Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

Можете погуглить химико-энзиматический синтез лизина.

Там тоже присутствует микробиологическая стадия при превращение аминокапролактама в L-лизин, что и обеспечивает селективность его синтеза.

Однако в связи с данной темой для таких полусинтетических методов можно поставить вопрос. Собственно откуда сырьё для этого процесса брать. Входным сырьём для получения капролактама  является циклогексан или толуол. Сейчас они являются довольно массовым продуктом нефтепереработки и особым дефицитом не являются. А вот без нефти где их брать?

[AlexAV]

Подумаешь. сложность!

М... А далее начинается самое интересное. Сколько всё это будет стоить и какое количество энергии потребует.

На производство 1т карбида кальция нужно 3400 кВтч электроэнергии и 0,75 т кокса (http://e-him.ru/?page=dynamic&section=50&article=787). Из него можно получить 0,31 т С2H2 (цифра взята из таблицы в предыдущем источнике, отличается от стехиометрии, но и технический продукт состоит не из чистого карбида). Далее синтез бензола, а там выход бензола процентов 35%, плюс 4% толуола (http://chem21.info/page/132139228141023164164141019207054194215228212136/). Итого для получения  1 т бензола и толуола потребуется 28 МВтч электроэнергии и 6,2 т кокса.

Этот кокс кстати тоже нужно откуда-то брать. И без ископаемого топлива единственный источник - древесный уголь. Выход угля где-то 150 кг/м3 древесины. Т.е. потребуется 41 м3 древесины. Картина в общем особого оптимизма не внушает.

[AlexAV]

Т.е. потребуется 41 м3 древесины.

Если на этой древесине развести вишенку, то в хороших условиях может получиться до 50 т плодовых тел, содержащих 1,3 т протеинов.

[AlexAV]

Только чевой-то страны ЕС в основном нетто-экспортеры продовольствия

В долларах может быть, но не в калориях. Собственно самодостаточность по продовольствию нужно смотреть по балансу зерновых, ну и картофеля с таро, бататом и бананом (последние для приэкваториальных стран). Всё остальное по большей части или мало значимо в общем балансе или является производными от этих базовых культур (как большая часть животноводства скажем).

А вот по базовым они как раз экспортёрами и не являются (по крайней мере не все). Скажем Великобритания (все данные с FAOStat http://www.fao.org/faostat/en/#rankings/commodities_by_country_imports) импортирует 8 млн.т. зерновых и зернобобовых, экспортирует 1,3 млн.т., т.е. нетто-импорт 6,7 млн.т.  при собственном производстве 21 млн.т.  Ни о какой избыточности производства здесь и речи не идёт, скорее о зависимости от импорта. Если эти 6,7 млн.т. убрать, то может быть каннибализма там и не будет, но станет весьма голодно.

[AlexAV]

Лесохимия! Толуол первоначально был получен пиролизом какой-то экзотической смолы.

Вообще из древесины продукты питания делать химическими методами - занятие довольно странное. Древоразрушающие грибы могут конвертировать энергию практически любой растительной биомассы в пищевые калории с эффективностью 20% и даже выше. Обеспечить такую же эффективность химическим синтезом сложно, если вообще возможно (особенно с учётом всех видов затраченной в процессе энергии). Сложность производства тоже по сравнению с выращиванием грибов не сопоставима. Ну и потребность в редких металлах... Многие процессы органического синтеза без платины, палладия, родия, никеля и прочего (в качестве катализаторов) не идут. Живые же организмы как-то обходятся без всего этого. А редкие металлы - ничуть не менее ограниченный и исчерпаемый ресурс, чем нефть.

Зачем делать дорого и неэффективно, если можно дешево и с высокой эффективностью? Ну грибы как продукт питания привлекают как-то больше, чем пластиковая каша.

P.S. Вообще грибы продукт вероятно недооценённый. Какая-то биомасса растёт на земле практически во всех климатических зонах и условиях, кроме уж совсем сухих как Сахара и совсем холодных как Антарктида. Даже в тундре вырастает довольно много различной растительности. А грибы практически любую растительность способны переводить в форму доступную нам. В принципе они  могли бы существено расширить как объём доступных пищевых ресурсов, так и область, где можно вести сельское хозяйство (какая-нибудь местная осока может быть весьма продуктивна даже в тундре).

Вы ничего не хотите сказать о коэффициенте усвояемости белка окруженного неперевариваемым хитином?

Если размолоть в порошок, механически разрушив клеточные стенки, то более чем приемлемая.

[AlexAV]

ультраразмол (а речь о десятках нанометров идет) ну очень дорого станет

А зачем так мелко? Достаточно чтобы фракция была меньше размера клетки и тогда оболочка перевариванию содержимого мешать заведомо не будет. Гифа гриба обычно состоит из клеток 2-10 мкм в диаметре и 10-15 мкм длинны. А значит порошка с фракцией < 10 мкм будет уже по большей части достаточен, а менее 2 мкм даже избыточен. А получение таких порошков не такая уж большая проблема. Да и гриб - не цементный клинкер или базальтовая порода, измельчается куда легче.

[AlexAV]

Кстати вешенка не оптимальный вариант - по соотношение урожайности к усвояемости и вкусу зимние опята намного лучше.

Возможно. Просто они наиболее популярны сейчас, что конечно не значит, что они лучшие. Вообще грибы-ксилофитов существует громадное множество. Есть из чего выбирать.

Однако проблемой этого порошка является гигроскопичность и быстрая порча при намокании.

Это существенный недостаток, но при наличие герметичной полимерной упаковки уже не такой критичный.

[AlexAV]

Только у белых грибов и шампиньонов белка до 5%, у остальных 2-3%, так же как и у кормовых трав,
правда, у них побольше углеводов и калорийность выше.

В свежих плодовых телах просто воды очень много. А вот если посмотреть только на сухую массу - то картина там совсем другая. В той же сухой вешенке белка 34% - 53% в зависимости от условий выращивания (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852401000025):

[AlexAV]

Из 1т соломы, содержащей 5% протеина, получаем 175 кг свежей вешенки, соддержащей 3%. Что это есть?

Не так. Отношение массы сухих плодовых тел к массе  сухого субстрата в хороших условиях для вешенки может составлять до 20% (в той работе на которую я сослался выше получен 19,1%). Т.е. из 1 тонны субстрата можно получить до 200 килограмм сухих грибов, содержавших ~30-50% белка (количество белка в грибах может быть и больше чем в исходном субстрате, грибы могут ассимилировать азот не только из органического вещества, но и используя ионы аммония или нитраты, естественно для этого они должны быть введены в субстрат). В общем получить из тонны негодной для нас биомассы пару сотен килограмм высоко питательной пищи с высоким содержанием белка - очень даже не плохо.

По калорийности выход единицы процента.

Нет, выход по калориям может составлять до 20% (он как раз приблизительно равен отношению массы сухого вещества гриба и субстрата).

[AlexAV]

Мои данные взяты из businessideas.com.ua где даются рекомендации на основе практического опыта,
в контексте малого бизнеса, поэтому маловероятно, что они занижены.

Из рецензируемого научного журнала - надёжнее.

Что касается продуктивности промышленной технологии, то вот кое-что:
http://www.vestnik.dalgau.ru/images/gurnal/vipusk_2008/nomer_1/annenkov.pdf
http://cyberleninka.ru/article/n/optimizatsiya-i-ispolzovanie-v-dfo-rossii-evropeyskoy-polusterilnoy-tehnologii-kultivirovaniya-veshenki-obyknovennoy

При оптимальной технологии приготовления субстрата плодоотдача 43% (плодоотдача - отношение массы плодовых тел грибов к массе влажного субстрата). С учётом, что во влажном субстрате 70% составляет вода, то с тонны сухого субстрата  получится 1,43 тонны плодовых тел гриба. С учётом того, что калорийность свежей вешенки где-то 38 ккал/100 г(http://www.calorizator.ru/product/mushroom/mushroom-20), то получается полезный выход 54 ккал/100 г сухого субстрата. С учётом, что исходно он содержит приблизительно 346 ккал/100г коэффициент конверсии калорий субстрата в калории плодовых тел гриба получается 16%. Чуть меньше, чем лабораторные, но того же порядка.

[AlexAV]

Только один нюасны они работают в клетке, а не в промышленных чанах... А насколько эффективен в условиях промышленного процесса (скорость его деградации ) никто не мерял...

Если не ошибаюсь, то ферментативный катализ (амилаза) используется при гидролизе крахмала в спиртовом производстве.

[AlexAV]

далеко не древесные опилки.

На чистых древесных опилках здесь (http://scialert.net/fulltext/?doi=biotech.2010.338.342&org=11) приводят биологическую эффективность (массу полученных плодовых тел грибов к сухой массе субстрата) - 86%, т.е. в этом случае коэффициент конверсии энергии получается приблизительно 9,6%. Поменьше конечно, но всё равно достаточно существенным.

не делают технологию особо простой

Ну технологии проще превратить бросовую биомассу практически произвольного состава в пищевой продукт с сопоставимой эффективностью просто не существует. Грибы замечательны тем, что они могут потребляет практически всё, почти любую органику из растений. Плохо утилизируют только лигнин (но и его некоторые грибы умеют потреблять, хотя и не полностью). Большая же часть первичного прироста биомассы на планете — это что-то вроде стеблей трав и листьев деревьев, для грибов достаточно удобная форма.

[AlexAV]

Говоря о преобразовании биомассы в пищевой продукт, Вы нашли для себя ответ на вопрос, почему цена на сою
обычно в 2,5(временами в 3) раза выше, чем на пшеницу?

Соя ценится за высокое содержание белка. Хотя конечно к цене это имеет достаточно опосредованное отношение. Скажем горох с весьма близким близким содержанием белка и его аминокислотным составом (эти растения вообще достаточно родственные виды) значительно дешевле сои. Правда в отличие от гороха - соя ещё содержит много жиров, т.е. является прежде всего масличной культурой, где жмых служащий для производства пищевого белка по сути отход производства масла. Горох для производства растительных масел не годится, что снижает его экономическую привлекательность.

Цена же на сельскохозяйственные культуры скорее определяется не их пищевой ценностью, а обширностью области пригодной для культивирования и затратами на производство. Ну вот зерно мака ещё дороже сои, ну и какие из этого выводы о его пищевой ценности?

Касательно грибов, то содержание белка в них очень высоко (к сухой массе). Если говорить о широком замещение ими продуктов питания, то проблемы нехватки белка в этом случае нет в принципе. Поэтому тут как раз уместно говорить именно о коэффициенте конверсии энергии. В данном случае это более существенный показатель. У грибов есть проблема несколько несбалансированного с нашей точки зрения аминокислотного состава, но это наверное можно исправить методами генной инженерии, кажется заставить синтезировать организм какой-то нетоксичный перевариваемый нами белок она умеет (поправьте если я неправ, здесь кажется есть специалисты в вопросе).

Впрочем, спор лучше прекратить. Как только приведёте пример промышленного выращивания деревьев на "человечью пищу" - сразу сдамся...

Пока у нас есть несколько миллиардов тонн абсолютно бросовых и никому ненужных ресурсов  соломы, сельскохозяйственных отходов, опилок и прочего - выращивать ради грибов что-то специально нет никакого смысла. Не утилизируемой бросовой биомассы и так полно. Для выращивания приблизительно 10 млн. т. грибов (данные 2013 года) в мире этого хватает с огромным избытком. А если даже просто перерабатывать весь сельскохозяйственный мусор, который уже есть, то грибов получилось бы сколько, что они стали бы одним из основных элементов нашего питания.

Однако во влажных (не сушёных) плодовых телах грибов доля воды составляет более 90%. Чуете? В субстате - около 30% сухого вещества, а в грибах - менее 10. Разница - более чем в 3 раза. Да ещё на 0.43 делим. То есть, реальная разница - около 7 раз.

Ну так и есть, коэффициент конверсии энергии биомассы в плодовые тела грибов около 16% и получается.

[AlexAV]

поэтому естественно рассматривать возможность применения для этих целей древесины, которая стоит
к пищевым продуктам ближе, чем нефть.

В нефти нужной фракции для дальнейшей переработки может содержаться проценты, того же бензола в продуктах риформинга процентов 7. Это не особая проблема, когда перерабатывается более четырёх миллиардов тонн нефти. Даже небольшое содержание при гигантском объёме даёт большое количество продукта. А вот с древесиной будет уже не так. Ну подвергли мы её гидрогенизации, получили на выходе дикую смесь фенолов, спиртов, углеводородов самого разного состава. Нужных из них нам несколько процентов - остальное печное топливо непонятного состава. Ну и какой коэффициент конверсии получится? А без селективных катализаторов только так и будет. С высокоселективными - лучше, скажем на платине с фосфатом ниобия выход смеси изомеров гексана может быть процентов 30% и процента 4 смеси гомологов циклогексана, уже лучше, чем смола неясного состава. Но вот где на это столько платины достать? Потери катализатора со смолами и зольными остатками древесины в этом случае будут весьма велики. Ну и водород... Он дешевый пока у нас природного газа много, а вот электролизом или в термохимическом цикле его получать дорого и очень энергозатратно.

Синтетика хороша только пока у нас океан нефти, ну или хотя бы огромное количество дешевого угля. А без них уже как-то не очень.

[AlexAV]

возможно боргидриды.

Боргидриды разрушаются водой (при комнатной медленно, но вот гидрогенезация идёт отнюдь не при комнатной), которая при деструктивной гидрогенезации биомассы образуется огромное количество. Само же их получение - задача сложная и затратная. Скажем цепочка:

2NaCl = 2Na + Cl2
2Na + H2 = 2NaH
B(OCH3)3+ 4NaH = NaBH4 + 3NaOCH3

Процесс требует просто гигантского количества электроэнергии.  А расход боргидридов будет соизмерим по массе с количеством переработанной биомассы (почти весь кислород из этой биомассы будет связан в виде борной кислоты, а его там много). Цена и сейчас на уровне 6000 руб./ кг. Вообще не вариант.

можно использовать Ni

В большом масштабе здесь даже никеля на самом деле будет жалко. Он тоже не безлимитный. Пока у нас ещё есть богатые месторождения ещё ничего. А когда они кончатся? Для столь массового синтеза причём с большими потерями катализатора (сырьё ведь не газ и даже не жидкость, а твёрдое вещество с заметным количеством зольного остатка) всё что реже и дороже железа и окиси алюминия - уже слишком дорого.

Пентозы и гексозы- хорошие заготовки для
аминокислот с 5 и 6-ю атомами С.

Так их надо как-то извлечь в чистом виде. А это непросто. При крекинге и гидрокрекинге никаких пентаз и гексаз не получается, даже пентан с гексаном без специально подобранного высокоселективного катализатора образуются с низким выходом (а эти катализаторы часто представляют из себя что-то очень дефицитное, обычно включают в себя платину, родий или палладий, никель кажется нужной селективности не даёт, иначе в работах бы последних лет (как будет возможность дам ссылку) рассматривали бы  его как перспективный катализатор для промышленного получения жидких углеводородов из растительной биомассы, а там речь сплошь про катализаторы на базе драгоценных металлов). Вся эта масса участвует в сложной цепи не очень селективных свободнорадикальных реакций с образование смолы и углеводородных газов непонятного состава.

[AlexAV]

https://geektimes.ru/post/290971/

Их расчёт не включает стоимости аккумуляции и/или маневровых мощностей без которой ему грош-цена, т.к. без них построить энергетику на нестабильных ВИЭ просто невозможно.

Ну и сapacity factor взятый там в интервале 21% - 30% для абсолютного большинства районов планеты катастрофически завышен. Даже для такого "крайнего севера" как Сочи он в принципе больше 18% быть не может, это же относится к большинству других климатических зон и районов планеты, видимо взяты только условия пустынь (при этом конечно забыв, что там никто не живёт и не включив стоимость передачи энергии в населённые районы).  Опять же заложен гарантированный выкуп электроэнергии, что вообще-то тоже субсидия, т.к. при значимой доле в энергетике СЭС значительную часть энергии даёт тогда, когда она никому не нужна (собственно эксцессы с отрицательной стоимостью энергии - это из этой серии, при этом в расчёте считается, что и за эту никому не нужную энергию станции должны платить полную цену). Если этот гарантированный выкуп убрать - будет существенный минус КИУМ (в разы) даже от максимума обеспечиваемого климатическими условиями. Этого тоже у них не учтено. 

В общем - халтура, а не расчёт.

[AlexAV]

был сделан для аккумуляторов по 300 баксов за квт\ч , при 600 циклах, или ошибаюсь?

Тот, который я приводил - 300 баксов за квт\ч и срок эксплуатации - 10 лет.

Мягко сказать другие цены.

Что-то не особо другие.

ВИЭ начнут быть интересны при цене аккумуляции <50 $/кВтч ёмкости при сроке эксплуатации 10 лет и более. При <10 $/кВтч они уже будут выигрывать у большинства других источников. Вот только до этого мягко-говоря далеко.

[AlexAV]

Якобы концентрация того же никеля в базальтах аж 0,2%

Такая концентрация типична не для базальтов, т.е. основных пород (в основных породах типичное содержание никеля 0,016%, т.е. более чем в 10 раз ниже), а для ультраосновных - дунитов, оливинитов и т.д. Вот только здесь одна проблема - на технически доступных глубинах на планете Земля  ультраосновные породы встречаются крайне редко (есть всего несколько массивов в мире ограниченного размера).

[AlexAV]

По видимому основным источником промышленных металлов в эру исчерпания будет рассолы природных гидротерм. Потому возникает вопрос: Можно ли создавать искуственные гидротермы путем закачки воды в тектонические разломы, либо просто бурением и гидроразрывом. В которых вода за счет высокой температуры будет выщелачивать металлы из недоступных участков коры. Решаем попутно проблему получения энергии.

К чистой воде основные породы достаточно устойчивы. А вот из их подземного выщелачивания кислотой или смесью углекислого газа и воды что-то и может получиться. Здесь правда есть одна проблема, точнее даже не одна, а две. Данный процесс будет сопряжен с гигантским расходом этой кислоты. Где её брать в таком количестве?

Самая дешевая на сегодняшний день - серная. Но она дешёвая лишь пока нефти с газом много, сера сейчас отход от отчисти природного углеводородного сырья от неё. Что сейчас привело к её сильному перепроизводству. А вот без нефти, газа и сульфидного сырья картина станет отнюдь не такой радужной. Останется гипс и глауберова соль как сырьё. Гипс тоже не безлимитный, а выделение сульфатов из морской воды - занятие довольно дорогое. В общем как кончится нефть с газом, так серная кислота из наиболее доступной превратится в дефицитный и дорогой продукт, в общем в долгосрочной перспективе не вариант.

Производство соляной кислоты по сырью не ограничено, но чудовищно энергоёмкое. Её цена и доступность будет сильно зависеть от цен на электроэнергию. И здесь прогноз тоже не благоприятный.

Углекислый газ дешевле и доступнее... Но вот с ним будут иметь место уже проблемы иного рода. Начнут действовать сильные экологические ограничения. Т.е. при таком подземном выщелачивание большое количество карбонатов будет оставаться на вечно в глубинной породе. Это в свою очередь приведёт к тому, что прямо или косвенно такая добыча в большом масштабе начнёт снижать содержание углекислого в атмосфере планеты. А это очень не хорошо, список последствие здесь от снижения продуктивности растений до нового ледникового периода. Т.е. объём работ придётся ограничивать так, чтобы количество теряемого в силу этой деятельности объёма углекислого газа было мало по сравнению с его выделением из естественных источников (в противном случае за такую добычу придётся очень дорого заплатить...).

Кстати и при использование соляной кислоты проблема геохимического дисбаланса углекислого газа тоже будет возникать. Соляную кислоту получают из хлора и водорода в свою очередь получаемых при электролизе водного раствора NaCl:

2NaCl + 2H2O = 2NaOH + Cl2 + H2

Так вот образующийся NaOH по большей части будет в результате последующего использования просто взаимодействовать с углекислым газом атмосферы (прямо или косвенно через взаимодействие с почвенными кислотами):

2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O

А образующийся карбонат натрия стечёт в океан. Таким образом соответствующее количество углекислого газа также будет необратимо изъято из атмосферы. Экологические ограничения будут иметь место и в этом случае.

[AlexAV]

Вы не поняли, я говорю о создании искуственных гидротерм по аналогии с природными, в которых вымывание элементов из коры происходит за счет взаимодействия с перегретой морской водой.

Вода - не очень хороший агент для выщелачивания чего-то ценного из породы. Вот статья, где немного говорится о термодинамики этого дела: http://www.lithosphere.igg.uran.ru/pdf/16819004_2015_6/16819004_2015_6_142-147.pdf

Из приведённых там расчётов следует, что концентрация ценных компонент в растворе будет очень низка. Того же никеля при действии воды на базальты - не выше 5.36 × 10^–6 моль/кг раствора. Или приблизительно 0,3 г/м3. Т.е. чтобы извлечь 1 кг никеля через пласт придётся прогнать около 3300 м3 воды нагретой до 350 градусов. Энтальпия такой воды около 1.6 МДж/кг. Т.е. эти 3300 м3 воды унесут с собой ~1500 МВтч тепловой энергии. При таком расходе на естественный приток тепла в пласт надежды очень небольшие.  Если же греть искусственно, то даже с учётом рекуперации с КПД 85% расход энергии составит  ~225 МВтч/кг продукта. Это совершенно гигантские затраты, такие что одна стоимость потраченной энергии сделает такой металл по цене вполне соизмеримым с золотом сегодня.