Биотехнология в решении энергетических проблем.

Необходимость разработки новых и эффективных способов производства энергетических носителей и восполнения сырьевых ресурсов стала особенно актуальной в последние два десятилетия из-за острого дефицита сырья и энергии в глобальном масштабе и повышения требований к экологической безопасности технологий. В этой связи стали интенсивно развиваться новые разделы биотехнологии – биоэнергетика и биогеотехнология металлов. Повышенный интерес к технологической биоэнергетике – науке о путях и механизмах трансформации энергии в биологических системах, обусловлен рядом причин. Энерговооруженность – это фактор, определяющий уровень развития общества. В последнее время для сравнения эффективности тех или иных процессов и технологий все чаще прибегают к энергетическому анализу, который намного раньше используется в экологии. Основная задача энергетического анализа – планирование таких методов производства, которые обеспечивают наиболее эффективное потребление ископаемых и возобновляемых энергоресурсов, а также охрану окружающей среды.

Получение топлива по схеме «биомасса – биотехнология» основывается на сочетании фотосинтеза, животноводства, кормопроизводства и ферментации с использованием тех или иных биологических агентов. Научные и аналитические исследования последнего десятилетия приводят к выводу, что наиболее эффективны и обнадеживающи для крупномасштабного преобразования солнечной энергии – методы, основанные на использовании биосистем. Среди этих методов – достаточно хорошо освоенные биологические технологии превращения биомассы в энергоносители в процессах биометаногенеза и производства спирта, а также принципиально новые разработки, ориентированные на модификацию и повышение эффективности самого процесса фотосинтеза, создание биотопливных элементов, получение фотоводорода, биоэлектрокатализ.

Биометаногенез. Биометаногенез или метановое «брожение» – давно известный процесс превращения биомассы в энергию. Открыт данный процесс в 1776 году Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе. Биогаз, получаемый из органического сырья в ходе биометаногенеза в результате разложения сложных органических субстратов различной природы при участии смешанной из разных видов микробной ассоциации, представляет собой смесь из 65–75 % метана и 20–35 % углекислоты, а также незначительных количеств сероводорода, азота, водорода. Теплотворная способность биогаза зависит от соотношения метана и углекислоты и составляет 5–7 ккал/м3; 1 м3 биогаза эквивалентен 4 квт/ч электроэнергии, 0.6 л керосина, 1.5 кг угля и 3.5 кг дров. Неочищенный биогаз используют в быту для обогрева жилищ и приготовления пищи, а также применяют в качестве топлива в стационарных установках, вырабатывающих электроэнергию. Компремированный газ можно транспортировать и использовать (после предварительной очистки) в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания. Очищенный биогаз аналогичен природному газу. В процессах биометаногенеза решается не только проблема воспроизводства энергии, эти процессы чрезвычайно важны в экологическим плане, так как позволяют решать проблему утилизации и переработки отходов различных производств и технологий, сельскохозяйственных и промышленных, а также бытовых, включая сточные воды и твердый мусор городских свалок.

С биохимической точки зрения метановое «брожение» – это процесс анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органического вещества переносятся на углекислоту; последняя затем восстанавливается до метана (при истинном брожении конечным акцептором электронов служит молекула органического вещества (конечные продукты брожения). Донором электронов для метаногенов служит водород, а также уксусная кислота.

Деструкцию органической массы и образование кислот вызывает ассоциация облигатных и факультативных анаэробных организмов, среди которых гидролитики, кислотогены, ацетогены и др.; это представители родов Enterobacteriaceae, Lactobacilaceae, Sterptococcaceae, Clostridium, Butyrivibrio. Активную роль в деструкции органической массы играют целлюлозоразрушающие микроорганизмы, так как растительные биомассы, вовлекаемые в процессы биометаногенеза, характеризуются высоким содержанием целлюлозы (лигнинцеллюлозы). В превращении органических кислот в уксусную существенную роль играют ацетогены – специализированная группа анаэробных бактерий.

«Венец» метанового сообщества – это собственно метаногенные или метанообразующие бактерии (архебактерии), катализирующие восстановительные реакции, приводящие к синтезу метана. Субстраты для реализации этих реакций – водород и углекислота, а также окись углерода и вода, муравьиная кислота, метанол и др.:

4 Н2 + СО2 →CH4 + 2 H2O,

4 CO + 2 H2O → CH4 + 3 CO2,

4 HCOOH → CH4 + 3 CO2 + 2 H2O,

4 CH3OH → 3 CH4 + CO2 + 2H2O

К настоящему времени выделены в чистой культуре и описаны около 30 метанообразующих бактерий; список этот непрерывно пополняется. Наиболее изучены Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanosarcina barkerii, Methanobrevibacter ruminantium. Все метаногены – строгие анаэробы; среди них встречаются как мезофильные, так и термофильные формы; гетеротрофы и автотрофы. Особенность метанообразующих бактерий – способность активно развиваться в тесном симбиозе с другими группами микроорганизмов, обеспечивающими метаногенов условиями и субстратами для образования метана.

Установки для биометаногенеза с учетом их объемов и производительности можно подразделить на несколько категорий: реакторы для небольших ферм сельской местности (1–20 м3), реакторы для ферм развитых стран (50–500 м3), реакторы для переработки промышленных стоков (спиртовой, сахарной промышленности) (500–10 000 м3) и реакторы для переработки твердого мусора городских свалок (1 – 20.106 м3). Метанотенки, изготовленные из металла или железобетона, могут иметь разнообразную форму, включая кубическую и цилиндрическую. Конструкции и детали этих установок несколько варьируют, главным образом, это связано с типом перерабатываемого сырья.

Получение спирта. Перспективы использования низших спиртов (метанола, этанола), а также ацетона и других растворителей в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания вызвали в последние годы большой интерес к возможности их крупномасштабного получения в микробиологических процессах с использованием различного растительного сырья. Этиловый спирт является прекрасным экологическим чистым горючим для двигателей внутреннего сгорания. Замена дефицитного бензина иными видами топлива – актуальная проблема современности. Особенно остро вопрос стоит в странах Америки и Западной Европы. Использование чистого этанола или в смеси с бензином (газохол) существенно снижает загрязнение окружающей среды выхлопными газами, так как при сгорании этанола образуются только углекислота и вода.

Сырьем для процессов спиртового брожения могут быть разнообразные биомассы, включая крахмалсодержащие (зерно, картофель), сахаросодержащие материалы (меласса, отходы деревоперерабатывающей промышленности), а также биомасса специально выращенных пресноводных и морских растений и водорослей. Процесс складывается из нескольких стадий, включающих подготовку сырья, процесс брожения, отгонку и очистку спирта, денатурацию, переработку кубовых остатков.

Этиловый спирт обычно получают из гексоз в процессах брожения, вызываемых бактериями (Zymomonas mobilis, Z. anaerobica, Sarcina ventriculi), клостридиями (Clostridium thermocellum) и дрожжами (Saccharomyces cerevisiae):

С6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2.

Главная задача, которую приходится решать при получении спиртов технического назначения,- это замена дорогостоящих крахмалсодержащих субстратов дешевым сырьем непищевого назначения.

Образование этанола дрожжами – это анаэробный процесс, однако для размножения дрожжей в незначительных количествах нужен и кислород. Промышленный процесс брожения может осуществляться по разным схемам: непрерывно, периодически и периодически с возвратом биомассы. Побочными продуктами спиртового брожения являются углекислота,сивушные масла, кубовые остатки, дрожжи. Каждый из этих продуктов имеет определенную стоимость и самостоятельную сферу применения.

Жидкие углеводороды. Первые попытки поиска среди фотосинтезирующих организмов потенциальных продуцентов энергоносителей в виде жидких углеводородов относятся к 1978 году, когда исследователи пыталисьобнаружить в соке некоторых растений, главным образом у представителей семейства молочайных, жидкие углеводороды. Однако попытки не увенчались успехом, так как концентрация углеводородов у высших растений оказалась крайне низкой. Несколько позже удалось установить способность к синтезу жидких углеводородов у водорослей и бактерий. Было показано, что у зеленой водоросли Botryococcus braunii содержание углеводородов может составлять от 15 до 75 % от суммы липидов. Эта одноклеточная зеленая водоросль обитает в водоемах с пресной и солоноватой водой в умеренных и тропических широтах. При э том было выявлено, что зеленая водоросль синтезирует линейные углеводороды с нечетным числом углеродных атомов в цепи (С25–С31) и бедна ненасыщенными связями. Красная разновидность синтезирует линейные углеводороды с четным числом углеродных атомов в цепи (С34–С38) и с несколькими ненасыщенными связями. Извлечь углеводороды без разрушения клеток можно центрифугированием биомассы водоросли, в ходе которого углеводороды «вытекают» из клеток. Последние можно вновь поместить с среду в условия аккумуляции углеводородов. В настоящее время признано эффективным использование этих углеводородов в фармацевтической промышленности. В США действует ферма для выращивания водоросли B. braunii с суммарной площадью водоема 52 тыс. га. Продуктивность процесса получения углеводородов составляет до 4800 м3 в сутки. Для улучшения топливных характеристик водорослевые углеводороды гидрируют.

Биологическое получение водорода. Проблема получения водорода – одна из основных проблем технического прогресса ряда важнейших промышленных отраслей, в том числе энергетики. Водород рассматривается в качестве главного энергоносителя будущего, отчасти превосходящего основные современные энергоносители – нефть и природный газ. Теплотворная способность водорода достаточно высока (28.53 ккал/кг), это в 2.8 раза выше бензина. Водород легко транспортируется и аккумулируется в различных фазовых состояниях; в газообразном состоянии не токсичен, имеет высокую теплопроводность и малую вязкость в различных фазовых состояниях. Но главное его достоинство – экологическая чистота, единственный побочный продукт его сгорания – вода. По прогнозам экспертов, энергетическая система будущего столетия будет «водородной», то есть будет основана на применении двух энергоносителей – электричества и водорода, наиболее удобного для использования на транспорте и в промышленных технологиях. Сравнительно недавно показана принципиальная возможность получения водорода разложением воды с участием биокаталитических агентов. Так, в начале 60-х годов было установлено, что хлоропласты, выделенные из шпината, в присутствии искусственного донора электронов и бактериального экстракта, содержащего фермент гидрогеназу, способны продуцировать водород. Работы по созданию систем биофотолиза воды проводятся достаточно активно во многих странах. Это привело к созданию различных типов систем. Эти системы, независимо от природы составляющих ее компонентов, должны иметь два элемента: 1) электрон-транспортную систему фотосинтеза, включающую систему разложения воды; 2) катализаторы образования водорода. В качестве катализаторов образования водорода можно использовать как неорганические катализаторы (металлическая платина), так и ферментативные (гидрогеназы). Последние могут функционировать как в растворимом, так и в иммобилизованном состоянии. Система биокаталитического получения водорода является пока единственным примером одностадийной системы, способной работать в видимых лучах света.