БТ и получение энергии. Биотехнология и получение энергии

• Название: Биотехнология и получение энергии
• Дата: 17.04.2022
• Размер: 450.18 Kb.
• Имя файла: БТ и получение энергии.docx
• Тип: Документы; #480051

БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПОЛУЧЕНИЕ ЭНЕРГИИ

Субстраты для получения энергии

В мире имеется три основных экономически значимых источника топлива: уголь, природный газ и нефть. Современные индустриальные государства полностью зависят от полезных ископаемых, которые служат им в качестве источника энергии и сырьем для получения разнообразных продуктов. Приблизительно 93 % добытых горючих ископаемых используется для получения энергии и только 7 % для получения растворителей, пластмасс и множества других органических веществ. За срок чуть больше века индустриальный мир израсходовал большое количество топлива, которое образовывалось миллионы лет на дне океанов и в глубинах земли. Более того, расходование этих материалов происходит неравномерно. Европа, имеющая 8 % населения от общего количества людей на планете расходует 20 %, США – 6 % населения расходует 31% мировой добычи горючих ископаемых

Следует отметить, что невосполняемые источники энергии и запасы горючих материалов, на базе которых развивается современное общество, а именно нефть, газ и уголь возникли из древних типов биомассы. В то время как запасов угля может хватить на сотни лет, этого нельзя сказать о нефти и газе. При современных темпах их расходования разведанные запасы могут быть исчерпаны в текущем веке. Выходом из данного положения можно считать использование биомассы, полученной в процессе фотосинтеза, для получения энергии и сырья для промышленности. На сегодня широкомасштабное использование биомассы для получения топлива и сырья сдерживается низкой стоимостью горючих полезных ископаемых, гетерогенной природой источников биомассы и диффузным ее распространением.

 

Субстраты для получения энергии

Биомасса.

Она может быть получена тремя различными путями:

– использованием обычных растений;

– выращиванием специальных, так называемых энергетических культур;

– утилизацией сельскохозяйственных и других органических отходов.

Подсчитано, что ежегодный выход биомассы растений, возникающий в результате биосинтеза, составляет 120 млрд т сухого материала на суше и около 50 млрд т в мировом океане. Из биомассы, синтезируемой на суше, приблизительно 50 % составляет сложная форма – лигнинцеллюлозы. Наибольшая часть биомассы, синтезируемой на суше, – около 44 %, образуется в лесах. Интересно отметить, что хотя сельскохозяйственный урожай составляет всего около 6 % первично фотосинтезируемой продукции, из этого количества получают основную часть продуктов питания для человека и кормов животным, а также ценное сырье для промышленности – хлопок, лен и др. Превращение полученной биомассы в полезное горючее можно проводить биологическими и/или химическими способами. В настоящее время получают два главных конечных продукта: этанол и метан, хотя можно получать и другие вещества, что зависит от исходной биомассы и процесса ее утилизации, например, твердое топливо, водород, низко энергетические газы, метанол и углеводороды с длинной цепочкой.

Концепция выращивания растительной биомассы специально для получения энергии базируется на том факте, что таким путем можно получить более высокие выходы связанного углерода, чем сбором продуктов природной вегетации или сельскохозяйственных и промышленных отходов. Программы такого типа запланированы и интенсивно выполняются во многих странах мира. Плантации энергетических культур, несомненно, займут большое место для выращивания растений с целью получения энергии. В некоторых областях мира такие плантации быстро станут реальностью, но для большинства стран основным путем станет использование органических отходов, а именно сельскохозяйственных, промышленных и бытовых.

Техническая переработка биомассы зависит от многих факторов, включая уровень влажности, химический состав и др. Материалы с высоким содержанием воды лучше подвергать переработке в водной фазе, что исключит необходимость высушивания сырья. При этом можно использовать спиртовую ферментацию (получение этанола), анаэробное расщепление (получение метана), а также химическое восстановление (получение масел). Материалы с низким содержанием влаги, такие как древесина, могут быть сожжены для получения тепла или пара, для получения электричества; подвергнуты термохимической обработке путем проведения газификации и пиролиза для получения богатых энергией соединений, таких как газовые масла (газойль), уголь и сопутствующие вещества, такие как метанол и аммиак; подвергнуты щелочному или биологическому гидролизу с целью получения химического сырья для использования в дальнейших биологических превращениях его в энергию.

Биомасса, получаемая в результате деятельности сельского хозяйства и лесоводства, может представлять большой экономический потенциал для многих стран. Это в основном углеводы различной химической сложности, включая сахар, крахмал, целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. Из биомассы могут быть получены следующие необходимые продукты (табл. 1).



Источники сахара и крахмала, такие как сахарная свекла, сахарный тростник кукуруза, рис, пшеница, а также картофель и другие овощи – это хорошее сырье для биотехнологических процессов. Небольшим неудобством является то, что крахмал должен быть разрушен до моно- или олигосахаридов перед ферментацией путем расщепления ферментами или химическим гидролизом. Целлюлозу, полученную как в сельском хозяйстве, так и в лесоводстве, также можно использовать для этих целей. Известно, что это очень сложное вещество и, как правило, в природе встречается вместе с лигнином. О способности лигноцеллюлозного комплекса противостоять процессам биодеградации можно судить по длительному разложению древесины.

Лигноцеллюлоза – наиболее распространенный и восполнимый природный источник, который считается широкодоступным. Однако большие технические трудности могут встретиться при разработке экономичных технологий по переработке этого комплекса. В настоящее время дорогая энергозатратная обработка требуется для того, чтобы эта сложная структура стала доступной микроорганизмам. Чистая целлюлоза может быть деградирована химическим или ферментативным гидролизом до растворимого сахара, который может быть превращен микроорганизмами в этанол, бутанол, ацетон, белок одноклеточных, метан и многие другие необходимые человеку продукты. Успехи, которые достигнуты в лабораториях разных стран, показывают, что для преодоления трудностей требуется определенное время. Ежегодно растения связывают около 2х1011 т углерода с энергией, содержащей 2х1021 Дж, что примерно в 10 раз больше энергии, используемой ежегодно во всем мире. Масштабы и роль фотосинтеза представляются значительными, если учесть, что мы потребляем незначительную часть связываемого углерода. Эффективность поглощения солнечной энергии зелеными растениями очень высока и может достигать 3 – 4 %.

Таким образом, возникающий энергетический кризис заставляет обращать внимание на то, что ископаемые горючие источники не бесконечны. Биомасса является восполнимым источником энергии, она может быть использована непосредственно для получения энергии или энергетических соединений.

Получение этанола, метана и водорода

Этанол из биомассы. Производство спиртов путем ферментации сахаров и крахмала – очень древняя технология и, по-видимому, одна из первых микробиологических технологий, использованных человечеством.

Их производство стало возможным благодаря накопленным знаниям по брожению и дистилляции. В настоящее время промышленное получение спирта основано на синтетическом, т.е. немикробном получении с помощью петрохимических процессов. Во многих развивающихся странах, где сырье очень дешевое и доступное, этанол продолжают получать в промышленности традиционным ферментационным методом.

Этанол в качестве топлива является очень хорошим компонентом, поскольку при его сгорании не образуется токсичной окиси углерода и поэтому происходит меньшее загрязнение окружающей среды, чем при использовании бензина. Его использование позволяет исключить добавление тетраэтилсвинца для повышения октанового числа. Исследования показали, что работающий на этаноле двигатель выделяет на 57 % меньше окиси углерода, на 64 % меньше гидрокарбонов и на 13 % меньше окисей азота, чем при работе на бензине. Таким образом, хотя мировые цены на нефть ниже, чем на этанол, основное преимущество его, снижение загрязнения окружающей среды остается очень важным. Для этих целей он нигде так широко не используется, как в Бразилии. Огромные заводы работают по всей стране, превращая сахар тростника в этанол (“зеленый бензин”) путем дрожжевой ферментации. Производство его составляет миллионы кубометров. Кроме того, полученный этанол широко используется в химической промышленности.

Однако с учетом повышения цен на нефть и новой конструкции двигателей, работающих на эталоне, эти показатели постоянно изменяются в пользу производства эталона.

Чтобы сделать пригодным для процесса ферментации многие виды сырья, требуется их предобработка в зависимости от химического состава. В случае с сахарным тростником такая обработка минимальна и сводится к перемалыванию, в то время как многие корнеплоды (содержащие 25 – 38 % крахмала от сырого веса) требуют проведения операции сахарификации – кислотного или ферментативного гидролиза.

Целлюлозное сырье, такое как древесина или солома, требует более интенсивной предобработки, что отражается на затратах энергии, требующейся для предобработки (табл. 2).



Примечание: а – ферментативный гидролиз; б – кислотный гидролиз.

 

Бразильские программы основаны почти полностью на циклической ферментации. В настоящее время показатели этих ферментаций являются скромными и могут быть значительно улучшены. Совершенствования в непрерывной ферментации вобрали в себя многие достижения, включая повторное использование дрожжевых клеток в биореакторах путем разделения и рециклирования, а также постоянного выпаривания ферментативного бульона. Следует отметить, что биотехнология достигла в этой области значительных успехов. Она использует микроорганизмы, полученные генетической инженерией, что обеспечивает высокую скорость ферментации и высокий выход целевого продукта, устойчивость дрожжей к повышенным температурам и высокому уровню спирта. Улучшенная конструкция ферментеров основана на технологии иммобилизованных ферментов.

Ферментация в условиях небольшого вакуума и рециклирование дрожжевых клеток позволили увеличить производство этанола в 10 - 12 раз по сравнению с обычным ферментированием. Применение этих биотехнологических новшеств снизило капитальные затраты и потребности в энергии при проведении ферментативных процессов. Одновременно с этим возникла новая проблема утилизации огромных объемов отходов, образующихся при получении спирта. Были проведены многочисленные исследования по их утилизации, в результате чего внесены следующие предложения:

1) Упаривание с целью получения кормов или удобрений.

2) Минерализация.

3) Анаэробная ферментация для получения метана.

4) Получение белка одноклеточных организмов.

Метан из биомассы. Метан это газ, который в настоящее время широко используется как топливо в быту и промышленности или для получения метанола. Кроме того, его можно использовать в виде топлива для двигателей внутреннего сгорания. Этот природный газ получали из биомассы в давние времена. При производстве метана протекают сложные процессы с участием анаэробных микроорганизмов.

Анаэробная ферментация сложных органических смесей проходит в три основные биохимические фазы, каждая из которых требует специфических условий. Начальная стадия требует расщепления сложных молекул, таких как целлюлоза, жиры и белки, которые имеются в большинстве органических материалов. В результате чего образуются низкомолекулярные продукты, которые на следующей стадии превращаются в органические кислоты. На последней стадии микробной активности эти кислоты (главным образом уксусная) специфически превращаются метанообразующими бактериями в метан и СО2.

Наиболее эффективно образование метана происходит в рубце жвачных животных. Эту анаэробную систему не удалось воспроизвести. Известно, что в ней возникает сложное взаимодействие большого числа бактерий, простейших и грибов. Все интенсивно исследуемые программы по созданию метанообразования при контролируемых условиях показали, что высокий выход газа можно получить только при постоянном лабораторном мониторинге, поддерживая с высокой точностью условия протекания процесса, такие как температура, рН, уровень влажности, перемешивание, добавление сырья и т.д. На сегодня большинство практически используемых устройств по получению метана работают на низком технологическом уровне.

Анаэробная обработка сточных вод – давно используемый на практике процесс, и многие городские системы очистки используют разнообразные методы получения метана. Имеются и другие дешевые источники сырья, из которых может быть получен метан, выгодный с экономической точки зрения: солома и другие сельскохозяйственные и бытовые отходы.

Метан из отходов. Производство метана из сельскохозяйственных и бытовых отходов – довольно-таки сложный процесс, который имеет множество ограничений. Используя бытовые отходы, можно превратить 30 – 50 % заложенной в них энергии в метан, в то время как при использовании некоторых отходов сельскохозяйственного производства можно достигнуть 70 % превращения.

Однако остается еще много нерешенных проблем: затраты на сбор органических отходов очень высокие; в большинстве процессов скорость образования метана и его выход очень низкие. Необходимо провести значительные биотехнологические исследования по определению баланса перерабатываемых веществ с целью оптимизации процесса. Основной проблемой является присутствие лигнина в большинстве сельскохозяйственных и бытовых отходов. Лигнин в ходе анаэробного процесса трудно расщепляется и требует физической и химической предобработки, которая значительно удорожают процесс. Биологические аспекты касаются смеси культур микроорганизмов и несомненно, что термодинамическая эффективность процесса также может быть улучшена. Необходимо найти новые дешевые материалы для изготовления ферментеров (биореакторов), а также сосудов для хранения газа. Нет сомнения, что в будущем будут предложены различные анаэробные технологии, пригодные для биодеградации большинства видов биомассы. Хотя метан – это основной конечный продукт, другие горючие вещества, такие как пропанол и бутанол, а также удобрения следует добавить к положительному балансу стоимости процесса.

Метан как источник энергии играет большое экономическое значение в случае использования малых установок, но при попытке создания установок большого масштаба возникают серьезные проблемы.

Основными из них являются:

– микробное производство метана значительно дороже природного газа;

– метана очень много в природе, в частности в природном газе, а также в нефтяных сопутствующих газах;

– производство метана коммерчески более выгодно путем газификации угля;

– метан не может быть использован в качестве топлива для автомобилей, поскольку его очень трудно и дорого превращать в жидкость.

 Однако основным преимуществом данной технологии считается то, что в ней сопряжены два процесса – утилизация отходов и получение метана. При оценке экономической стороны производства метана, необходимо учитывать побочные продукты, которые могут быть использованы как удобрение или в виде корма. Это возможно потому, что в ходе такой обработки вредные и патогенные отходы могут быть превращены в безвредные и полезные материалы.

Хотя получение энергии из биомассы имеет много недостатков по сравнению с нефтью и углем, но тот факт, что это восполнимый источник энергии имеет большой стимул к проведению дальнейших исследований. Уже в настоящее время биомасса становится доступным и экономически выгодным источником энергии. В связи с вышеизложенным производство биогаза рассматривается как перспективный, альтернативный путь получения энергии.

Водород. Использование водорода в виде топлива или в специальных устройствах для получения электричества является перспективным направлением. Хотя возможно получать водород из глюкозы путем внесения соответствующих бактерий, однако скорость образования его очень мала, чтобы использовать данный подход на практике. Эффективность производства водорода путем анаэробной ферментации значительно меньше, чем метана. Известно, что метан содержит больше энергии, чем водород, следовательно, производство метана с использованием микроорганизмов – процесс значительно более выгодный для практического применения. Водород можно получать, используя фотосинтетические бактерии, биофотолизом воды и путем ферментации. В первых двух системах производство водорода может быть осуществлено, но для оценки экономического эффекта необходимы дополнительные исследования. Подсчитано, что потребуется около 20 лет, прежде чем подходящая система будет создана.

Биодизель (пропущено) (добавить)

Микробное превращение нефти

Вне зависимости от того, бьет ли нефть фонтаном или выкачивается насосом, обычно удается извлечь не более 1/3 её объема. Для увеличения количества извлекаемой нефти используют различные приемы, включая применение полимеров, производимых в больших масштабах путем ферментации с использованием специфических бактерий. Такие полимеры имеют низкую вязкость и высокую текучесть, которые позволяют им проходить через небольшие поры, извлекая связанную нефть. Кроме того, использование микроорганизмов возможно in situ для извлечения нефти путем производства веществ, снижающих поверхностное натяжение; образования газа или даже изменения вязкости нефти в результате частичной ее деградации. Использование дополнительных технологий позволяет извлечь до 60 % нефти.

Для решения энергетической проблемы необходимо выполнить следующие условия:

– минимизировать расходы невозобновляемых источников энергии;

– увеличивать использование возобновляемых источников энергии – солнечной, получение биогаза, водорода, этанола, топлива из растительных масел и др;

– проводить теоретическую разработку принципиально новых способов получения энергии.

Кроме перечисленных выше источников, не исключается возможность промышленной добычи из земных недр газообразного водорода как неисчерпаемого экологически чистого топлива. Перспективным является создание энергетических установок прямого преобразования энергии вещества в тепловую и электрическую.

На основе пептидов разработаны новые нанобиологические материалы. В воде и жидкостях организма они образуют хорошо упорядоченные каркасы из нановолокон, которые могут использоваться в создании биосолнечных молекулярных машин для поглощения энергии, использующих фотосистемы растений. Хотя не совсем ясны экономические затраты, необходимые для их успешной работы, однако ясно одно, что их необходимо создавать, поскольку применяемые в настоящее время источники топлива будут исчерпаны в недалеком будущем. Таким образом, постоянное снижение мировых запасов указанных выше источников энергии вынуждает искать альтернативные пути получения топлива. Это уже известные в настоящее время экологически безопасные гидростанции, построенные на реках, использующие энергию приливов и отливов, энергию ветра, солнечную и геотермальную энергию, более опасную, но и более значимую ядерную энергию.

Многие страны решают проблемы пост-нефтегазового существования. Лидером является ЕС, который планирует к 2020 году довести долю возобновляемых источников энергии в общем энергобалансе до 20 %. А в некоторых странах ЕС, например в Исландии и Швеции, доля возобновляемой энергии уже сегодня превышает 50 %. Судя по подготовленной Минпромэнерго концепции развития энергетики до 2020 года, доля возобновляемых источников энергии в России увеличится с нынешних 0,6 % (5,6 млрд кВт/ч) до 1,5 % к 2010 году и 4,5 % к 2020 году. Развитию альтернативной энергетики в России, по мнению правительственных экспертов, мешает ее низкая рентабельность. Основной путь решения этой проблемы – субсидии.