Биоэнергетика человека: лечение руками, по дате рождения, секреты, развитие, физиология, йога, провославие

Биоэнергетика — перспективная область биотехнологии — занимается использованием биологических процессов для получения энергии.

Биоэнергетическая промышленность — это новый сектор национальной экономики, сочетающий в себе решение проблем получения топлива из биомассы и охраны окружающей среды. Также биоэнергетика — это научная дисциплина, изучающая и разрабатывающая способы преобразования солнечной энергии в биомассу посредством биологических процессов, а также термохимическое преобразование биомассы в топливо и энергию.

В живых организмах биоэнергетика — это процесс изменения энергии в полезные формы. Изучение одной из универсальных функций живых существ — способа обеспечения энергией за счет использования внешних источников энергии. Большую роль в этом процессе играют ферменты энергетического метаболизма, которые участвуют в молекулярных механизмах. По сути, эти ферменты катализируют два типа реакций. Энергетические ресурсы из внешних источников преобразуются в АТФ, либо в разность электрохимических потенциалов ионов H или Na в мембране.

В растительности Земли содержится более 1800 триллионов килограммов сухого вещества, что эквивалентно известным запасам минеральной энергии. Примерно 68% биомассы суши приходится на леса, 16% — на травянистые экосистемы и 8% — на возделываемые земли. Коммерческое потребление энергии в мире составляет 3,9 x 1020 Дж в год, что в 10 раз меньше, чем запасенная энергия.

Учитывая постоянно уменьшающееся количество традиционных энергоносителей (уголь, нефть, газ), запасы которых на Земле не безграничны, и низкий коэффициент полезного действия сжигания топлива, при котором большая часть энергии теряется, проблема поиска новых способов получения энергии является ключевой для выживания земной цивилизации. Для этого используется обычная биотехнологическая техника, но с несколько необычным конечным продуктом — энергетическим эквивалентом, в котором химические связи ранее использованных органических соединений используются для накопления энергии. На рисунке 11.1 мы можем видеть пути преобразования энергии, которые происходят в живых системах. По мере накопления биомассы под воздействием солнечного света может вырабатываться биотехнологическая энергия. Хотя Земля получает в три раза больше солнечной энергии, чем все запасы угля, нефти, газа и урана вместе взятые в ее коре, только один процент от этого количества используется для производства энергии.

Рис. 11.1. Схематическая диаграмма преобразования энергии в живых системах

Одной из наиболее существенных проблем реализации метода обеспечения солнечной энергией является нерегулярность и рассеянность солнечной инсоляции. Несмотря на эти ограничения, возобновляемое сырье, в котором солнечная энергия аккумулируется в виде химических связей органических соединений, предлагает лучшую альтернативу. Такое сырье легко хранится и транспортируется. До сих пор остается нерешенной технологическая проблема извлечения энергии из биологического сырья. До сих пор 60% древесины используется в качестве топлива. Несмотря на это, биомасса очень неэффективна в качестве топлива (1-2%) из-за высокого содержания воды и высокой температуры горения, что приводит к значительным потерям тепла.

Биохимические реакции происходят при низких температурах (25-65°C) и подходят для материалов с высокой относительной влажностью. Химические связи органического соединения могут быть экономично преобразованы в тепловую энергию в биореакторах. Например, в биореакторах используется сахарный тростник, древесина, сточные воды, навоз, бытовые отходы, сельскохозяйственные отходы (солома и меласса), а также бумажная продукция. В зависимости от природных и экономических условий сырье различается.

Большая часть мира не может позволить себе древесину, особенно в Азии и Африке, где вопрос стоит о том, на что использовать биомассу — на еду или энергию. Однако бразильцы открыли способ разведения эвкалиптовых деревьев и получают в результате относительно дешевые растения и топливо. Поскольку древесное сырье содержит большое количество лигнина (полифенола), его трудно использовать для производства жидких энергоносителей — спиртов, для чего необходимы относительно чистые растворы углеводов. В качестве сырья для производства топлива в ряде стран используются водоросли и микроорганизмы, но чаще всего — растительные ткани с полисахаридами.

Ряд стран с ограниченными запасами нефти вкладывают значительные средства в производство технического спирта из растительного сырья, который используется в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, а также для отопления, приготовления пищи и освещения. Производство этанола из мелассы, сока сахарного тростника, крахмала или целлюлозы включает следующие стадии: подготовка сырья — гидролиз, осветление, фильтрация, пастеризация; дрожжевое брожение; дистилляция для получения 96% спирта; обезвоживание для получения абсолютного спирта; денатурация; концентрация кубовых остатков для получения удобрений, кормов, топлива, метана. Дрожжи, или Saccharomyces cerevisiae, используются для брожения сахаров, фруктозы, мальтозы и мальтотриозы, которые образуются при гидролизе сахаров и крахмала.

Анаэробная ферментация производит этанол из дрожжей. Для того чтобы размножаться и поддерживать активность, дрожжам требуется следовое количество кислорода. Рост и деление дрожжевой клетки, а также производство спирта зависят от концентрации субстрата, которым является соответствующий сахар, кислорода и конечного продукта (спирта). При выборе штаммов дрожжей для производства спирта важно выбирать штаммы, наиболее устойчивые к повышенным концентрациям сахара и спирта. Концентрация спирта в крови после сбраживания составляет 6-12 процентов. Спирт концентрируют путем паровой дистилляции и высушивания с десятикратным количеством бензола по отношению к воде. Затем спирт денатурируют. Для этого в него добавляют горькие вещества или бензин. Этот процесс изготовления этилового спирта является дорогостоящим и обычно характеризуется отрицательным энергетическим балансом.

Для производства этанола из крахмала или сахарной свеклы используется энергия, поэтому количество энергии, запасенной в определенном объеме спирта, больше. Топливо из прессованного сахарного тростника (багассы) — единственный пример положительного энергетического баланса при производстве спирта. Среди способов удешевления производства — повторное использование дрожжей, иммобилизация дрожжевых клеток, непрерывный процесс производства и создание новых культур ферментирующих микроорганизмов с помощью генной инженерии.

Второй энергетический продукт, производство которого налажено в ряде стран (Германия, Китай) — это метан. При анаэробной переработке под действием микроорганизмов из сырья образуется смесь метана и углекислого газа. В газовых реакторах используются сельскохозяйственные отходы, испорченные продукты, стоки масло- и спиртозаводов, древесные отходы. Промышленные газовые реакторы используются как на крупных сельскохозяйственных перерабатывающих предприятиях, так и в небольших домашних хозяйствах. Газ, получаемый в больших количествах, может использоваться в качестве топлива для электростанций, автомобилей и тракторов, а также для приготовления пищи и освещения. Перед распределением газ очищается, чтобы избежать образования углекислого газа и сероводорода.

Помимо производства энергии, биореакторы используются для переработки бытовых отходов, навоза и мусора. Микроорганизмы участвуют в образовании газа различными способами. Бактерии расщепляют полимеры, производят летучие жирные кислоты, включая уксусную кислоту, а также водород и углекислый газ, и вырабатывают метан (метанообразующие бактерии). В рамках первой группы микробов расщепляются жиры, белки и целлюлоза. Процесс обычно происходит при температуре 30-40 °C и pH 6-7 (оптимальные условия для мезофильных бактерий). При понижении температуры ниже 20 °C (при которой могут расти психрофильные микроорганизмы) процесс замедляется. Повышение температуры ферментации до 50-60 °C (оптимально для термофильных бактерий) ускоряет ферментацию, но при этом расходуется больше энергии (часть образующегося газа сжигается). В результате реакций гидролиза образуются жирные кислоты, аминокислоты и моносахариды, которые используются микробами из второй группы бактерий для получения различных органических кислот. Примерами являются молочная, пропионовая и уксусная кислоты.

Основным субстратом для образования метана является уксусная кислота. Кроме того, метан может быть получен из водорода и углекислого газа. В качестве источника азота для бактерий могут использоваться соли аммония. Кислород, нитриты, нитраты, сульфуриды, цианиды, сероводород и ионы тяжелых металлов препятствуют образованию метана.

Необходимым условием эффективной работы реакторов является поддержание оптимальных значений температуры и pH для используемых микробных культур. В зависимости от используемого сырья, энергетический выход при производстве метана в биореакторах составляет 20-50%. Теоретический выход производства метана из глюкозы составляет более 90%. Биогаз обычно содержит до 70% метана. Его обработка требует дополнительных затрат, которые снижают энергоэффективность. Однако биотехнологическое производство метана (биогаза) экономически выгодно, так как позволяет не только использовать сырье, не имеющее коммерческой ценности, но и решает проблему утилизации отходов. Для достижения прогресса в этом направлении необходимо изучить и рационально подобрать микроорганизмы для ферментации, усовершенствовать методы ввода сырья и подвода тепла, измерить объемы газа, разработать новые производственные процессы и системы управления.

В переработке промышленных отходов важную роль играют методы биотехнологии. Ежегодно в развитых странах образуются миллионы тонн пищевых отходов (сыворотка, барда, отходы животноводства и т.д.). перерабатываются методами промышленной биотехнологии. В настоящее время не все технологии коммерчески эффективны, но динамика процесса (особенно в последние десять лет) свидетельствует о том, что в ближайшие 10-15 лет технологии переработки и утилизации промышленных отходов войдут в массовое производство.

Рынок биопереработки промышленных отходов пока невелик, но очень перспективен. Как основной источник отходов, агропромышленные комплексы являются одними из самых значимых. В настоящее время в России перерабатывается и обезвреживается около 30% сельскохозяйственных отходов. Не соблюдаются нормы хранения отходов, в частности, отходов животноводства.

По сравнению с агропромышленным комплексом пищевая промышленность находится в несколько лучшем положении.

Этанол (послеспиртовые отходы) используется в сухом и влажном виде для кормовых целей. Сыворотка является одним из важнейших побочных продуктов молочной промышленности, на долю которой приходится 40% производства в России. Большое количество сыворотки выбрасывается в качестве отхода, несмотря на комплексное использование сыворотки. Ежегодно объем сыворотки увеличивается на 1-2%.

После открытия того, что цианобактерии и зеленые водоросли могут разлагать воду на кислород и водород под воздействием света, началось биотехнологическое производство водорода. Поскольку при сжигании водорода образуется безвредный побочный продукт, он является идеальным энергоносителем. Фотосинтезирующие микроорганизмы могут расти на простых органических или неорганических субстратах. Отходы также могут быть преобразованы в водород путем фотолиза. Учитывая, что в этом процессе и вода, и бактерии являются возобновляемыми источниками энергии, он представляется наиболее экономически эффективным.

Одним из наиболее перспективных направлений биоэнергетики является создание биотопливных элементов, преобразующих световую энергию в электрическую. Это стало возможным после открытия в конце 19 века преобразования химической энергии в электрическую, а также открытия в 20 веке движения электронов в живых организмах в процессе дыхания, фотосинтеза и других окислительно-восстановительных процессов.

В современных датчиках и анализаторах окислительно-восстановительные реакции используются для преобразования их энергии в электрическую. С их помощью можно анализировать кровь, выдыхаемый воздух и другие биоповерхности для определения концентрации глюкозы, алкоголя и других веществ. Хорошо известно, что в биосфере генерируются электрические импульсы. Они совершенствуются у электрических скатов, угрей и других животных.

Впервые электрический ток биологического происхождения был получен в 1910 году английским ботаником С. М. Поттером. Используя платиновый электрод, он погрузил один в стерильную аэробную среду, а другой — в анаэробную культуру кишечной палочки, в результате чего был получен слабый ток 0,3-0,5 В, 0,2 мА. В последние годы были разработаны различные типы регенерируемых (саморегенерирующихся) биотопливных элементов, использующих глюкозу, спирты и другие субстраты, окисляемые микробными ферментами (дегидрогеназами).

Что касается биотехнологического производства водорода, то до сих пор остается несколько нерешенных вопросов, в частности, механизм фотосинтеза и фотолиза. Биологические системы работают в течение ограниченного периода времени. Под воздействием кислорода фермент гидрогеназа ингибируется. Несмотря на это, было построено множество опытных установок, производящих несколько литров водорода в минуту. В них используются бесклеточные технологии с хлоропластами и ферментами. Срок их жизни увеличивается за счет иммобилизации (закрепления) на полимерных носителях. Фермент гидрогеназа, который не зависит от концентрации кислорода, производится с помощью методов генной инженерии. Существуют также планы по замене некоторых биологических транспортеров электронов на устойчивые искусственные окислители и восстановители. Несмотря на высокую стоимость водорода, производимого в биореакторах, и тот факт, что биореакторы еще недостаточно стабильны для использования в промышленном производстве, их развитие еще предстоит.

В настоящее время многие крупные биотехнологические компании работают над созданием фотобиовольтаических элементов. Эта технология произведет революцию в биоэнергетике. Фотосинтез микроорганизмов включает в себя перенос электронов и протонов от анода к катоду их хлоропластами, генерирующими электрический ток при замыкании цепи.

Во всем мире дискуссии о производстве и использовании биотоплива остаются острыми. Как отмечается в данной дискуссии, основные участники активно развивают собственное производство биотоплива, стимулируют рынки и финансируют исследовательские программы в этой области.

Потребление биотоплива растет более чем на 10% каждый год, как жидкого, так и твердого. Как развитые, так и развивающиеся страны приняли программы развития биоэнергетики. Быстрое развитие биоэнергетики в Европейском Союзе указывает на то, что к 2020 году доля биотоплива в энергетическом балансе Европы может превысить 10%.

У России есть прекрасная возможность внести значительный вклад в рынок биоэнергетики, грамотно используя свои ресурсы. В России ежегодно образуется более 100 млн тонн биомассы энергетических отходов стоимостью более 300 млн МВтч. При этом утилизируется менее 10% из них. России необходимо занять достойное место на развивающемся рынке пеллетного топлива.

Энергетическая биомасса России в основном поступает из:

Ниже перечислены области, в которых мы разрабатываем технологии биоэнергетики:

1) Разведка и создание масштабных высокопродуктивных источников биомассы (фотосинтез, производство древесной биомассы, промышленное выращивание углеводородопроизводящих растений, производство углеводородсодержащей непищевой биомассы, производство водной биомассы, использование твердых отходов городов);

(2) Биотехнологическая конверсия (получение этилового и других спиртов, органических кислот, растворителей из биомассы, биогаза, водорода);

Система термохимической конверсии (прямое сжигание, газификация, пиролиз, сжижение, фест-пиролиз, синтез) производит жидкое, твердое и газообразное горючее.

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ БИОТОПЛИВА –
ТВЕРДОЕ, БИОГАЗ, БИОЭТАНОЛ, БИОДИЗЕЛЬ

Биозолы — топливные гранулы или брикеты, произведенные из отходов древесины или древесины, переработанной в промышленности, а также в сельском хозяйстве. Твердое биотопливо имеет ряд экологических преимуществ перед традиционными видами топлива — более низкие энергетические затраты на производство, а выбросы углекислого газа в 10-50 раз ниже, чем при сжигании традиционных видов топлива, высокая теплотворная способность и насыпная плотность, что облегчает транспортировку, перевалку и подачу в котлы.

Производство биотоплива в настоящее время является наиболее конкурентоспособным сегментом биоэнергетики в России. Мы располагаем 25 процентами мировых запасов древесины, которые оцениваются в 82 млрд м3 или 41 млрд тонн. Древесная биомасса используется для энергетических целей в количестве 140 млн тонн в год. Хотя российские древесные гранулы могут производиться в объеме нескольких миллионов тонн в год, общий объем производства пока не превышает одного миллиона тонн в год. Потенциал ресурсов России означает, что в будущем она может стать крупнейшим в мире поставщиком пеллет. В настоящее время существует более 200 компаний, производящих пеллеты. Самые крупные предприятия находятся в Красноярском крае, а также в Ленинграде и Архангельске. В Ленинграде в 2021 году начнется предварительное строительство одного из крупнейших пеллетных заводов в мире (Выборгская лесопромышленная корпорация) с производственной мощностью один миллион тонн в год. В настоящее время более 90% древесных гранул экспортируется в Европу (Дания, Швеция) и Южную Корею. В результате активной политики европейских государств по использованию возобновляемых источников энергии и улучшению экологии, а также возможности заключения долгосрочных контрактов, использование возобновляемых источников энергии в последние годы возросло.

B ИОГАЗ (МЕТАН).

Сырая биомасса ферментируется для получения метана (биометаногенез). К 1776 году Вольта обнаружил, что болотный газ содержит метан. В результате этого процесса образуется биогаз, который на 65% состоит из метана, на 30% из углекислого газа, на 1% из сероводорода (H2S) и небольшого количества азота, кислорода, водорода и угарного газа. Пламя болотного газа голубого цвета и не имеет запаха. Бездымное горение делает сжигание дров, навоза жвачных животных или кухонных отбросов гораздо менее неприятным для людей. Биогаз эквивалентен 16,8 м3 природного газа, 20,8 л нефти и 18,4 л дизельного топлива, тогда как природный газ эквивалентен 16,4 м3 природного газа, 20,8 л нефти и 18,4 л дизельного топлива.

В биометаногенезе участвуют три стадии: растворение и гидролиз органических соединений, ацидогенез и метаногенез. При метановом «брожении» только половина органического материала (1800 ккал/кг сухого вещества) используется для преобразования энергии, по сравнению с 4000 ккал при термохимических процессах; однако остатки, или шлаки, метанового брожения используются в качестве удобрения. В биометаногенезе участвуют три типа бактерий. Первый преобразует сложные органические субстраты в масляную, пропионовую и молочную кислоты; второй преобразует эти органические кислоты в уксусную кислоту, водород и углекислый газ; затем метанообразующие бактерии восстанавливают углекислый газ в метан с помощью поглощения водорода, который в противном случае может подавлять бактерии уксусной кислоты. В 1967 году Брайант и др. обнаружили, что уксуснокислые и метанообразующие микроорганизмы образуют симбиоз, который ранее считался одним микробом под названием Methanobacillus omelianskii.

Помимо способности расти в водороде и углекислом газе, метанобактерии демонстрируют чрезвычайно высокую чувствительность к кислороду и ингибиторам выработки метана. Трофическая ассоциация между метанобактериями и водородообразующими бактериями в природных условиях выгодна для обоих типов бактерий. Таким образом, первые используют водородный газ, производимый вторыми, в результате чего его концентрация снижается и становится безопасной для использования водородообразующими бактериями.

Ферментация пропана происходит в цилиндрических ферментерах (метантенках), имеющих боковое отверстие, через которое вводятся ферментируемые вещества. В верхней части метантенка находится цилиндрический стальной контейнер, в котором собирается газ; накрывая бродильную смесь куполом, контейнер препятствует проникновению воздуха, поскольку процесс должен проходить в строго анаэробных условиях. Обычно в газовых куполах имеется трубка для отвода биогаза. Системы сбраживания строятся из кирпича, бетона или стали.

Бытовые отходы или жидкий навоз следует утилизировать в соотношении 1:1 (100 кг отходов равны 100 кг воды). Это соответствует содержанию твердого вещества 8-11 % по весу. Сброженные материалы обычно инокулируются бактериями или осадком из другого метантенка, которые производят ацетогенез и метаногенез. Метаногенные бактерии не могут расти при низком pH, и выход биогаза снижается; тот же эффект возникает при перегрузке метантенка. Для подкисления используется известь. При нейтральных условиях (pH 6,0-8,0) «пищеварительная активность» оптимальна. Температура процесса не является резкой, а зависит от мезофильности или термофильности микроорганизмов (30-40 °C или 50-60 °C).

Разлагатели обычно помещают в землю, чтобы использовать изолирующие свойства почвы. В странах с холодным климатом они обогреваются оборудованием для компостирования сельскохозяйственных отходов. Что касается потребности бактерий в питательных веществах, то избыток азота (например, в случае навозной жижи) способствует накоплению аммиака, который подавляет рост бактерий. Для оптимальной переработки соотношение C/N должно составлять примерно 30:1 (по весу). Это соотношение может быть изменено путем смешивания богатых азотом субстратов с богатыми углеродом субстратами. Например, соотношение C/N в удобрении может быть изменено путем добавления соломы или мякоти сахарного тростника.

Пищевые отходы и сельскохозяйственные отходы имеют высокое содержание углерода (отходы свекловичного перегона содержат до 50 граммов углерода на литр), поэтому они наиболее подходят для ферментации с использованием метана. Образованию метана препятствует наличие крупных комков в твердых материалах. Как правило, коровий навоз перерабатывается в течение двух-четырех недель. Температура 35°C в течение двух недель убивает все патогенные энтеробактерии, энтеровирусы и 90% популяций Ascaris lumbricoides и Ancylostoma.

Как видно из рисунков 11.2-11.3, описаны различные типы систем для интеграции производства и использования биогазовых установок в сельских районах с налаженным сельскохозяйственным производством и накоплением органических отходов. Это позволяет создавать источники тепловой и электрической энергии и, следовательно, передавать принципы управления биоэнергетикой в этих районах, экологизировать ее и создавать новые рабочие места.

Получаемый биогаз на 62% состоит из метана и на 38% из углекислого газа, последний из которых предназначен для ускорения фотосинтеза в теплицах. Из отходов переработки, которые содержат всего 12% твердого вещества, можно выращивать аквакультуру (рыбу), скот и вносить органические удобрения. Европейские «биодеревни» показали, что отходы животноводства, богатые белками, минеральными солями и витаминами, могут использоваться в качестве корма для скота, заменяя до 25% сухого вещества поглощенного корма.

Рис. 11.2.Схема организации биоэнергетики при переработке органических отходов
с использованием тепловой и электрической энергии

Рисунок 11.3: Схема биогазовой установки в сельской местности

Биогаз — это источник энергии, который является источником удобрений и кормов; технологические отходы служат высококачественным компонентом удобрений; они вносят вклад в поддержание окружающей среды.

БИОЭТАНОЛ

Традиционное производство этанола из растительных отходов для использования в качестве биотоплива. Производство биоэтанола в мире растет с каждым годом, лидерами являются США, Бразилия, Китай и Индия. Большая часть биоэтанола производится из кукурузы (США) и сахарного тростника (Бразилия). Крахмалистые культуры, такие как маниока, картофель, сахарная свекла, ямс, сорго, ячмень и т.д. также могут быть использованы в качестве сырья для производства биоэтанола. Большим потенциалом обладает маниок. Кассава широко выращивается в Китае, Нигерии и Таиланде. Впервые негидратированный спирт был использован в топливных присадках.

Для производства биоэтанола используется тот же процесс ферментации, что и для производства пива и пищевого спирта (рис. 11.4-11.5). Под действием ферментов крахмал из зерен и клубней растений превращается в простые сахара. Пиво производится путем сбраживания сахаров из сахарной свеклы, сахарного тростника и сорго с помощью дрожжей для получения смеси спирта, воды и несброженных остатков. После дистилляции этанол отделяется от пива и очищается с помощью ректификационных колонн, в результате чего получается смесь этанола и воды. На стадии дегидратации из смеси удаляется остаточная вода, в результате чего получается безводный биоэтанол, который можно использовать в качестве окислителя или высокооктановой добавки к бензину.

Рис. 11.4. Производство биоэтанола сухим методом

Рис. 11.5. Производство биоэтанола мокрым методом

Отходы от производства биоэтанола имеют множество применений. Наиболее распространенное применение — производство сухих гранул растворимого сала, богатого белком и питательными веществами корма для крупного рогатого скота, свиней и птицы. Полученная биомасса также может быть использована в качестве топлива для производства электроэнергии и тепла или в качестве сырья для производства метана.

Основным преимуществом биоэтанола при использовании его в качестве 10% добавки к бензину является снижение выбросов аэрозольных частиц в атмосферу (до 50%) и выбросов СО до 30%. Это достигается благодаря наличию в его составе кислорода, который позволяет более полно сжигать углеводороды, содержащиеся в топливе.

В 2021 году Китай произвел 2,16 млн тонн биоэтанола, став третьим по величине производителем и потребителем биоэтанола в мире, уступая США и Бразилии.

Коммерческая сельскохозяйственная продукция (пшеница, кукуруза, просо, рис и т.д.) представляет собой проблему при производстве биоэтанола. это сокращение доли земель, используемых для производства кормовых и продовольственных культур и, как следствие, рост цен на продукты питания. Существует также ряд недостатков биоэтанола как компонента бензина, среди которых более низкая энергетическая плотность, коррозионная активность, низкая светимость пламени, низкое давление паров и высокая смешиваемость с водой.

Биомасса растительных отходов (древесина, трава и лигноцеллюлозная биомасса) является самым дешевым возобновляемым ресурсом для производства биоэтанола. В производстве биоэтанола участвуют два основных процесса: расщепление лигноцеллюлозы до сахаров и ферментация сахаров в этанол. Текущая технология производства этанола из лигноцеллюлозных материалов является относительно дорогой, а основными препятствиями являются низкий выход и высокая стоимость процесса гидролиза. Использование микроорганизмов, способных превращать биомассу в этанол, является альтернативным способом производства биоэтанола. За последние два десятилетия многочисленные микроорганизмы приобрели способность избирательно вырабатывать этанол. Грамотрицательные бактерии: Escherichia coli, Klebsiella oxytoca и Zymomonas mobilis добились наибольшего успеха. Грибки Trichodermareesei получили некоторую поддержку от некоторых авторов. Было отмечено, что этап ферментации при производстве этанола из кукурузного волокна представляет собой серьезную проблему из-за бактериального загрязнения. В целом, переработка сельскохозяйственных, промышленных и коммунальных отходов для производства этанола позволит улучшить качество воздуха и утилизировать твердые отходы. Побочные продукты производства биоэтанола, такие как лигнин, могут быть использованы для выработки электроэнергии и пара (около 3,6% мирового производства электроэнергии).

В настоящее время лигноцеллюлозные материалы не могут быть использованы для производства большого количества биоэтанола для топлива. Благодаря усовершенствованным технологиям, коммерциализация производства этанола на основе биомассы направлена на снижение затрат и увеличение выхода. После гидролиза проса выход глюкозы может составлять от 70% до 90%, а выход ксилозы — от 70% до 100%. Предварительная обработка и гидролиз приводят к выходу этанола в диапазоне от 72 % до 92 % от теоретического максимума. Многотопливное производство из биомассы в настоящее время признано высокоэффективным и экономичным методом одновременного производства биоэтанола и биоводорода.

БИОДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО ИЛИ БИОДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО

Топливо, полученное в результате этерификации растительных или животных жиров (масел). Биодизель производится в Европе, США, Бразилии и Китае.

В процессе производства биодизеля растительное масло переэтерифицируют с метанолом, реже с этанолом или изопропиловым спиртом (примерно в пропорции 200 кг гидроксида калия или натрия на тонну масла) при температуре 60 °С и нормальном давлении. Оно используется в автомобилях в чистом виде, а также в виде различных смесей с дизельным топливом.

Доктор Рудольф Дизель изобрел первый дизельный двигатель, работающий на растительном масле, в 1895 году, и с тех пор растительное масло также используется в качестве топлива. На Всемирной выставке в Париже в 1900 году Дизель продемонстрировал его, используя в качестве топлива арахисовое масло.

Использование биодизеля дает следующие основные преимущества:

Единственное альтернативное топливо, которое можно использовать в любом обычном, немодифицированном дизельном двигателе, — это биодизель. Топливо хранится в таких же условиях, как и обычное дизельное топливо;

Во-вторых, биодизель можно потреблять в чистом виде или смешивать с традиционным дизельным топливом в любом соотношении. Чаще всего используется смесь из 20% биодизеля и 80% нефтяного дизельного топлива (B20 в Европе);

В результате снижения мутагенности биодизеля риск развития рака снижается на 90% в жизненном цикле биодизеля; в жизненном цикле биодизеля выделяется примерно на 80% меньше углекислого газа и почти на 100% меньше сернистого газа;

4 — Биодизель состоит на 11% (по весу) из кислорода и не содержит серы; его использование может продлить срок службы дизельных двигателей, так как он имеет лучшие смазочные характеристики, чем нефтяное дизельное топливо, в то время как другие факторы (расход топлива и т.д.) сравнимы;

5 — Биодизель биологически чист, как сахар, в 10 раз менее токсичен, чем поваренная соль, и имеет высокую температуру воспламенения (около 150oC по сравнению с 55oC для нефтяного дизельного топлива);

Это биотопливо может быть изготовлено из многих видов возобновляемых масличных культур (таких как соя, кукуруза или рапс, отработанные жиры);

При горении биодизель имеет приятный запах, похожий на запах попкорна или жареного картофеля.

Недостатки биодизеля как топлива для двигателей: при сгорании биодизеля выделяется больше окиси азота, чем при сгорании нефтяного дизельного топлива; потребление пищевого сырья (рапс, подсолнечник), что приводит к повышению стоимости продуктов питания; биодизель обладает свойствами растворителя, что может вызвать проблемы в старых дизельных двигателях; происходит незначительное ухудшение основных параметров и пробега автомобиля; различия в качестве, в зависимости от типа жирового сырья.

Целью процесса приготовления биодизельного топлива является снижение вязкости растительного масла, что может быть сделано несколькими способами. Растительные масла в основном представляют собой триглицериды (эфиры жирных кислот, растворенные в глицерине), смешанные с трехатомными спиртами. Глицерин отвечает за вязкость и плотность растительного масла. Таким образом, для получения биодизельного топлива глицерин необходимо удалить, заменив его спиртом. Таким процессом является переэтерификация.

Использование отработанного растительного масла в качестве сырья — еще один вариант. Здесь необходимо провести предварительную фильтрацию для удаления примесей и воды. Катализатор и спирт добавляются в масло после его нагревания (для ускорения реакции). Метанол дает метиловый эфир жирных кислот; этанол — этиловый эфир. Для ускорения реакции можно также использовать кислоту. Следующим шагом является перемешивание смеси и ее отстаивание в течение некоторого времени. После отстаивания смесь образует в верхнем слое биодизель (химически называемый «эфиром»), затем мыльный слой, а в нижнем остается глицерин. Глицерин и мыльный слой отделяют, а биодизель промывают различными способами для удаления остатков мыла, катализатора и любых возможных примесей. После этого его сушат для удаления оставшейся воды, например, с помощью сульфата магния. Затем используется простая фильтрация для удаления осушителя. Из одной тонны растительного масла и 111 кг спирта (в присутствии 12 кг катализатора) получается примерно 970 кг (1100 л) биодизеля и 153 кг первичного глицерина.

В результате реакции глицерин выпадает в осадок. Глицерин должен быть темнее, чем биодизель. Глицерин остается жидким при температуре 38 °C и может быть легко удален со дна смесителя с помощью отдельного шланга при поддержании постоянной температуры. Масла, полученные из отработанных масел, как правило, имеют коричневый цвет и застывают при 38°C, в то время как свежее масло, полученное из первичного масла, остается жидким при более низких температурах. В качестве побочного продукта при испарении метанола при 65,5°C оно может быть использовано. Внедрение биодизеля в России не терпит отлагательств, так как мы уделяем мало внимания качеству топлива, и начинать нужно с законодательства по улучшению качества топлива. Кроме того, в настоящее время инвестиционная привлекательность производства биодизеля ниже, чем производство традиционного топлива, а использование пищевого сырья (рапс, соя, подсолнечник) нерентабельно.

В настоящее время биодизель производится из альтернативного сырья, разрабатываются новые технологии, ускоряется строительство новых заводов по производству горючего топлива.

Биодизель можно производить из водорослей как сырья. Фитоэкономисты считают, что водоросли, содержащие высокую долю липидов (до 80% веса), обеспечат производителей биодизеля в 150-300 раз большим количеством масла, чем соевые бобы. Общепризнано, что водоросли более эффективны по сравнению с другими источниками с точки зрения производства энергии. Биосинтез особых видов водорослей привлекателен еще и тем, что при этом поглощается углекислый газ из атмосферы. Для роста этих водорослей необходим жаркий, влажный климат и земля. Для этих целей можно использовать землю, которую нельзя использовать для выращивания продовольственных культур.

Водоросли можно выращивать в биореакторах, использующих тепло от электростанций или других источников (биогазовые установки), которые обеспечивают тепло для выращивания водорослей. Технология не требует жаркого пустынного климата. Водоросли размножаются путем деления. Поскольку они делятся каждые 12 часов, вода в биореакторе превращается в плотную зеленую массу. Затем центрифуга раскручивает содержимое цилиндра. Почти весь остаток является биотопливом. Богатая жирами часть этой массы преобразуется в биодизель, а углеводороды — в биоэтанол.