БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГИИ

Одной из перспективных отраслей биотехнологии является биоэнергетика – получение энергии с помощью биологических процессов. В упрощенном виде этот процесс заключается в накоплении энергии в живых системах путем фотосинтеза и превращении биомассы в более ценное топливо. Учитывая уменьшающееся количество традиционных энергоносителей (нефть, уголь, природный газ) существует необходимость поиска новых способов получения энергии.

Первым этапом биотехнологического получения энергии является накопление биомассы за счет солнечного света. Ежегодно на Землю поступает 3∙10²⁴ Дж солнечной энергии, в то время как суммарный энергетический эквивалент всех запасов нефти, угля, природного газа и урана в земной коре составляет менее 1% этого количества. Подсчитано, что если бы 0,1% поверхности Земли занимали коллекторы-накопители солнечного света с коэффициентом полезного действия около 10%, то были бы удовлетворены все текущие мировые потребности в энергии за год. Среди множества проблем реализации этого способа обеспечения энергией наиболее существенным является неравномерность и диффузия солнечной инсоляции. Но эти ограничения перекрываются возможностями получения возобновляемого сырья, в котором солнечная энергия аккумулирована в виде химических связей органических соединений.

Преимущество использования солнечной энергии, заключенной в биомассе, в том, что она запасается в форме органических веществ. Биомассу можно сжигать или при помощи микроорганизмов превращать в жидкое или газообразное топливо —  метан, этиловый спирт или водород. По этой причине биомасса представляет собой постоянно возобновляемый источник энергии. Неотъемлемой чертой любого цивилизованного общества является образование как жидких, так и твердых отходов. Поиск безопасных для здоровья населения и не загрязняющих окружающую среду способов их переработки представляют собой одну из перспективных задач.

Главная трудность и до сих пор не решенная технологическая задача – это эффективное извлечение энергии, содержащейся в традиционных энергоносителях. Например, до настоящего времени 60% древесины используется в качестве топлива. При этом эффективность использования этой биомассы в качестве топлива чрезвычайно мала (1-2%), вследствие большого содержания воды и высокой температуры сжигания, что приводит к большим потерям тепла.

В наши дни преобразование энергии химических связей биомассы в тепловую с участием микроорганизмов проводятся в биологических реакторах. Необходимым условием эффективной работы биологического реактора является поддержание оптимальных значений температуры и рН для используемых культур микроорганизмов. При переработке сырья в анаэробных условиях получается смесь газов – метана и углекислоты, которые образуются в результате разложения сложных субстратов при участии смешанной популяции микроорганизмов разных видов. В анаэробном ректоре можно перерабатывать самое разнообразное сырье: отходы сельского хозяйства, стоки перерабатывающих предприятий, содержащие сахар; жидкие отходы, образующихся на сахарных заводах, бытовые отходы; сточные воды городов и спиртовых заводов. Вид сырья зависит от конкретных природно-экономических условий страны. В зависимости от состава сырья энергетический выход получения биогаза в реакторах составляет 20-50%.

В странах, не обладающих достаточным запасом нефти, интенсивно развивается производство этилового спирта из растительного сырья, который используется главным образом в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания, а также для обогрева домов, приготовления пищи и освещения помещений.  Почти все существующие способы производства этилового спирта основаны на переработке сахарного тростника, сахарной свеклы и кукурузного крахмала. Производство этилового спирта из отходов при помощи дрожжей основано на использовании современной технологии.

Значение методов биотехнологии в переработке промышленных отходов огромна. Большое количество отходов пищевого производства – молочная сыворотка, барда, отходы растениеводства и животноводства перерабатываются с применением методов промышленной биотехнологии.

Открытие способности цианобактерий и зеленых водорослей разлагать воду на кислород и водород под действием света служит началом разработок по биотехнологическому производству водорода. Водород является идеальным носителем энергии, так как сгорая он дает воду и не образует токсичных продуктов. Для роста фотосинтезирующих микроорганизмов можно использовать простые органические и неорганические субстраты, в том числе содержащиеся в промышленных отходах, поэтому получение водорода путем фотолиза может быть сопряжено с переработкой отходов.

Наиболее перспективным направлением биоэнергетики является создание биотопливных элементов, преобразующих энергию света в электрическую энергию. Это стало возможным после открытия в конце ХIХ века превращения химической энергии в электрическую, а также обнаружения в ХХ веке движения электронов в живых организмах при процессах дыхания, фотосинтеза и других окислительно-восстановительных реакций.

В настоящее время ученые-биотехнологи работают над созданием фото-биоэлектрических элементов. Как ожидается эти элементы совершат переворот в биоэнергетике. В них используются фотосинтезирующие микроорганизмы, в хлоропластах которых возбужденные под действием света электроны транспортируются по системе переносчиков непосредственно на анод, а протоны на катод, создавая при замыкании цепи электрический ток.

Научный поиск и внедрение новых инженерных решений в биоэнергетике продолжается, причем главным результатом сейчас является не вытеснение традиционных энергоносителей, а получение огромного опыта трансформации биологического сырья.

. 

Юсуп Мамедов,

кандидат биологических наук