Производство на енергия от микроорганизми Печат

ПРОИЗВОДСТВО НА ЕНЕРГИЯ ЧРЕЗ МИКРООРГАНИЗМИ

Хиляди години човекът е използвал естествено регенерираща се енергия. Тази енергия произхожда от слънчевата радиация . От 178 000 тера ватa  (ТWа) - енергия на слънчевата радиация, която идва годишно върху Земята, само 475ТWа е потенциално използваема. Частта на тази използваема енергия, която се съдържа в падащите чрез изпарение и рекондензация валежи, т. е. в течащи потоци и реки, възлиза годишно на 5ТWа , а други 370ТWа се падат на вятъра, вълните и морските течения. Освен това 100 Т W а от слънчевата енергия се пренасят чрез фотосинтеза в органичното вещество на висшите растения, водораслите и бактериите.                 Много малко от употребимата от човечеството енергия,произлиза от споменматите възобновими источници. Останалите потребности се покриват от невъзстановими източници, т. е. от въглища, нефт, природен газ или ядрена енергия. Получаването на енергия чрез изгаряне от първите три първични енергоносители е свързано с познатите последствия: повишаване концентрацията на СО2 в земната атмосфера и нейното загряване, изменения в климата, стопяване на много големи запаси от лед на Земята (28.10 6 km 3 ) и повишаване морското равнище на океаните с 60 м. На фона на тези последствия, както и на трудностите да се замени получаването на енергия от фосилни източници с ядрена или слънчева енергия, биотехнологичното получаване на енергия от растения или водорасли придобива нарастващо значение. Накратко следва да се отбележи, че необходимият органичен материал за биотехнологичното добиване на енергия, доколкото той се създава чрез фотосинтезата при висшите растения, може да се осъществи на селскостопанската обработваема площ на –

Енергийни потоци върху нашата планета

Земята само в конкуренция с производството на хранителни продукти. Това важи също и за разширяване на използваните от селското стопанство площи, които са ограничени по своя капацитет и следва да бъдат съхранени за средата на следващото столетие, за изхранването на вероятно 10 милиарда население. С енергийни стопанства, в които този органичен материал трябва да бъде произведен с бързо растящи растения, могат да се произведат енергийни източници, като метан, етанол. За общата консумация на енергия от човечеството, биотехнологичната продукция на енергия може да даде една малка, но вероятно важна част. Прякото използване на слънчевата енергия по биотехнологичен път, се основава върху предимствата на отработените от десетилетия и овладени технологии за етанолова и метанова ферментация.

1. АНАЕРОБНО ПРОИЗВОДСГВО НА ЕНЕРГИЯ ЧРЕЗ МЕТАНОВА ФЕРМЕНТАЦИЯ

Процесът на минерализиране, свързан с метановата ферментация, е важен етап от кръговрата на веществата в природата. Участващите в процеса бактерии се намират в слоевете от тиня на реки, езера и морета, в блата и мочурища, както и в търбуха на преживните животни. В бележките на Роберт Бойл и Денис Папен (1682) е описано образуването на газ, което се наблюдава при всяко анаеробно разграждане на органичен материал. Един век по-късно (1776) Александро Волта откри, че отделящият се от блатата газ гори. Измина още един век, докато стана известно, че микроорганизмите са причината за образуване на газ (Бекамп, 1868).

Чрез метановата ферментация органичният материал е подложен на минерализиране, при което се получава метан  и въглероден диоксид . Само една малка част от енергийното съдържание на разграждащото се органично вещество се употребява за растежа на клетъчната маса на участващите в процеса микроорганизми, по-голямата част от енергията

остава запазена в метана. Поради това биотехнологично произвежданият метан е точно като природния газ - един газообразен носител на енергия, чието енергийно съдържание може да се направи използваемо чрез изгаряне, както при дървата, въглищата или нефта.

1. 1. Микробиология и биохимия на метановата ферментация

Съобразно опитите на различни учени (1906)ферментацията на органичен материал, като целулоза, до метан е едностъпален процес. Процесът според тях е катализиран от един единствен бактериален вид, който бе наречен Bacillus methagement . Баркър (1956) извежда от своите опити, провеждани от 1940 г., двустъпален модел на метанова, ферментация. Съгласно този модел въглехидратите, мазнините или белтъците се разграждат в един първи етап от неметанови бактерии до алкохоли, мастни киселини, СО 2 и Н 2 . От своя страна, през втория етап те се преобразуват от метановите бактерии до метан. Един от изолираните бактериални видове, който катализира втория етап на ферментацията, Баркър назова Methanobacterium omelianski . Въз основа на по-късно откритие, че този вид е в действителност смесена култура от бактерии, образуващи водород, и от бактерии, консумиращи водород и произвеждащи метан, Браянт (1977) постулира тристъпален модел, при който вторият етап от модела на Баркър бе разделен на два.

Според представения от Браянт модел в първия етап на разграждане хидролитичните бактерии разграждат изходния субстрат до мастни киселини и алкохоли. Във втория етап ацетогенните бактерии довеждат продуктите от първия етап до използваема форма за метановите бактерии. В хода на втория етап, от една страна, участват облигатни водородобразуващи ацетогенни бактерии, които образуват водород и въглероден диоксид, а успоредно с това и оцетна киселина. От друга страна, във втория етап участват и хомо-ацетогенни бактерии, които свързват образуваните от облигатните водородобразуващи ацетогенни бактерии продукти Н2 и СО2 отново в оцетна киселина. Включените в третия етап метанови бактерии образуват метан от Н2 и СО2 или от оцетна киселина.

Предложеният от Баркър и разширен от Браянт модел на метанова ферментация (по Braun, 1982)

В първия случай,СО2 действа като водороден акцептор на метановата ферментация, в последния - СО2 се отделя от оцетната киселина, а оставащият СН2-радикал е акцептор за водорода.

Протичащите в първата степен на метановата ферментация хидролитични процеси се катализират от широк спектър бактерии. При разграждане на скорбялата изглежда, че участват видове от Clostriadium , но също така и представители на родовете Bacteroides , Bacillus , Pseudomonas и Micrococcus . Протеолизата се осъществява от Bifidobacterium , Staphylococcus , Bacillus , но предимно от видове на Clostriadium . Липо литичните бактерии могат да се идентифицират като видове от Вacillus,Alcaligenes , и Pseudomonos . Хомоацетогенните бактерии са между другите видове Acetobacterium woodii и Clostridium acetii .Самите ме танови бактерии са подразделени въз основа на секвенцията на базите на РНК в 16 S-рибозомите в три групи, към които принадлежат общо 13 вида. Необходимите за редукцията на СО 2 редуциращи еквиваленти от мравчена киселина се доставят с участието на коензим F 420 (Ко-F 420 ). Този коензим, намиращ се само при метановите бактерии, се редуцира чрез формиатдехидрогеназата и в неговата редуцирана форма служи като субстрат за редукция на НАДФ + . СО 2 е свързан като карбоксилна група с един хипотетичен носител Х и се редуцира в алдехидна група . При по-нататъшно редуциране до алкохолна група съе­ динението се пренася върху специфичен за метановите бактерии коензим М (КоМ) и се редуцира по-нататък до метилова група. От коензим М метиловата група се прехвърля върху метилкобаламин, структурно близък до витамин В 12 , редуцира се до СН 4 и като такъв се освобождава. В случай на образуване на метан от ацетат, метиловият остатък (СН 3 -) след декарбоксилиране се свързва директно за метил- кобаламин и се превръща в CH4. .

1. 2. Технология на метановата ферментация

Използването на метановата ферментация за производството на биогаз се развива в тясна зависимост от пречистването на отпадните води. Първите инсталации за биогаз са построени преди повече от 100 години, като са служили предимно за стабилизиране суспенди­рането на твърдите вещества, без да е бил използван полученият газ. Използването на получения метан започна през 1922 г. в Гер­мания.

Oт 1927 г. започва използването на биогаз за задвижване на неподвижно фиксирани мотори, а от 1937 г. също за мотори на превозни средства. През 1939 г. в  Германия е имало осем станции за зареждане с биогаз. Днес произвежданият в пречиствателните съоръжения метан, доколкото той не се употребява непосредствено за отопление на биогазови реактори и за повишаване температурата на процеса, в повечето случаи се изгаря. Излишен газ се получава всъщност главно в топлите сезони на годината, в които той не се продава като употребим носител на енергия.

Различават се нехомогенни и хомогенни биогазови реактори . Нехомогенният биогазов реактор наподобява гниещ, органичен пласт, покрит от анаеробен воден пласт, който може това да се види на дъното на силно еутрофизираните езера.

Типично китайско малко газово съоръжение с включен газов резервоар, вградено в земята.

Метанообразуващото  съоръжението се зарежда в промеждутъци от половин година със смес от човешки и животински екскременти, съдържащи целулозни отпадъци, трева и вода. Ако през време на ферментацията налягането на газа се понижи, тогава се добавя субстрат в промеждутъци от няколко дни. Образуването на метан протича в гниещия слой на дъното на реактора (нехомогенен биогазов реактор). В хомогенните биореактори системата се разбърква чрез механично, пневматично или хидродинамнчно внасяне на енергия и с това се предизвиква много по-силна продукция на газ.

Нехомогенните биогазови реактори от много прост тип се използват в голямо количество в Китай . Само между 1975 и 1978 в  Китай са били изградени приблизително около 7 милиона такива малки биогазови съоръжения, които са служили за снабдяване с газ на отделни семейства. Тъй като такива реактори се обслужват лесно и се повреждат малко, те са особено подходящи за приложение в развиващите се страни.

В Индия има също така изградени голям брой биогазови инсталации с по-напреднала технология . В студените области на Индия за повишаване на газовата продукция тези съоръжения са снабдени с приспособление за отопление, вкл. за разбъркване и рециркулация. Времето за престояване на ежедневно добавяния субстрат възлиза на 25 дни, а продукцията на газа е 0,4 m 3 биогаз дневно на всеки m 3 работещо реакторно пространство.

Типично индийско биогазово съоръжение.

Освен усъвършенстваните за очистване на отпадни води класически биогазреактори в западните индустриални държави има съоръжения, които са предназначени за получаване на оптимална продукция от биогаз. Оптимизиране на продукцията на биогаз се постига на първо място чрез съкращаване времето за престояване на субстрата в биореактора. Колкото по-дълго е времето за престояване, толкова по-голям следва да бъде обемът на използвания биогазреактор който се употребява за разграждане на дадено количество органичен материал.Времепребиваването на субстрата в биореактора и рентабилността на метода се отнасят помежду си обратнопропорционално. Съкращаването на престоя на субстрата в реактора се постига на първо място чрез повишаване концентрацията на действащите организми.

Изхождайки от пречистващото гниене на органичните отпадъци,днес до метан ферментират предимно селскостопански отпадъци.Докато преди органичните отпадъци се използваха за наторяване на селскостопански площи, днес това повече не е възможно, тъй като чрез интензивното животновъдство съществува неправилно съотношение между животновъдството и площите, използвани за нуждите на селското стопанство.Различният произход на естествения оборски тор вследствие различното съдържание на въглерод и азот е причина той да бъде нееднакво подходящ за ферментиране до метан. Съотношението на въглерода и азота в субстрата (С/ N -съотношение) не бива да бъде по-ниско от 16/1 и не по-високо от 45/1. Едно твърде ниско съотношение С/ N означава високо съдържание на азот, от излишъка на азота се получава амоняк. При твърде високо съотношение на С/N, което е равнозначно на недостиг на азот, наличният въглерод не може да бъде пълноценно използван. Съотношението С/ N при свинските фекалии е 10/1, при естествения тор - 20-40/1 (в зависимост от вида на тора е количеството на сламата).3а да се осигури оптимално съотношение на С/ N на ферментационния субстрат, е необходимо да се смесват изпражненията със слама, което е невъзможно за предприятия с интензивно животновъдство, произвеждащи само един от тези субстрати (твърд или течен тор).

Свинските фекалии са по правило добър субстрат, който се използва от 40 години за ферментация до метан. Говеждите изпражнения са проблематичен субстрат, тъй като са инокулирани от метаногенната микрофлора на търбуха в преживните и са вече частично разградени.Една част от потенциалния въглерод е ферментирала до метан преди ферментацията в биореактора.

Отпадните води и утайката, останали след метановата ферментация като отпадък, могат да се използват за наторяване на селскостопански обработваеми площи..

Освен селскостопанските отпадъци в бъдеще на метанова ферментация ще се подлагат бързорастящи полезни растения, ако се налага производството на метан като енергоносител в енергийни ферми. По отношение ферментирането до алкохол ,метановата ферментация е енергетично по-благоприятна, тъй като енергоносителят метан се отделя от биотехнологичния процес непосредствено като готов продукт, без да е необходима допълнителна енергия за дестилация, както трябва при етаноловата ферментация . Освен това практически е възможно всеки растителен суровина или отпадъчен материал да бъде подложен на метанова ферментация, докато за етаноловата ферментация могат да се използват само съдържащи захар или скорбяла субстрати, т.е. много високо стойностни и скъпи материали.

2. АЕРОБНО ПРОИЗВОДСТВО НА ЕНЕРГИЯ ЧРЕЗ КОМПОСТИРАНЕ

За анаеробно протичащата метанова ферментация се използват като субстрати отпадни продукти от селското стопанство, битови или промишлени отпадни води. Твърдите битови отпадъци биха могли също така да бъдат подложени на метанова ферментация. При това раздробените отпадъци следва да бъдат смесени със значителни количества вода. Проблемът за отстраняване на твърдите отпадъци става проблем за отстраняване на отпадни води. Поради това се предпочита биотехнологично преработване на твърдите отпадъци, съдържащи средно 47 % органични съставки, но не като метанизиране, а под формата на компостиране на тези отпадъци на определени места.

Във Германия през 1985 г. е трябвало да бъдат отстранени 29. 10 6 т отпадъци (битови и промишлени). Само 2% от тях са компостирани, 28 % са били изгорени и 70 % са складирани в сметища. Основанията за въздържане от компостиране на големи количества отпадъци се обясняват с големите разходи (50 до 150 €/t.). Рентабилността на компостирането на отпадъци би могла да се подобри, ако се използва не само крайният продукт компост, а и топлинната енергия, получена при процеса.

В Южна Франция фермерът Жан Пен произвежда цялотo количество енергия за неговата ферма с помощта на биотехнологията.

От естествен извор докарва до средата на компоста вода, която напуска компоста с температура 60-80 "С. По този начин се покрива потребността от топла вода за къщата и оборите.Средата на компоста се зарежда предимно с дървен материал от граничещите гори. Една част от материала се подлага на анаеробна ферментация до метан, който се използва за отопление и движение на трактора и леката кола. По подобен начин при компостиране на отпадъци в Дания получената топлина се използва за загряване на оранжерии. С тези примери са обхванати възможностите за приложение на такова „биоотопление". Тъй като получената топлинна енергия може да се транспортира само при значителни технически средства, получената чрез компостиране топлина трябва да бъде употребена на самото място.

Компостирането е аеробно протичащ екзотермичен процес, при които високомолекулни органични вещества (целулоза, скорбяла, лигнин, белтъци, мазнини) се минерализират, т.е. разграж дат се до СО2 и Н20 и отчасти амоняк

Образуване на енергия и отделяне на топлина при разграждане на глюкоза

Освободената при това енергня се използва в малка част за запазване клетъчните функции на микрофлората на компоста, в т.ч. и за изграждане на нови клетъчни вещества. По-голямата част от освободената енергия се отделя като топлина наоколо. Поради това компостиранто се придружава винаги от самозагряване на струпания материал. Например при разграждане на глюкозата до СО2 и Н2О 70 % от освободената енергия може да се превърне в топлина. Глюкозата се получава при хидролиза на целулозата и скорбялата.

ПРОИЗВОДСТВО НА ВЪГЛЕВОДОРОДИ

От 1978 г. се изследва наличието в сока на някои видове растения (по-точно млечкови) на въглеводороди, които могат да заместят нефта като източник на суровини за нефто-химичната промишленост. Концентрацията на тези въглеводороди обаче е ниска в срав­нение с теглото на цялото растение и изпол­зуването им се оказа нерентабилно; няма и достатъчно насаждения от тези растения.

Един вид едноклетъчно водорасло — Botryococcus braunii , обаче предлага интерес­ни перспективи: въглеводородите представ­ляват 15 — 75% от теглото на сухото му ве­щество. Това сладководно или слабосоленоводно водорасло се среща в области с умерен и тропичен климат, където размножа­ването му във водните площи може да бъде изключително голямо. То съществува в две форми, които се различават по пигментацията (зелена и червена) и по строежа на синтезираните въглеводороди. Зелената форма съдържа линейни въглеводороди с нечетен брой въглеродни атоми (25—31), бедни на двойни връзки; в червената форма въгле­водородите са с 34—38 въглеродни атома и имат много двойни връзки. Въглеводороди­те се натрупват в клетъчната стена по време на фазата на растеж. Те могат да се извли­чат чрез центрофугиране, без да се унищожават клетките, които могат да бъдат поставени обратно в културалната среда. Чрез променяне на условията за култивиране (температура, осветяване) и състава на средата (минерални соли) френски учени успяха да удвоят количеството водораслова биомаса за два вместо за седем дни; 35% от сухото вещество на клетките беше съста­вено от въглеводороди. Това се равнява на 0,09 г въглеводороди от 1 дм 3 културална среда дневно или на 60 тона от хектар годишно от водораслова култура, отглеждана в условията на естествена или изкуствена водна площ.

Съставът на произвежданите от В. braunii въглеводороди е такъв, че те могат да се използуват като енергиен източник или като суровини за нефтохимията (направо или след преработване).

Трябва да се решат още много проблеми, преди да се премине към използуването на тези въглеводороди в промишлен мащаб; изясняване ролята на бактериите, които съжителствуват с водораслото, като някои от тях подпомагат получаването на въглеводо­родите; борба срещу конкурентните видове водорасли и срещу паразитите в естествени условия. Съществени са също така и затрудненията от икономически характер и френските учени смятат, че въглеводородите от водорасли трябва да се използуват при получаването на вещества, за които цената на суровината не е решаваща (напр. фармацевтични или козметични продукти) .