Растительные масла могут быть получены из самых разнообразных растений. Помимо хорошо известных нам подсолнечников, пальм, кокосовых орехов, оливок и арахиса для этой цели используются и более экзотические виды: джоджоба и гваюла (оба—-растения пустынь), клещевина, рапс (семена), растения, выделяющие млечный сок, эвкалипты, тыквы, копайба, малме- лейро, орехи бабассу и др. Масла из этих растений, как и из многих других, исследуются в разных странах. Однако, прежде чем принимать решение об использовании этих масел как топлива и о налаживании их производства, необходимо оценить их стоимость, а также количество энергии, необходимое для выращивания соответствующих растений и переработки сырья. Нет смысла выращивать растения и получать из них литр растительного масла, если при этом затрачивается два литра первосортного горючего. Определяющий фактор здесь — урожайность, т. е. количество масла, которое фермер может получить с гектара посевов, а также денежные затраты и трудоемкость. Опыты с подсолнечником и соей на юге Африки и на Среднем Западе США показали, что можно получить до тонны масла с гектара, даже если использовать не самый лучший способ отжима. Содержание масла в собранном сырье составляет при этом 40— 50% по массе. Выход масла в две тонны с гектара считается обычным; сообщалось, что он может достигать и пяти тонн. Такое масло стоит около двух долларов за галлон (20 пенсов за литр). При этом запасенная в продукте энергия относится к энергозатратам при выращивании и переработке урожая как 3—10 к 1.
Главное препятствие для дальнейшего развития отрасли — низкая биопродуктивность имеющихся сортов растений. Между тем опыт осуществления специальных программ (которые должным образом финансировались) говорит о перспективности возделывания масличных культур. Так, с успехом была выполнена совместная научная и прикладная программы Великобритании и Малайзии по выведению высокопродуктивных сортов масличной пальмы. Были получены рекордные урожаи, до 14 тонн масла с гектара в год, что в 2—3 раза превосходит обычные; эти новые сорта быстро размножили путем использования метода культуры тканей.
Получение топлива из пальмового масла имеет ряд преимуществ перед выработкой этилового спирта из сахара или крахмалсодержащего сырья. Пальмовое масло получать проще, урожай можно собирать круглый год, при производстве образуется меньше отходов, загрязняющих окружающую среду, и при этом одним из «отходов» производства является богатый белком корм для животных. В идеальном случае можно будет использовать выращенное растение целиком и получать набор разных продуктов. При этом возврат энергии очень велик, и для производства топлива не требуется воды.
Растительное масло можно использовать в чистом виде или в смеси с дизельным топливом для применения в двигателях компрессионного зажигания. Однако эффективность работы и долговечность таких машин увеличиваются, если масло переработать в метиловые или этиловые эфиры. C другой стороны, многие виды растений синтезируют углеводороды, которые можно непосредственно использовать как горючее или химическое сырье. Из последних наиболее известен каучук, получаемый из культивируемых деревьев Hevea brasilensis. C химической точки зрения такие углеводороды — это вещества, более восстановленные, чем углеводы. Их можно использовать непосредственно, не прибегая к микробиологической или термохимической модификации, без чего не обойтись в случае углеводов.
В настоящее время предпринимаются серьезные попытки вывести и наладить выращивание сортов растений, синтезирующих углеводороды более низкой молекулярной массы, чем у каучука. Предполагается, что из них можно будет получать жидкое топливо со свойствами, близкими к таковым у нефти.
Поиски растений с высоким содержанием углеводородов периодически проводились и раньше. В 1921 г. была опубликована монография, в которой сообщалось о содержани «каучука» в растениях Северной Америки. За четыре года до смерти (1932 г.) американский изобретатель Томас Эдисон изучил в этом плане около 2000 видов растений. Он нашел, что многие растения содержат углеводороды, но только у одного-двух из них молекулярная масса была настолько высока, что они могли в принципе служить заменителем натурального каучука из Hevea. Такие поиски велись в основном среди растений, выделяющих млечный сок — латекс. Последний представляет собой похожую на молоко 30%-ную эмульсию углеводородов и является тем сырьем, из которого на плантациях получают натуральный каучук. Отметим, что многие виды растений, особенно из семейства Euphorbiaceae1 накапливают в латексе углеводороды с существенно меньшей, чем у каучука, молекулярной массой (10— 20 тыс., а не 1—2 млн.). Именно среди веществ с такой молекулярной массой ведутся сегодня поиски заменителей нефти.
Из представителей рода Euphorbia латекс выделяет почти каждый вид. У дюжины видов Euphorbia он изучен, и в большинстве случаев в нем обнаружены углеводороды, но молекулярная масса их гораздо ниже, чем у каучука.
Эти растения содержат 10±5% восстановленных органических веществ, экстрагируемых ацетоном и бензолом. Если исходить из содержания «нефти» в 10%, то, по грубой оценке (Calvin, 1976), при ежегодном урожае биомассы в 10 т сухого вещества с акра можно получить 1 т углеводородного сырья. Затраты на выращивание при этом составляют около 150 долл, на акр в год, т. е. примерно 20 долл, за баррель. Эти расходы не включают затрат на переработку, как, впрочем, и стоимость биомассы отходов. Дополнительные расходы, когда такая «нефть» используется не как топливо, еще предстоит оценить. По предварительной оценке стоимость продукта не слишком отличается от цены природной нефти, что стимулировало дальнейшие исследования. Однако проведенные недавно полевые опыты показали, что получение 1,5 т «нефти» с гектара возможно только на поливных землях, а при выращивании без полива выход продукции гораздо ниже.
По-видимому, вопрос о том, получаем ли мы выигрыш в энергии (отношение запасенной энергии к затраченной более единицы) при выращивании таких культур, нельзя считать решенным. Ситуация прояснится, если удастся оценить денежную стоимость и энергосодержание побочных продуктов производства.
Натуральный каучук можно получить из растущей в пустыне гваюлы, что и делали в прошлом в больших масштабах. Во время второй мировой войны министерство сельского хозяйства США провело большую работу по окультуриванию гваюлы, и сегодня это растение — наиболее реальный кандидат для получения масел разного назначения и углеводородов. Результаты исследования гваюлы найдут широкое применение и особенно важны для осуществления перспективных планов получения углеводородов из новых видов растений.
Чтобы установить возможность интродукции масличных и углеводород-образующих культур, было изучено большое число видов растений (Buchanan et al., 1978). Полагают, что вполне реально при «одомашнивании» этих растений увеличить выход сухой массы на 50%, а содержание углеводородов и масел — в два-три раза. Такие прогнозы кажутся вполне оправданными в свете последних достижений селекционеров растений и агрономов, работающих с такими привычными культурами, как Hevea. Для того чтобы сравняться с Hevea, необходимо, чтобы выход масла и углеводородов с гектара в год составлял не менее двух тонн, а другие показатели были бы сходными с представленными в табл. 2.8.
Таблица 2.8. Урожайность и состав продукции модельных масличных и углеводород-образующих культур (как основа для оценки вновь осваиваемых культур; Buchanan et al., 1978)
Урожай оценивается после уборки и отражает вес наземной части растений. I — урожай в кг на 1 га, II — сухое вещество, %.
Лишь немногие из большого числа изученных видов растений были отобраны для более детального изучения как потенциальные продуценты каучука (13 видов), масла и каучука (11 видов), масла (9 видов) и гуттаперчи (3 вида). В табл. 2.8 приведены теоретически возможная урожайность и состав сырья, а также другие интересующие нас характеристики новых культур.
Углеводороды и масла можно использовать после выделения и химической переработки, например гидрокрекинга и/или этерификации. Отметим, однако, что во всем мире производится сегодня всего около 40∙ IO6 т растительных масел в год, а другие производства развиты еще недостаточно. По этой причине сбраживание сахара в этиловый спирт остается сегодня главным промышленным способом крупномасштабного производства жидкого горючего для нужд транспорта из биомассы растительного сырья. Однако, как уже отмечалось, главная проблема при использовании сахара или крахмала — малый объем производства и употребление их в пищу. Единственным потенциально важным сырьем для бродильной промышленности остается поэтому лигноцеллюлоза. Создание способов переработки этого сырья в жидкие полуфабрикаты, пригодные для сбраживания,— главная задача биотехнологии.