Модуль4

1. Биотехнология в решении энергетических проблем?

Получение энергии путём использования методов биотехнологии является крайне перспективным направлением, поскольку в данный момент в мире и обществе обострились проблемы, связанные с использованием не возобновляемых природных ресурсов и экологическому вреду, который наносит человек природе.

Основным источником энергии в биотехнологии является солнце, которое является неиссякаемым источником энергии для всего живого на земле. Наиболее эффективны для крупномасштабного преобразования солнечной энергии – методы, основанные на использовании биосистем.

Перспективны биологические технологии превращения биомассы в энергоносители в процессах биометаногенеза и производства спирта, а также искусственное увеличении продукции фотосинтеза, создание биотоплива из отходов промышленной деятельности.

2. Технология получения биогаза, спирта?

Получение биогаза – биометаногенез, в ходе процесса разложения сложных органических субстратов при участии смешанной из разных видов микробной ассоциации.

Биогаз представляет собой смесь из 65–75 % метана и 20–35 % углекислоты, а также незначительных количеств сероводорода, азота, водорода.

Биогаз получается в результате симбиоза микробной ассоциации, в которой присутствуют организмы деструкторы. Основными из которых являются метаногенные археи, которые и ответственны за преобразование полупродуктов из субстрата в биогаз.

Схема промышленного производства биогаза.

1) Биологические отходы с ферм или производств поступают в ёмкостный резервуар, где их гомогенизируют и при необходимости дополнительно обрабатывают (измельчают, сушат и тд.)

2) Далее сырьё поступает в биореактор, который представляет собой ёмкость, снабжённую мешалками, нагревательными элементами и куполом для сбора выделяющегося газа.

3) Исходный материал засевают ацетогенными и метанообразующими микроорганизмами из отстоя сброженной массы от предыдущего цикла. Ph смеси по мере процесса уходит в кислую сторону, потому для регуляции используют известь.

4) По мере образования биогаза, его собирают в куполе и очищают от примесей (сероводород, пар и тд.) и закачивают в хранилище, излишки биогаза сжигают факелом.

5) Отработанное сырьё используют в качестве удобрения или утилизируют

6) Цикл повторяется снова.

Получение спирта - получение в результате анаэробного спиртового брожения микроорганизмами.

Сырьём выступают различные биомассы (чаще всего растительного происхождения)

Технология

1) Подготовка сырья (сушка, измельчение)

2) Процесс брожения (существует множество способов, поскольку спирт ингибирует рост клеток, то необходимо время от времени удалять его и заносить новый инокулят)

3) Отгонка и очистка спирта (вместе со спиртом образуются различные кислоты, сивушные масла, углекислота, которые необходимо удалить и очистить, они тоже имеют ценность как промышленное сырьё)

4) Денатурация и пераработка остатков (для полноты использования сахаров в субстрате разрабатываются методики их повторного использования)

3. Перспективы получения углеводородов биотехнологическими процессами. Фотоводород. Микробное выщелачивание и биогеотехнология металлов. Химизм процесса микробного взаимодействия с минералами и горными породами?

Получение углеводородов биотехнологическим способом.

На данный момент применяют зеленую водоросли Botryococcus braunii, есть несколько экспериментальных ферм по получению углеводородов таким способом, но продуктивность на данный момент крайне низкая.

Данный метод может стать актуальным в случае исчерпания человеком естественных углеводородов в результате неконтролируемой добычи. Однако необходимо решить ряд вопросов по оптимизации условий для синтеза и организации производства.

Получение водорода.

Для создания водорода при помощи биологических систем необходимо, что на имела 2 компонента:

1) электрон-транспортную систему фотосинтеза, включающую систему разложения воды; 2) катализаторы образования водорода

Лабораторные опыты подтвердили возможность использования таких систем для получения водорода. Но основная цель этих исследований – разработка полностью искусственных систем, действующих по схеме естественных водорослевых или бактериально-растительных систем для стабильно получения чистого водорода.

Бактериальное выщелачивание.

Данный метод является очень перспективным поскольку по мере истощения природных ресурсов человечеству придётся работать со всё менее и менее обогащёнными металлами рудами, поэтому использование микроорганизмов для их выщелачивания может позволить компенсировать потери, вызванные снижением качества породы.

Для каждого типа породы в зависимости от её состава используют свою группу микроорганизмов, это могут быть:

1) Сульфатвосстанавливающие бактерии восстанавливающие сульфаты

2) Денитрифицирующие бактерии использующие окислы азота

3) Железоокисляющие бактерии, переводящие медь из рудных минералов в раствор

Помимо этих существует ещё огромное количество микроорганизмов, которые могут переводить в ходе окисления металлы из минералов в раствор в результате прямого или непрямого окисления металлов. (Примеры реакций даны в методическом пособии на странице 110)

4. Биогидрометаллургия как раздел биотехнологии. Принципы, продуценты, технологии.

Биогидрометаллургия базируется на бактериальном выщелачивании микроорганизмами в результате своей жизнедеятельности металлов из минералов в растворы.

При помощи данного метода получают большой перечень важных для промышленности металлов (уран, медь, железо и др.)

Основной принцип данного направления – это поддержание и стимулирование окисляющих бактерий, переводящих металл в раствор.

Пример технологической схемы переработки шламов для получения металлов

5. Биохимические основы бактериального выщелачивания металлов.

Микробное выщелачивание

Методы извлечения меди из пород, содержащих минералы, путем обработки их кислыми растворами используются уже много веков. Однако лишь в 50-е и 60-е годы ХХ века выяснилось, что в получении металлов из минералов решающую роль играют бактерии[4]. В 1947 г. Колмер и Хинкл выделили из шахтных дренажных вод бактерию Tiobacillus ferrooxydans. Этот организм окислял двухвалентное железо и восстанавливал серосодержащие соединения, а также, возможно, и некоторые металлы. Вскоре оказалось, что он участвует в переводе меди из рудных минералов в раствор.

Окислительным процессом, катализируемым бактериями, является окисление железа,

4FeSO2 + O2 + 2H2SO4 = 2Fe2 (SO4)3 + 2H2O, (1)

и окисление серы,

S8 + 12O2 + 8H2O = 8H2SO4. (2)

Ряд минералов непосредственно окисляется некоторыми выщелачивающими организмами. Примерами такого рода могут быть окисление пирита,

2FeS2 + 15O2 + 2H2O = 2Fe2 (SO4)3 + 2H2SO4, (3)

и сфалерита,

ZnS + 2O2 = ZnSO4. (4)

Ион трехвалентного железа служит сильным окисляющим агентом, переводящим в раствор многие минералы, например, халькоцит,

Cu2S + 2Fe2 (SO4)3 = 2CuSO4 + 2Fe2SO4 +Sº, (5)

и уранинит,

UO2 + Fe2 (SO4)3 = UO2SO4 + 2FeSO4. (6)

Выщелачивание, происходящее при участии иона трехвалентного железа, который образуется в результате жизнедеятельности бактерий, называют «непрямой» экстракцией.

В настоящее время бактериальное выщелачивание, известное также как биогидрометаллургия или биоэкстрактивная металлургия, применяется в промышленных масштабах для перевода в растворимую форму меди и урана.