Універсальне паливо
Глюкоза та її високомолекулярні похідні (глікоген, крохмаль, целюлоза) — універсальне біологічне паливо. Наведено приклади використання глікогенів як альтернативної сировини для сучасної хімії....
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2000 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Універсальне паливо / Г. Ковтун // Вісн. НАН України. — 2007. — N 12. — С. 41-44. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-2000 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-20002025-02-09T15:42:27Z Універсальне паливо Universal fuel Ковтун, Г. Енергоресурс Глюкоза та її високомолекулярні похідні (глікоген, крохмаль, целюлоза) — універсальне біологічне паливо. Наведено приклади використання глікогенів як альтернативної сировини для сучасної хімії. Glucose and its high molecular derivatives (glycogen, starch, cellulose) is universal biological fuel. The examples of glycogen use as alternative raw material for modern chemistry are presented. 2007 Article Універсальне паливо / Г. Ковтун // Вісн. НАН України. — 2007. — N 12. — С. 41-44. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2000 uk application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Енергоресурс Енергоресурс |
| spellingShingle |
Енергоресурс Енергоресурс Ковтун, Г. Універсальне паливо |
| description |
Глюкоза та її високомолекулярні похідні (глікоген,
крохмаль, целюлоза) — універсальне біологічне паливо. Наведено приклади використання глікогенів як
альтернативної сировини для сучасної хімії. |
| format |
Article |
| author |
Ковтун, Г. |
| author_facet |
Ковтун, Г. |
| author_sort |
Ковтун, Г. |
| title |
Універсальне паливо |
| title_short |
Універсальне паливо |
| title_full |
Універсальне паливо |
| title_fullStr |
Універсальне паливо |
| title_full_unstemmed |
Універсальне паливо |
| title_sort |
універсальне паливо |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Енергоресурс |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2000 |
| citation_txt |
Універсальне паливо / Г. Ковтун // Вісн. НАН України. — 2007. — N 12. — С. 41-44. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT kovtung uníversalʹnepalivo AT kovtung universalfuel |
| first_indexed |
2025-11-27T13:26:27Z |
| last_indexed |
2025-11-27T13:26:27Z |
| _version_ |
1849950219032068096 |
| fulltext |
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2007, № 12 41
ЕНЕРГОРЕСУРС
Світові запаси органічної сировини, представленої нафтою, природним газом
та вугіллям, справді величезні, але рано чи пізно їх буде вичерпано. До того ж
нині плата за імпортні енергоносії, ціни на які стрімко зростають, може ста-
ти непосильним тягарем для економіки енергозалежних країн. Тому для Укра-
їни, яка належить саме до таких країн, нові джерела енергозабезпечення ма-
ють, без будь-якого перебільшення, життєво важливе значення.
Г. КОВТУН
УНІВЕРСАЛЬНЕ ПАЛИВО
© КОВТУН Григорій Олександрович. Член-кореспондент НАН України. Заступник директора Ін-
ституту біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України (Київ). 2007.
ЗВІДКИ З’ЯВЛЯЄТЬСЯ ЕНЕРГІЯ
В ЖИВІЙ ПРИРОДІ?
Сьогодні багато говорять про необхід-
ність активізувати пошук альтерна-
тивних джерел енергії та можливих замін-
ників вуглеводневої сировини [1—6]. Ре-
зультати цього пошуку можуть виявитися
вражаючими. Наприклад, дослідження по-
казують, що енергоспоживання в біоцено-
зі перевищує (щонайменше в тисячу разів)
енергію, яку споживає людство, спалюю-
чи природні енергоносії (нафту, газ, торф,
вугілля тощо). При цьому не тільки окре-
мі живі організми, але й біоценоз у цілому
перебувають у глобальному балансі з при-
родою [7].
Первинним джерелом енергії у живо-
му світі є Сонце. Поглинання квантів світ-
ла (hν) здійснюється під час фотосинте-
зу, у результаті якого утворюється глюко-
за C6H12O6, точніше так звані альфа- і бета-
форми D-глюкози:
Ось вони-то і є універсальним біологіч-
ним паливом.
Природа мудро передбачила ще й можли-
вість завчасного і тривалого зберігання от-
ри маного під час фотосинтезу палива: глюко-
за за допомогою біологічних каталізаторів
(ферментів) перетворюється на її універсаль-
ні складники — високомолекулярні глю ко-
зогени [-C6H10O6-]n: у рослинах — на крох-
маль (полімер альфа-глюкози) і целюлозу
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2
hν, хлорофiл
ферменти
α-D-глюкоза β-D-глюкоза
42 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2007, № 12
(полімер бета-глюкози); в організмі тварин і
людей — на глікоген (полімер аль фа-
глюкози).
суміші, маса суміші тощо) з одночасним ви-
кидом шкідливих газів у атмосферу [6].
ПЕРСПЕКТИВНА І ПЛІДНА ІДЕЯ НАУКОВЦІВ
Суть її в одержанні, зберіганні та викори-
станні (утилізації) енергії аналогічно до
того, як це відбувається протягом мільйо нів
років у живій природі. Тобто з використан-
ням уже існуючих і ефективних каталітич-
них біохімічних механізмів та їхніх моде лей:
1. Одержання глюкози за допомогою фо-
тосинтезу (на земній кулі рослини чи фіто-
планктон виробляють 4—8 тисяч тонн глю-
кози щосекунди [7]).
2. Перетворення глюкози у форми, що
здатні зберігатися тривалий час і зручні
для транспортування. Зрозуміло, що таки-
ми формами можуть бути похідні глюкози
— глікоген, крохмаль чи целюлоза.
3. Перетворення хімічної енергії глюко-
зи та її високомолекулярних форм, напри-
клад, у механічну й електричну енергії.
Насамперед відзначимо, що стадії 1 і 2
не є проблематичними. Масове виробни-
цтво глюкози, глікогену та крохмалю (со-
тні мільйонів тонн), а також їх транспор-
тування в рідкому й твердому стані можна
налагодити за кілька років за умови наяв-
ності попиту і достатнього фінансування.
Стадія 3 значно важча. Бо ж створення
«перетворювача» хімічної енергії глюкози в
механічну — альтернативного м’яза — пере-
буває ще на початковому етапі наукових до-
сліджень. А ось роботи зі створення біопа-
ливних елементів для одержання електро-
енергії з глюкози та її похідних більш акти-
візовані. Дослідження такого роду здійснює
чимало дослідницьких центрів світу, отри-
муючи чи не менше фінансування, ніж нині
модні нанотехнологічні дослідження.
В Інституті біоорганічної хімії та нафто-
хімії НАНУ розроблено діючі зразки низь-
котемпературних паливних елементів (ПЕ)
для одержання електроенергії з використан-
ням як палива [5]: глюкози, водорозчинного
крохмалю та його продуктів бактеріально-
го бродіння (біоспирти фракцій С2-С4), про-
Відповідно до сучасних поглядів, ути-
лізація енергії, що зберігається в глюкозі,
здійснюється в добре вивчених нині фер-
ментативних процесах [7]. У результаті цих
процесів з однієї молекули глюкози утво-
рюється 38 високоенергетичних молекул
так званого нуклеотиду ATФ (аденозин-
трифосфорної кислоти) — універсального
енергетичного джерела або «єдиної енерге-
тичної валюти» для всіх біохімічних проце-
сів, що відбуваються в живих системах:
С6Н12О6 + 6О2 + 38АДФ
6СО2 + 44Н2О + 38 АТФ (1520 кДж),
де АДФ — аденозиндифосфорна кислота.
Тож енергію цих молекул постійно й спо-
живають організми. Так, за добу організм
пересічної людини виробляє близько 40 кг
молекул ATФ [7].
У техногенній цивілізації споживання пер-
винних джерел енергії (нафти, газу, вугіл ля
тощо) відбувається за рахунок їхнього спа-
лювання (при високих температурах і з
контролем тільки глобальних параметрів, як-
от: тиск у камері згоряння чи камері двигуна
внутрішнього згоряння, температура пальної
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2007, № 12 43
дуктів гідролізу целюлози, глікогену, арабі-
нози, ксилози, аскорбінової кислоти тощо.
Важливо, що як електроліт у цих ПЕ вико-
ристовують відомий усім фізіологічний роз-
чин або ж його близький аналог — морську
воду, а як окисник — кисень повітря. Ката-
лізатори — кластери та нанокластери пере-
хідних металів (залізо, золото, паладій, пла-
тина, мідь, молібден тощо), аналоги актив-
них центрів природних ферментів. Деякі з
цих розробок мають міжнародні та вітчиз-
няні патенти. Уже сьогодні фахівці Інститу-
ту мають ефективну модель низькотемпера-
турного ПЕ на основі фізіологічних розчи-
нів глюкози, мурашиної кислоти та бактерій
Aeromonas formicans (бактеріальний ПЕ),
глюкози та деяких простих ферментів, що
відкриває нові можливості в створенні пер-
спективних біопаливних елементів для по-
треб альтернативної енергетики.
тори її назвали «білою хімією» (звісно, що
за кольором вихідних реагентів: глюкози,
глікогену, крохмалю, целюлози)[4]. Звер-
німо увагу на те, що є ще й «зелена хімія»
(Green chemistry). Але тут фахівці мають на
увазі будь-які вдосконалення хімічних про-
цесів, що захищають навколишнє середови-
ще: землю, повітря, водний басейн тощо [8].
Безумовний лідер у розвитку білої хімії
— США [1, 6]. У 2001 р. там було прийня-
то першу Національну програму, відповідно
до якої американці планують до 2025 р. пе-
ревести 25% хімічної промисловості на по-
новлювану рослинну сировину (до речі, фо-
тосинтез біосфери дає 180—200 млрд тонн
рослинної біо маси щорічно). Це означає, що
чверть хімічних продуктів вони будуть виро-
бляти в основному з глюкози та її високомо-
лекулярних сполук, одержуваних ме тодом
ферментативного гідролізу рослинної біо-
маси. Інші 75%, як і раніше, планують одер-
жувати з наф ти, газу та вугілля. Головна ідея
Програми — використовувати для виробни-
цтва палива, мастил, усіляких матеріалів і хі-
мічних реагентів солому, бадилля кукурудзи
та інші відходи сільського господарства. Пе-
ретворити їх у легко засвоювану мікробами
глюкозу важко тому, що основний вуглевод
рослин — це целюлоза. Вона пов’язана з ліг-
ніном та геміцелюлозами в складний триви-
мірний комплекс. Тому одне з ключових за-
вдань Програми — розробити способи деком-
позиції лігноцелюлози, тобто розщеплення
цього природного комплексу на складові час-
тини. Потім целюлозу та геміцелюлозу вже
можна гідролізувати до глюкози за допомо-
гою ферментів, зокрема целюлаз. Біотехно-
логії для цього вже розроблено. Однак вар-
тість ферментів поки що залишається висо-
кою. Знизити її — ще одне важливе завдан-
ня Програми. Зазначимо, що в ній конкретну
номенклатуру матеріалів і хімічних речовин
не регламентовано. Це вже справа хімічних і
біотехнологічних компаній. Американці ви-
ділили, за нашими підрахунками, просто ве-
личезні кошти заради наукових досліджень
із цієї Програми. Так, на створення техноло-
Схема комірки паливного елемента
БІЛА ХІМІЯ — АЛЬТЕРНАТИВА ТРАДИЦІЙНОЇ
Зрозуміло, що є безліч інших потенцій-
них додатків, кожен із яких може стати
особливою галуззю альтернативної промис-
ловості. Інакше кажучи, такою галуззю, що
заснована на природній глюкозі та її доступ-
них похідних. Наведемо тільки один при-
клад — альтернативна органічна хімія та на-
фтохімія. У низці публікацій ми й інші ав-
44 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2007, № 12
гій, що знижують ціну ферментів — целю-
лаз, виділено два гранти (обсягом 15 і 17 млн
доларів) двом відомим компаніям: данській
«Novo Nordisk» і американській «Genencore».
Ці фірми до кінця 2003 р. здешевили целю-
лази в 12 разів. Після цього американський
уряд надав їм нові гранти по 15 млн доларів.
Тепер очікують, що до 2007—2008 рр. ціна це-
люлаз знизиться в 20 разів.
У рамках тієї ж Програми в США буду-
ють нові заводи з виробництва паливного
біоетанолу з кукурудзяного крохмалю. Не-
забаром це дозволить подвоїти виробни-
цтво біоспирту. Якщо нині його виробля-
ють на рівні 8 млн т на рік, то до 2010 року
вироблятимуть 16 млн т.
Зауважимо, що виробництво біоетанолу
з крохмалю не найкращий спосіб. Доцільні-
ше виробляти його з тих же рослинних від-
ходів. Тож нова технологія, яку розробля-
ють у США, має на меті декомпозицію ліг-
ноцелюлози та наступне ферментативне пе-
ретворення її до глюкози. Це повинно бути
дешевшим і екологічно чистішим виробни-
цтвом, порівняно з традиційним, для гідро-
лізної промисловості. У Канаді вже запра-
цював побудований дослідний цех. Він ви-
робляє із соломи приблизно 2 т паливного
біоетанолу за добу.
Ще одна важлива хімічна речовина, якою
цікавляться «білі хіміки», — це молочна кис-
лота. Технологічний процес її одержання
відносно простий: кукурудзяний крохмаль
перетворюється на так званий глюкозний
сироп. Власне ферментація, тобто одержан-
ня кислоти, відбувається у величезних сте-
рильних апаратах, де перебувають мікроби,
вода, мінеральні солі й куди подають глю-
козний сироп. Через добу закінчується син-
тез молочної кислоти. Відходи — мікробна
біомаса та культуральна рідина. Їх частково
зневоднюють. Тверді відходи передають на
корм тваринам, а рідкі використовують як
добрива. Перший такий завод у США почав
працювати на повну потужність у 2001 р.
Він дає 140 тис. тонн молочної кислоти. У
2002 р. 70 тис. тонн цієї кислоти переробили
каталітичним способом у цінний біодегра-
дувальний полімер полілактат:
Зараз завершується будівництво другої
черги заводу потужністю 500 тис. тонн/рік
молочної кислоти. Звернімо увагу, що до
2001 р. в усьому світі виробляли лише 60
тис. тонн цієї кислоти на рік.
За допомогою білої хімії синтезують й
інші речовини — вихідну сировину для ор-
ганічної хімії та нафтохімії. Сьогодні вже
відомі оригінальні схеми, за якими 12 осно-
вних (базових) хімічних реагентів можуть
бути вироблені з глюкози та інших цукрів
біомаси [1]: аспарагінова, молочна, глука-
рова, 2,5-фурандикарбонова, ітаконова, бур -
штинова (янтарна), левулінова та глутамі-
нова кислоти, гліцерин, ксиліт, сорбіт та
гідроксибутиролактон. Розроблено шляхи
(своєрідні «дорожні карти») промислового
використання цих базових хімікатів для
одержання цінної органічної продукції для
потреб різних галузей народного господар-
ства (палив, мастил, полімерних матеріа-
лів, хімічних реагентів тощо).
Важливо те, що традиційні хіміки не цу-
раються білої хімії. Навпаки, самі ж її й
розвивають. Наприклад, потужний завод
молочної кислоти побудували фахівці хі-
мічної компанії «Dow Chemical».
Біла хімія розвивається в багатьох кра-
їнах. Дуже важливе значення тут має вар-
тість вихідної сировини. Тому заводи буду-
ють у Таїланді, Бразилії, тобто там, де де-
шева вихідна сировина.
В Україні справи йдуть гірше. Втішно,
що за останні 3—4 роки за державного та
комерційного складників активізувалися
ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2007, № 12 45
відомі з-поміж фахівців дослідницькі ро-
боти з проблем біоетанолу (спиртові до-
бавки до бензинів та дизельного пально-
го). У другому півріччі 2007 р. стартува-
ла Цільова комплексна програма наукових
досліджень «Біомаса як паливна сировина
(«Біо паливо»)» НАН України.
«У концепції цієї програми передбаче-
но дослідження з таких важливих напря-
мів, як удосконалення технологій отриман-
ня паливного біоетанолу, створення комп-
лексних технологій використання біосиро-
вини для отримання біопалива, отримання
низки відомих або перспективних органіч-
них хімікатів (молочна кислота, полілак-
тат, гідроксимасляна та глютамінова кисло-
ти тощо). Програма дасть змогу нашим на-
уковцям зробити свій внесок у розв’язання
цієї глобальної проблеми. Крім того, вона
дозволить об’єднати й скоординувати до-
слідження, які здійснюють фахівці різних
наукових напрямів (хіміки, генетики, мі-
кробіологи та ін.)», — відзначає керівник
програми, заступник директора Інститу-
ту клітинної біології і генетичної інженерії
НАН України академік Ярослав Блюм.
Є й інші цікаві наукові розробки в акаде-
мічних та університетських лабораторіях.
Але побудувати сучасний біотехнологічний
завод ми не зможемо, бо в нас немає таких
потужних хімічних фірм, як «Dow Che mi-
cal». Цим могли б зацікавитися нафтові,
газо ві або ж енергетичні компанії, які зараз
акумулюють величезні кошти.
Можна було б розвивати цю галузь і за ін-
шим сценарієм. Наприклад, створити умови
для роботи великих закордонних фірм.
Вони могли б відкрити заводи для одержан-
ня глюкозних сиропів із зерна та поновлю-
вальної рослинної маси. Інакше кажучи, хо-
тілося б бачити скоординовані зусилля на-
ших енергетичних гігантів, уряду та науков-
ців щодо розвитку білої хімії. Але ця мрія
поки що залишається мрією, тому що в
Україні деградує і звичайна хімія, і мікробі-
ологія, і генетика, і сільське господарство —
майже все, крім експорту сировини.
Озирнімося, у нас багато прісної води,
зерна, соломи, деревини, які можна пере-
робляти на глюкозу та її похідні. І енерге-
тика поки що в нас дешевша, ніж у Євро-
пі та США, й науковий потенціал зберігся,
а отже, є всі підстави для успішного розви-
тку білої хімії.
Не вистачає тільки бажання та політич-
ної волі нашій влади. А ще важливо й те,
що ми не розуміємо: успіх економіки й до-
бробут суспільства зможуть забезпечити
дешеві, нові ресурсозберігальні технології,
що не завдадуть шкоди навколишньому се-
редовищу. І тут білій хімії (альтернативі су-
часної), певно, рівних немає.
1. Кухарь В.П. Биоресурсы — потенциальное сырье
для промышленного органического синтеза // Ка-
тализ и нефтехимия. — 2007. — Вып. 15. — С.1—15.
2. Ковтун Г.О. Альтернатива нафтопродуктам // Віс-
ник НАН України. — 2005 — №12. — С. 51—55.
3. Ковтун Г.О. Альтернативні моторні палива // Віс-
ник НАН України. — 2005. — №2. — С. 19—23.
4. Ковтун Г.О. Від метану — до гелію // Вісник НАН
України. — 2006. — № 8. — С. 23—26.
5. Ковтун Г.О., Полункін Е. Паливний елемент — осно-
ва водневої енергетики // Вісник НАН України.
— 2006. — № 3. — С. 78—81; Перспективи водневої
енергетики // Там само. –2007. — № 4. — С. 12—18.
6. Степанов А.В., Ковтун Г.А., Матусевич Г.Г. Ресур-
сосбережение и энергохимическое использование
нефти. — К.: Наукова думка, 2007. –182 с.
7. Harris R.A. Glycolysis, Overview // Encyclopedia
of Biological Chemistry. 2004. — Volume 2. — USA:
Elsevier Inc. — Р. 266—271.
8. «Зеленая» химия и современные технологии / По-
ходенко В.Д., Павлищук В.В. // Теорет. и эксперим.
химия. –2002. –Т. 38. –№ 2. — С. 67—83.
Г. Ковтун
УНІВЕРСАЛЬНЕ ПАЛИВО
Р е з ю м е
Глюкоза та її високомолекулярні похідні (глікоген,
крохмаль, целюлоза) — універсальне біологічне па-
ливо. Наведено приклади використання глікогенів як
альтернативної сировини для сучасної хімії.
G. Kovtun
UNIVERSAL FUEL
S u m m a r y
Glucose and its high molecular derivatives (glycogen,
starch, cellulose) is universal biological fuel. The exam-
ples of glycogen use as alternative raw material for mod-
ern chemistry are presented.
|