Тема 5.4. Использование биотехнологии в энергетике

Синтез биогаза

Важное направление биотехнологии, интенсивно развивающееся в последнее время – освоение возобновляемых источников энергии, наиболее распространенным из которых является биогаз. Этим термином обозначают газообразный продукт, получаемый в результате анаэробной, то есть происходящей без доступа воздуха, ферментации (сбраживания) органических веществ самого разного происхождения.

Биогаз представляет собой смесь газов. Его основные компоненты: метан - 55 - 70%, углекислый газ - 28 - 43%, также в очень малых количествах азот, кислород, водород и сероводород. Биогаз успешно применяется как высококалорийное топливо.

При получении биогаза (рис. 5.5.) типовыми являются подготовительные стадии – подготовка сырья и посевного материала, метановое брожение, сушка как стадия концентрирования. Компримирование можно рассматривать как создание готовой формы продукта.

Подготовка Компримирование Биогаз

сырья биогаза

Метановое

брожение

Приготовление Сушка

посевного сброженного Удобрение

материала осадка

Рис. 5.5..

Схема производства биогаза

В среднем 1 кг сухого органического вещества, биологически перебродившего на 70%, производит приблизительно 0,8-1,0 м³ биогаза.

Поскольку разложение органических отходов происходит за счёт деятельности определенных типов бактерий, существенное влияние на него оказывает окружающая среда. Так, количество вырабатываемого газа в значительной степени зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья. Именно поэтому, вероятно, первые установки для получения биогаза появились в странах с теплым климатом. Однако применение надежной теплоизоляции, а иногда и подогретой воды позволяет освоить строительство генераторов биогаза в районах, где температура зимой опускается до -20°. На получение биогаза влияют также продолжительность брожения, конструкция установки, размер и содержание твёрдых веществ, количества загрузки, интенсивности перемешивания, соотношение углерод – азот.

Существуют определенные требования и к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий, содержать биологически разлагающееся органическое вещество и в большом количестве воду. Желательно, чтобы среда была нейтральной и без веществ, мешающих действию бактерий, например, мыла, стиральных порошков, антибиотиков.

Для получения биогаза можно использовать растительные и хозяйственные отходы, навоз, сточные воды и т. п.

В процессе ферментации жидкость в резервуаре имеет тенденцию к разделению на три фракции. Верхняя - корка, образованная из крупных частиц, увлекаемых поднимающимися пузырьками газа, через некоторое время может стать достаточно твердой, и будет мешать выделению биогаза. В средней части ферментера скапливается жидкость. Нижняя, грязеобразная фракция выпадает в осадок. Бактерии наиболее активны в средней зоне. Поэтому содержимое резервуара необходимо периодически перемешивать. Перемешивание может осуществляться с помощью механических приспособлений, гидравлическими средствами (рециркуляция под действием насоса), под напором пневматической системы (частичная рециркуляция биогаза) или с помощью различных методов самоперемешивания.

Конверсия биомассы в биоэтанол.

Весьма эффективной является также конверсия биомассы в биоэтанол. В Бразилии биоэтанол получают из сахарного тростника, в США – из кукурузы. С каждым годом повышается эффективность производства биоэтанола. По данным Минсельхоза США, сегодня при сжигании биоэтанол дает на 67 % больше энергии, чем было потрачено на его производство (в 1995 г. этот показатель составлял 24 %). Биоэтанол используется в качестве моторного топлива либо в чистом виде, либо в смеси с бензином. Для получения биодизеля используют в основном рапс.

Биологическая очистка сточных вод. Аэробные и анаэробные методы очистки; преимущества анаэробных методов

Важнейшим биотехнологическим процессом является биологическая очистка стоков. Биологические методы удаления загрязнений признаны наиболее экономически и экологически эффективными. Процесс очистки имеет целый ряд подготовительных стадий (см. рис.9). Собственно биотехнологической стадией, получившей наибольшее распространение в нашей стране, является очистка (биоокисление) с помощью аэробных микроорганизмов, осуществляемая в аэротенках, биофильтрах и биопрудах. Существенными недостатками аэробных технологий являются высокие затраты на аэрацию, необходимость использования значительных площадей под очистные сооружения, наличие неприятных запахов, проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств образующегося избыточного ила (избыточный ил можно утилизировать одним из следующих способов: высушивание на «иловых площадках» (это самый неэкологичный способ), концентрирование с помощью флотации, переработка в биогаз). Исключить недостатки аэробных технологий может анаэробная обработка сточных вод, не требующая затрат энергии на аэрацию и сопряженная с образованием ценного энергоносителя – метана. Деградация органических веществ при анаэробном метановом брожении является многоступенчатым процессом, в котором углерод-углеродные связи постепенно разрушаются под действием различных групп микроорганизмов. Анаэробные процессы по сравнению с аэробными сопровождаются образованием значительно меньших (более чем в 10 раз) количеств ила; реакторы, работающие с использованием анаэробной технологии, весьма компактны. Указанные преимущества обусловили значительный интерес к анаэробной очистке во многих странах мира. Наибольшее распространение анаэробная технология получила в пивоваренной промышленности и производстве прохладительных напитков. В России эти технологии только начинают развиваться.

Конструкция анаэробных реакторов ?

До настоящего времени построено 5 реакторов (Кашира, Москва, Ступино, Самара, Хабаровск; для сравнения – в Индии имеется 150 анаэробных реакторов, Японии – 122, США – 108, Нидерландах – 98, Германии - 94). В стадии проектирования находятся анаэробные сооружения для пивоваренной промышленности в Санкт-Петербурге, Туле, Ростове-на-Дону, Ярославле, Калуге, а также для производства безалкогольных напитков в Черноголовке Московской обл. Недостатком анаэробных технологий является невозможность обеспечения качества очистки, удовлетворяющее нормам сброса в рыбохозяйственные водоемы, так как при их использовании практически не удаляются соединения азота и фосфора. В этом случае требуется применять аэробную доочистку, но затраты на нее уже значительно снижены, поскольку до 90 % загрязнений удаляется на анаробной стадии.

Биотехнологические способы детоксикации и утилизации токсичных веществ. Биосорбция и биоаккумуляция

Одним из перспективных направлений в биотехнологии является разработка методов детоксикации и утилизации токсичных веществ. Среди токсичных загрязнений, поступающих в поверхностные воды с промышленными стоками, наиболее распространены фенолы и соединения тяжелых металлов. Самым эффективным способом обезвреживания промышленных сточных вод является сорбционная очистка воды. Установлено, что эффективными сорбентами могут служить торф и различные биомассы (отходы микробиологических производств). Твердое вещество торфа, формирующееся в процессе биохимического разложения растений, состоит из высокомолекулярных соединений различной химической природы: целлюлозы, гемицеллюлозы, гуминовых веществ, лигнина и др. Торф можно использовать в качестве сорбционного фильтрующего материала для очистки нефтесодержащих и фенолсодержащих сточных вод. Биомасса микроорганизмов, используемая для получения биосорбентов, образуется в результате микробиологического синтеза антибиотиков, ферментов и других биологически активных веществ и представляет собой частично разрушенные клетки микроорганизмов, содержащие белки, полисахариды и др. Известны два основных механизма биологического связывания веществ – биосорбция и биоаккумуляция. Биосорбция связана с рядом процессов (сорбционное связывание, ионный обмен, комплексообразование, хелатное связывание, микроосаждение), которые приводят к отложению вещества на биологических структурах. В отличие от биосорбции, биоаккумуляция осуществляется только живущими организмами и связана с активным обменом веществ. На основании результатов многочисленных исследований установлено, что сорбенты на основе торфа и отходов микробиологических производств селективны и относительно дешевы. Это приводит к удешевлению процесса утилизации вредных веществ при сохранении высокой степени очистки сточных вод и способствует решению проблемы создания безотходных технологий.

Использование биотехнологии при добыче полезных ископаемых (биогеотехнология)

В последние годы интенсивно развивается биогеотехнология – область биотехнологии, исследующая роль микроорганизмов в процессах образования и разрушения месторождений нефти, угля, сульфидных руд, серы, железа и марганца и других металлов. Одним из примеров использования биотехнологии при добыче полезных ископаемых является технология низкотемпературного бактериально-химического выщелачивания металлов из сульфидных руд. В этом процессе используются специфические микроорганизмы, окисляющие сульфиды, серу и железо. В результате окисления сульфидной серы образуется серная кислота, которая переводит в раствор ионы цветных металлов. Затем эти металлы извлекаются из раствора или электролизом, или на ионообменных колонках, или иным способом. Чаще всего используется так называемый метод кучного выщелачивания. Метод бактериально-химического выщелачивания используется для получения меди, цинка и ряда других цветных металлов, особенно из руд с низким содержанием металлов. По сравнению с традиционными способами высокотемпературного обжига сульфидных руд этот метод значительно менее энергоемкий и экологически безопасный. Разработаны также методы биогенного извлечения золота. Биотехнологии находят все большее применение при добыче нефти и при очистке от нефтяных загрязнений. При применении немикробилогических методов средняя величина нефтеотдачи составляет лишь 40-45 % от разведанных нефтяных запасов. Микробиологические методы повышения нефтеотдачи основаны на способности микроорганизмов продуцировать такие нефтевытесняющие вещества как газы, растворители и т.д. Кроме того, многие микроорганизмы окисляют нефтяные углеводороды с образованием CO₂ и низкомолекулярных органических кислот, которые растворяют карбонатные минералы, увеличивая пористость нефтяного пласта, что также благоприятно влияет на повышение нефтеотдачи. Для очистки загрязненных нефтью территорий их обрабатывают нефтеокисляющими микроорганизмами, что позволяет утилизировать углеводороды нефти, превращая их в биомассу микроорганизмов и диоксид углерода.

Помимо этих, уже достаточно широко использующихся биотехнологических методов, в стадии разработки находятся новые биотехнологии, связанные с очисткой воздуха от сероводорода и летучих органических соединений, утилизацией органических веществ, образующихся при детоксикации химического оружия, борьбой с коррозией трубопроводов и т.д.

У среднение Нейтрализация Очистка от Очистка Коагу-