Термин «зеленая химия» впервые появился на свет в 1990 г. в статье британского журнала Chemistry & Industry, посвященной развитию химической промышленности Ирландии. За предыдущее десятилетие химические производства в западных странах столкнулись с острой проблемой: затраты на утилизацию отходов стали сравнимы с доходами от продажи продукции, и многие нерентабельные предприятия закрылись. Флагманы отрасти осознали, что необходима новая парадигма эффективности органического синтеза, основанная на минимизации отходов и отказе от токсичных химикатов. В том же году в США был принят «Акт об охране природы и контроле за загрязнением», формализующий смену курса с нейтрализации вредных выбросов на их исключение.
В нашей стране необходимость создания безвредных для экологии и биоразлагаемых промышленных продуктов для нужд нефтедобычи продиктовано освоением территорий с тонким биологическим равновесием и низкой устойчивость к антропогенным воздействиям. В первую очередь это Крайний Север и Арктика, являющиеся стратегическими регионами по запасам углеводородов.
Многие знакомы с термином поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые представляют собой молекулы с гидрофильной «головой» и гидрофобным «хвостом», что позволяет им снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз. В нефтедобыче ПАВ выступают критически важными компонентами ингибиторов отложений и коррозии, жидкостей для гидроразрыва пласта, буровых растворов и реагентов для повышения нефтеотдачи. На сегодняшний день большинство ПАВ синтезируют из продуктов нефтепереработки, многие из них токсичны и характеризуются длительным периодом биодеградации.
К основополагающим принципам зеленой химии относится создание биоразлагаемых низкотоксичных соединений из возобновляемого сырья. Данный подход не так-то просто реализовать на практике. Снижение токсичности связано с переходом на водорастворимые молекулы с разветвленной структурой, неспособные проникать через липидные мембраны клеток и накапливаться в живых организмах. В то же время, усложнение молекулярной геометрии отрицательно влияет на биодеградацию. При этом альтернативные ПАВ должны сохранять присущие традиционным температурную стабильность и устойчивость при хранении.
С учетом озвученных критериев перспективным является использование ПАВ биологического происхождения, вырабатываемых бактериями или дрожжевыми грибками из различных субстратов, включая сахара, глицерин, масла, углеводороды и сельскохозяйственные отходы. В основном, среди био-ПАВ встречаются анионоактивные или неионогенные гликолипиды, липопептиды, фосфолипиды, жирные кислоты, нейтральные липиды и полимеры. Гидрофобная часть состоит из длинноцепочечных жирных кислот и оксикислот, а за гидрофильные свойства отвечает углевод, аминокислота, циклический пептид, фосфат, карбоновая кислота или спирт.
Одними из наиболее изученных примеров био-ПАВ служат рамнолипиды, получающиеся в результате жизнедеятельности аэробных палочковидных бактерий Pseudomonas aeruginosa. Эти микроорганизмы могут перерабатывать множество субстратов, включая алканы C11 и C12, сукцинаты, пируваты, цитраты, фруктозу, глицерин, оливковое масло и глюкозу. Результат биосинтеза зависит от бактериального штамма, источника углерода и условий процесса. Размер гидрофобных цепочек жирных кислот варьируется от 8 до 14 атомов. Рамнолипиды эффективно снижают поверхностное натяжение воды и обладают отличными эмульгирующими свойствами для смесей воды с углеводородами и растительными маслами, что делает эти био-ПАВ потенциальными кандидатами в составы для повышения нефтеотдачи.
Промышленное внедрение рассмотренного и других ПАВ биологического происхождения пока тормозится отрицательной экономикой масштабирования их производства в связи с отсутствием активных штаммов, дающих приемлемый выход целевого продукта на дешевом субстрате. Для повышения активности штаммы подвергают генной модификации, что открывает возможности по биосинтезу соединений с заданной структурой в противовес широкому распределению гомологов у природных бактерий.
Моно- и дирамнолипиды – продукты жизнедеятельности Pseudomonas aeruginosa
Помимо био-ПАВ к зеленым относят химреагенты из биологического сырья на основе продукции растениеводства и лесохимии (экстракты растений, полисахариды, растительное и талловое масла), а также материалов на безуглеродной основе (оксиды металлов). Несмотря на растущую активность исследований в этом направлении коммерциализация нефтепромысловых химреагентов с экологичными активными основами ограничивается высокой стоимостью, недостаточной эффективностью и отсутствием товарных форм с удовлетворительными технологическими свойствами. В среднесрочной перспективе отрасли не стоит ждать зеленой революции без действенных законодательных ограничений и налогового стимулирования со стороны государства по отношению к нефтяным компаниям.
Несмотря на растущую активность исследований в области зеленой химии коммерциализация нефтепромысловых химреагентов с экологичными активными основами ограничивается высокой стоимостью, недостаточной эффективностью и отсутствием товарных форм с удовлетворительными технологическими свойствами. В среднесрочной перспективе отрасли не стоит ждать зеленой революции без действенных законодательных ограничений и налогового стимулирования со стороны государства по отношению к нефтяным компаниям.
