Біотехнології перетворення сонячної енергії

 

Населення Землі натепер 95% своїх потреб в енергії задовольняє за рахунок вугілля та газу – продуктів фотосинтетичної діяльності рослин минулих епох, решта 5% потреб а енергії покриваються за рахунок гідро- та атомних електростанцій.

Сонячне світло є потужним джерелом енергії, а кількість біомаси обмежена, деякі біотехнологи, що працюють над проблемами енергетики, зайнялися вирішенням двох проблем підвищення ефективності застосування сонячної енергії:

1) знайти практичні способи підвищення ефективності конверсії сонячного світла у біомасу (наприклад, шляхом вирощування водоростей за високої концентрації вуглекислого газу й обмеженої освітлюваності у біореакторах із суворо контрольованими умовами росту);

2) вивчити можливість добування водню шляхом розщеплення води за участю фото системи фото синтезуючих організмів, тобто фотолізом. Технічно простіше добувати водень з використанням синьо-зелених водоростей або процесів ферментації (бродіння). Однак кінцевою метою таких досліджень є створення на основі біофотолізу складного реактора, що містить впорядковані стабільні біофотосистеми.

В основі фотосинтетичного процесу лежать реакції утворення вуглеводів та кисню з води та вуглецевої кислоти з використанням енергії Сонця:

Н₂О + СО₂ = 1/6 С ₆Н ₁₂О ₆ + О ₂

Установлено, що клітина одноклітинних водоростей за оптимальних умов життєдіяльності для асиміляції однієї молекули СО₂ споживає близько 10 квантів сонячної енергії. Близько 50% енергії сонячного випромінювання, що досягає поверхні Землі, зосереджується у видимій ділянці спектра і відноситься до фотосинтетично активної радіації, решта 50% енергії сонячної радіації в інфрачервоній області спектру, рослинами для фотосинтезу не використовується. Енергію інфрачервоного випромінення використовують для забезпечення біосинтезу фотосинтетуючі бактерії. Це відбувається завдяки бактеріохлорофілу, що міститься в цих одноклітинних організмах. Внесок цих прокаріот у загально планетне виробництво органічної речовини, внаслідок їх незначного поширення у природі, є досить малим.

Одним з перспективних напрямів є добування фотоводню. Якщо з хлоропластів виділити мембрани, що містять ферменти фотосинтезу, то на світлі відбувається фотоліз води – розкладання на кисень та водень. Переваги такого способу одержання енергії очевидні:

- наявність надлишку субстрату,води;

- джерело енергіх, що не лімітується – Сонце;

- продукт (водень) можна зберігати, не забруднюючи атмосферу;

- водень має високу теплотвірну здатність (29 ккал/г) порівняно з вуглеводнями (3,5 ккал/г);

- процес відбувається за нормальної температури без утворення токсичних проміжних продуктів;

- процес циклічний, оскільки зі споживанням водню регенерується субстрат – вода.

Для реалізації потенційних можливостей культурних рослин, зменшення витрат ручної праці та збільшення рентабельності потрібне повне задоволення їх потреб у всіх компонентах харчування, створення оптимальних умов для вегетації, що у кінцевому підсумку супроводжується таким ростом енергетичних витрат, які значно перевищують енергію, що запасається у ході фотосинтезу. Більш високими показниками енергетичних витрат характеризується тваринництво.

У результаті фотосинтетичної діяльності рослинних організмів головним чином утворюється целюлоза, величина якої протягом року досягає до 10¹¹т. у перерахунку на біомасу ця величина значно підвищується. До цього слід додати, що біомаса порівняно з викопними видами палива має таку істотну перевагу, як відновлюваність.

Лише ліси щорічно виробляють близько 7,4*109 т біомаси, що за енергетичним потенціалом майже у три рази перевищує щорічне світове споживання енергії. Біомаса пшеничної та рисової соломи – побічний продукт сільськогосподарського виробництва, а також відходи тваринництва досягають протягом року 4,2*109 т, що за метанової біоконверсії відповідає приблизно 10% енергії, що натепер споживається людством.

Зі способів утилізації біомаси натепер найбільш розроблені на комерційному рівні біотехнології виробництва етанолу та біогазу. Організація великотоннажного виробництва етилового спирту потребує пошуку доступних сировинних джерел. Найбільш перспективною є целюлоза, щорічне виробництво якої перевищує викопне паливо, яке добувають протягом року. Вироблений з біомаси біотехнологічним шляхом етанол може використовуватися як паливо для двигунів внутрішнього згоряння.

 

Виробництво біогазу

 

Важливим аргументом на користь виробництва і використання біогазу як джерела енергії є необхідність вирішення екологічних проблем, зумовлених утилізацією відходів. Однією з основних тенденцій у розгортанні екологічно безпечного перероблення органічних відходів є розвиток комплексних технологій утилізації біомаси за рахунок метанового зброджування у результаті якого утворюється біогаз. Коефіцієнт трансформації енергії біомаси в енергі. біометану досягає 80 %.

Біогаз (біометан містить 50-80 % метану та 20-50 % діоксину вуглецю. З однієї тонни сухої речовин біомаси шляхом біоконверсії отримують 350-500 м³ біогазу, теплотвірна здатність якого становить 5-8 тис.ккал/ м³.

Найбільш рентабельним є виробництво електроенергії з біогазу (коефіцієнт корисної дії з урахуванням тепла, що утворюється під час виробництва електроенергії, досягає 80-85 %). Зріджений біогаз до 200-250 атм. є придатним паливом для двигунів внутрішнього згоряння (октанове число цього палива – 100-115).

У зв’язку з тим, щ близько 90 % вуглецю біомаси трансформується у вуглець біогазу, метанове бродіння є найбільш ефективним способом очищення стічних вод, а близькість відновлюваних джерел сировини до установок вироблення біогазу підвищують конкурентоспроможність біотехнологій його виробництва і збільшують автономність цього джерела енергії. Усього в світі використовується або розробляється близько 60 різних технологій виробництва біогазу. Найбільш поширений метод – анаеробне зброджування в метантенках або анаеробних колоннах.

Схема метантенка

 

Принципова схема виробництва біогазу передбачає:

1) нагромадження і підготовку біомаси;

2) трансформацію біомаси у біогаз (безпосередньо метанове бродіння);

3) раціональне використання продуктів метанового бродіння (біогазу та органо-мінеральних добрив.

 

Основою біотехнології утилізації біомаси з виробленням біогазу є анаеробне метанове бродіння біомаси з участю метаногенерувальних археїв (метаногенів). Метаногени (метаноутворювальні археї) – найдавніші бактерії. Серед відомих видів метаногенерувальних бактерій знайдено види, які розвиваються за низьких значень окисно-відновного потенціалу середовища; метаногени, життєдіяльність яких перебігає за високих концентрацій солей (галобактерії). Необхідну для забезпечення життєдіяльності енергію метаногени черпають у реакціях, що супроводжуються біосинтезом метану. Субстратами для утворення метану є діоксин вуглецю та водень, ацетат, метанол, метиламіни. Приблизно 70 5 метаногенних перетворень проходять через «ацетатний шлях», 25-30 % - через «водневий шлях». Метаногени входяь до складу домену Archaea, філи - Euryarchaeota. Археї здійснюють ряд біохімічних процесів, що не властиві іншим живим організмам і існують в екстремальних умовах. На підставі цього був зроблений висновок, що археї являють собою самостійний таксон. Нині відкрито понад 25 родів метаногенів, які належать до 10 родин, 5 порядків, 3 класів. Здатність до метаногенезу виявлено тільки в археїв.

Метанове бродіння – багатостадійний процес, у ході якого біополімери біомаси перетворюються багатовидовою мікробною асоціацією у газоподібні продукти. Обов’язковими компонентами асоціації є первинні анаероби гідролітичної мікрофлори (здійснюють гідроліз біополімерів), бродильної мікрофлори (зброджують молекули мономерів), ацетогенної мікрофлори (перетворюють різноманітні продукти бродіння в субстрати метаногенезу) та вторинні анаероби – метаноутворювальні бактерії (метаноутворювальні археї). Варто згадати ще й такі компоненти асоціації, як гомо ацетатні бактерії. Вони використовують для одержання енергії і росту метаногенні субстрати (водень вуглекислотну суміш, форміат, оксид вуглецю, метанол) для утворення кінцевих продуктів – ацетату та бутирату (додаток 1).