Накормим россиян древесным хлебом!

     В статье я предлагаю технологию превращения несъедобной целлюлозной биомассы (напр. деревьев) в съедобную. Воплощение этой технологии позволит превращать неиспользуемую биомассу российских лесов в еду, что сможет значительно увеличить население страны. Данная стаья продолжает цикл статей о развитии технологий, использующих климатические условия России для улучшения жизни и получения конкурентного преимущества.

 

Програмную статью можно найти по ссылке

https://aftershock.news/?q=node/411087

Некоторые из статей можно найти на сайтах

https://aftershock.news/?q=node/770852

https://aftershock.news/?q=node/670906

https://aftershock.news/?q=node/512752

https://aftershock.news/?q=node/513563

https://aftershock.news/?q=node/533116

 

а ещё больше - у меня в блоге

https://aftershock.news/?q=blog/16571

 

     Как я уже писал в своей програмной статье, бо'льшая часть территории России находится в высоких широтах, характеризующимися низкой инсоляцией, низкими температурами и низкой урожайностью. Эти факторы ведут к низкой (в среднем) плотности населения, высоким транспортным расходам, высокой стоимости сложной продукции - что, в свою очередь, ведёт к цепи других проблем. Поэтому в програмной статье была сформулирована задача - создать технологии, использующие низкие температуры, низкую освещённость, низкую плотность населения, и прочие факторы характеризующие большую часть территории России для получения конкурентного преимущества над более южными соседями.

     Какие ресурсы есть? Есть лес, болота, низкокалорийный торф, холодная вода. Зона лесов занимает больше половины территории России.

       Хотя лес и используется в экономике, его единица площади производит гораздо меньшее количество человеческой еды (грибов, ягод, съедобных животных, ит.д.), чем единица площади более освещённых лесостепей, 80% которых уже распахано. Экономически эффективному освоению лесов России препятствуют проблемы с транспортировкой: так, для прокормления людей, работающих в тайге, еду им необходимо перевозить на большие расстояния из зон с более мягким климатом. Такие перевозки повышают стоимость всего добытого и произведенного в Сибири. И вообще делают Сибирь малопригодной для жизни.

 

     Углубимся в детали прокормления.

 

     Растения поглощают углекислый газ и используют энергию фотосинтеза для его восстановления во всякие органические соединения. Так, первым делом СО₂ превращается в вещества родственные углеводам (глюкозе, фруктозе, и прочим), затем, используя энергию света, эти самые вещества восстанавливаются в углеводы (саму глюкозу и прочие), после чего львиная часть этой самой глюкозы превращается в различные полимеры.

       У самой глюкозы есть несколько изомерных форм, которые могут преращаться друг в дружку. Две из них, альфа- и бета-глюкоза показаны на Рис. 1. Полимеризация альфа-глюкозы даёт молекулы крахмала, которые из-за своей изогнутости не могут кристаллизоваться в твёрдый материал, плотно заполняющий пространство. Между ними остаётся достаточно "пустого" пространства, в которое при варке диффундируют молекулы воды, в результате чего полимер разбухает - и даёт шанс проникнуть всяким другим молекулам - кислотам, амилазам, и прочим. Амилазы - это такие ферменты, которые катализируют гидролиз молекул крахмала в глюкозу. Kогда крахмал (особенно проваренный) попадает к нам, мы его быстренько гидролизуем в желудке до глюкозы, глюкозу всасываем в кровь из кишок - и таким образом насыщаемся.

     Рис.1. (а) Бета-глюкоза. Гидроксильная группа, поднимающаяся над плоскостью молекулы, показана красным; (b) Линейные молекулы целлюлозы; (c) Плотная, упорядоченная упаковка молекул целлюлозы; (d) Дерево, состоящее из целлюлозы на ~ 50%; (e) Линейная форма глюкозы; (f) Альфа-форма глюкозы. Гидроксильная группа, уходящая за  плоскость молекулы, показана красным; (g) Линейные молекулы крахмала; (h) Молекулы крахмала и их неплотная, неупорядоченная упаковка; (i) Продукты, содержащие крахмал; (j) Основные компоненты древесины - целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин.

 

     Растениям в естественной среде совершенно не нужно чтобы их кто-то ел и при этом насыщался. И крахмал вырабатывают в каких-то весомых количествах не все растения, а только некоторые. И делают это они по причине 10 000 лет селекции, охраны, размножения и культивации человеком. В общем, своим крахмалом они платят человеку за то что человек их крышует.

     Злаковые и прочие синтезаторы крахмала предпочитают расти в тёплом климате. В холодных краях они дают низкие урожаи - а в ещё более холодных краях они вообще не растут. Вместо злаковых растут деревья (сосны в тайге). В деревьях судьба углеводов оказывается другой: в них молекулы бета-глюкоз ферменты полимеризуют в линейные молекулы целлюлозы. Молекулы целлюлозы плотно прилегают к соседям, образуя слои, слои связываются друг с другом - и получается прочный материал. Целлюлоза, то есть. На этом история не заканчивается: вбок от длинных, прочных молекул отходят короткие полимерные молекулы аморфных углеводов, составляющих другой материал - гемицеллюлозу. Гемицеллюлоза ковалентно соединена с полифенольным гидрофобным непереваримым материалом - лигнином. Лигнин выполняет несколько функций: 1) Защищает углеводы от чрезмерного набухания в воде и потери механической прочности; 2) Опять-таки защищает углеводы от проникновения ферментов разных других организмов (животных, грибков), которые хотели бы подкрепиться углеводами дерева; 3) Разлагаясь, превращается в смесь ядовитых фенолов, которые травят древесных гурманов. 4) Сочетание длинных прочных на разрыв молекул целлюлозы с аморфным лигнином, распределяющим нагрузку, создаёт природный композитный материал - древесину - обладающей такой прочностью, что деревья вырастают на десятки метров в высоту и ещё и поддерживают тяжесть веток, отрастающих на многие метры вбок от ствола.

     То есть, деревья превращают углекислый газ и энергию света в чрезвычайно прочный материал, который ни откусить, ни прожевать, ни проглотить, ни переварить. Просто потому что те деревья, которые производили более питательный материал, уже были съедены и потомства не оставили.

     Вот и получается ситуация: на небольшой части России, где растут злаковые, световой поток меньше чем у более южных соседей. Из-за этого урожайность меньше, отдача на вложения в с/х ниже, плотность населения ниже, предельная сложность производства ниже - ну и шлейф проблем. А на бОльшей части территории, хотя какая-то растительность даже и растёт и солнечную энергию  накапливает - но накапливает в совершенно несъедобной форме. То есть, вообще человеческую жизнь не поддерживает.

     Пока есть нефть и газ, люди могут могут жить в тайге, вывозить её ресурсы (нефть, газ, лес) используя энергию сжигания нефти и угля - а взамен ввозить еду выращенную где-то на югах. Для транспортировки которой, опять-таки, используется энергия нефти и угля. Что эвляется временным, неэффективным процессом.

     Если бы удалось развить технологию производства еды из древесины, люди, занимающиеся выращиванием леса и получением из него материалов, могли бы использовать часть вырубаемой (собираемой) древесины для экономного получения еды на месте. Распространение этой технологии способствовало бы расселению людей на территории России, увеличению населения, долговременному (на века) расширению экономической активности, повышению эффективности экономики - всей и, в особенности, сложных производств,  и прочим выигрышам.

        Чтобы древесину съесть, из неё сначала нужно удалить лигнин. Это можно сделать нагрев древесину до ~ 140 ^oС с основанием (гидроксидом натрия, карбонатом натрия или просто содой, гидроксидом аммония, водным раствором амина - например, триэтиламина). В одной из ранних публикаций я предлагал автоклавить древесину с коровьей мочой, служащей источником гидроксида аммония - но для производства человеческой еды лучше будет использовать водный триэтиламин. Запах у него явно приятней чем у аммиака, коррозийность гораздо меньше, и энтальпия испарения меньше. Соответственно, после варки древесины с водным раствором триэтиламина и отделения раствора от твёрдого остатка, триэтиламин можно будет отогнать от раствора и использовать в последующих циклах делигнификации древесины. При этой варке большая часть (> 90%) лигнина деполимеризуется, растворяется в основании и вымывается. При испарении триэтиламина или аммиака этот лигнин выпадает в виде коричневой массы.

     После отделения лигнина а также белков, всяких растворимых органических и неорганических соединений, оставшийся материал, состоящий из целлюлозы, гемицеллюлозы, и небольшого количества высокомолекулярного лигнина можно скормить коровам, что я предлагал в моей предыдущей публикации. Коровы были выбраны потому что они могут переварить и усвоить целлюлозу.  Вдобавок, они большие - поэтому удельные потери тепла, определяемые отношением площади поверхности к объёму, у них меньше чем у многих других кандидатов. Но если этот самый материал скармливать коровам, то часть энергии, заключённой в углеводах, уйдёт на поддержание жизнедеятельности самих коров - и людям, которые будут пить молоко и есть говядину, меньше достанется.

     Для того чтобы людям доставалось больше пищевых калорий, хорошо было бы скормить этот самый материал людям напрямую. Но - увы: наш желудок не переваривает целлюлозу. Посему приходится включать промежуточные стадии в энергетических потоках (в примере выше - коров) чтобы людям хоть что-нибудь досталось. Соответственно, встаёт вопрос - как бы организовать процесс так чтобы калории целлюлозы с гемицеллюлозой дошли до человеческих организмов с наименьшими потерями на промежуточные стадии?

     Целлюлозу можно гидролизовать в глюкозу, а глюкозу класть в чай. Первая большая проблема состоит в том чтобы гидролизовать целлюлозу в глюкозу масштабируемой экономически оправданной технологией; слава Богам, с этой проблемой я разобрался. Там ещё остаются мелкие проблемы - типа, целлюлоза получается в виде разбавленного раствора - но они решамы. Вторая проблема - то что глюкоза быстро (слишком быстро) впитывается в кровь, её концентрация в крови взлетает, а организм не успевает выработать инсулин для её переработки, так что глюкоза остаётся в крови и вредит организму. Раз-другой такие эпизоды можно пережить, но когда они становятся частыми и регулярными, у человека развивается диабет - и история заканчивается плохо.

     Поэтому целлюлозу нужно превращать в такую форму которая бы усваивалась помедленнее глюкозы. Хорошо бы её превращать в крахмал - и сообщения о ферментативном превращении целлюлозы в крахмал действительно публиковались.

     Может быть, вкупе с моим катализатором, активирующим целлюлозы ко всяким там превращениям, проблема будет решена добавлением смеси катализаторов к обработанной древесине. Однако, ферментативный способ слишком медленный, так как связан с диффузией крупных молекул в кристаллическую целлюлозу. Вдобавок, выход крахмала по этой технологии - только 30%.

     Существует химический способ превращения целлюлозы в прообраз еды. Есть такое вещество - фтористый водород, он же - плавиковая кислота, HF. Кипит при 19.5 ^oС, очень ядовит (хотя в следовых количествах нужен для здоровья зубов), обугливает бумагу, состоящую из целлюлозы, и прочая. Однако при низких температурах проявляет интереснейшие свойства как растворитель. Так, холодный HF (ниже 0 ^oС - и чем холоднее тем лучше) растворяет и деполимеризует эту самую глюкозу, превращая её в низкомолекулярный глюкозилфторид:

               ¹/_n(C₆H₁₀O₅) + HF = C₆H₁₁O₅F

     Если очень хочется, то этот глюкозилфторид можно окунуть в воду и получить глюкозу:

               C₆H₁₁O₅F + H₂O = C₆H₁₂O₆ + HF

     В двух публикациях древесину, из которой была удалена гемицеллюлоза, обрабатывали газообразным HF (тыц и тыц). При этом получался лигнин, пропитанный раствором глюкозилфторида в сконденсированном HF. После удаления HF продуванием воздухом глюкозилфторид опять конденсировался в полимер:

               C₆H₁₁O₅F = 1/n(C₆H₁₀O₅) + HF

     Вот только этот самый новый полимер состоял из беспорядочно соединённых друг с другом фрагментов глюкозы, образуя новый аморфный материал - глюкан. Схемы превращений показаны на Рисунке 2.

     Этот самый глюкан легко гидролизуется разбавленной водной кислотой, образуя раствор глюкозы, что делает его похожим на крахмал. В статьях, после обработки древесины фтористым водородом, авторы проводили гидролиз глюкозил фторида или глюкана - и получали глюкозу при мягких условиях с высоким выходом (до 94%).

     Рис. 2. (а) Целлюлоза; (b) Глюкозилфторид; (с) Глюкан.

 

          Итак, я предлагаю следующую технологию превращения целлюлозной биомассы в еду.

 

     Древесину, из которой был удалён почти весь лигнин, а также белки, терпены и неорганические вещества, нужно просушить, поместить в вакуум, скондесировать на ней HF, затем откачать HF под пониженым давлением - и превратить несъедобную целлюлозу в съедобный глюкан. В принципе, после этого древесина станет съедобной, пористой, размягчающейся при контакте с водой и немножко сладковатой. Вафли из сосны, в общем. Если люди такой едой побрезгуют, то таким материалом можно кормить свиней. Свиньями люди не брезгуют.

 

     Если нам совсем мешает лигнин, то есть ещё один вариант: на обезлигниненую древесину можно сконденсировать HF при низкой температуре (которой в России - навалом, особенно там где растут леса), растворить целлюлозу и гемицеллюлозу в жидком HF и получить раствор с малой вязкостью. Вязкость будет мала потому что в растворе будут находиться не полимеры а низкомолекулярные вещества. Раствор фильтруем чтобы удалить лигнин, затем испаряем при низкой температуре под пониженным давлением. При этом сначала будет испаряться HF, затем, при повышении концентрации глюкозилфторида, молекулы этого самого глюкозилфторида начнут конденсироваться друг с другом и фторидными производными гемицеллюлозы. Будет получаться полимер, вязкость раствора резко вырастет - и испаряющийся HF будет образовывать быстро затвердевающие пузырьки. Получится пена, состоящая из полимерных углеводов. Потом нужно эту пену подержать в вакууме - чтобы снизить концентрацию оставшегося в твёрдом материале  HF то такого уровня когда он станет полезным для зубов - и материал будет готов.

 

     А как называется такая еда - которая состоит из углеводов, и вся из себя пористая? Хлеб! Вот так из деревьев (а вообще-то из почти всех несъедобных растений) можно будет делать, кгм, древесный хлеб. Как вариант - сосновый хлеб. Этот хлеб не будет полноценным источником витаминов, белков, и многих других компонентов. Их придётся получать из другой еды. Но калории в нём будут.

     Полная предложенная схема превращения целлюлозной биомассы в человеческую еду проиллюстрирована на Рис. 3.

     Рис. 3. Схема превращения целлюлозной биомассы в еду: (а) Растительная биомасса, состоящая в основном из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина; (b) Растворённый деполимеризованный вымытый лигнин; (с) Биомасса без лигнина, основные компоненты - целлюлоза и гемицеллюлоза; (d) Отфильтрованный раствор глюкозилфторида и родственных фторидов в холодной плавиковой кислоте; (е) Древесный хлеб.

 

     Некоторые читатели могут заметить что безводная плавиковая кислота - весьма активное соединение, и что если её пролить на руки, ноги и лицо, то будет неприятно. На это отвечу так: раз уж мы выбрали такое вещество которое активно взаимодействует с биологическими материалами (растительной целлюлозой, то есть), то приходится ожидать что оно будет активно реагировать и с другими биологическими материалами (из которых мы состоим). При обработке еды, кстати, часто используют опасные высокие температуры. Так, некоторые виды еды кипятят при 100 ^oС, некоторые жарят при 175 ^oС, а некоторые вообще жарят на огне! Я даже затрудняюсь предположить сколько человек ежегодно получают ожоги - и сколько вызывают пожаров при приготовлении пищи. Но людей это не останавливает. А саму плавиковую кислоту используют для изомеризации линейных алканов в производстве бензина. Поэтому я надеюсь что опасность процедуры приготовления еды из древесины можно будет понизить настолько что она (опасность, то есть) не будет сдерживать предложенную технологию.