Круговорот возобновляемого сырья: биодизель из микроводорослей, биоразлагаемая полимерная упаковка, электроэнергия из органических отходов

В настоящем выпуске информационного бюллетеня представлены три перспективных тренда в области биотехнологий, связанные с возможностями эффективного использования возобновляемого сырья.

Версия для печати:   

Возобновляемое сырье (а это органические отходы промышленности, сельского и лесного хозяйства, растительная биомасса) — наиболее доступные ресурсы. Они дешевле газа, угля, нефти и имеют большой потенциал использования в России.

Из них можно получать целый ряд новых продуктов либо продуктов с улучшенными характеристиками (например, биогаз, биотопливо, биоматериалы), решая при этом проблему утилизации отходов и снижая нагрузку на окружающую среду.

Особенно перспективны технологии, позволяющие перерабатывать возобновляемое сырье в биотопливо и электроэнергию, а также решения для производства биополимерной упаковки. Их разработка и применение в России позволят в среднесрочной перспективе снизить зависимость национальной экономики от энергоресурсов, аналогичных зарубежных продуктов и технологий, необходимых для развития данной сферы, создать новые рынки.

 

Биодизель из микроводорослей

По мере того как растет численность населения и люди становятся более мобильными, увеличивается ежегодная потребность в авиа- и автомобильных перевозках. Удовлетворять усиливающийся спрос на моторные топлива возможно за счет производства биодизеля нового поколения из зеленых микроводорослей — в качестве альтернативы биодизелям, получаемым на основе сельскохозяйственных культур.

Зеленые микроводоросли способны преобразовывать углекислый газ в органические соединения и при этом оказывать очищающий эффект на атмо- и гидросферу. Такое биотопливо можно использовать в двигателях дизельного типа, ведь оно очень близко к традиционным моторным топливам — продуктам нефтепереработки.

Очевидные плюсы микроводорослей — высокие скорость роста биомассы и содержание масел, удобство сбора и возможность выращивания прямо на предприятиях и вблизи электростанций — подогревают интерес ученых и многих крупных корпораций к их исследованию и промышленному использованию. В некоторых странах начато серийное производство специальных биореакторов по выращиванию микроводорослей. Япония и США уже осуществили успешные испытания авиа- и автотранспорта, работающего исключительно на водорослевом биодизеле.

 

---

Эффекты Технологии получения биодизеля нового поколения будут способствовать развитию транспортного сектора, повышению его экологичности и удовлетворению возрастающих потребностей в топливе. Культивирование микроводорослей в фитореакторах, вихревых плавающих аквареакторах, открытых водоемах снизит остроту конкуренции между техническими и продуктовыми посевными площадями, станет основным драйвером развития экономически неблагоприятных регионов, позволит снизить их зависимость от импортируемых топлив. Из микроводорослей можно получать другие полезные продукты, в частности белки, антиоксиданты, пищевые красители.

Оценки рынка 150 млн тонн К 2030 году мировое производство биотоплива увеличится до 150 млн тонн в нефтяном эквиваленте при ежегодных темпах прироста 7–9%. Его доля достигнет 4–6% в общем объеме топлива, потребляемого транспортным сектором. Биотопливо из водорослей может заменить более 70 млрд литров ископаемого топлива ежегодно. Рынок биотоплива в России к 2020 году может вырасти более чем в 1,5 раза — до отметки в 5 млн тонн в год. Вероятный срок максимального проявления технологического тренда: 2025–2035 гг.

Драйверы и барьеры Главный драйвер — экологическая политика развитых стран по минимизации масштабов загрязнения окружающей среды. Основной барьер — необходимость масштабных инвестиций для строительства заводов по производству биодизеля, настройки технологических процессов. В случае выращивания водорослей в открытых водоемах эффективность их роста зависит от интенсивности солнечного света.

Международные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Заделы» — наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

 

---

 

Биоразлагаемая полимерная упаковка

Из-за повсеместного распространения упаковочных материалов — пакетов, пленок, контейнеров из химических полимеров — с каждым годом обостряется проблема загрязнения окружающей среды. Снизить ее остроту может переход к упаковочным материалам из биоразлагаемых полимеров — быстро утилизируемых и удобных в использовании.

В большинстве развитых стран в производстве упаковки намечается тенденция к вытеснению тяжело и долго (до нескольких сотен лет) разлагающихся химических полимеров биоразлагаемыми (с периодом утилизации 2–3 месяца). Ежегодный объем их потребления только в Западной Европе составляет около 19 тыс. тонн, в Северной Америке — 16 тыс. тонн. Между тем по ряду потребительских качеств биополимерные упаковочные материалы пока отстают от традиционных синтетических.

Технологии производства биополимерных материалов на основе полимолочной кислоты из растительных сахаров зерновых культур и сахарной свеклы позволяют производить упаковку с высокими потребительскими свойствами. Она эластичная и прочная, устойчива к влаге и агрессивным соединениям, непроницаема для запахов, имеет высокие барьерные свойства и при этом эффективно и быстро разлагается. Технологии, по мере их совершенствования, становятся все менее материало- и энергоемкими.

 

---

Эффекты Формируются нишевые рынки — термоусадочных упаковок, влаго- и запахонепроницаемых пакетов, ударостойких контейнеров и др. Сокращается зависимость экономики от нефтегазового сырья. Снижается негативная нагрузка на окружающую среду. Массовое использование качественной и удобной биоразлагаемой упаковки повышает экологическую культуру населения, приверженность к здоровому образу жизни.

Оценки рынка $4 млрд Рынок биополимеров, изготовленных на основе возобновляемых ресурсов, будет ежегодно расти на 8–10%. Наиболее интенсивно будет развиваться сегмент упаковочных материалов. Уже сейчас в этом сегменте наблюдается 90 % от текущего объема мирового потребления биополимеров (205 млн тонн). Емкость рынка биополимеров к 2020 году оценивается в 4 млрд долларов. Вероятный срок максимального проявления технологического тренда: 2025–2030 гг.

Драйверы и барьеры Из-за необходимости экономить невозобновляемые ресурсы нефти и газа в развитых странах ужесточаются экологические требования к упаковочным материалам, дорожает утилизация традиционной упаковки, сворачивается использование неразлагаемой упаковки. Все эти факторы стимулируют производство биоразлагаемых пластиков лидерами нефтехимической промышленности. К сдерживающим факторам относятся недостаточно развитое экологическое воспитание у населения и бизнеса, более высокая стоимость биоразлагаемых полимеров по сравнению с синтетическими.

Международные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Заделы» — наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

 

---

 

Электроэнергия из органических отходов

Процессы утилизации и переработки отходов совмещаются с процессами производства практически значимых продуктов и даже электроэнергии. При помощи специальных устройств — микробных топливных элементов (МТЭ) — стало возможным производить электроэнергию из отходов напрямую, минуя стадии получения биогаза и его последующей переработки в электричество.

МТЭ представляют собой биоэлектрическую систему, эффективность функционирования которой зависит от метаболической активности бактерий, которые расщепляют органические соединения (отходы) и передают электроны на электрическую цепь, встроенную в эту же систему. Наиболее эффективны такие бактерии, когда они встроены в технологическую схему предприятий по очистке сточных вод, содержащих органические вещества, при расщеплении которых может вырабатываться энергия.

Существующие лабораторные решения уже позволяют использовать МТЭ для подзарядки аккумуляторов. По мере масштабирования и оптимизации технологических решений станет возможным обеспечивать электричеством и небольшие предприятия. Например, высокопроизводительные МТЭ, работающие на объемах от десятков до тысяч литров, обеспечат автономное питание очистных сооружений.

 

---

Эффекты Применение МТЭ повлияет на экологичность производственных процессов, эффективность работы предприятий, снизит зависимость от внешних источников электроэнергии, уменьшит ее себестоимость и расходы на приобретение очистных технологий. Благодаря МТЭ можно улучшить ситуацию в энергодефицитных регионах, повысить их конкурентоспособность.

Оценки рынка до 70 % вырастет к 2020 году в России доля отходов, которые будут перерабатываться методами биотехнологий (по отношению к 2012 году). В странах Европейского союза доля электроэнергии из биогаза составит к 2020 году около 8 %. Вероятный срок максимального проявления тренда: 2020–2030 гг.

Драйверы и барьеры Драйверами развития тренда являются расширение объемов органических отходов и рост потребности в электроэнергии; возможность работы биореакторов типа МТЭ на различных источниках энергии, включая сточные воды. Сдерживает массовое применение микробных топливных элементов в электрогенерации недостаточный уровень инвестиций, необходимых для встраивания МТЭ в технологические процессы; длительный период их окупаемости; привязка биореакторов к местам образования отходов; относительно низкая эффективность ныне функционирующих опытно-промышленных конструкций биореакторов типа МТЭ.

Международные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Заделы» — наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

 

---

 
Мониторинг глобальных технологических трендов проводится Институтом статистических исследований и экономики знаний Высшей школы экономики (issek.hse.ru) в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ.

При подготовке трендлеттера использовались следующие источники: Прогноз научно-технологического развития РФ до 2030 года (prognoz2030.hse.ru), материалы научного журнала «Форсайт» (foresight-journal.hse.ru), данные Web of Science, Orbit, iea.org, ras.ru, economy.gov.ru, ec.europa.eu, carbontrust.com, expertclub.ru, belgorodinvest.ru, renova.ru и др.

Более детальную информацию о результатах исследования можно получить в пресс-службе НИУ ВШЭ: press@hse.ru, +7 (495) 621-78-73.

© Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», 2014