Біоенергетика

Рослинний покрив Землі складає більше 1800 млрд. т сухої речовини, що енергетично еквівалентно відомим запасам енергії корисних копалин. Ліси становлять близько 68% біомаси суші, трав'яні екосистеми – приблизно 16%, а оброблювані землі – тільки 8%.

Для сухої речовини найпростіший спосіб перетворення біомаси в енергію полягає в згорянні – воно забезпечує тепло, яке у свою чергу перетворюється в механічну або електричну енергію. Що ж стосується сирої речовини, то в цьому випадку найдавнішим і найбільш ефективним методом перетворення біомаси в енергію є одержання біогазу (метану).

Метанове «бродіння», або біометаногенез, – давно відомий процес перетворення біомаси в енергію. Він був відкритий у 1776 р. Вольтою, який встановив наявність метану в болотному газі. Біогаз, що утворюється в ході цього процесу, являє собою суміш із 65% метану, 30% вуглекислого газу, 1% сірководню (Н₂S) і незначних кількостей азоту, кисню, водню й оксиду вуглецю (ІІ). Болотний газ горить полум'ям синього кольору й не має запаху. Його бездимне горіння заподіює набагато менше незручностей людям у порівнянні зі згорянням дров, гноєм жуйних тваринних або кухонних відходів. Енергія, яка утворюється при згорянні 28 м³ біогазу, еквівалентна енергії згоряння 16,8 м³ природного газу, 20,8 л нафти або 18,4 л дизельного палива.

Біометаногенез здійснюється в три етапи: розчинення й гідроліз органічних сполук, ацидогенез і метаногенез. В енергоконверсії використовується лише тільки 50% органічного матеріалу – 1800 ккал/кг сухої речовини в порівнянні з 4000 ккал при термохімічних процесах, а залишки, або шлаки, метанового «бродіння» використовуються в сільському господарстві як добрива. У процесі біометаногенезу беруть участь три групи бактерій. Перші перетворюють складні органічні субстрати в масляну, пропіонову й молочну кислоти; другі перетворюють ці органічні кислоти в оцтову кислоту, водень і вуглекислий газ, а потім метаноутворюючі бактерії відновлюють вуглекислий газ у метан з поглинанням водню, який може гальмувати діяльність оцтовокислих бактерій. У 1967 р. Брайант та ін. установили, що оцтовокислі й метаноутворюючі мікроорганізми утворюють симбіоз, і раніше вважалися одним мікробом Methanobacillus omelianskii.

Для всіх метанобактерій характерна здатність до росту в присутності водню й вуглекислого газу, а також висока чутливість до кисню й інгібіторів виробництва метану. У природних умовах метанобактерії тісно пов'язані з воденьутворюючими бактеріями: ця трофічна асоціація вигідна для обох типів бактерій. Перші використовують газоподібний водень, який продукується останніми; у результаті його концентрація знижується й стає безпечною для воденьутворюючих бактерій.

Метанове «бродіння» відбувається у водонепроникних циліндричних цистернах (дайджестерах) з бічним отвором, через який вводиться матеріал для ферментації. Над дайджестером знаходиться сталевий циліндричний контейнер, який використовується для збору газу; нависаючи над сумішшю, що бродить, у вигляді купола, контейнер перешкоджає проникненню усередину повітря, тому що весь процес повинен відбуватися в суворо анаеробних умовах. Як правило, у газовому куполі є трубка для відводу біогазу. Дайджестери виготовляють із глиняної цегли, бетону або сталі. Купол для збору газу може бути виготовлений з нейлону; у цьому випадку його легко прикріплювати до дайджестеру, що виготовлений із твердого пластичного матеріалу. Газ надуває нейлоновий мішок, який, як правило, з'єднаний з компресором для підвищення тиску газу.

У тих випадках, коли використовуються відходи домашнього господарства або рідкий гній, співвідношення між твердими компонентами й водою повинно становити 1:1 (100 кг відходів на 100 кг води), що відповідає загальній концентрації твердих речовин і складає 8 – 11% за масою. Суміш матеріалів для бродіння, як правило, засівають ацетогенними й метаногенними бактеріями або відстоєм з іншого дайджестера. Низьке рН придушує ріст метаногенних бактерій і знижує вихід біогазу; такий же ефект викликає перевантаження дайджестера. Проти закислення використовують вапно. Оптимальне «переварювання» відбувається в умовах, близьких до нейтрального (рН 6,0 – 8,0). Максимальна температура процесу залежить від мезофільності або термофільності мікроорганізмів (30 – 40° С або 50 – 60° С); різкі зміни температури небажані.

Як правило, дайджестери заривають у землю, щоб використати ізоляційні властивості ґрунту. У країнах з холодним кліматом їх нагрівають за допомогою пристроїв, які застосовують при компостуванні сільськогосподарських відходів. З погляду поживних потреб бактерій надлишок азоту (наприклад у випадку рідкого гною) сприяє нагромадженню аміаку, що придушує ріст бактерій. Для оптимальної переробки співвідношення C/N повинно бути порядку 30:1 (за масою). Це співвідношення можна змінювати, змішуючи субстрати, які містять великі концентрації азоту, із субстратами, з великою кількістю вуглецю. Так, співвідношення C/N гною можна змінити додаванням соломи або гноту цукрового очерету.

Відходи харчової промисловості й сільськогосподарського виробництва характеризуються високим вмістом вуглецю (у випадку перегонки буряка на 1 літр відходів доводиться до 50 грамів вуглецю), тому вони найкраще підходять для метанового «бродіння», тим більше, що деякі з них утворюються при температурі, найбільш сприятливій для цього процесу. Бажано перемішувати суспензію речовин, щоб перешкодити розшаровуванню, бо це гальмує бродіння. Твердий матеріал необхідно подрібнити, тому що наявність великих грудок перешкоджає утворенню метану. Тривалість переробки гною великої рогатої худоби становить два – чотири тижні. Двотижневої переробки при температурі 35° С досить, щоб убити всі патогенні ентеробактерії й ентеровіруси, а також 90% популяції Ascaris lumbricoides й Ancylostoma.

Ще у 1979 році конференція ООН по науці й техніці для країн, що розвиваються, і експерти "Економічної й соціальної комісії із країн Азії й Тихого океану" підкреслювали достоїнства інтегрованих сільськогосподарських програм, що використовують біогаз. Такі програми спрямовані на розробку харчових культур, а також на виробництво білка культурами водоростей, створення рибних ферм, переробку відходів і перетворення різних відходів у добрива й енергію у вигляді метану. Потрібно відзначити, що 38% від 95-мільйонного поголів'я великої рогатої худоби у світі, 72% залишків цукрового очерету й 95% відходів бананів, кави й цитрусових доводяться на частку країн Африки, Латинської Америки, Азії й Близького Сходу. Не дивно, що в цих регіонах зосереджені величезні кількості сировини для метанового «бродіння». Наслідком цього є зміна деяких країн із сільськогосподарською орієнтованою економікою на біоенергетику. Наприклад, одним з основних принципів енергетичної політики Індії є виробництво біогазу в сільських районах. Наприкінці 1979 р. в Індії працювало менше 100000 установок. У Китаї в цей же період налічувалося 10 млн. установок. Сировиною для завантаження установок у цих країнах є відходи тваринницьких ферм і птахофабрик. У Центральній Америці побудовані установки, що працюють на відходах виробництва кави. У Масатенанго була побудована фабрика, що випускає 90 м³ біогазу на добу й 900 т органічних добрив у рік з відходів кави. Біогаз забезпечує роботу двигуна потужністю 35 к.с., який є частиною пристрою, що лущить каву зі швидкістю 3 т/год, виробляє 1500 Ват електроенергії й забезпечує роботу компресора. В Ізраїлі з 1974 р. виробництвом біогазу займається «Асоціація Кіббуци Індастриз» (KIA). Проведено фундаментальні дослідження процесу метаногенеза при активній участі декількох університетів і промислових дослідницьких інститутів під егідою міністерства енергетики. Анаеробне бродіння відбувається при 55° С. Дослідникам удалося домогтися підвищення виходу біогазу до 4 – 6,5 м³ на добу на кожен кубометр обсягу цистерни дайджестера (що в десять разів перевищує звичайний вихід).

У Росії зараз виробництвом і впровадженням установок для одержання біогазу займається НТЦ «Агроферммашпроект», що пропонує запатентовані в Росії сучасні енергозберігаючі технології й устаткування для переробки органічних відходів тваринництва, рільництва в ефективне екологічно чисте добриво й енергію.

Лідер українського ринку насіння із м. Рівне компанія «Інсеко» починає виробляти газ на самому величезному біогазовому енергопарку в східній Європі. Компанія «Зорг Україна» виступає генеральним проектувальником і підрядником. 27 травня 2009 року сторони підписали відповідний договір. Енергопарк буде працювати два сезони на рік. 100 днів у році сировиною енергопарку будуть відходи Бабинского цукрового заводу. Це буряковий гніт у кількості 3600 тон на добу. В інший час сировиною буде 800 тон кукурудзяного силосу на добу, що буде вирощуватися на 5 тисячах гектарів землі. Біогаз буде очищений до стану природного газу за державними стандартами й подаватися в газотранспортну систему України. Загальна продуктивність біогазового енергопарку складе 40 мільйонів м³ біогазу на рік. Собівартість очищеного газу складе всього 30$ за тисячу м³. Компанія «Інсеко» ставить перед собою грандіозні плани за 5 – 7 років довести виробництво біогазу до 1 мільярда м³ на рік. Цей проект є величезним навіть за світових мірками. У світі працюють десятки тисяч біогазових станцій. Однак таких масштабів існує близько 20.

Біогаз складається з 62% метану й 38% вуглекислого газу; останній пропонують використовувати в теплицях для прискорення фотосинтезу рослин. Відходи переробки, що містять тільки 12% твердої речовини, використовуються для годування риби. Це допомогло заощадити половину гранульованих кормів зі злаків, які використовують при розведенні риби. Як показали експерименти, багаті білками, мінеральними солями й вітамінами відходи великої рогатої худоби й овець можна використати як корм для худоби, замінюючи ними до 25% сухої речовини корму який вони вживають.

Виробництво біогазу шляхом метанового «бродіння» відходів – одне з можливих рішень енергетичної проблеми в більшості сільських районів країн, що розвиваються. І хоча при використанні коров'ячого гною тільки чверть органічного матеріалу перетворюється в біогаз, останній виділяє тепла на 20% більше, ніж його можна одержати при повному згорянні гною.

Виробництво біогазу має такі переваги: це джерело енергії; відходи процесу служать високоякісними добривами і на довершення сам процес сприяє підтримці чистоти навколишнього середовища. Щоб забезпечити великомасштабний розвиток й економічну вигоду підприємству з виробництва біогазу, необхідно вирішити цілий ряд біохімічних, мікробіологічних і соціальних проблем. Удосконалення стосуються таких областей: скорочення числа сталевих елементів в устаткуванні; створення устаткування з оптимальною конструкцією; розробки ефективних нагрівачів; нагрівання дайджестерів за рахунок сонячної енергії; об'єднання систем виробництва біогазу з іншими нетрадиційними джерелами енергії; конструювання великомасштабних виробничих одиниць для сільських або міських громад; оптимального використання перероблених відходів й, нарешті, удосконалення процесів бродіння й початкової деградації відходів.

Біотехнологія в стані внести великий вклад у вирішення проблем енергетики за допомогою виробництва досить дешевого біосинтетичного етанолу, який крім того є й важливою сировиною для мікробіологічної промисловості при одержанні харчових і кормових білків, а також білково-ліпідних кормових препаратів. Найбільші світові виробники спирту (за даними на 2000 р.): Бразилія – 10,6 млрд.л; США – 6,5 млрд.л; Китай – 3 млрд.л; Індія – 1,7 млрд.л; Росія – 1,3 млрд.л. Стратегічної ролі у бразильській економіці спирт набув у середині 70-их років із введенням програми Proalcool, запущеної в 1975 році після світової нафтової кризи на початку 70-их. У Бразилії виробляється два види етилового спирту: негідрований – використовується як добавка до бензину в пропорції 20 – 24% і не вимагає змін у двигуні; гідрований – використовується як паливо й вимагає спеціального двигуна, що працює на спирті. Бразилія є першою країною, що почала використовувати негідрований спирт як добавку до палива.

Джерелом вуглеводнів також можуть служити водорості. У широко розповсюдженої зеленої водорості Botryococcus braunii (що живе в прісній і солонуватій воді помірних і тропічних зон) вуглеводні залежно від умов росту й різновидів можуть становити до 75% сухої маси. Вони накопичуються усередині клітин, і водорості, у яких їх багато, плавають на поверхні. Після збору водоростей ці вуглеводні легко відокремити екстракцією яким-небудь розчинником або методом деструктивного відгону. Таким шляхом може бути отримана речовина, аналогічна дизельному паливу й гасу.

Зустрічається кілька різновидів B.braunii, які відрізняються пігментацією й структурою синтезованих вуглеводнів. Зелений різновид містить лінійні вуглеводні з непарним (25 – 31) числом атомів карбону, і незначною кількістю подвійних зв'язків. Червоні водорості містять вуглеводні з 34 – 38 атомами карбону й декількома подвійними зв'язками; це так звані "ботриококкцени". Сенс існування двох різновидів у цей час вивчається. Вуглеводні накопичуються в клітинній стінці, їхній синтез пов'язаний з метаболічною активністю водорості у фазі росту. Вихід вуглеводнів при створенні оптимальних умов культивування може досягати 60 т/га/рік для культури водоростей, яка вирощується в товщі води в природних або штучних умовах. Для визначення перспективності використання B.braunii необхідно провести такі дослідження:

– визначити умови, що забезпечують максимальну швидкість росту й утворення вуглеводів у лабораторних і польових умовах;

– з'ясувати, чи можна домогтися швидкості росту B.braunii, порівняно з відомою для інших водоростей;

– розробити відповідні методи вирощування, збору й переробки;

– оцінити застосовність одержуваного продукту як альтернативного джерела палива й мастильних речовин.

Дослідження, пов'язані з виділенням і можливістю утилізації вуглеводнів В.braunii, можуть також сприяти кращому розумінню питання про походження нафти.

Клітинні мембрани деяких галобактерій також розглядаються як альтернативні джерела одержання енергії. Були одержані фотогальванічні елементи на основі бактеріородопсину, які здатні генерувати електричний струм. Крім того, перспективним екологічно чистим і поновлюваним джерелом енергії є фотоводень, який одержують із використанням мембран хлоропластів.