Проект на тему: «Как обеспечить человечество продовольствием при дефиците ископаемого топлива?»

Как обеспечить человечество продовольствием при дефиците ископаемого топлива?

Цель: формирование активной жизненной позиции у детей по отношению к использованию природных ресурсов

В сущности, все деревья плодоносны, просто

 не всякий плод съедобен для человека.

Фазиль Эскандер

Практически любой живой организм на Земле, будь то бактерия или человек, прямо или косвенно использует для своей жизнедеятельности энергию Солнца. Человек   косвенный потребитель солнечной энергии. Его организм  «присваивает» энергию химических связей органических веществ, накопленными растениями в процессе фотосинтеза. При этом мы используем только те компоненты растений, которые может переварить наш желудочно-кишечный тракт: моно- и дисахариды; разветвленные полисахариды (крахмал  и  гликоген); жиры и жирные кислоты; белки; органические кислоты(уксусная, молочная, яблочная и т.д.); одно- и многоатомные спирты (этиловый, глицерин) . Этих веществ в биомассе естественных растительных биоценозов (лесов) менее 6%, остальные 94% - это целлюлоза, гемицеллюлозы , лигнин, которые не входят в пищевые цепи большинства животных и человека.

Низкая пищевая продуктивность лесов вынудила человека создать искусственные биоценозы – агробиоценозы, которые могут производить до 50-60% пригодных в пищу веществ от общего прироста биомассы. Сейчас под сельскохозяйственные угодья  занято  более 13% (с лугами 34%) суши.

В агробиоценозах  нет  разнообразия, такие экосистемы очень неустойчивы: они состоят из одного вида, причем продукцию вывозят за их пределы. Поэтому продуктивность агробиоценозов поддерживается за счет притока вещества  извне: удобрений, ядохимикатов и других веществ.

С  одной  стороны  более  чем  в 3 раза возросла продуктивность сельскохозяйственных земель, но с другой  человек начал использовать энергию ископаемого топлива для механизированной обработки почвы.

А для пропитания возрастающего населения Земли есть всего лишь 2 пути: экстенсивный и интенсивный. В первом случае человек распахивает все новые и новые земли, что приводит к опустыниванию и нарушению  глобального цикла  углерода. Во втором почва загрязняется удобрениями и физиологически активными веществам, и превращается в искусственную плодородную среду. Все это ведет к экологическому кризису.

Концепция устойчивого развития, принятая международным сообществом еще в 1992 год, призывает преодолеть экологический кризис, рационализируя   потребление,  регулирует  численность населения, т.е. снижая потребление в развитых странах и прирост населения в развивающихся. Несмотря на то что прирост за последние 10 лет темпы роста населения планеты действительно снизилась с 6,1 до 3,4 ребенка на одну женщину, в развивающихся странах более 800млн. человек все еще голодают. Говорить же о снижении уровня потребления в развитых странах даже не приходится.

Однако существует более простой путь преодоления экологического кризиса.

Ресурсы растут в природе.

Есть довольно рациональное решение: постепенно расширить  площади  лесов  и построить производства, позволяющие использовать их биомассу для получения кормов и продуктов питания.

При этом продуктивность и КПД фотосинтеза лесов и полей примерно  одинаковы. Так, с 1га леса в умеренных широтах  дает прирост биомассы 3,0-5.5 т/год, 1 га степи 4,0-5,0 т/год .При этом растет древесина сама и не требует никакой дополнительной энергии, помимо солнечной. Она очень технологична – может долгое время храниться под открытым небом, не имеет сезонности при заготовке и удобно транспортируется. Ключевой вопрос: как превратить полисахариды, содержащиеся в древесине, в полноценный пищевой или кормовой продукт?

Как из дерева сделать спирт и сахар?

Первые технологически приемлемые решения переработки древесины с получением продуктов, которые ранее добывали только  из  сельскохозяйственного сырья, были опробованы в 1899году практически одновременно в Росси, США и Германии. Процессы эти были весьма несовершенны, и вскоре промышленные установки закрыли. Только в 1934 году в Германии и Советском Союзе заработали производства, основанные на гидролизе древесины, разбавленной серной кислотой. При таком методе из 1 т древесины получали до 500кг смеси гексозных  и   пентозных сахаров. Правда растворы сахаров получались очень разбавленные (3-5%), в них было очень много различных примесей и продуктов распада сахаров. Самостоятельной пищевой ценности  гидролизаты древесины не имели, зато такой раствор легко можно было сбродить и получить этиловый спирт, либо вырастить дрожжевую биомассу, т.е. получить продукты, которые до этого делали исключительно из пищевого сырья. Очевидно, что в 1934году гидролизные заводы создавались вовсе не для решения экологических проблем: нужен был каучук, для каучука – бутадиен, для бутадиена – этиловый спирт. А во время и после войны, как в Германии, так и в Советском Союзе, древесина осталась единственным доступным непищевым углеводным сырьем для производства спирта. В годы Великой Отечественной войны его нужно было еще больше, но никто и помыслить не мог делать спирт из зерна или картофеля, поэтому в самые тяжелые военные годы(1942-1944) пустили в эксплуатацию Архангельский, Тавдинский, Канский и Саратовские гидролизные заводы. Каждый завод помимо выпуска стратегического продукта, экономил до 40000 тонн зерна в год, которое спасло от голода более 900 000 человек.

Расцвет гидролизной отечественной промышленности пришелся на 70-е годы прошлого столетия. Спирт как конечный продукт гидролизного производства потерял свое значение, производства переориентировались на выпуск белковых кормовых дрожжей. В стране работали 46 гидролизных заводов, которые давали более 450 тыс. т/год кормового белка и 140млн. литров этилового спирта. Это же количество могло быть получено с 270тыс га посевов сои и 280 тыс. га пшеницы. Площадь же леса, необходимого для обеспечения сырьем такого производства, была всего лишь 14 тыс. гектаров. Более того в качестве сырья для гидролизных заводов никогда не использовали «деловую» древесину, а только дрова и отходы лесопиления.

Параллельно с развитием действующей технологии в Советском Союзе и Германии шли работы по созданию других процессов гидролиза, в том числе с помощью концентрированных кислот. Новая технология предполагала совсем другой процесс – он не сопровождался распадом  сахаров и позволял получать довольно чистые концентрированные растворы сахаров (20%) с выходом до 600 кг из 1 т древесины. Такие растворы древесины уже имели самостоятельную кормовую и пищевую ценность, их можно было использовать для получения чистых углеводных продуктов (медицинской глюкозы, глюкозо-фруктозных сиропов, кормовой патоки) а также продуктов их биохимической переработки (микробного белка, аминокислот, жиров, антибиотиков, ферментных препаратов, ксилита, этилового спирта и т.д.)

Несмотря на ее очевидные преимущества, технологию гидролиза концентрированными кислотами остановили на опытно-промышленной стадии. В 60-х годах казалось, что индустриализация сельского хозяйства скоро решит все проблемы продовольствия, и уже никто не думал об экономии сырья пищевого значения…

Сейчас из-за ухудшения экологической обстановки было бы полезно вспомнить технологии переработки древесины. Ведь это и есть та самая возможность производить пищевые и кормовые продукты с минимальным расходом ископаемого топлива, одновременно не влияя на естественные экосистемы.

Лес вместо поля: экология плюс энергия

Продукты для питания и корма – это энергия для роста и жизнедеятельности, но для их получения также нужна энергия. Чем меньше энергия расходуется на единицу продукта и чем меньше энергия неутилизируемых отходов производства, тем меньше воздействия  на окружающую среду.

При этом надо помнить: выращивание  зерна требует помимо солнца топливно-энергетических затрат на обработку почвы, производство удобрений и средств защиты растений, и все это нужно учесть в общем энергетическом балансе производства. В то же время если использовать древесину, то дополнительная энергия расходуется только на ее заготовку, транспорт и измельчение. Более того, лигнин- неуглеводную  часть древесины, можно использовать в качестве котельного топлива. Что же касается пищевых продуктов и кормов, то получать из древесины сахар, глюкозо-фруктозные сиропы, кормовую патоку и кормовой белок не только экологически, но и экономически более целесообразно, чем выращивать сахарную свеклу и сою.

Перспективы

Самый большой дар природы-лес, и только он, в условиях нарастающего дефицита ископаемого топлива, накормит человечество. Для России – страны с громадными лесными ресурсами, страны – большая часть которой лежит в зоне рискованного земледелия, развитая гидролизная промышленность – это практически единственный путь получения продовольственной независимости.

Продуктами гидролитической переработки древесины могут стать не только традиционный спирт, кормовые дрожжи, кормовая патока и пищевая глюкоза, но и продукты биохимической переработки глюкозы .

Есть еще один сопутствующий эффект – расширение площади лесов поможет снизить эффектот выбросов парниковых газов.

Конечно, суть предложения – не немедленная ликвидация пахотных земель и посадка там леса. Леса растут медленно, да и заводы строятся не мгновенно. Речь – о тенденциях. Нужно кормовую, пищевую и химическую промышленность ориентировать на использование древесины в качестве сырья, поскольку она требует значительно меньших энергетических затрат на воспроизводство, чем сельскохозяйственная продукция. С уменьшением запасов нефти, газа и угля, сельскохозяйственное производство будет дорожать, продуктивность его падать, а лес как рос, так и будет расти…

Анкета

1. Какой источник энергии используется вашими родителями?
2. Почему источники энергии в последнее время дорожают?
3. Если бы вы были  руководителем  предприятия, какой источник энергии  предложили бы  вы ?
4. Как можно использовать древесину?
5. Можно ли из дерева сделать спирт и сахар?
6. Для чего нужно сажать деревья?

Результаты  анкеты

    1.Какой источник энергии используется вашими родителями?

Электричество – 74%

Электричество и бензин – 26%

2.         Почему источники энергии в последнее время дорожают?

       Инфляция – 89%

       Используют устаревшее оборудование – 11%

  3.Если бы вы были  руководителем  предприятия, какой источник   энергии  

    предложили бы  вы ?

              Солнечные батареи -85%

              Энергию ветра -15%

4.Как можно использовать древесину?

               Как топливо – 8%

               Как строительный материал – 92%

      5. Можно ли из дерева сделать спирт и сахар?

           Нет – 91%

           Да – 9%

6. Для чего нужно сажать деревья?

Для выделения кислорода – 95%

Среда обитания  других организмов – 5%

Вывод: небольшое количество учащихся знает, что для производства сахара и спирта можно использовать древесину.  При этом все за использование возобновляемых источников энергии.

Литература.

1. Журналы «Химия и и жизнь – XXI век» № 1,4   2006г.Издаельство научно-популярной литературы «Химия и жизнь».
2. http://www. Informnauka.ru
3. http://www.hij.ru
4. Р.Г. Заяц, И.В. Рачковская, В.М. Стамбровская  «Пособие по биологии для абитуриентов».  Минск «Высшая школа» 1999г.