Альтернативные источники энергии и их получение

Этанол. Это экологически чистое топливо, дающее при сгорании

СО2иН2О.Теплота сгорания этанола 30 кДж/г. Его используют в дви-

гателях внутреннего сгорания в чистом виде или как 10 - 20% добавку

к бензину – газохол. В США газохол заменяет 10% потребляемого бензина. Широкое внедрение газохола планируется в странах Западной Европы. Хотя этиловый спирт можно использовать для приготовления пищи, обогрева, освещения или производства пара и электричества, особой выгоды получить, здесь не удается. Дело в том, что в процессе превращения биомассы в топливо происходит значительная потеря энергии. Энергия тратиться на всех стадиях переработки спирта. Больше всего ее тратиться на концентрирование и обезвоживание спирта при перегонке. Энергию эту можно получать из отходов расти- тельного сырья (багассы, соломы и т.д.), сжигая древесину или иско- паемое топливо, газ, нефть или уголь. Энергозатраты на переработку сырья близки к количеству энергии, получаемой в форме спирта. По этой причине энергообеспечение всего процесса должно идти либо за счет переработки отходов, либо за счет использования самого дешево- го топлива.

Химизм и технологические аспекты спиртового брожения. Основной продукт спиртового брожения - этиловый спирт, в не- значительных количествах образуются и другие спирты. В основе

процесса лежит сбраживание сахаров до пировиноградной кислоты,

которая затем декарбоксилируется с образованием ацетальдегида и углекислого газа:

СН3О = С2Н4О + СО2

Ацетальдегид принимает водород от комплекса кофермента НАД

с водородом и превращается в этиловый спирт:

С2Н4О + Н2= С2Н5ОН

Основной возбудитель спиртового брожения - дрожжи рода Sacсhаromyces, но способностью к сбраживанию углеводов и образо- ванию спиртов обладают и другие низшие грибы и бактерии.

Дрожжи разнообразны по морфологическим признакам. Лучше всего дрожжи развиваются при температуре +25-30 0С в условиях сла- бокислой реакции среды (рН 4-6) и могут доводить концентрацию спирта в среде до 15-17 %. Дрожжи - классический пример зависи- мости обмена веществ от условий окружающей среды. Это аэроб- ные организмы, поэтому при получении хлебопекарных и кормовых дрожжей применяется интенсивная аэрация. При отсутствии кислорода

дрожжи переходят к брожению. По этой причине технология произ- водства вина, пива, спирта предусматривает анаэробные условия. В ка- честве субстрата все дрожжи потребляют гексозу. Полисахариды дрожжи, как правило, не используют, но они сбраживают образующие- ся в результате гидролиза моносахариды. При гидролизе клетчатки об- разуются гексозы, а при расщеплении гемицеллюлоз - пентозы. На гек- созах выращивают спиртовые дрожжи. Для выращивания кормовых дрожжей пригодны сточные воды многих производств. Используются, например, сточные воды производства лимонной кислоты, расширяет- ся культивирование кормовых дрожжей на отходах нефтепродуктов, то есть их производство решает одновременно две задачи:

1) получение ценного кормового продукта;

2) снижение концентрации загрязнения в сточных водах.

Основная масса спирта вырабатываемого на крупных предприя- тиях получают с помощью дрожжей Saccharomyces, обычно S.cerevisiave, но иногда и S.uvarum и S.diastaticus. Первая задача здесь

заключается в подборе соответствующих видов дрожжей подходящих

для переработки данного субстрата. Дрожжи S.cerevisiae могут расти на глюкозе, фруктозе, мальтозе и мальтотриозе, то есть на сахарах, со- держащихся в крахмалсодержащих растениях. Вид дрожжей S.diastaticus может также использовать декстрины, а виды Kluyveromuces fragilis и K.lactus - лактозу.

Как было отмечено, образование этилового спирта дрожжами - это анаэробный процесс, но для их размножения нужен кислород. В следовых количествах кислород нужен и для поддержания жизнедея-

тельности клеток, образующих этанол. В ходе метаболизма осуще-

ствляется сложная регуляция образования этанола из глюкозы. Сам процесс метаболизма, жизнеспособность клеток, их рост, деление и об- разование спирта зависят от концентрации субстрата, кислорода и ко- нечного продукта.

Существует три основных способа сбраживания сахарсодержаще- го сырья: периодический, периодический с повторным использованием клеток и непрерывный.

При периодическом процессе субстрат сбраживается после внесе- ния в него свежевыращенной закваски, полученной в аэробных усло- виях. Брожение протекает в анаэробных условиях, и весь оставшийся

субстрат превращается при этом в спирт. После завершения брожения

дрожжи удаляют, и для следующего цикла получения спирта выращи- вают новую порцию закваски. Размножение дрожжей является дорого- стоящей процедурой, так как расходуется много субстрата. При ис-

пользовании дрожжей по периодической схеме около 5% сахара рас- ходуется на рост клеток и обеспечение энергией синтеза других сое- динений: глицерола, уксусной кислоты, ацетальдегида и сивушных ма- сел. По этой причине максимальный выход составляет около 48% от субстрата по массе. При использовании дрожжей продуктивность варьирует в пределах от 1г до 2 г этилового спирта в 1час на 1грамм клеток (сухого вещества).

Недостатки периодического процесса (длительное сбраживания и неполное использование субстрата) можно частично устранить, приме- няя периодическую схему с повторным использованием клеток. При этом в конце цикла дрожжевые клетки отделяют от сбреженной пуль- пы и сохраняют для использования в следующем цикле. По заверше- нии сбраживания концентрация спирта составляет от 6% до 12%. Она зависит от штамма дрожжей и начальной концентрации сахара.

Повышение выхода спирта и стабилизация активности его проду- центов могут быть достигнуты путем иммобилизации клеток. Так эф- фективный синтез этанола осуществлен с применением клеток Z.mobilis, иммобилизованных на хлопчатобумажных волокнах.

В большинстве случаев, поскольку за пищевой спирт нужно пла- тить большой налог, алкоголь денатурируют. Для этого в спирт добав- ляют вещества, придающие ему горький вкус, или смешивают его с бензином.

Главным побочным продуктом производства являются углекис- лый газ, сивушные масла и кубовые остатки. Каждый из них имеет оп- ределенную ценность, но переработка жидких остатков может быть за-

труднена. Производство этанола из растительного сырья не является

безотходным, на каждый литр спирта приходится от 12 литров до 14 литров сточных вод с высокой концентрацией отходов, опасных для природных экосистем.

Метан. Получение метана - важный путь утилизации сельскохо- зяйственных отходов. При переработке сырья в анаэробных условиях участвует смешанная популяция микроорганизмов.

Процесс анаэробного сбраживания отходов, в результате, которо- го образуется биогаз (смесь метана и углекислого газа) называют био- метаногенез. Содержание метана в биогазе составляет от 50 до 85 %. Присутствие углекислого газа ограничивает теплотворную способ- ность биогаза, которая в зависимости от содержания СО2составляет от

20,9 кДж/м3до 33,4 кДж/м3. Количество образующегося метана в био-

газе зависит от содержания белка в сырье: чем оно больше, тем богаче биогаз метаном. Обычно биогаз образуется со скоростью 0,5м3на ки-

лограмм сухой массы летучих компонентов, время удержания состав-

ляет около 15 суток.

Неочищенный биогаз используют для приготовления пищи и ос- вещения. Его можно применять как топливо в стационарных установ- ках, вырабатывающих электроэнергию. Сжатый газ в баллонах приго-

ден как топливо для машин и тракторов. Его можно подавать в газо-

распределительную сеть. В последнем случае требуется некоторая очистка биогаза: осушка, удаление углекислоты и сероводорода.

Процесс метанообразования отличается высокой эффективно-

стью: от 90% до 95% используемого углерода переходит в метан.

Толчком к созданию данного эффективного биотехнологиче- ского направления послужил энергетический кризис, разразившийся в середине 70-х гг. Производство биогаза стало одним из основных принципов энергетической политики ряда стран тихоокеанского регио- на: Китая, Индии, Филиппин, Израиля, латинской Америки, в 70-е го- ды интерес проявили страны Европы, особенно ФРГ, Франция, Нью- Йорк и страны Африки.

Производство биогаза путем метанового «брожения» отходов

– одно из возможных решений энергетической проблемы в большин- стве сельских районов развивающихся стран. И хотя при ис- пользовании коровьего навоза только четверть органического мате- риала превращается в биогаз, последний выделяет тепла на 20% боль- ше, чем его можно получить при полном сгорании навоза.

В Китае, Индии, ряде других стран эксплуатируются небольшие установки, в которые вносят подручный материал (солому, навоз и др.), что исключает затраты на доставку сырья. В Китае действует бо- лее 7 млн. малых установок вместимостью от 10 литров до 15 литров, достаточных для удовлетворения энергетических потребностей семьи из пяти человек.

Наиболее крупными установками для синтеза метана можно счи- тать свалки бытового мусора. О самой возможности использования ме- тана, образующегося в таких мусорных кучах, задумались, когда стали искать способы для предотвращения взрывов и пожаров, возникающие

в результате выделения в них газа. Кислород, оказавшийся в мусоре при образовании куч, быстро используется аэробными бактериями и грибами, в результате чего условия в них становятся анаэробными.

Влажность поддерживается либо просачивающейся дождевой водой,

либо грунтовыми водами. Если буферная способность материала до- статочна для поддержания нейтральных значений рН, то складываются благоприятные условия для образования метана. Газ выделяется в сме-

си с углекислым газом. Собирают его при помощи труб, проложенных

в толще мусора под пленкой.

Водород. Водород это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь воду. Отличается исключительно высокой теплотвор- ной способностью 143 кДж/г. Химические и электрохимические мето-

ды получения водорода неэкономичны, поэтому весьма актуально ис-

пользование микроорганизмов способных выделять водород в процес-

се своей жизнедеятельности.

Перспективным считается модификация самого процесса фото- синтеза, в результате которой энергия света с максимальной эффектив- ностью используется на образование водорода или другого топлива,

минуястадиюфотоассимиляции СО2исинтеза компонентов клетки.

Биотехнологи изучают возможность получения водорода путем

расщепления воды при участии фотосистемы фотосинтезирующих ор-

ганизмов, то есть путем биофотолиза.

Биофотолиз - процесс образования водорода Н2и кислорода О2

из воды с помощью микроорганизмов.

Более тридцати лет назад было сделано замечательное открытие. Установлено, что если взять мембраны, содержащие хлорофилл, и до- бавить к окружающему раствору ферменты (гидрогеназы), действую- щие как катализаторы, то на свету будет происходить разложение воды на водород и кислород. Сегодня уже созданы небольшие фотореакто- ры, в которых при надлежащих условиях образование водорода идет с надлежащей скоростью, до нескольких литров водорода в минуту. Од- нако фотобиологический способ получения водорода еще не вышел из стен лаборатории.

Технически проще всего получить водород, используя интактные сине-зеленые водоросли или процессы ферментации (брожения).

Опыты с цианобактериями (сине-зелеными водорослями) и зеле-

ными водорослями показали, что они способны образовывать водород

и кислород путем прямого фотолиза воды. Лежащий в основе этого яв- ления процесс фотосинтеза сформировался в результате генно-инже- нерной деятельности Природы. Процесс выделения водорода водорос- лями протекает с участием ферментов гидрогеназы или нитрогеназы.

Фотосинтезирующие бактерии не способны разлагать воду, но могут на свету образовывать большие количества водорода (без приме- сей кислорода) или аммиака. Для этого им нужны только простые орга- нические и неорганические субстраты. Такие вещества содержатся в промышленных отходах, и поэтому превращение солнечной энергии

фотосинтезирующими бактериями вполне может быть сопряжено с пе-

реработкой отходов.

Высокоэффективными продуцентами водорода являются пурпур- ные фототрофные бактерии, например Rhodopseudomonas sp., которые при иммобилизации (закреплении) в агарозном теле дают до 180 мк-

моль водорода за 1 час в пересчете на 1 мг бактериохролофилла.