта принципам зеленой химии.

Разработчики смогут завершить исследования и доработать прототипы на лабораторной и инжиниринговой инфраструктуре РХТУ, а затем протестировать технологии на мощностях партнеров проекта. Акселератор обещает помочь молодым ученым с поддержкой бизнес-процессов, привлечением инвестиций и грантов, развитием команды и в области маркетинга и стратегии. Сейчас проект собирает заявки, программа стартует в октябре 2019 г. и продлится полгода.

Химия для будущего

«Следующие 20 лет станут переломными в развитии человечества в целом: либо мы пойдем по пути устойчивого развития и сохранения биосферы, либо начнем двигаться в сторону глобальных кризисов», – рассуждает Тарасова. Она считает, что для устойчивого развития России нужны четко сформулированная государственная политика и поддержка зеленых технологий.

Мировой рынок технологий и продукции зеленой химии будет расти в геометрической прогрессии в ближайшее десятилетие, прогнозирует Американское химическое общество в докладе «Как применение зеленой химии изменит мир», опубликованном в 2015 г. По его прогнозам, в 2020 г. объем этого сегмента мирового рынка составит $98,5 млрд, а среднегодовой прирост – 48,5%.

Бесконечный рост промышленности невозможен, миру нужны новые безвредные и безотходные технологии. То, что еще 20 лет назад казалось фантастикой, – реакции в воде, сверхкритические условия – сейчас внедряется на крупных предприятиях, следует из слов Мажуги.

Главными темами, которые будут определять экологическую химию и инженерию, в ближайшее десятилетие станут переработка и минимизация отходов, переход на менее токсичные химические растворители и катализаторы и использование возобновляемого сырья, говорится в докладе Американского химического общества. Флагманами развития новых технологий станут фармацевтическая отрасль, производство пластмасс, красок и клея, агрохимия и энергетический сектор.

«Загрязнение окружающей среды, глобальное потепление, токсичные отходы и огромное потребление энергии – вот страшная цена, которую человечество платит за все блага индустриализации XX в. Текущее столетие ученые и промышленность должны посвятить созданию безопасного мира, свободного от токсичных отходов», – резюмировал Исмаил.

«У нас только одна планета. Будущее окружающей среды и жизни вообще – это уже не теоретическая угроза, а вполне конкретная проблема, – соглашается Симеонов. – Зеленая химия – это основа для сохранения среды для следующих поколений». &