40, Технічна біоенергетика. Отримання паливних матеріалів в процесі біологічної переробки відходів. Сировина, технологічні принципи.

Отримання енергії

На Землі з кожним роком все більшою проблемою є тепловий ефект – парниковий. Земля отримує 5*10⁹ кал/рік тепла, а людина споживає 1/20000 частину тепла Сонця, що потребує. Це співвідношення є основою для розвитку отримання енергії Сонця, оскільки запаси Землі з часом вичерпаються (через 40-50 рр запаси нафти і газу будуть вичерпані, а 200 років – межа вичерпання всіх ресурсів). Енергію також накопичують рослини, трансформуючи енергію сонця в енергію біохімічних зв’язків. Сонячні батареї не є продуктом біотехнології.

Джерела енергії отримані біотехнологічним шляхом:

Біогаз – в основі його є метан (СН₄ ~70%), утворюється при анаеробній переробці відходів і біомаси, рідке паливо (етиловий спирт і його суміші), молекулярний водень (є абсолютним паливом, бо має 100% ККД при використанні – утворюється як супутній продукт при біотрансформації субстратів бактеріями р. Acetobacter).

Біогаз:

Це газ, який складається із ±70 % метану, 30 % вуглекислого газу, а також домішки (декілька відсотків сірководню, водню, азоту). Взагалі біогаз є газом, який утворюється в результаті біологічної переробки відходів, біомаси, різноманітних субстратів. 1 т відходів (рослинної сировини)~600 м³ біогазу, а 1 м³ біогазу~1 кВт/год електроенергії (тобто є в 5 разів дешевше, ніж виробництво керосину і в 2 рази дешевше добування 1 кг вугілля). Дуже поширеним виробництво біогазу було в 30-40 рр в Китаї та Індії, вже в 80 рр в Китаї налічувалось 7 млн невеликих біореакторів в сільській місцевості (в них здійснювалась переробка с/г відходів). Виробництво біогазу є досить поширеним в США при переробці сміття (особливо у великих містах).

Біогаз утворюється при анаеробній переробці відходів в метантенках (органічні речовини перетворюються в метан і вуглекислий газ). Анаеробна деструкція йде в 2 етапи: 1. етап – кислотогенний (зрошування моноцукрів з утворенням летючих жирних кислот, вуглекислого газу і водню) – етап дезамінування і повного розкладу білкових речовин з утворенням аміаку і жирних кислот. Асоціації мікроорганізмів, які при цьому використовують є загальностандарними за деяким виключенням – E. coli, p. Streptococcus, p. Enterobacter. 2. етап – метаногенний (безпосередній синтез метану). Оскільки кількість органічних речовин, які перетворюються в результаті трансформації, є продуктами для попереднього етапу мікроорганізмів, то частина їх переходить в склад цієї біомаси (бактерії р. metanobact., p. metanosarcina, p. metanomonus, p. pseudomonus). Оптимальне значення рН=7-8, вирощування мікроорганізмів як мезофільних так і в термофільних умовах. Об’єми виробництва розпочинаючи від декількох м³ до декількох 1000 м³. Швидкість переробки субстрату в термофільних умовах в 2-3 р. більша, ніж в мезофільних. Декілька м³ субстрату в термофільних умовах перероблюється ~10 діб, а в мезофільних до 30 діб. Такий реактор містить мішалку і та 1 етапі періодично перемішує. Система може працювати в безперервному режимі за рахунок постійного внесення свіжих компонентів. На культури мікроорганізмів може негативно вплинути великий обсяг субстрату – подавляє їх. Мікроорганізми не встигають перероблювати субстрат (в такому випадку асоціації вносять штучно). Також необхідно контролювати рН (оптимальне значення рН для росту метанобактерій – 7-8). Ефективність процесу також залежить від близькості місць утворення сировини. Прикладом ефективного отримання біогазу є переробка сміття (звозиться на сховища біля міст, звалюється у траншеї, борти, об’єми яких можуть сягати декількох тисяч м³. Вся ця маса утрамбовується, замазується по типу глини або заасфальтовується на час процесу бродіння. Для 1 етапу подається повітря та асоціації мікроорганізмів, після цього конструкція герметично закривається і створюються анаеробні умови. Після цього розраховують час культивування, роблять декілька відводів в які вставляють труби по яким газ йде в збірники, а з них до споживача). Використовують в цивілізованих державах, де сміття сортується.

Технічні спирти:

Можуть бути використані як моторне паливо – суміш технічного спирту та бензину (у різних співвідношеннях: 10:90, 20:80 і т. д.). Перевагами такого палива є здешевлення бензину, а також менша шкідливість для мотороавтомобілів. Отримують з відходів рослинної сировини, біомаси мікроорганізмів, відходів біотехнологічних виробництв. До середовища вносять невистаючі компоненти та асоціації мікроорганізмів (дріжджі Sacharomyces, бактерії Clostridium, Zymomonas). В результаті отримують технічний спирт з домішками рослинної сировини. 1 т сировини ~ 200 л технічного етанолу, а також 50 кг біомаси дріжджів, які можуть бути використаними в якості БВК.

Молекулярний водень:

Є найперспективнішим паливом. Майже 100 % переходить в енергію, не забруднюють середовище. Спалювання відбувається в спеціалізованих системах з регенерацією води. Молекулярний водень може зберігатися і транспортуватися, може також трансформуватись в електроенергію. Отримання в результаті біосинтетичного процесу є дуже дорогим, але перспективним є отримання його як побічний продукт при отриманні якогось продукту. Використовують мікроорганізми р. Echerihia, p. Clostridium. Отримують в ацетонобутиловому виробництві, як побічний продукт (2 молекули ацетону, 2 молекули вуглекислого газу та 4 молекули молекулярного водню).

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------