Биотехнология и энергетика

Последние десятилетия характеризуются все возрастающим интересом к исследованию биологических систем. Это стало возможным благодаря достаточно глубокому пониманию фундаментальных основ молекулярных процессов в таких биосистемах. Например, глубокое изучение механизмов ферментативных реакций, исследование структуры и функции ферментов, разработка методов их получения и иммобилизации привели к возникновению инженерной энзимологии - отрасли науки и техники, использующей ферменты как катализаторы ряда принципиально новых химических процессов. Развитие методов деполимеризации целлюлозы дало возможность разработать способы переработки целлюлозы для получения пищевых продуктов, сырья для микробиологической промышленности, получения белка, сырья для производства ряда топлив и продуктов органического синтеза.

Весьма перспективно использование в биотехнологии термофильных микроорганизмов, не боящихся сравнительно высокой температуры. Применение таких микроорганизмов в ряде случаев очень эффективно, поскольку повышение температуры потенциально способно обеспечить более высокие скорости реакций и производительность процессов.

Принципиально важные изменения в ближайшие десятилетия будут связаны с переходом на новые источники энергии. Прогрессирующий дефицит ископаемых топлив ставит перед современной наукой задачи, связанные с разработкой новых процессов, ориентированных на возобновляемые сырьевые и энергетические источники.

Об этом со всей остротой примерно 15 лет назад заявил академик Н. Н. Семенов. Он подчеркнул важность промышленного использования солнечной энергии и ориентировал на решение этой проблемы многие научные коллективы. Большой интерес в последние годы вызывают работы, направленные на получение газообразного топлива из биомассы. Речь идет о широкомасштабной переработке отходов сельскохозяйственного производства и городского хозяйства в метан. Оценки показывают, что даже для энергетически развитых стран производство биогаза может составить заметную часть общей выработки энергии. В последнее время интерес к фундаментальному изучению систем получения топлив на основе биомассы и их практическому использованию достаточно широк во всем мире. Национальные программы в этой области существуют в США, Великобритании, Франции, Бразилии, Японии, Канаде, КНР, Индии, во многих развивающихся странах. В разработке систем преобразования солнечной энергии с получением топлива уже имеются существенные научные и технические достижения.

В качестве примера одной из таких разработок можно привести так называемые «энергетические фермы». Ферма представляет собой гигантскую теплицу площадью примерно 1 км², большой высоты, построенную из прозрачного пластика, способного достаточно эффективно удерживать двуокись углерода. Теплица технологически сопряжена с установкой для экстракции из растений белка и с тепловой станцией, где углеводная часть биомассы используется для выработки электроэнергии.

Рис. 2. Блок-схема процессов в системе преобразования солнечной энергии на основе гигантской теплицы.

На ферме предполагается с высокой эффективностью выращивать в газовой среде, обогащенной углекислотой, растения с повышенным содержанием белка (например, люцерну). Благодаря повышенному выходу фотосинтеза может быть получена биомасса в количестве 200 т/га в год. Люцерна содержит до 24% белка, его можно использовать для питания человека.

И все же самое узкое место подобных схем с энергетической точки зрения - производство биомассы: средняя эффективность преобразования солнечной энергии при фотосинтезе составляет всего 0,1-1% Это заставляет искать иные биотехнологические процессы, в которых достигались бы более высокие коэффициенты преобразования энергии. Один из таких процессов - биофотолиз воды, то есть использование механизмов фотосинтеза для ее разложения под действием солнечного света с получением свободных кислорода и водорода.

Такая система разработана недавно в МГУ профессором С. Варфоломеевым и его сотрудниками. Она открывает вполне реальную перспективу создания новой отрасли энергетики, основанной на биотехнологическом получении молекулярного водорода - топлива высококалорийного и экологически чистого. [4]

Биогаз

Биогаз образуется с помощью бактерий в процессе разложения органического материала при анаэробных (без доступа воздуха) условиях и представляет собой смесь метана и других газов.

Теплотворная способность одного кубометра биогаза составляет в зависимости от содержания метана 20-25 МДЖ/м³, что эквивалентно сгоранию 0,6 - 0,8 литра бензина, 1.3 - 1.7 кг дров или использованию 5 - 7 кВт электроэнергии.

В процессе сбраживания сырья в биогазовых установках бактерии, производящие метан, разлагают органическое вещество и возвращают продукты разложения в виде биогаза и других компонентов в окружающую среду. Знание процесса сбраживания необходимо для выбора конструкции, строительства и эксплуатации биогазовых установок.

В принципе, все органические вещества подвержены процессам брожения и разложения. Однако в простых биогазовых установках предпочтительно перерабатывать только однородные и жидкие органические отходы: экскременты и урину скота, свиней и птиц.

В более сложных биогазовых установках можно перерабатывать и другие виды органических отходов - растительные остатки и твердые мусорные отходы. Объем вырабатываемого биогаза зависит от типа используемого сырья и температуры процесса сбраживания.

Биогаз может быть использован в любых газовых приборах так же, как используется природный газ. Наиболее эффективным является использование биогаза для приготовления пищи, обогрева помещений, выработки электроэнергии и заправки автомобилей. [3]