Использование микроводорослей в альтернативной энергетике. Культивирование микроводорослей

Билет №2

Получение биодизеля. Гомогенный и гетерогенный катализ.

Быстрое сокращение разведанных ресурсов ископаемого энергетического сырья заставляет мировое сообщество интенсивно осваивать возобновляемые энергетические ресурсы, среди которых первое место по объемам потребления возобновляемой энергии занимает растительная биомасса.

В настоящее время за счет топливно-энергетических ресурсов, произведенных из биомассы, покрывает 35% энергопотребления развивающихся стран. Вторым, – еще более весомым, – аргументом в пользу топлив, приготовленных из растительного сырья, является настоятельная необходимость снижения негативного антропогенного воздействия на климат планеты. Постепенное замещение углей, природного газа и продуктов нефтеперегонки, биотопливом, произведенным из возобновляемого растительного сырья обеспечит восстановление и сохранение баланса углекислоты в атмосфере.

В этой связи поиски и промышленное освоение альтернативного растительного сырья высокой продуктивности для получения биотоплив более чем актуально.

Достоинства биодизеля:

Одним из достоинств биодизеля является чистота отработавших газов по сравнению с дизельным топливом. Тестирования дизелей, работающих на биодизеле в Германии, Австрии, Швеции и других странах, показали следующие соотношения выбросов по сравнению с дизельным топливом: СО — сопоставимо; НС — меньше на 20-40%; сажа — меньше на 40-50%; твердые частицы — меньше на 0-40%; NOX — больше на 0-15%.

Актуальность разработки перспективных технологий получения биодизельных топлив обусловлена не только их экологичностью, но также и другими преимуществами:

- более высоким цетановым числом (до 58 ед.);

- более высокой температурой вспышки (> 100°С), а, следовательно, более высокой пожаробезопасностью;

- лучшей смазывающей способностью.

К недостаткам биодизельных топлив относят склонность метиловых эфиров к окислению и как следствие сложности с их хранением из-за возможного проникновения влаги. Возможны случаи разложения биотоплива и его микробиологического поражения.

Кроме того, у него больше нагарообразование в камерах сгорания, в связи с чем в топливо нужно вводить моющие присадки. Расход биотоплива на 10… 15% больше, чем углеводородного. Биотопливо должно более строго удовлетворять требованиям качества.

Существующие промышленные технологии получения биодизеля сводятся к использованию трех основных способов, различающихся природой катализаторов:

• переэтерификация в присутствии гомогенного катализатора щелочного типа;

• переэтерификация в присутствии гомогенного катализатора кислотного типа;

• переэтерификация в присутствии гетерогенных катализаторов.

1. Традиционной технологией получения биодизеля с применением гомогенного катализатора в Европе производится более 4 млн. т./год биодизеля. Как известно, традиционный процесс получения биодизеля включает 8 стадий: переэтерификация, две стадии сепарации от глицерина и свободных жирных кислот, промывка, нейтрализация, очистка биодизеля и две стадии отгонки спирта.

Таким образом, требуется многократная очистка получаемых продуктов и нейтрализация катализатора, что приводит к образованию большого количества стоков, и сам биодизель не отличается высоким качеством.

2. Технология гетерогенного катализа обеспечивает высокоэффективную переработку растительных масел в моторные топлива и исключает традиционную стадию отмывки и нейтрализации катализатора после переэтерификации, и очищения биодизеля

3. В настоящее время также одним из наиболее перспективных направлений исследований является разработка методов некаталитической переэтерификации триглицеридов в метаноле в условиях критических и сверхкритических параметров. Это исключает затраты на получение дорогостоящего катализатора, в состав которого, как правило, входят редкоземельные элементы и позволяет упростить технологию метиловых эфиров жирных кислот, исключив стадии регенерации катализатора. Использование сверхкритической переэтерификации позволяет не обезвоживать рециркулирующий в системе метанол, что снижает эксплутационные затраты. Простота конструкции реактора процесса переэтерификации в сверхкритическом метаноле, а также отсутствие катализатора и проблем, связанных с его регенерацией позволяет создавать локальные или, возможно, мобильные установки по переработке отходов кулинарных жиров и масел, не требующих наличия инфраструктуры химического производства и высококвалифицированного персонала

Система мониторинга атмосферного воздуха в г. Москве. Вредные вещества для здоровья человека

Билет №10

Использование микроводорослей в альтернативной энергетике. Культивирование микроводорослей.

Под производство сырья для биодизеля выделяют большие сельскохозяйственные площади, происходит биодеградация грунтов и снижение качества почвы, и это является одними из основных недостатков.

Особый интерес в этом плане представляют микроводоросли, которые можно выращивать как в открытых водоемах (включая засоленные пруды и озера), так и в полностью контролируемых условиях с применением фотобиореакторов.

При этом посевные площади могут быть сохранены для традиционных сельскохозяйственных растений пищевого, фуражного и технического назначения.

По скорости производства биомассы водоросли (особенно, одноклеточные) многократно превосходят самые продуктивные многоклеточные наземные растения, что позволяет минимизировать площади земель, занятых культурами энергетического назначения, используя для этого брошенные земли, отвалы производства, поля аэрации, места свалок и т. п..

Преимущества использования микроводорослей:

Культивирование микроводорослей обладает рядом неоспоримых преимуществ перед традиционным растениеводством в сфере производства биомассы энергетического назначения:

• исключительно высокая производительность, в сотни раз превышающая урожайность современных сельскохозяйственных культур;

• возможность организации производства на площадях, не пригодных для земледелия;

• высокая приспособляемость к условиям внешней среды;

• микроводоросли различных видов существенно различаются по своему химическому составу и, в зависимости от конкретных практических задач, могут быть использованы в качестве энергетического сырья для производства любых существующих на сегодняшний день биотоплив.

Микроводоросли относятся к группе низших растений

Эффективность преобразования солнечной радиации большинства микроводорослей в биомассу достаточно высока, несмотря на то, что они используют лишь около 10 % поступающей солнечной энергии.

Перспективность различных штаммов водорослей для производства биотоплив определяется следующими факторами:

- общей продуктивностью;

- химическим составом (в частности, содержанием липидов, если проектируется технологический цикл производства биодизельного топлива);

- устойчивостью к абиотическим параметрам среды культивирования, в первую очередь: климатическим условиям (температурный режим, давление, спектральный состав и интенсивность освещения, а также их пространственное распределение), химическому составу воды (кислотность, солевой состав, концентрация растворенных газов), составу и плотности взвешенных твердых частиц;

- способностью адаптироваться к биотическим факторам среды (а при выращивании в открытых водоемах - не нарушение равновесия сложившейся экосистемы);

- технологичностью основных стадий полного цикла производства целевого продукта (конкретного вида биотоплива);

- энергетической и экономической эффективностью полного цикла.

Культивирование микроводорослей

Биомасса микроводорослей может быть произведена с использованием различных методов промышленного культивирования.

Для роста водорослям требуются четыре основных компонента: вода, двуокись углерода, минеральная подкормка и солнечный свет.

Так же как наземные растения, водоросли используют солнечный свет для процесса фотосинтеза.

Существенное отличие аглатехники от традиционного растениеводства состоит в том, что в первом случае так необходимая для фотосинтеза вода всегда присутствует, и отпадает необходимость полива.

Обеспечение микроводорослей всеми необходимыми для их воспроизводства компонентами может быть осуществлено в естественных условиях открытого водоема или в полностью контролируемых условиях фотобиореакторы.

Бывают также смешанные производственные циклы, когда частично используются естественные условия и элементами контроля ограниченного числа параметров, или когда контролируются лишь отдельные фазы технологического цикла.

Культивирование в открытых водоемах предусматривает отбор биомассы микроводорослей, самовоспроизводящейся в естественной среде или искусственное заселение водоемов требуемыми культурами микроводорослей и поддержание условий их воспроизводства техническими средствами.

• Основное преимущество данного способа – относительно невысокие материальные затраты – очевидно, постольку все необходимое для роста микроводорослей они сами могут найти в естественной среде природных и искусственных водоемов. Также важным положительным фактором является то, что культивирование в открытых системах может осуществляться на неиспользуемых и бросовых (истощенных, засоленных, загрязненных, замусоренных и др.) землях. При этом одновременно можно решать ряд экологических задач, связанных с реабилитацией загрязненных водоемов, очисткой сточных вод и т. п., как правило, в избытке содержащих все необходимые минеральные компоненты. В этой сфере микроводоросли именно биотопливного назначения не имеет альтернативы.

• Недостатки открытого способа вытекают из открытости системы, в условиях которой не представляется возможным круглогодично обеспечивать оптимальные условия репродукции целевого штамма и, следовательно, достаточно высокой среднегодовой производительности объекта. С другой стороны, низкую среднюю продуктивность можно компенсировать экстенсивным путем – за счет увеличения площади зеркала водоемов, вовлеченных в производственный цикл. Кроме того, открытость системы порождает еще одну проблему, которая заключается в поддержании доминирующего положения целевого штамма в открытой аквасистеме. Свободное поступление питательных веществ создает благоприятную среду, в которой помимо необходимых для культивирования требуемого вида микроводорослей, развиваются конкурентные виды водорослей и бактерий

Культивирование микроводорослей в «прудах-теплицах»

В целях продления активного периода и ускорения темпов роста микроводорослей при культивировании микроводорослей была предложена модификация открытого метода, основой которой является пруд-теплица. Такой подход позволяет частично преодолеть проблемы открытого способа, так как появляется возможность поддерживать температурный в течение более длительного периода года. Кроме того, ввиду относительно небольшой общей площади крытых водоемов (поскольку устройство теплиц на большой площади водного зеркала требует неоправданно высоких капитальных затрат) появляется возможность контролировать и другие параметры культуральной среды, такие как содержание минеральных солей и концентрация углекислоты, обеспечивая наиболее благоприятные условия развития целевых штаммов.

Фотобиореакторы

Фотобиореакторы - выращивание микроводорослей в качестве сырья для биодизельного топлива в полностью контролируемых системах закрытого цикла со встроенными системами освещения, внесения питательных веществ и отвода продуктов технологического процесса культивирования биомассы. Функциональная схема ФБР состоит из системы аэрации, системы освещения, системы подготовки и подачи питательной смеси, системы терморегулирования, системы разделения продуктов фотосинтеза, системы контроля. Система терморегулирования ФБР позволяет создать оптимальный температурный режим для размножения и роста микробиокультуры, независимо от внешних климатических условий.

Система контроля и управления с помощью различных датчиков отслеживает параметры состояния всего биотехнического комплекса ФБР и осуществляет автоматическое регулирование всех процессов обеспечения жизненного цикла биокультуры с целью достижения максимальной производительности при минимальных капитальных или(и) эксплуатационных затратах

Двухстадийная технология культивирования микроводорослей

концепция двухстадийной технологии культивирования микроводорослей позволяет частично снять проблемы тепличного метода.

На первой стадии проводят заселение прудов-теплиц первичным инокулятом микроводорослей, а затем полученный накопленный вторичный инокулят собирают и запускают в открытый водоем для дальнейшего воспроизводства.

Требования к производству микроводорослей:

• высокая температура;

• температурная регуляция при ночных перепадах температур

2. Воздействие на окружающую среду от тепловой энергетики, АЭС.

Основные отрицательные экологические последствия невозобновляемой энергетики:

• Загрязнение окружающей среды вредными выбросами и сбросами;

• Тепловое загрязнение атмосферы, способствующее парниковому эффекту;

• Изменение экосистем и облика регионов добычи нефти, газа, угля, урана;

• Повышенный расход О2 транспортом и энергоустановками;

• Опасность возникновения техногенных катастроф и т. д.

Тепловая энергетика оказывает отрицательное влияние практически на все элементы окружающей среды, в том числе и на человека.

Основные экологические проблемы, связанные с тепловыми электростанциями (ТЭС):

1. ТЭС основные «ответственные» за усиливающийся парниковый эффект и выпадение кислотных осадков. Они вместе с транспортом, поставляют в атмосферу основную долю техногенного углерода (в основном СО2), около 50% окислов азота и около 35% пыли.

2. В выбросах ТЭС содержится значительное количество металлов и их соединений.

При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн кВт содержится:

алюминия и его соединений – свыше 100 млн доз, железа – 400 млн доз, магния – 1,5 млн доз.

Летальный эффект этих загрязнителей не проявляется только потому, что они попадают в организмы в незначительных количествах. Но это не исключает их отрицательного влияния через воду, почвы и другие звенья экосистем.

3. Влияние теплоэнергетики на окружающую среду и ее обитателей зависит от используемых энергоносителей (топлива).

Наиболее «чистым» топливом является природный газ, далее следует нефть (мазут), каменные угли, бурые угли, сланцы, торф.

4. Твердые отходы ТЭС – зола и шлаки.

В атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн т мелкодисперсных аэрозолей.

Для размещения отходов ТЭС требуются значительные территории, которые долгое время являются очагами накопления тяжелых металлов.

Выбросы ТЭС – источник сильного канцерогенного вещества бензо(а)пирена.

С его действием связано увеличение онкологических заболеваний.

В выбросах угольных ТЭС содержатся также окислы кремния и алюминия. Эти соединения способны разрушать легочную ткань и вызывать заболевание силикоз.

Экологические проблемы АЭС

· Главной проблемой использования атомной энергетики является загрязнение радионуклидами атмосферы, воды и литосферы.

Так же проблемы АЭС связаны с захоронением отработанного топлива, с ликвидацией самих АЭС после окончания допустимых сроков эксплуатации.

· В процессе ядерных реакций выгорает лишь 0,5 – 1,5% ядерного топлива. Ядерный реактор мощностью 1000 МВт за год работы дает около 60 т радиоактивных отходов. Часть их подвергается переработке, а основная масса требует захоронения.

· Технология захоронения сложна и дорогостояща. Отработанное топливо обычно перегружается в бассейны выдержки, где за несколько лет снижается его радиоактивность и тепловыделение. Захоронение обычно проводится на глубинах не менее 5-6 тыс. м в шурфах. Они располагаются друг от друга на расстоянии, исключающем возможность возникновения атомных реакций.

· Неизбежный результат работы АЭС – тепловое загрязнение вод. На единицу получаемой энергии оно в 2 – 2,5 раза больше, чем на ТЭС, где тепло отводится в атмосферу. Выработка 1 млн кВт электроэнергии на ТЭС дает 1,5 куб. м подогретых вод. На АЭС такой же мощности объем подогретых вод достигает 3 – 3,5 куб м.

Негативные воздействия АЭС на окружающую среду:

· Разрушение экосистем и их элементов (почв, грунтов, водоносных структур и т.п.) в местах добычи руд;

· Изъятие земель под строительство АЭС;

· Изъятие значительных объемов вод для различных целей и сброс подогретых вод;

· Радиоактивное загрязнение атмосферы, вод и почв в процессе добычи и транспортировки сырья, а так же при работе АЭС, складирования и переработке отходов, их захоронениях.

Путь, по которому в настоящее время развивается мировая энергетика, носит природоразрушающий характер. Практически все экологически негативные процессы развития техносферы на Земле так или иначе связаны с использованием энергоресурсов.

Билет №13