Мусорная лихорадка: бактерии в помощь

Коренная перестройка автоиндустрии уже началась, но ее первые реальные плоды появятся только в начале следующего десятилетия: сразу несколько автогигантов намерены вывести на рынок массовые и недорогие модели электромобилей и сверхэкономичных гибридов. Это, несомненно, ослабит мертвую хватку дорогой нефти, но глобальный положительный эффект от появления машин без выхлопной трубы наступит еще не скоро. Что же мы будем заливать в топливные баки наших стальных или алюминиево-карбоновых коней с двигателями внутреннего сгорания в ближайшие пять-десять лет? Уилл Роу, президент американской технологической компании Coskata, утверждает, что это будет биоэтанол. Причем дешевый и качественный. Дешевый — потому что для его производства не нужны сахарный тростник, кукуруза или пшеница. А качественный — потому что бактерии не умеют работать спустя рукава!

В 2006 году Тодд Киммель, руководитель венчурного фонда GreatPoint Ventures, по совету и при участии биохимика Аарона Мэнделла выкупил у Университета Оклахомы права на особый штамм бактерии Clostridium carboxidivorans — родственницы C. botulinum, печально известной человечеству как причина ботулизма. Но Киммель не собирался производить биологическое оружие. Его целью было создание технологии промышленного получения дешевого биотоплива из дармового сырья, лежащего буквально под ногами. Ученые из Оклахомы обнаружили у нового вида клостридии, найденного в 2005 году в придонном иле, замечательное свойство — она с аппетитом поглощает углекислый газ, водород и угарный газ, превращая их в этиловый спирт. Эти ингредиенты — не что иное, как синтез-газ, из которого давным-давно получают различные органические вещества. Газовая смесь образуется при нагреве до температуры более 800 °C практически любой органики. Исходным сырьем могут быть сажа, древесные отходы, сухие отходы сельхозпроизводства, автомобильные покрышки, пластиковые пакеты и бутылки, бумага, ткани и т. д. Одним словом — мусор.

Идею Киммеля и Мэнделла — товарный этанол из целлюлозы и бытовых органических отходов по цене, в 2−3 раза меньше нынешней, — мгновенно оценил легендарный венчурный инвестор Винод Хосла. Этот человек славится тем, что никогда не ставит на неудачников. Вскоре при участии трех венчурных фондов — Khosla Ventures, Advanced Technology Ventures и GreatPoint Ventures — была создана компания Coskata. Работа началась без проволочек. Доводка необходимых свойств штаммов бактерий и базовые принципы уникальной технологии разрабатывались в сотрудничестве с учеными из Аргоннской национальной лаборатории до 2007 года.

Деятельность Coskata была строго засекречена — слишком большие деньги стояли на кону. Только на Детройтском автосалоне в начале января 2008 года состоялась совместная пресс-конференция автогиганта General Motors и никому не известной на тот момент Coskata. То, что на ней прозвучало, стало мировой сенсацией. Стороны объявили о начале совместного проекта по строительству сначала пилотного, а затем и полномасштабного заводов по производству сверхдешевого этанола. Уилл Роу заявил, что цена литра этанола, произведенного по методу Coskata, составит менее четверти доллара. После этого выступления рыночная стоимость Coskata взлетела до полумиллиарда долларов.

Методика Coskata включает три этапа. Первый из них — термохимическая газификация: превращение исходного сырья в тот самый синтез-газ, который так любят бактерии из Оклахомы. Исходное сырье загружают в специальную печь и при ограниченном доступе кислорода нагревают плазменными горелками почти до 900 °C. При этом органика превращается в синтгаз, а примеси и несгоревшие остатки удаляются. Во всем мире газификация происходит точно так же. Но следующие два этапа технологического процесса Coskata не имеют аналогов.

Традиционный способ получения жидкого моторного топлива из синтгаза был разработан еще в начале прошлого века немецкими учеными. Фундаментальные исследования этой проблемы были проведены Фридрихом Бергиусом, впоследствии получившим за это Нобелевскую премию по химии. Дальнейшее развитие его идеи получили в работах Франца Фишера и Ганса Тропша, создавших промышленную технологию синтеза бензина из угля (процесс Фишера-Тропша). Суть его заключается в каталитическом гидрировании оксида углерода с образованием смеси углеводородов при температуре около 200 °C. Катализаторами обычно служат кобальт, железо и оксиды различных металлов. Энергоемкость этой стадии весьма высока и делает конечный продукт неконкурентоспособным. Кроме того, для получения 1 т синтетического бензина требуется 4 т угля, что экономически невыгодно.

Вместо этого вторым этапом методики Coskata является так называемая ферментация. А попросту говоря — откармливание бактерий охлажденным до 38 °C синтез-газом. Это самая сложная с технической точки зрения стадия, поскольку эти микроорганизмы совершенно не переносят кислорода, а компоненты синтез-газа с трудом растворяются в воде.

Инженеры Coskata сумели блестяще решить проблему организации быстрого и сытного питания синтез-газом своих подопечных. Для этого был создан особый биореактор, состоящий из огромного количества полых пластиковых трубок диаметром в несколько десятков микрон, помещенных в водную среду. Внутрь трубок закачивается теплый синтез-газ, который через стенки-мембраны равномерно просачивается в окружающую воду. Внешняя поверхность трубок — своеобразный обеденный зал для бактерий. Чтобы они не теряли аппетита, в воду добавляют дополнительные питательные вещества — аминокислоты и витамины. Естественный продукт жизнедеятельности бактерий — этанол — вместе с потоком воды выносится из реактора.

Бактерии — идеальные природные микрореакторы, легко подстраивающиеся под изменяющиеся внешние условия. Вице-президент по научным исследованиям и разработкам Coskata Ричард Тоби утверждает, что даже если «кормить» колонию клостридий одним угарным газом, то конечным продуктом все равно будет этанол. Еще один значительный плюс метода ферментации Coskata — быстрота и высокая производительность.

Последний этап процесса — получение концентрированного этанола из водного раствора. Независимо от способа получения «браги» на ее перегонку даже самым экономичным способом уходит до 30% энергии, содержащейся в конечном продукте. Coskata практически не затрачивает энергии для выделения этанола из водного раствора: ее инженеры серьезно модифицировали известную технику диффузионного испарения через полупроницаемую мембрану, или перфузии, в которой используется разница удельной плотности воды и этанола, а также специальные гидрофильные мембраны, пропускающие воду, но задерживающие основной продукт.

По заключению ученых, проводивших независимую экспертизу метода Coskata, новая гибридная технология, совмещающая термохимические и биологические процессы, обладает выдающимися показателями. Так, полученный этанол при сжигании способен выдать 7,7 джоулей на каждый джоуль затраченной на его производство энергии. При традиционной технологии выделения этанола путем дистилляции — всего 1,3. На каждый литр полученного этанола Coskata расходует 0,8 л воды, тогда как для производства такого же количества этанола с помощью любых других существующих технологий необходимо не менее 3 л воды. Немаловажно и то, что при производстве этанола по этой технологии в атмосферу выбрасывается на 84% меньше углекислого газа, чем при производстве равного количества бензина (от нефтяной скважины до бензоколонки).

По словам Джима Макмиллана из Национальной лаборатории по возобновляемым источникам энергии (NREL), получение топлива из крахмала и сахарозы не изменит ситуацию на топливном рынке, даже если и дальше наращивать площади посева и питательную ценность растений. «Настоящий прорыв возможен, только если научиться использовать миллиарды тонн твердых отходов», — говорит он. И похоже, Coskata подошла очень близко к решению проблемы. Сырья, которое можно превратить в топливо с минимальными затратами, хоть отбавляй. Накопленные за десятилетия эвересты бытового мусора могут стать соперниками нефтяных скважин.

Мобильные установки для синтеза этанола могут располагаться прямо на свалках, на территории крупных промышленных и сельскохозяйственных предприятий. По утверждению Веса Болсена, вице-президента компании по маркетингу, технология Coskata — это вовсе не завтрашний день. Уже сегодня она полностью готова к применению, в том числе и в виде крупномасштабных проектов. Первый из них, пилотный завод с годовым объемом производства 150 000 л этанола, будет построен уже в конце нынешнего года на территории комплекса Westinghouse Plasma Center близ Питтсбурга. Он будет снабжать биотопливом испытательный полигон корпорации General Motors Milford Proving Grounds. А к 2011 году компания намерена запустить полноценное предприятие по синтезу товарного этанола с годовым производством от 200 до 400 млн литров. Параллельно с этим разрабатываются компактные мобильные установки для небольших предприятий и муниципальных служб.

Ключевой момент технологии Coskata — использование свойств бактерий. В настоящее время исследователи компании заняты глубоким изучением генома Clostridium carboxidivorans для определения направлений работы по его модификации. Эксперты считают, что генная инженерия значительно расширит потенциал метода — ведь бактерия еще практически не изучена.

Между тем генетики утверждают, что бактерии уже сегодня способны на многое. Современные компьютеризированные методики позволяют моделировать бактерии с заданными свойствами, а затем относительно быстро получать их штаммы. С помощью направленных мутаций можно вывести штаммы, обладающие фантастическими свойствами. Например, производить из того же крахмала и сахарозы не этанол, а бензин, дизель и даже ракетное топливо. Известная биохимическая компания LS9 из Сан-Франциско работает над созданием бактерий, способных делать это в промышленных масштабах. Компания заявляет, что построит первую биофабрику по производству дизтоплива производительностью от 200 до 400 млн литров в год уже в 2011 году.

Компания Amyris Biotechnologies ставит перед собой еще более масштабные задачи. По словам ее вице-президента Нила Реннингера, за последние несколько лет их специалисты смоделировали и вывели штаммы бактерий и дрожжевых грибков, способных синтезировать компоненты различных видов топлива. Недавно Amyris Biotechnologies подписала соглашение с одним из крупнейших бразильских производителей этанола, компанией Crystalsev, о постройке биофабрики по синтезу биодизеля из сахарного тростника мощностью 120 млн литров в год. «Мы будем делать из растительного сырья идеальное дизельное топливо без всяких промежуточных стадий, — заявляет Реннингер. — А еще через два-три года начнем синтезировать идеальный бензин и лучшее в мире ракетное топливо».

Всемирно известный генетик Крейг Вентер заявил недавно, что работает над выведением микроорганизмов, которые смогут синтезировать сырую бионефть из углекислого газа, содержащегося в земной атмосфере и во вредных выбросах крупных предприятий. Бактерии, которые будут делать эту работу, получат специальный ген-предохранитель с заданной программой самоуничтожения в случае их «побега» из биореактора. Полученная нефть будет перерабатываться на обычных нефтеперегонных заводах. Скептики и противники Вентера, которых у него немало, уже успели разгромить теоретические построения ученого. Однако Вентер славится тем, что умеет практически решать самые сложные задачи. Нам остается подождать не более года, чтобы узнать, насколько серьезны были его заявления: Вентер намерен уже к лету 2009 года создать пилотную биологическую «нефтяную скважину».