Академик Н. Платэ, Главныйученый секретарь Российской академии наук (РАН),
директор Института нефтехимического синтеза РАНим. А. В. Топчиева.

Наука не толькоинструмент познания мира, но и мощнейшее
средство подъема экономической эффективности
массовых технологий. Можно привести немалопримеров,
когда именно фундаментальная наука приносилапроизводству
реальную и немалую прибыль.

Однако ни одна по-настоящему цивилизованнаястрана только сырье не продает. Она обязательнокомбинирует, скажем, экспорт сырой нефти спродажей продуктов нефтехимического синтеза,потому что цена даже плохонького бензина, скажем76-го, значительно выше. А вложив в производствосвой интеллект и технические идеи, можнополучить очень дорогое сырье для изготовлениялекарств, смазочные материалы, полимеры и прочиепродукты большой химической ценности.

Наша страна на редкость богата полезнымиископаемыми, у нас есть сырье практически длялюбой отрасли промышленности. Почему же,несмотря на это, мы живем плохо? Вопрос в том, какприродные богатства использовать. Можно,например, продавать нефть в сыром виде, а можноперерабатывать и вывозить гораздо более дорогиепродукты нефтехимии. Зато продажа сырой нефтипочти не требует интеллектуальных усилий изначительных капитало-вложений, особенно еслиместорождение богатое и залегает неглубоко.Сейчас мы выкачиваем нефть из знаменитогоСамотлора на Западно-Сибирской низменности, но скаждым годом делать это становится все труднее итруднее. Запасы истощаются, приходится буритьвсе глубже, идти все дальше на север, где тундра итяжелый климат, где работать намного сложнее.

У нас, к сожалению, вся нефтехимическаяпромышленность высокого класса находится вупадке, дешевле и проще вывозить сырую нефть.Предприятия по производству полиэтилена илиполипропилена, созданные для удовлетворениявнутреннего рынка, загружены на 65-75%. У них нетстимула развивать и совершенствоватьтехнологию. Вот и остаются невостребованнымиразработанные Институтом нефтехимическогосинтеза и другими организациями новыекатализаторы и передовые технологии переработкинефти и газа. А ведь они не уступают уровнюЕвропы, США и Японии, а порой и превосходят его.

Поэтому умная страна, обладающая даже оченьбольшими запасами нефти, внимательно следит зарыночными ценами. Возмем, к примеру, современныенефтехимические комбинаты в Саудовской Аравииили в Кувейте. Они работают, получая из нефтидизельное топливо, бензин, смазочные материалы,керосин или еще более совершенные продукты:этилен, пропилен, стирол,которые потом можно превратить в пластмассы.Стоит сырой нефти немного подешеветь, как ужечерез сутки компьютерное управление заводомменяет, скажем, соотношение 60% сырой нефти и 40%продуктов переработки на 45% нефти и 55% болеедорогих и выгодных нефтепродуктов.

Пленка вместо реактора

Вот и простейший ответ на поставленный вопрос:покуда национальный капитал будет строитьсятолько на вывозе сырой нефти, жить мы будем плохо.

Основателями нашего института были академикИван Михайлович Губкин - знаменитый геолог,нефтеразведчик, и не менее знаменитыйхимик-органик, академик Николай ДмитриевичЗелинский. Созданный в 1934 году как Институтнефти, он потом стал называться Институтомгорючих ископаемых и лишь с 1959 года получилсегодняшнее наименование.

Все, что дарит человеку современная химия,начинается с фундаментальных исследований.Институт нефтехимического синтеза, которому вэтом году исполняется 65 лет, остается центромпередовой науки и создает технологии XXI века.

Мембраны представляют собой полимерные пленки,тончайшие сетки из металла или керамики.Химическая обработка позволяет им намолекулярном уровне очень эффективно, снесопоставимо меньшей затратой энергии,разделять потоки вещества. Мембраны нашлиприменение в биотехнологии, атомной энергетике,при получении белковых препаратов, в системахжизнеобеспечения.

Институт занимается процессами химическойпереработки нефти. Любой химический процессзаканчивается выделением продуктов реакциипутем выпаривания, дистилляции, кристаллизации идругих процессов, требующих гигантских затратэнергии. Но есть и другой путь решения этих задач - так называемая мембраннаятехнология.

Одна из них - мембранный биореактор, другая -мембранный контактор для быстрого иэффективного отделения водорода, метана илиэтилена от углекислого газа.

В Институте создан центр мембранныхисследований из восьми лабораторий. В нем естьхимики-органики, специалисты по катализу,технологи, кремнийорганики, полимерщики,физхимики. Имеется и учебно-научный центр попрограмме "Интеграция", где вместе спреподавате лями МИФИ готовят специалистов. Вэтом центре удалось сделать несколько красивыхразработок.

Ценные органические продукты, скажем, спирты -этанол, бутанол и другие, получают с помощьюразличных микроорганизмов. Однако конечныйпродукт биохимической реакции очень быстроподавляет их активность. Сочетание"классического" биотехнологического методас мембранным модулем позволяет и выделять, иконцентрировать спирты гораздо эффективнее.

Энергетика и химическая промышленностьбудущего станут базироваться на возобновляемомсырье. Один из его источников - отходыживотноводства и прочая органика, которые гниют,выделяя метан и углекислый газ. Мембранныймодуль их легко разделяет, и уже есть несколькохозяйств, где наши биореакторы работают, снабжаяфермы почти даровым горючим.

Оказалось, например, что у стеклообразныхполимеров различного строения проницаемость покислороду определяется групповым вкладомопределенных структурных единиц -"строительных блоков". А зная это, можноподсчитать проницаемость как уже изученных, таки еще не синтезированных материалов.

Однако полимеры для мембран и сами мембранынадо уметь синтезировать, предварительно четкопредставив себе, что нужно получить. Чтобысоздать мембрану, придется вложить немалыесредства, потому что нужно провестиисследования, закупить материалы и приборы. Носегодня ее свойства удается предсказать, простонарисовав химическую формулу соответствующегополимера.

Эти методы получили мировое признание, заподробностями к нам обращались и американцы, инемцы, и японцы. Ответ был один: все имеет своюцену; мы готовы взаимодействовать, но не за гроши.

Для расчетов нам удалось составить хорошуюкомпьютерную программу, и теперь, собираясьстроить определенный полимер, мы занимаемся"бумажной химией". Я беру лист бумаги, рисуюформулу и говорю: "Какой красивый полимер, ондолжен принести успех". Раньше пришлось быпотратить месяца четыре, чтобы путем синтеза вдвенадцать ступеней этот полимер сделать ипроверить свой прогноз. А теперь за 20-25 минутудается проиграть всю ситуацию на компьютереи получить ответ:"Проницаемость мембраны будет такая-то, а ееселективность по паре кислород-азот -такая-то". И сразу становится понятно, стоит лиовчинка выделки.

Мембрана чувствует запах

И здесь возникает одна серьезная проблема -потеря квалифицированных кадров, "утечкамозгов", да и просто информации, чему мы поройсами способствуем. Из-за неприлично скуднойзарплаты многие чуть ли не за 500 долларов готовыотдать свою работу кому угодно. Мы объясняем, чтоих знания и опыт стоят не 500, а 500 тысяч долларов, иони не должны работать за гроши. Поступать нужнопо-другому: институт имеет достаточно хорошуюрепутацию, поэтому мы заключаем договор насправедливую сумму и выполняем заказ. Не было ещеслучая, чтобы, взявшись за такое дело, мы несмогли бы во много раз повысить зарплатуучастникам работ. Кстати, американцы понимаютсразу: если цена приличная,значит, здесь что-то есть.

Еще одной разработкой института сталчувствительный полимерный сенсор - тоненькаяполупроницаемая мембрана (полимерная пленка),нанесенная на пьезокристалл. Под воздействиемприложенного напряжения пьезокристаллколеблется с определенной частотой, котораязависит от его массы. Если мембрана сорбирует насебе определенное вещество, масса кристаллаувеличивается и частота его колебанийизменяется. С помощью электроники изменениечастоты легко зарегистрировать. Так удалосьпостроить сенсоры на аммиак -весьма ядовитый газ, который широко применяетсяна производстве в качестве одного из основныхохлаждающих агентов. Теперь, чтобы на большомзаводе выявить даже небольшую утечку аммиака, ненужно ходить по территории и брать пробы воздуха.Достаточно в цехах установить мембранныесенсоры и вывести от них провода на пультдежурного.

Полимерные пленки - это не только упаковка дляпродуктов и материал для парников. Полимерыслужат чувствительными датчиками (сенсорами),способными находить в воздухе сверхмалыеконцентрации газов и паров.

Совсем недавно мы сделали сенсор и на парыбензина. Утечка бензина не только вредна с точкизрения экологии и экономики, она просто опасна:пары бензина с воздухом образуют взрывчатуюсмесь. Значит, их концентрацию нужно непрерывноизмерять, причем не только на нефтехимическихпредприятиях, но и на городских бензоколонках.Эти приборы институт разработал совместно сВоенной академией радиационной, химической ибиологической защиты.

Есть и еще одно опасное, очень ядовитоевещество - ракетное топливо диметилгидразин.Топливо это довольно быстро портится, и егоприходится уничтожать, принимая очень серьезныемеры предосторожности. Сенсорные датчики,созданные институтом вместе с Институтомгеохимии и аналитической химии РАН, здесь простонезаменимы.

Чтобы выделить один какой-то газ из смеси, ненужно проводить сложные химические реакции -достаточно пропустить газовую смесь сквозьмембранный фильтр.

Керамические легкие

Кремнийорганические полимерные мембраны,рожденные также в нашем институте, пропускаюткислород в четыре раза быстрее азота. Прокачаввоздух через их каскад в мембранномоксигенаторе, можно 20-процентную концентрациюкислорода в воздухе довести до 25 - 40 процентов. Ваптеках продают подушки, наполненные кислородомиз баллона. Но чистым кислородом дышать нельзя, иего выпускают понемногу, смешивая с воздухом внеизвестной пропорции. А оксигенатор сразу даеттребуемую его концентрацию. Если же мембрануподвергнуть определенной химической обработке,ее селективность можно увеличить в два раза.

Под руководством академика ВладимираМихайловича Грязнова в институте были созданыуникальные мембранные фильтры на основекерамики и сплавов палладия. Они освобождаютводород от примесей углекислого газа, окисиуглерода, метана, доводя его до чистоты 99,999%. Так появляется возможностьиспользовать промышленные газы, отходыпроизводства, до половины объема которыхсоставляет водород. Экологически чистый водороднаходит применение в парфюмерной и пищевойпромышленности для синтеза ароматическихвеществ и превращения жидких растительных маселв твердые жиры типа маргарина.

Обнаружено огромное семейство веществ,занимающих промежуточное положение междутрехмерно упорядоченными твердыми телами(кристаллами) и аморфными веществами(переохлажденными, стеклообразными, оченьвязкими жидкостями).

Бронежилет изтвердой жидкости

Во всем мире полицейских снабжаютбронежилетами и щитами из этих мезофазныхполимеров, которые по прочности не уступаютстали, но в пять раз легче: бронежилет из нихвесит килограмма полтора. Тросы для лифтов ипричальные канаты из этих же полимеров нестареют и способны выдерживать гигантскиенагрузки.

Чрезвычайно интересен и очень перспективенкласс так называемых мезофазных полимеров. Они ине кристаллы, и не полностью аморфные тела, аобладают некой промежуточной степеньюупорядоченности. До сих пор считали, что вприроде есть только либо кристаллы со строгойсимметрией, либо аморфные тела с молекулярнымхаосом. Выяснилось, однако, что подобную -мезофазную - структуру имеют очень многиеполимеры, в которых порядок постепенно,ступеньками меняется под влиянием нагрева илисжатия. И после каждой ступеньки возникаетсовсем другая структура, от кристалла дожидкости, с огромным количеством разного родафаз.

Химический реактор из дизеля

Мезофазные полимеры можно использовать длязаписи и считывания информации: они сочетаютсвойства жидких кристаллов (из которых сегодняделают индикаторы калькуляторов и часов) иодновременно образуют прочную пленку.

Вернемся к вопросам, связанным с нефтью и газом.Сегодня уже приходится думать: куда двинетсяэнергетика в XXI веке, когда будет исчерпанСамотлор, истощатся другие месторождения? Вышеуже говорилось, что главный вывод из этогопечального факта очевиден - Россия должна поберечь свои запасы, должнаперестать просто продавать нефть и начать делатьнефтехимические продукты и вывозить их.

После небольшой переделки двигательвнутреннего сгорания - дизель - начинает работатькак химический реактор, превращая природный газв жидкое топливо.

Представим себе абсолютно реальную ситуациюсегодняшнего дня. Месторождения природного газав России находятся в основном на Севере, итысячекилометровый газопровод проходит черезЯмал и Таймыр, где среднегодовая температураниже нуля. Газ содержит метан, который с водой (аон всегда влажен) образует твердыйкристаллогидрат. Это соединение замерзает ужепри температуре плюс 4градуса, и образовавшийся "снег" забиваетгазопровод. Чтобы растворять пробки, ежегодносамолетами или во время короткой летнейнавигации через северные моря и реки к трассетрубопровода завозят 200 тысяч тонн метанола. Ичерез каждые пятьдесят километров насосами егозакачивают в трубопровод. Температуразамерзания гидратно-спиртовых комплексовпонижается на 20-25 градусов, и "снег" тает.Потребителю небольшая примесь метанола немешает, тем более что его теплотворнаяспособность даже больше, чем у природного газа.

Но есть и другое решение проблемы. Россия стоитна первом месте в мире по запасам природногогаза, тут у нее нет конкурентов. Топливным газоммы снабжаем почти всю Европу. Но газ можно несжигать, а химическим путем превращать в жидкоегорючее и другие ценные продукты. Для этих целейИнститут нефтехимического синтеза вместе сИнститутом высоких температур РАН,Нижегородским акционерным обществом "Русскиемоторы" и Нижегородской компанией "Сибур"создал абсолютно новую и очень интереснуюконструкцию: химический реактор сжатия - ХРС.Реактор представляет собой знакомый всемдизельный двигатель с небольшой техническойдоработкой. Природный метан в реакторепревращается в смесь окиси углерода с водородом -так называемый синтез-газ, из которого получаютметанол и моторное топливо.

Химический реактор сжатия - абсолютнооригинальная разработка, которая запатентованаи в России, и за рубежом. Наши крупные нефтяные игазовые компании уже начали вести переговоры синститутом и предлагают сотрудничество натвердой материальной основе.

На Ямале каждая тонна метанола обходится в 500долларов, в то время как его себестоимость раза втри ниже - перевозка обходится дорожепроизводства. Но теперь можно поставитьнесколько десятков модернизированных дизелей,подключить их непосредственно к трубопроводу ипроизводить метанол на месте. Дизелю не нужнокрутиться вхолостую - пусть вращает генератор ипроизводит электроэнергию. Из того же метанаможно делать жидкое топливо для тяжелыхгрузовиков, тракторов, кранов, которое сейчастоже привозят на Север, и тоже забольшие деньги.

Оказалось, что и это возможно. В Институтепровели модификацию дизельного двигателя,позволяющую сжигать в нем вредные и опасныевещества. Сверхтоксичное соединение из арсеналахимического оружия - нервно-паралитический газ"VX", например, сгорает в нем за однумикросекунду с эффективностью 99 и еще 6 девятокпосле запятой процентов. Оставшаясяконцентрация газа существенно ниже предельнодопустимой даже для этого супертоксичноговещества. Таким способом можно через нескольколет ликвидировать почти все 40 тысяч тоннотравляющих веществ, накопленных страной.

Возникает естественный вопрос: нельзя лииспользовать и более мощные силовые установки вкачестве химических реакторов?

К наиболее мощным энергетическим установкамотносятся и ракетные двигатели. И не толькотяжелые носители типа "Протон", которыевыводят в космос космические аппараты.Существует
жидкостный реактивный двигатель с камеройсгорания на полтора литра для маневрирования наорбите. Он очень надежен, но включается только на10-30 секунд. Несколько лет назад мы решилииспользовать двигатель как химический реактор.На него можно поставить охладительную"рубашку", чтобы температура на стенках непревышала 250 - 300 градусов, и заставить двигательработать не 30 секунд, а 8 тысяч часов непрерывно.Температура в камере сгорания двигателя - 2,5-3тысячи градусов, при которой самыйсупертоксичный реагент будет мгновенноуничтожен. Все эти разработки находятся в руслесамых передовых технологий.

Предложенная технология может с успехомприменяться и в "мирных целях". Каждоехимическое производство имеет свои отходы -экологически вредные и опасные соединения.Экологические требования с каждым годомстановятся все жестче, но наш дизель-реакторуничтожит все отходы на месте, да еще и станетпроизводить электроэнергию.

Нефть помогаетмедикам

Есть и еще одно весьма перспективноенаправление - так называемая холоднаяплазмохимия. В отличие от ядерной, гдетемпературы достигают миллионов градусов,плазма здесь холодная - каких-нибудь 3000оС.Но при этой температуре с атомов типа аргона,кислорода, азота, неона уже слетают верхниеэлектронные оболочки, образуются ионы и другиеактивные частицы. Плазмохимия - необычайноперспективный способ преобразования ненужныхили малоценных веществ в дорогой продукт. Взятьхотя бы получение ацетилена из того жеприродного газа вместо необычайно грязного,экологически вредного способа его производстваиз карбида кальция (который, кстати, сегодня мыпокупаем за валюту в Финляндии). Плазмуподпитывают метаном (СН₄),от которого при высокой температуре отщепляетсяводород. Две молекулы метана тройной связьюсоединяются в молекулу ацетилена СН = СН, которыйшироко используется для газовой сварки.Одновременно получается и водород - не менееценный продукт.

Академик Сергей Семенович Наметкин, один изоснователей нашего Института, когда-то написал:"Нефтехимия есть наука и искусство делать изуглеводородов нефти и других ее компонентовпродукты высшей химической ценности".Потрясающее определение. Оно призывает насзаниматься практически неограниченным кругомхимических задач, если это приносит пользу.

Полимеры, сделанные из продуктов переработкинефти, легли в основу новых методов лечения ипомощи при шоковых состояниях.

На основе этих веществ можно придумать исоздать целый ряд биоспецифических адсорбентов,то есть веществ, которые поглощают и связываюттолько вполне определенные биологическиевещества. Если впечатанным в сетчатую структуруполимера оказывается фермент, он будетзахватывать протекающий мимо него ингибитор.Если впечатать ингибитор, он свяжет фермент.Альбумином удается "схватить" жирныекислоты, продукты переваривания пищи,холестерином - гепарин, гепарином - холестерин.Все эти адсорбенты имеют активность на уровне95-100 процентов, то есть практически полностьюсвязывают "свое" вещество.

Одна из лучших в Институте - лаборатория химиимедико-биологических полимеров. Работы в областимедицины привели к очень любопытным вещам.Ферменты, гормоны, ингибиторы, угнетающиеактивность ферментов, антикоагулянты,препятствующие свертыванию крови, и прочиебиологически активные вещества удалосьпревратить в мономеры, способные кполимеризации. А раз так, то их можно либовпечатать в полимерную сетку, либо привить натвердую поверхность. При этом они сохраняют своюбиологическую активность.

Вот конкретная ситуация: человек заболелпанкреатитом, воспалением поджелудочной железы.Одно из побочных и очень тяжелых последствийзаболевания - выброс в кровоток тысячекратнойконцентрации протеолитических ферментов. Ониначинают "поедать" белки, из которыхпостроена ткань. Осколки белков оседают в печени,в почках и блокируют их - наступает кома. Чтобыпрекратить отравление, применяют гемоперфузию, имы получили разрешение на производство для неегеля-ингибитора.

При тяжелых отравлениях и ряде заболеванийвозникает необходимость очистить кровь оттоксинов - провести так называемую гемоперфузию.Кровь из артерии прокачивают черезхроматографическую колонку (см. "Наука ижизнь" № 2,1998 г.). Она заполнена гелем,содержащим очень важный компонент - ингибиторсильнейших протеолитических ферментов, которыераскусывают молекулы белка.

Человек попал в катастрофу или землетрясение,на него свалилась бетонная балка. Падала онамедленно и ничего ему не сломала, но человек 8 - 10часов пролежал под тяжестью. Его вытащили из-подзавала, кровотечений и переломов не обнаружили ипосчитали, что пострадавший отделалсяблагополучно. Однако на четвертый-пятый деньвозникает та же картина, что и при ожоге, котораяв этом случае называется "крэшсиндром" (отанглийского crush - раздавливать). Клетки мягкихтканей помнят, что на них несколько часовпролежал груз, придавил их, и реагируют таким жевыбросом ферментов. Рецепт спасения один:фильтрация крови через колонку, гемоперфузия.

Другой пример. Человека, получившего обширныйожог, спасают в первые три-четыре дня. И казалось,самое опасное позади, организм уже пережилтермический шок, кожу очистили, закрылипленочкой, чтобы не было испарения, потому чтообожженные люди страдают и даже гибнут отобезвоживания. Но на пятый день начинаетсятяжелейшее осложнение. Долгое время не знали,из-за чего оно возникает. А дело оказалось в том,что клетки организма в двух - четырех сантиметрахот поверхности тела тоже получили термическийудар, и на пятый день выдали гигантский потокпротеолитических ферментов.

Мы иммобилизовали клетки некой бактерии,производящей фермент люциферазу, которыйсветится и поэтому может быть легко обнаружен.Если эту бактерию посадить на поверхность,скажем, полиэтилена, и на ее фермент подействуютпримеси, находящиеся в воздухе или в воде,свечение ослабнет, причем эффект у связанныхклеток оказался гораздо сильнее, чем у свободных.Можно просто выставить кусочек пленочки на
воздух, измерить интенсивность люминесценции иполучить ее зависимость от концентрации примеси.Этот "живой" биохимический датчик удобентем, что его можно легко промыть, восстановить, ион снова будет информировать нас о том, чтопроисходит в окружающей среде.

Научившись работать с ферментами и белками, мырешили попробовать перейти на живые клетки,посадив их на некую поверхность, то естьиммобилизовать их. Смогут ли они тогдапродолжить свою полезную работу? Оказалось, что,если химически зацепиться за внешнюю стенкудрожжевой или бактериальной клетки, она сохранитспособность и к размножению, и к продуцированиюнужного вещества.



Подводя итоги, хочется сказать о главном:несмотря на общий упадок науки в стране, Институтнефтехимического синтеза работает, энтузиазма иновых идей пока хватает. Печалит одно - средств наих реализацию недостаточно.



Скучный длянепосвященного интерьер научной лаборатории насамом деле - комплекс сложнейшей аппаратуры длятонких физико-химических исследований. С нихначинается создание новых технологий,материалов и товаров - от стиральных порошков домикропроцессоров.



Проницаемость будущеймембраны и другие ее свойства можно предсказатьметодами "бумажной химии" - с помощьюматематических моделей, построенных иисследованных на компьютере.



Схема мембранногоконтактора для эффективного газоразделения.Поток смеси двух газов
(X + Y) проходит через емкость,разделенную мембраной (черная полоска). Мембранапропускает только один компонент смеси (X),который растворяется в жидком носителе. Растворциркулирует по замкнутому контуру и отдаетрастворенный компонент через мембрану во второйемкости. Так можно отделять, например, спирт,водород, метан или этилен от углекислого газа. Наэтом же принципе работает мембранный биореактор,который сегодня находится в стадии реализации. (1- жидкий носитель; 2 - охлаждение; 3 - нагревание; 4 -насос.)



Академик НиколайАльфредович Платэ демонстрирует одну изпоследних разработок института - сенсорныйгазоанализатор для измерения концентрации паровбензина в воздухе.



Сегодня имеется около двухдесятков так называемых приоритетныхтехнологий. Из них двенадцать непосредственносвязаны с мембранами. В правой части - те, вкоторых мембраны уже не имеют соперников.Посередине и слева - области, где они успешноконкурируют с другими технологиями. В стадииразработки находятся мембраны, которые послужатразделителями для топливных элементов,сенсорными устройствами в медицине, фильтрамидля искусственной печени и поджелудочной железы.В будущем мембраны станут разделять продуктынефтехимии и газификации угля, появятсякерамические мембраны для работы при высокихтемпературах.