Александр Мажуга: «Бесконечный рост промышленности невозможен»

Химия как наука становится все более ответственной: целый пласт разработок направлен на то, чтобы сделать химические процессы менее затратными и минимально вредными для окружающей среды. Как ученые открывают безотходные процессы, почему химии стоит бояться все меньше и почему российский бизнес не торопится внедрять эффективные и безвредные технологии, в интервью «Ведомости&» объяснил ректор РХТУ им. Д. И. Менделеева, доктор химических наук, профессор РАН Александр Мажуга.

12 принципов зеленой химии

– «Зеленая химия» – новое словосочетание индустриальной эры. Это научное направление и философия. Ее задача – сделать химическую продукцию и сам процесс производства безопасными и безотходными.

Есть 12 принципов зеленой химии. Ключевые из них – это безотходность (а если мы генерируем отходы, они должны быть биоразлагаемые); это принцип атомной эффективности (условно, если вы взяли молекулу, которая весит 100 атомных единиц, то в ходе реакции у вас получилась молекула, которая весит тоже 100 атомных единиц, и нет никакого побочного продукта). Например, при синтезе уксусной кислоты из метанола и монооксида углерода в присутствии родиевого катализатора все реагенты трансформируются в целевой продукт на 100%. Есть еще фактор эффективности (Е-фактор), чем он меньше, тем лучше. Он учитывает всё: сколько отходов производится, какова атомная эффективность. Все пугаются нефтехимии, кажется, что нефтехимический завод – это что-то такое колоссальное в плане химического загрязнения. На самом деле нефтехимия оказывается самой зеленой, поскольку Е-фактор практически равен 1, т. е. на 1 кг продуктов приходится 1 кг отходов. А если посмотрим на фармацевтику, то на 1 кг продуктов – 25 кг токсичных отходов.

– Классический пример, с чего начиналась история зеленой химии как направления, – это уход от токсичных растворителей. Раньше в процессах химической технологии, химической промышленности использовали токсичные органические и хлорорганические растворители – бензол, толуол, хлороформ. После завершения процесса они оказывались в отходах, и их надо было утилизировать.

Сейчас появилось новое направление – использование экологичных растворителей. Во-первых, это вода, которая используется как растворитель. Сначала были проведены фундаментальные исследования, потом разработаны технологические процессы. Сейчас они уже внедряются в промышленность.

Второй пример, еще более экологичный, – использование так называемых сверхкритических растворителей. Это основное научное достижение зеленой химии. В качестве растворителя используется, например, углекислый газ. У него есть свойство сверхкритического состояния, представляющего собой среднее состояние между жидкой и газовой фазой вещества. В углекислом газе в состоянии сверхкритического флюида проводятся сверхкритические реакции. После проведения реакции газ испаряется, собирается в отдельном резервуаре и конденсируется – получается замкнутый цикл. Кстати, замкнутый цикл – это тоже один из зеленых принципов химических предприятий. Они делают так, чтобы отходы или продукты могли быть использованы еще раз.

Есть еще более простой пример – кофе без кофеина. Кофе заполняют сверхкритическим углекислым газом, который удаляет кофеин, отделяя массу. В итоге получается кофе без кофеина и чистый кофеин, который можно использовать дальше.

– Да, это продукт зеленой химии. Другой пример зеленой химии – уход от использования токсичных катализаторов. 90% всей химической технологии, особенно в нефтехимии, – это использование катализаторов. Это вещество, которое ускоряет химический процесс. Есть процессы, которые без катализатора не идут в принципе. Традиционно в качестве катализаторов используются соединения тяжелых металлов. Это может быть свинец, медь, хром, палладий, платина, осмий. Задача, которая стоит перед зелеными химиками, – это замена токсичных металлов на более биогенные: кальций, магний и др. Или принципиальный уход от катализаторов там, где это возможно. Если же от использования катализатора уйти невозможно, процесс должен позволять его извлечь.

«Все мечтали уйти от классических растворителей на воду»

– Скорее это социальный запрос. На земле рождается все больше людей, потребности в новых продуктах растут, производство увеличивается. С 2010 г. в России наблюдается рост химического производства, за этот период оно выросло более чем на 50%. По прогнозам консалтинговых агентств, которые учитываются в Стратегии развития химического и нефтехимического комплекса Минпромторга, в 2030 г. химической продукции в России будет произведено на 9,4 трлн руб., в мире – на $7,8 трлн. Предприятий становится все больше и больше, в нашей стране тоже. Новые химические предприятия – это новые выбросы, несмотря на то что у нас очень хорошо с экологическим контролем. И бизнес, и правительство понимают, что как можно больше предприятий нужно делать зелеными. Все мечтали перейти с классических токсичных растворителей на воду. Это и дешевле. 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.

– Тут мы плавно переходим к государству и к тому, как оно поддерживает зеленую химию. Естественно, внедрение любой технологии – это дополнительные финансовые издержки для предприятия. Государство активно стимулирует развитие этого направления. Оно вкладывает деньги в безотходные зеленые технологии, в создание новых очистных сооружений, поддерживает биоэкономику, помогает предприятиям налоговыми преференциями, льготами. Вводятся так называемые зеленые облигации у тех компаний, которые используют зеленые технологии.

– У нас существует Стратегия развития промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов производства и потребления на период до 2030 г., принятая в 2018 г. Она касается отходов производства и потребления, в том числе твердых коммунальных отходов. Сейчас мы абсолютно по-другому смотрим на то, что выбрасываем. Это не совсем зеленая химия, но уже какое-то решение накопившихся проблем. Зеленая химия говорит: «Нельзя сделать так, чтобы появился какой-то мусор, или мусор должен быть биоразлагаемый». Но коль уже заговорили о том, что у нас вторичные отходы стали источником новой продукции, государство вкладывается в технологии переработки. А биоразлагаемые материалы – это уже зеленая химия. Начинается это с биоразлагаемых тарелок, ложек, бутылок, пластиковых крышек, которые начинают разлагаться после открытия бутылки.

– Можно точно сказать, что все российские химики и все российские химические промышленники озадачены экологическими вопросами. Все хотят делать процессы более экологичными, замкнутыми, безотходными или с очищаемыми отходами. Но не все российские химики знают, что такое зеленая химия и принципы зеленой химии.

Из крупных компаний: производители минеральных удобрений – очень хороший пример. Они сейчас смотрят больше в сторону зеленой химии. Это значит, что мы увеличиваем количество зеленого производства.

Россия в мире зеленой химии

– В основном [такие отвалы] это гипс, в котором есть примеси чрезвычайно дорогих редкоземельных элементов. Хоть запас их в Российской Федерации большой, но тем не менее их добыча и производство – сложный процесс. Было бы логично извлекать редкие земли из этих отвалов фосфогипса. Такие технологии разработаны в нашем университете. Но сейчас редкие земли активно экспортируются из Китая, и становится экономически невыгодно извлекать их из отвалов фосфогипса.

Но фосфогипс можно использовать в дорожном строительстве, выделять чистый гипс и делать гипсокартон. «ФосАгро» активно внедряет проект, связанный с использованием фосфогипса в дорожном строительстве, в укреплении дорог. Наш университет разрабатывает технологии использования фосфогипса при получении чистого гипса и его использовании для захоронений различных отходов как цементирующего элемента.

Что касается фундаментальных исследований и науки, то с зарубежными странами мы примерно на одном уровне. США и Великобритания тоже активно взялись за зеленую химию, Австралия – меньше. Наша промышленность пока отстает в плане повсеместного применения принципов зеленой химии. Государство должно сыграть свою роль (и оно начало: НДТ, зеленые облигации). Кстати, развитие фундаментальных исследований в области зеленой химии, проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ государство поддерживает.

– К примеру, из производителей удобрений – «ФосАгро». Фармкомпании «Нанолек», «Р-фарм». Компаниям это интересно, потому что зеленая химия – это уменьшение количества стадий производства и отходов. Для предприятия это очень выгодно. Чем меньше отходов, тем меньше издержки на утилизацию. Меньше стадий – быстрее процесс. Поэтому эти компании сейчас занимаются изменением своих технологических процессов и увеличением их эффективности с точки зрения выхода.

У фармотрасли был очень хороший пример синтеза ибупрофена в компании Boots. Ибупрофен раньше получали в шесть стадий (60% сырья уходило в отходы), но в начале 1990-х гг. сократили процесс до трех. В результате количество отходов уменьшилось до 20% – в 3 раза. Просто использовали новый катализатор. Это отличный пример настоящей зеленой химии.

Риски и будущее

– Если мы делаем всё по классическим принципам, как в случае ибупрофена, то должно быть дешевле. Реально это пока не так. Это дело времени – так же, как биоразлагаемые материалы. Они сейчас стоят намного дороже, например, пластика. Но это вопрос масштабов, объемов, людей, интересантов покупать одно и не покупать другое. Я думаю, что уже через 10 лет наши предприятия будут практически безотходные, а продукция – биоразлагаемая.

– Я надеюсь, что в этом году в нем будет участвовать больше представителей от России. Посмотрим, какой будет результат.

– Мы создали Международный учебно-научный центр трансфера фармацевтических и биотехнологий. В этом году вместе с «ФосАгро», «Сибуром» и «Иннопрактикой» открыли акселератор Mendeleev для стартапов в химической отрасли. Там собираем команды с проектами, которые после небольшой доработки могут быть коммерциализованы.

– В МГУ моя лаборатория занимается медицинской химией – мы ищем новые препараты. Специализируемся на препаратах для терапии онкологических патологий, рака предстательной железы. Это совместный проект с компанией «Изварино фарма». Они заказывают, мы разрабатываем препарат при поддержке государства. А в РХТУ мы создаем технологии. И тут уже ближе к зеленой химии. У нас есть инжиниринговый центр, который занимается технологией тонкого органического синтеза фармсубстанции и кафедра технологии органического синтеза. Они занимаются поиском эффективных путей получения фармсубстанций с меньшим количеством стадий, с большим выходом без катализаторов.

В экологии мы очень гордимся нашим направлением, связанным с методами очистки сточных вод и отходов химических предприятий. Тут, можно сказать уверенно, самая мощная школа по промышленной экологии стоков.

Цифровизация – это тоже важный момент. РХТУ сейчас активно включился в программу цифровой экономики, цифровизации химических предприятий. Мы создаем цифровые двойники предприятий. Это полная виртуальная копия действующего химического завода с цехами, реакторами, катализаторами, процессами, мешалками. Если что-то хочется изменить в технологическом процессе, не нужно проводить натурный эксперимент, можно реализовать его в условиях цифрового двойника. &