Биотехнологии — самые экологически чистые?

«Экологический образ» химической промышленности, мягко выражаясь, оставляет желать лучшего. Когда простой человек слышит или читает что-либо о химических превращениях, то чаще всего это вызывает у него только отрицательные эмоции. Они связаны с загрязнением окружающей среды, с авариями на химических предприятиях, потому что такие аварии благодаря СМИ становятся широко известными. В то же время фармацевтическая промышленность и биотехнология избежали подобной участи: считается, что они не наносят вреда окружающей среде. А как на самом деле?

Фото: Martin / flickr.com

Посмотрим на таблицу из книги «Химические мифы», в которой приведены годовое производство различной продукции в шести видах промышленности в тоннах, общая масса отходов, также в тоннах, и «экологический фактор» Е — масса отходов, отнесенная к массе производимой продукции.

Очевидно, что нет непосредственной связи между объемом продукции и объемом отходов. Большая часть химической продукции приходится на нефтегазовую промышленность. Она же производит массу отходов, однако экологический фактор у нее самый низкий! И если при переходе к биотехнологии объем производства сильно снижается, то экологический фактор, напротив, резко увеличивается. И это не случайно. В нефтяной и газовой промышленности производство продукции редко требует более трех стадий. С другой стороны, в фармацевтической промышленности бывают девяти- и даже двадцатистадийные процессы. Очевидно, что чем больше стадий, тем больше отходов. Действительно, пусть выход всех промежуточных продуктов в каждой стадии высок, например 95% (в химической лаборатории такой выход считается замечательным). Но, как хорошо знают химики, чем больше стадий, тем меньше выход целевого продукта. Например, для трехстадийного синтеза он равен 0,95³ = 0,86; 86%-ный выход считается хорошим, при этом отходы составляют 14%. Для двадцатистадийного синтеза при тех же условиях выход конечного продукта — всего 0,95²⁰ = 0,36, то есть 36% (и 64% отходов). Если же выход каждой стадии вместо 95% будет 85%, то при двадцатистадийном синтезе выход конечного продукта составит всего 3,9% при 96% отходов!

Две из приведенных в таблице отраслей промышленности — биотехнологическая и бумажная — потребляют много воды, что сильно увеличивает экологический фактор. Недаром бумажные фабрики обычно строят вблизи рек. Биотехнология с середины ХХ использует процессы брожения (ферментации) для получения антибиотиков, гормонов, стероидных лекарственных препаратов. Чисто химический синтез тех же веществ был бы значительно сложнее. Синтез антибиотиков с использованием ферментов — прекрасный пример того, как биотехнологии позволяют снизить количества исходных веществ для получения одного и того же количества целевого продукта. Так, при использовании исходного штамма-продуцента (микроорганизма, служащего источником нужных ферментов) удавалось получать целевое вещество в концентрации всего лишь несколько миллиграммов на литр раствора. Понятно, что в таком случае выделение нужного вещества становится весьма неэффективной, длительной и дорогостоящей операцией. Генетическая модификация штамма позволяет сильно повысить концентрацию продукта: в ряде случаев до 10 г/л!

Биотехнологические синтезы обычно проводят в водных растворах, хотя целевой продукт может быть плохо растворим в воде. Бывает также, что сами микроорганизмы не выдерживают сравнительно высоких концентраций продукта. Этим они напоминают дрожжи, которые используют для получения сухих вин из виноградного сока — они погибают, если концентрация этанола в растворе превышает некоторый предел (обычно 12—13%). В таких случаях синтез лекарственных и других препаратов искусственно проводят при пониженных концентрациях, то есть при большом избытке воды. Так, для синтеза 1 кг моноклональных антител (они широко используются в биохимии, молекулярной биологии и медицине) может потребоваться 7000 литров воды, 600 кг неорганических солей (которые потом попадают в сточные воды), 8 кг органического растворителя (как правило, это этиловый спирт) и 4 кг расходных материалов (пластиковые пипетки, фильтры и др.) А для получения 1 кг белка со средней молекулярной массой с использованием генетически модифицированной кишечной палочки потребуется уже 15 000 кг воды, 400 кг солей, 100 кг органических растворителей и 20 кг расходных материалов. Наибольшую проблему для очистки сточных вод представляют разбавленные растворы неорганических солей. Их нельзя сжечь, как, например, спирт, а можно только осадить. Большие объемы используемой в процессе воды требуют обязательной очистки и повторного ее использования.

Даже если не принимать во внимание объемы воды, требуемой для синтезов, все равно экологический фактор для биотехнологии окажется по крайней мере в пять раз выше, чем для фармацевтической промышленности. С учетом же потребляемой воды экологический фактор для биотехнологии будет уже в 3000 раз больше! Это неблагоприятное отношение можно несколько снизить, если с помощью генетической модификации микроорганизмов сделать их устойчивыми к повышенным концентрациям веществ и к другим условиям синтеза. Еще один путь — комбинация ферментативных и чисто химических методов синтеза. В качестве примера можно привести микробиологический метод получения L-аскорбиновой кислоты из D-глюкозы. Он включает пять стадий, из которых три — химические (одна из них — получение D-сорбита из D-глюкозы с помощью каталитического восстановления глюкозы водородом при давлении 80—100 атм и температуре 135—140°С). Сочетание химических и биохимических методов применяют и при синтезе пенициллинов.

Большой расход воды повышает экологический фактор бумажной промышленности. При сравнении разных производств нужно учитывать не только объемы отходов, но и их качественный состав. Например, сброс больших объемов воды, содержащей доли процента хлорида натрия, наносит окружающей среде меньший вред, чем сброс небольшого количества хлорированных органических растворителей. Чтобы учесть это, предприняты попытки изменить критерии оценки экологичности производства посредством введения «фактора качества отходов».

Аналогичным способом можно оценивать, насколько вредят окружающей среде производства, не перечисленные в таблице. Для этого рассчитывают, какой объем воды (в литрах) расходуется в данном производстве на получение 1 кг продукции. Например, для производства килограмма пшеницы, риса, яиц расходуется 1300—3400 л воды, в то время как получение килограмма мяса требует уже 15 500 л. Для сравнения: на производство 1 кг обуви, рубашек, брюк, постельного белья уходит от 4000 до 10 000 л воды. А для выплавки 1 кг стали воды нужно намного меньше: в разных странах и на разных предприятиях от 100 до 250 л.

Очевидно, что любая деятельность связана с образованием отходов. Но общественное мнение бьет тревогу именно по поводу отходов химической промышленности, хотя производство этой промышленностью необходимых для цивилизации товаров более экологично по сравнению с другими производствами, как это видно по фактору Е.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 5/2018) на с. 24 — 25.