Биоэтилен и биоэтиленоксид

Этилен — самая массовая органическая молекула промышленности: десятки миллионов тонн в год идут в полиэтилен, этиленоксид, этиленгликоль, стирол и винилхлорид. Получают его паровым крекингом нафты или этана — процессом предельно масштабным, отработанным и низкомаржинальным. Именно с этим конкурирует любой биологический маршрут.

Дегидратация этанола: работает и посчитана

Химия проста: этанол теряет воду на кислотном катализаторе — оксиде алюминия или цеолите — при 300–500 °C, давая этилен с селективностью выше 99 %. Реакция эндотермична, требует подвода тепла, но по остальным параметрам ведёт себя образцово, и технология известна около столетия — она предшествовала крекингу и вернулась туда, где нефть дорога, а сахар дёшев.

Ограничение здесь не селективность, а масса. Молекула этанола весит 46, молекула этилена — 28; предельный массовый выход 60,9 %, то есть на тонну этилена нужно не менее 1,64 тонны этанола, а с учётом потерь — около 1,7. Это уравнение и решает всё: биоэтилен конкурентоспособен ровно там, где этанол дешёв относительно нафты. Крупнейшая действующая установка построена в Бразилии на тростниковом этаноле и работает под конкретного покупателя, готового платить за биоуглерод в полиэтилене. Это реальный промышленный объект, но его существование объясняется сочетанием дешёвого сырья, надбавки за происхождение и политики, а не технологическим превосходством дегидратации над крекингом.

Прямая ферментация этилена: почему нет

Этиленобразующий фермент существует в природе — у Pseudomonas syringae это диоксигеназа, использующая двухвалентное железо и 2-оксоглутарат. Проблема в стехиометрии: фермент расходует пятиуглеродный метаболит цикла Кребса и выпускает двухуглеродный газ, а оставшиеся три углерода уходят в CO2. То есть на каждую молекулу продукта теряется больше углерода, чем в неё попадает, — и это заложено в механизме, а не в неоптимизированном штамме. Добавьте низкое число оборотов фермента и его самоинактивацию окислительным циклом, и картина замыкается. Прямая ферментация этилена остаётся исследовательской темой; сравнение с 60-процентным маршрутом через этанол она не выдерживает.

Этиленоксид

Этиленоксид получают прямым эпоксидированием этилена кислородом на серебряном катализаторе. У этой реакции есть собственный потолок, никак не связанный с происхождением сырья: часть этилена сгорает до углекислоты и воды, и промышленная селективность лежит в районе 80–90 %. Повысить её нельзя биологией — это свойство поверхностной химии серебра.

Отсюда следует важное для чтения этикеток обстоятельство. «Биоэтиленоксид» химически неотличим от обычного: это тот же оксид, полученный тем же серебряным катализом, из этилена биологического происхождения. Заявление относится к углероду сырья и подтверждается либо изотопным анализом содержания биоуглерода, либо схемой массового баланса по цепочке поставок. Это законное и проверяемое утверждение — но утверждение о происхождении, а не о процессе, и путать одно с другим не следует.