2. Фотосинтез

Фотосинтез – процесс образования органических веществ и аккумулирования химической энергии под действием солнечного излучения.

При фотосинтезе происходят химические реакции, в которых, в основном, участвуют углерод С, водород Н₂, кислород О₂ и солнечное излучение. При фотосинтезе получаются химические соединения этих элементов, которые при дальнейшем взаимодействии с кислородом высвобождают энергию в виде тепла. Выход тепла составляет 16 МДж/кг (4,8 электронвольт на один атом углерода, 470 кДж на моль углерода).

Фотосинтетическая реакция представляется в виде:

_свет

СО₂ + 2Н₂О  О₂ + СН₂О + Н₂О,

СН₂О – представляет собой основной компонент углеводов.

Энергия, приходящаяся на один атом углерода в конечных продуктах этой реакции, примерно, на 5 электрон-вольт больше, чем у исходного материала. Это происходит в результате поглощения 8 фотонов света.

Для получения глюкозы С₆Н₁₂О₆ реакция фотосинтеза записывается в виде: _свет

6СО₂ + 12Н₂О  6О₂ + С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О

Схема планетарного кругооборота биомассы с использованием фотосинтеза приведена на рис.5.1.

Рис.5.1.

3. Получение спирта из биомассы

Перспективными для применения в качестве горючего являются низшие спирты (метанол, этанол), получаемые в микробиологических процессах с использованием растительного сырья.

Сырьем для процессов спиртового брожения может быть биомасса, включая крахмалосодержащие и сахаросодержащие материалы (зерно, сахар, отходы деревообрабатывающей промышленности). Процесс складывается из нескольких стадий, включающих подготовку сырья, брожение, отгонку и очистку спирта, денатурацию, переработку остатков. Этиловый спирт получают из гексоз в процессах брожения, вызываемых бактериями, клостридиями, дрожжами

C₆H₁₂O₆ 2CH₃CH₂OH + 2CO₂

Продуктивность составляет от 1 до 10 г/л·ч.

Этиловый спирт является прекрасным экологически чистым горючим для двигателей внутреннего сгорания. Использование чистого этанола или в смеси с бензином существенно снижает загрязнение окружающей среды выхлопными газами, так как при сгорании образуются углекислота и вода. Поэтому в странах с большими запасами природного растительного сырья целесообразно ориентировать производство моторных топлив на процессы микробного брожения.

4. Биотопливные элементы

Биотопливные элементы представляют собой электрохимические генераторы тока. В основе процесса лежит происходящее на электродах электрохимическое окисление топлива и восстановление окислителя (кислорода). При этом генерируется электрохимический потенциал, соответствующий свободной энергии окисления водорода до воды

2H₂ 4H⁺+4e^-

O₂+4H^-+4e^- 2H₂O

Применение биосистем в конструкциях топливных элементов увеличивает их коэффициент полезного действия. В такой системе микроорганизмы на основе ряда субстратов (углеводы, метан, спирты) непрерывно генерируют водород, который далее окисляется в элементе “водород – кислород” с образованием электроэнергии.

5. Технологии использования биомассы

Для крупномасштабного преобразования солнечной энергии эффективными являются методы, основанные на использовании биосистем. Среди этих методов выделяются биотехнологии превращения биомассы в энергоносители, производство спирта, топлива на основе этанола. Представляют интерес принципиально новые технологии, ориентированные на модификацию и повышение эффективности процесса фотосинтеза, создание биотопливных элементов, а также получение водорода.

Наиболее широкое распространение получили технологии с использованием биомассы. Энергия получается при преобразовании энергии солнца в потенциальную энергию органического вещества. В качестве биотоплива используются древесина, растительное сырье, осадки городских сточных вод, сельскохозяйственные отходы в виде навоза и помета, остатков растительного урожая, твердые бытовые отходы.

Основные технологии использования биомассы представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1.

Вид биомассы	Технология переработки	Продукт
Сухая	Газификация	Горючие газы Метанол
	Пиролиз	Горючие газы, смола, древесный уголь или полукокс
	Гидролиз и дистилляция	Этиловый спирт
Влажная	Анаэробное сбраживание	Биогаз
	Брикетирование	Топливные брикеты
	Прессование	Этиловый спирт
	Сбраживание и дистиляция