Читаем без скачивания Интернет: Заметки научного сотрудника - Анатолий Клёсов

Кстати, про наши работы в этой области и про новый реактор была большая статья в «Правде» в ноябре 1983 года. Под довольно глупым названием «Сладкий лес». Но это уже на совести тех, кто статью писал и публиковал.

Поскольку тема биотехнологии целлюлозы была и остается важной, я много ездил с докладами об этом, благо к тому времени мой невыездной статус закончился. Рулить страной начал М.С. Горбачев, и ситуация с выездами стала потихоньку меняться. Лекции по целлюлазам и технологии превращения целлюлозы в сахара я читал на Кубе, и не только читал, но и изучал там целлюлазы океанских моллюсков, о чем расскажу отдельно, а также в Индии, во Вьетнаме (они тогда хотели получать сахара из эвкалиптов с помощью целлюлаз), во Франции, Италии, Финляндии, Швеции, Канаде, в Университете Беркли в США, Принстонском и Корнельском университетах, Университете Ватерлоо в Канаде, в Окриджском научном центре в Теннесси и во всех, наверное, соцстранах Восточной Европы. Помимо этого, отдел промышленного развития ООН заказал мне книгу на эту тему, которую они и опубликовали в 1984 году. За что неплохо заплатили, по тем временам для Союза деньги были вообще фантастические.

Всего по целлюлазам я опубликовал более сотни статей, из них много по адсорбции ферментов, раскручивая это явление и его каталитические следствия шаг за шагом. Собственно, на упомянутых лекциях по целюлазам я обкатывал теорию, чему очень помогали вопросы из аудитории и дискуссии. Особенно со специалистами по целлюлазам и в компаниях «Форинтек» (Канада) и «Джененкор» (Сан-Франциско), где велись и продолжают вестись коммерческие разработки на эту тему.

Точку в этом вопросе поставила моя итоговая статья в ведущем международном научном журнале «Biochemistry» в 1990 году. В этой статье на многих примерах показано, как с ростом адсорбционной способности целлюлаз последовательно растет их способность всё быстрее и быстрее разрушать кристаллическую целлюлозу. И там я объявил, что вопрос с «фактором» можно успешно и бесповоротно закрывать. Редакция поместила эту статью первой в выпуске, под шапкой «Перспективы биохимии». Статья собрала несколько сотен цитирований в публикациях на эту тему. Это, пожалуй, моя наиболее цитируемая в научной печати статья из почти трехсот опубликованных. И наверное, наиболее мне дорогая. Больше по этой теме я статей не публиковал. Для меня вопрос был исчерпан. Но еще немало лет, уже будучи в США и работая совсем по другой тематике, я продолжал получать приглашения читать лекции на тему механизма действия целлюлаз в самых разных университетах и компаниях США и Канады. И не только там, но и, например, во Всемирном банке (The World Bank) в Вашингтоне, и в парламенте Канады (House of Commons) в Оттаве. Я каждый раз ехал и выступал. Тема уж очень интересная. А в Гарвардском университете мне специально предоставили возможность – уже в середине 1990-х годов – написать шеститомник по инженерной энзимологии, в котором особое внимание уделить целлюлазам и биотехнологии целлюлозы.

Про выступление в канадском парламенте, пожалуй, расскажу отдельно. История того стоит, наверное.

29. «Паровой взрыв» целлюлозы и канадский парламент

Много лет назад, в 1930-х, в США был разработан особый подход к повышению питательной ценности целлюлозы как корма. Солома как еда не подарок даже животным, хотя жвачные имеют целую хорошо организованную систему желудков, в которых целлюлоза атакуется симбиотическими целлюлолитическими микроорганизмами. Симбиотическими, потому что имеет место симбиоз между этими микробами и самими жвачными животными, обоюдополезный, как и подобает симбиозу. У человека целлюлаз в организме вообще нет, поэтому целлюлозу он переваривать не может в принципе. К чему это я? А к тому, что целлюлоза в природных растительных материалах является довольно труднодоступной для ферментов-целлюлаз, для микроорганизмов, для жвачных животных. Камень преткновения в биотехнологии целлюлозы – это увеличение доступности целлюлозы для ферментов. Природа эволюционно постаралась, чтобы упрятать целлюлозные волокна поглубже от разрушительных микробов и их целлюлаз. В свою очередь те же микробы эволюционно совершенствовали себя и свои целлюлазы, а также другие сходные ферменты, чтобы выиграть в этой борьбе и прокормить себя глюкозой из целлюлозы. Вот такая борьба миров.

В итоге у большинства растений целлюлозные волокна, собранные в длинные жгуты, окружены и переплетены сложными полисахаридами – гемицеллюлозами, основным из которых является ксилан. Ксилан построен по типу целлюлозы, но состоит не из глюкозы, а из другого сахара – ксилозы. Он не кристаллический, а аморфный. Наконец, все это переплетение залито лигнином – твердой полифенольной смолой. И вот все это животным приходится есть, «выковыривая» питательную для них целлюлозу и пропуская лигнин через себя и выводя наружу. Лингин – легкогорючее вещество, поэтому, кстати, кизяк хорошо горит. А кизяк, кто не знает, – это высушенная смесь лигнина с остатками непереваренной целлюлозы.

Ближе к делу. Как можно просто и экономически эффективно «обнажить» целлюлозу в растительных материалах и сделать ее более доступной для химических и биологических реакций – это вопрос вопросов биотехнологии целлюлозы. Под растительными материалами в биотехнологии обычно понимают отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности, которые не находят полного спроса и поэтому представляют собой «отходы». Можно механически измельчить, но на это требуется столько энергии, что никакая экономика не выдерживает. Измельчить, скажем, хрупкий уголь – нет проблем. А вот измельчить волокнистую целлюлозу – очень энергоемкая задача.

Химическое разделение целлюлозы и лигнина – давно решенная задача, на этом стоит вся бумажная промышленность. Можно лигнин в раствор, а целлюлозу в осадок. Можно наоборот – целлюлозу в раствор, а лигнин в осадок. Но все это опять же дорого, поэтому бумага и дорогая. Биотехнология отходов такой экономики не выдержит.

И вот приходим к тому, с чего начали эту главу. В 1930-х годах в США был разработан процесс, получивший название процесс Мейсона. Или паровой взрыв растительного сырья. В одном из вариантов он выглядит так. В автоклав закладывают влажные древесные опилки и повышают давление и температуру. Скажем, до 150 градусов Цельсия. Поскольку давление тоже высокое, вода в опилках не кипит. Но если автоклав резко открыть, то вода моментально вскипает в каждой клеточке растительного сырья. Происходит паровой взрыв, и каждую частицу опилок буквально разносит в клочья. Вместо компактной массы опилок имеем рыхлую гору «взорванной» целлюлозосо-держащей массы. Целлюлоза в ней уже частично отделена от лигнина, а более слабый в химическом отношении ксилан вообще разрывается на части и переходит во влагу как в водный раствор. Животные эту массу поедают с большим удовольствием. Поэтому технология Мейсона и нашла немедленное применение в облагораживании кормов в сельском хозяйстве, будь то опилки или солома. О биотехнологии целлюлозы тогда не думали, и целлюлазы еще были практически неизвестны.

На подобном явлении, к слову, основан «попкорн-эффект», – получение воздушной кукурузы.

Прошли годы, настали 1980-е, и канадский исследователь Эдвард Де Лонг посмотрел на процесс «парового взрыва» под другим углом. Не под сельско-хозяйственно-кормовым. А под углом получения чистой целлюлозы для бумажной и химической промышленности, не применяя стадии «варки целлюлозы», как это делают для отделения ее от лигнина.

Если в двух словах, он подобрал условия «парового взрыва», при котором происходит практически полное химическое отделение целлюлозы от лигнина. Физически это смесь, та самая влажная рыхлая масса, но химические связи между ними разорваны. Весь цикл нагревания опилок острым паром и последующего взрыва (сбросом давления) происходит за сорок секунд. В сконструированном Де Лонгом реакторе все происходит автоматически: загрузка опилок в аппарат, вброс пара и соответствующий подъем давления и температуры, сброс давления и моментальный хлопок-взрыв, выгрузка рыхлой массы, и цикл повторяется каждую минуту или даже быстрее. Фактически происходит процесс крекинга растительного сырья. Парокрекинга.

Следующая стадия выглядит еще более впечатляюще. Образованную рыхлую массу загружают в большую стеклянную колонну и пропускают обычную воду. Вода выносит раствор ксилозы тех самых сахаров, которые образовались из слабенькой на удар гемицеллюлозы, а именно ксилана. Это – полезный продукт. Из ксилана можно получать, например, ксилит.

Вторым через колонну пропускают очень разбавленный водный раствор щелочи. Буквально 0.1–0.2 %. И вдруг, как только фронт раствора щелочи касается серо-коричневатой массы в колонне, он тут же темнеет, и эта темная полоса ползет вдоль колонны к выходу. Это идет растворение, экстракция лигнина щелочью и извлечение его из смеси. Продукт – совершенно чистые фрагменты лигнина, оторванные от целлюлозы парокрекингом, без участия химических реагентов. То же самое – фрагментация и извлечение лигнина – происходит при «варке» целлюлозной пульпы для производства бумаги, миллионами тонн, но какое различие! «Варку» производят сильными химическими агентами, с чудовищным загрязнением среды (помните старую байкальскую историю? Да она происходит на любом целлюлозно-бумажном комбинате), которое приходится «нейтрализовать» сложными технологическими приемами и созданием дорогих служб на комбинатах. Наконец, лигнин при этом получается «мертвым», совершенно обезображенным, «скукоженным», не имеющим почти ничего общего с исходным природным лигнином.