Получение газообразного и жидкого топлива. Получение биогаза, метана, спиртов, тепловой энергии

Министерство Образования Российской Федерации

ГОУ ВПО «Уральский Государственный Технический Университет-УПИ»

Кафедра технологии органического синтеза

Реферат

по микробиологии

«Получение газообразного и жидкого топлива. Получение биогаза, метана, спиртов, тепловой энергии и молекулярного водорода»

Преподаватель:

Студентка гр.

Екатеринбург

2005

Содержание

Введение 3

1. Получение газообразного и жидкого топлива 4

2. Биогаз 5

2.1 Свойства метанобразующих бактерий 7

2.2 Технология получения метана 10

3. Получение спиртов 14

4. Получение тепловой энергии при бактериальном окислении 16

5. Получение молекулярного водорода 17

5.1 Образование молекулярного водорода хемотрофами 18

5.2 Образование молекулярного водорода фототрофами 19

Заключение 23

Список литературы 24

Введение

В наше время все острее становится вопрос об изыскании надежных, альтернативных, экологически чистых, постоянно возобновляемых источников энергии и создании энергосберегающих технологий. С проблемами современной энергетики тесно смыкается решение задач по проблеме охраны окружающей среды. Необходимо разработать научные методы и технологии получения энергии при одновременном решении вопросов, связанных с защитой окружающей среды от непрерывно поступающих в биосфер загрязнений.

Последние два десятилетия характеризуются выдающимися достижениями биотехнологии, являющейся междисциплинарной областью знаний, базирующейся на микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, биоорганической химии, биофизике, вирусологии, иммунологии, генетике, инженерных науках и электронике.

В настоящее время достижения биотехнологии перспективны во многих отраслях:

в промышленности, в экологии, в медицине, в сельском хозяйстве и в энергетике.

В частности, в энергетике – это применение новых источников биоэнергии, полученных на основе микробиологического синтеза и моделированных фотосинтетических процессов, биоконверсии биомассы в биогаз.

Развитие биотехнологии позволяет существенно интенсифицировать производство, повышать эффективность использования природных ресурсов, решать экологические проблемы, создавать новые источники энергии.

Все возрастающий дефицит ископаемых топливных ресурсов выдвигает на первый план острую проблему создания и внедре­ния возобновляемых источников энергиии сырья за счет биосистем: растений и фототрофных микроорганизмов, конвертирующих с высокой эффективностью солнечную энергию в энергию хими­ческих связей.

Экологически чистую энергию можно получать также путем преоб­разования солнечной энергии в электрическую с помощью сол­нечных коллекторов, а также из биогаза и микробного этанола.

П
ОЛУЧЕНИЕ ГАЗООБРАЗНОГО
И ЖИДКОГО ТОПЛИВА

В качестве одного из основных источников энергии будущего рассматривают конверсию энергии Солнца. Благодаря прямому использованию различных форм солнечной энергии (тепловой, фотоэлектрической, энергии ветра и биомассы, образуемой в ре­зультате фотосинтеза) можно избежать теплового загрязнения, твердых и газообразных выбросов в биосферу, сохранить тепло­вой и углекислотный баланс в атмосфере и существенно уменьшить потребление ископаемых топлив. В последнее время серьезное внимание уделяется биологическим методам конверсии солнечной энергии, среди которых фотосинтез занимает ведущее место.

В процессе фотосинтеза ежегодно конвертируется 3×10²⁴
Дж солнечной радиации. Это позволяет только в континентальных лесах накапливать до 70 млрд. т биомассы, что по своему энерго­содержанию втрое превышает современное потребление энергии в мире. Использование биомассы в качестве источника топлива открывает определенные перспективы решения проблемы энерге­тики и охраны окружающей среды. Наиболее реальными являют­ся два основных метода получения топлива из биомассы: биоло­гическая конверсия и термохимическая конверсия.

Биологическая конверсия
включает анаэробные микробиологические процессы: получение метана (биогаза), молекулярного водорода, этилового спирта, бутанола, ацетона и других раство­рителей, а также органических кислот. Несколько в сторонеот этих процессов стоит метод получения тепловой энергии при аэробной микробиологической деструкции твердой биомассы.

Основную часть воспроизводимой биомассы составляет древе­сина (лигноцеллюлоза), которая из-за особенностей своего строения с большим трудом поддаётся биологической конверсии. Поэтому в ближайшие годы основным сырьем для производства топлив методом биоконверсии будут служить легко трансформируемые органические соединения — отходы, образовавшиеся в результате промышленных и других переработок первичной био­массы. В развитых странах в год на одного человека приходится до 5 т органических отходов по сухому веществу. Многие из них представляют серьезную экологическую опасность и требуют не­замедлительного обеззараживания, утилизации и уничтожения. С ростом производств и урбанизацией происходит концентрация этих отходов, что требует, с одной стороны, применения неотлож­ных мер с целью их обезвреживания, с другой — позволяет применить прогрессивные технологии переработки с возможным вто­ричным получением топлива.

Для решения этих задач в ближайшее время будут использо­ваны в основном два метода биологической конверсии органиче­ских отходов в топливо: 1) так называемое метановое брожение с получением биогаза; 2) спиртовое брожение с получением эта­нола. Это определено, во-первых, физическими характеристиками получаемых топлив, во-вторых, относительной простотой и низкой стоимостью технологий, конкурентоспособных с технологиями получения обычных топлив и, в-третьих, особенностями процес­сов, позволяющих эффективно обезвреживать и утилизировать отходы.

БИОГАЗ

Биогаз — это смесь из 65 % метана, 30 % СО₂
, 1 % сероводоро­да и незначительных примесей азота, кислорода, водорода и угар­ного газа. Энергия, заключенная в 28 м³
биогаза, эквивалентна энергии: 16,8 м³
природного газа; 20,8 л нефти; 18,4 л дизельного топлива. В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения, или биометаногенез — процесс превращения биомас­сы в энергию.

Биометаногенез
— сложный микробиологический процесс, в котором органическое вещество разлагается до диоксида углерода и метана в анаэробных условиях. Микробиологическому анаэробно­му разложению поддаются практически все соединения природ­ного происхождения, а также значительная часть ксенобиотиков органической природы. В анаэробном процессе биометаногенеза выделяют три последовательные стадии, в которых участвуют свы­ше 190 различных микроорганизмов. На первой стадии
под влия­нием экстрацеллюлярных ферментов ферментативному гидроли­зу подвергаются сложные многоуглеродные соединения — белки, липиды и полисахариды. Вместе с гидролитическими бактериями функционируют и микроорганизмы — бродильщики, которые ферментируют моносахариды, органические кислоты.

На второй стадии
(ацидогенез) в процессе ферментации уча­ствуют две группы микроорганизмов: ацетогенные и гомоацетатные. Ацетогенные Н₂
-продуцирующие микроорганизмы фермен­тируют моносахариды, спирты и органические кислоты с образо­ванием Н₂
, СО₂
, низших жирных кислот, в основном ацетата, спиртов и некоторых других низкомолекулярных соединений. Де­градация бутирата, пропионата, лактата с образованием ацетата происходит при совместном действии ацетогенных Н₂
-продуци­рующих и Н₂
-утилизирующих бактерий. Гомоацетатные микроор­ганизмы усваивают Н₂
и СО₂
, а также некоторые одноуглеродные соединения через стадию образования ацетил-КоА и превраще­ния его в низкомолекулярные кислоты, в основном в ацетат.

На заключительной третьей стадии
анаэробного разложения отходов образуется метан. Он может синтезироваться через стадию восстановления СО₂
молекулярным водородом, а также из метильной группы ацетата. Некоторые метановые бактерии спо­собны использовать в качестве субстрата формиат, СО₂
, метанол, метиламин и ароматические соединения (рис. 1)

Углеводы, белки и другие биополимеры

СО₂
+ СН₄

Рис. 1 Деструкция биополимеров до метана природными ассоциациями микроорганизмов, протекающая в 3 стадии

В зависимости от температуры протекания процесса метановые бактерии разделяют на мезо- и термофильные. Оптимальная тем­пература для мезофильных бактерий от 30 до 40°С, а для термо­фильных от 50 до 60°С. В целом термофильный процесс метаногенеза идет интенсивнее мезофильного, притом в этих условиях ана­эробной переработки отходов субстрат обеззараживается от пато­генной микрофлоры и гельминтов. При анаэробной переработке отходов животноводческих ферм микрофлора метантенков (анаэ­робных ферментеров) формируется преимущественно из микро­флоры желудочно-кишечного тракта данного вида животных и мик­рофлоры окружающей среды. Из наиболее часто встречающихся куль­тур следует отметить Lactobacillus
acidophilus,
Butyrivibrio
fibrisolvens,
Peptostreptococcus
productus,
Bacteroides
uniformis,
Eubacterium
aerofaciens.

К числу целлюлозоразлагающих бактерий микрофлоры жвачных относятся Bacteroides
succinoqenes
и Ruminococcus
flavefaciens.
Из рубца и навоза жвачных были изолированы такие метанообразующие бактерии, как Methanobacterium
mobile,
Methanobrevibacter
rumi-
nantium
и Methanosarcina
ssp
. После определенного срока работы метантенка при установленном температурном режиме и на постоян­ном субстрате образуется сравнительно стабильный консорциум микроорганизмов. В ходе изучения микрофлоры свиного навоза при метановом брожении выделено около 130 различных бактерий.

Первую стадию разрушения сложных органических полимеров осуществляют бактерии семейств Enterobacteriaceae,
Lactobacillaceae,
Streptococcaceae,
атакже представители родов Clostridium,
Butyrivibrio,
Bacteroides,
Rumino­
coccus
и некоторых других способных к брожению.Главные продукты ферментации — ацетат, пропионат, сукцинат, Н₂
и СО₂
. Конечными продуктами фермента­ции целлюлозы и гемицеллюлозы под действием бактерий, выде­ленных из рубца жвачных и кишечника свиней, являются различ­ные летучие жирные кислоты.

Бактерии второй, или ацетогенной, фазы, относящиеся к ро­дам Syntrophobacter,
Syntrophomonas
и Desulfovibrio,
вызывают раз­ложение пропионата, бутирата, лактата и пирувата до ацетата, Н₂
и СО₂
— предшественников метана. Ряд микроорганизмов спо­собны синтезировать ацетат из СО₂
в термофильных условиях, к их числу принадлежат Clostridium
formicoaceticum,
Acetobacterium
woodii,
метановые бактерии из родов Methanothrix,
Methanosarcina,
Methanococcus,
Methanogenium
и Methanospirillum.

Свойства метанобразующих бактерий

Полагают, что метанобразующие бактерии, или метаногены, возникли около 3,0—3,5 млрд. лет тому назад и достигли своего расцвета в архее.

Сейчас эти микроорганизмы имеют достаточно широкое распространение, приуроченное к анаэробным условиям. Вместе с другими бактериями они активно участвуют в деструкции орга­нических веществ в различных экологических нишах: в болотном, речном и озерном иле, в осадках морей и океанов, в искусственных технических сооружениях — метантенках, в рубце жвачных и пищеварительном тракте ряда других животных.

Среди этих бактерий есть организмы, клетки которых близки к сферическим, образующие агрегаты, похожие на сарцин, ланце­товидные, палочковидные и нитевидные формы. Большинство неподвижны, но отдельные виды проявляют способность к дви­жению в результате наличия жгутиков.

Как и другие архебактерии, метаногены отличаются от ос­тальных прокариот (эубактерий) составом ряда компонентов клеток, в том числе клеточной стенкой, не содержащей муреина, а также характером липидов, в которые не входят жирные кислоты. Большую часть нейтральных липидов составляют про­стые эфиры глицерина и длинноцепочечного спирта фитанола. В метаболизме метанобразующих бактерий участвует кофермент М (2-меркаптоэтансульфоновая кислота), факторF₄₂₀
, представляющий собой особый флавин, и ряд других соединений, которые у остальных организмов не обнаружены или встречаются крайне редко. Но главное, что отличает метаногенов, как и дру­гих архебактерий, от остальных организмов, — это нуклеотидная последовательность в 16S рРНК, о чем свидетельствует изучение состава получаемых из нее олигонуклеотидов.

В то же время отдельные виды метанобразующих бактерий по этому показателю, а также содержанию ГЦ в ДНК (от 30,7 до 61,0 мол. %) могут отличаться весьма значительно. На этом основании их подразделяют на три порядка, включающих не­сколько семейств и родов. Наиболее изученными видами явля­ются Methanobacterium
thermoautotrophicum,
Methanosarcina
barkeri,
Methanobrevibacter
ruminantium.

Все метанобразующие бактерии — строгие анаэробы. Как уже говорилось выше, они делятся на мезо- и термофилов. К числу термофилов относится, например, М.
thermoautotrophicum.
Оптимальное значение рН для роста разных видов 6,5—8,0. Некоторые штаммы способны расти при наличии в среде до 5—7 % и более NaCl.

Как источник серы бактерии чаще всего используют сульфид, а как источник азота — аммоний. Некоторые виды нуждаются для роста в наличии дрожжевого автолизата или смеси витаминов. Известны также метанобразующие бактерии, для роста ко­торых необходимо присутствие ацетата и (или) других органических веществ.

Но довольно многие из этих микроорганизмов могут расти в автотрофных условиях (при наличии в качестве единственного источника углерода углекислоты).

Ассимиляция углекислоты в автотрофных условиях, как пока­зано для М.
thermoautotrophicum,
происходит особым нециклическим путем. Началом его является образование из углекислоты С₂
-соединения в виде, ацетил-кофермента А (КоА). Дальнейшее превращение ацетил-КоА включает следующие реакции:

ацетил-КоАпируватфосфоенолпируватоксалоацетатмалатфумарат сукцинат

сукцинил-КоА α-кетоглутарат.

Образующиеся пируват, оксалоацетат, 2-кетоглутарат исполь­зуются частично для синтеза аминокислот, а фосфоенолпируват — углеводов.

Субстратами, из которых большинство известных видов метаногенов образуют метан, служат молекулярный водород и углекислота:

4Н₂
+ СО₂
СН₄
+ 2Н₂
О

Ряд видов синтезируют метан из окиси углерода:

4СО + 2Н₂
О СН₄
+ ЗСО₂

Некоторые виды образуют метан из муравьиной кислоты:

4НСООН СН₄
+ ЗСО₂
+ 2Н₂
О

Известны метанобразующие бактерии, образующие метан из метанола, метиламина, диметиламина, триметиламина и (или) ацетата:

4СН₃
ОН ЗСН₄
+ СО₂
+ 2Н₂
О

4CH₃
NH₂
+ 2Н₂
ОЗСН₄
+ CO₂
+ 4NH₃

СНзСООНСН₄
+ СО₂

При превращении метилированных аминов, метанола и ацетата в метан в него переходит метильная группа субстрата.

Еще в 1956 г. известным биохимиком И. X. Баркером пред­ложена схема восстановления СО₂
в метан, которая сейчас дета­лизирована (рис. 2). Эта схема послужила отправной точкой для формулирования гипотезы о том, что метанобразующие бакте­рии могут аккумулировать энергию в процессе окислительного фосфорилирования.

В исследованиях, проведенных с чистыми культурами разных видов метаногенов, установлено, что синтез метана протекает в мембранах, причем этот процесс сопряжен с генерацией транс­мембранного потенциала, энергия которого трансформируется в АТФ.

Таким образом, метанобразующие бактерии, видимо, осуществляют (во всяком случае, когда окисляют Н₂
) не брожение, а анаэробное дыхание, используя СО₂
в качестве акцептора элект­ронов. Но выход энергии на каждый образованный моль метана у метаногенов не превышает двух молей АТФ. Поэтому для обеспечения своего роста метанобразующие бактерии должны синтезировать значительные количества метана. Из 100 % метаболизированного соединения углерода они трансформируют в кле­точный материал только 5-10 %, остальное конвертируется в метан.

Рис. 2. Схема образования метана из СО₂
и других соединений

Важная особенность метаногенов — способность активно развиваться в анаэробных условиях в тесном симбиозе с другими группами бактерии, создающими для них благоприятные условия и обеспечивающих необходимыми субстратами для роста и синтеза метана. К микроорганизмам, образующим ассоциации с метаногенами, относится ряд представителей облигатных и факультативных анаэробов, осуществляющих брожение различных высокомолекулярных и низкомолекулярных веществ. Такие ассоциации функ­ционируют в природных условиях, а также широко используются в практических целях.

Процесс разложения органических веществ смешанными культурами микроорганизмов в анаэробных усло­виях, заканчивающийся образованием СН₄
, часто называют «ме­тановым брожением», хотя этот термин не совсем правилен, поскольку сами метанобразующие бактерии многоуглеродные субстраты не сбраживают.

Технология получения метана

Технологически метановое брожение подразделяют на два этапа: созревание метанового биоценоза и ферментацию. В тече­ние первого этапа развиваются бактерии, участвующие в ана­эробном разложении исходных органических веществ и продук­тов их распада. В результате деятельности этих микроорганиз­мов создаются оптимальные условия для активного биосинтеза метана.

Несмотря на сложность и далеко неполную изученность, такая биологическая система достаточно надежна и проста для получения биогаза в промышленных масштабах.

Метановое брожение жидких органических веществ осуществляется в строго анаэробных условиях при 30—40 °С (мезофильный процесс) или 52-60 °С (термофильный процесс). Фермента­цию проводят в реакторах (метантенках) объемом от одного до нескольких тысяч кубических метров. Метантенки выполняются из железобетона или металла. Они могут иметь разную форму и конструкцию, от кубической до цилиндрической, расположеныгоризонтально или вертикально. Лучшей признается яйцеобразная конструкция. Ферментация протекает непрерывно, полупериодически и периодиче­ски. Схема биогазовых установок для переработ­ки жидких субстратов представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема биогазовой установки

Сырье, содержащее 2—12% органических веществ, подается в метантенк через теплообменник, где оно подогревается илиохлаждается до температуры ферментации в метантенке. Место введения сырья в реактор и отбора сброженной массы зависит от конструкции метантенка. Реакторы снабжаются мешалками для перемешивания бродящей массы с целью ускорения процессов и теплообменниками для поддержания необходимой температуры внутри реактора. Образующиеся газы удаляются через газовый колпак, расположенный в верхней части метантенка. Газ, содер­жащий 50—85 % метана и 15—50 % СО₂
, по газопроводу поступа­ет в газохранилище — газгольдер, откуда подается в газовую сеть.

Скорость процесса определяется температурой ферментации (в термофильных условиях она в 2—3 раза выше, чем в мезофильных), химическим составом сырья, его вязкостью, плотно­стью бактериальной ассоциации и степенью перемешивания. Фер­ментация протекает при значениях рН среды, равных 7,0—8,5. При более низком или высоком значении рН она обычно тормо­зится или прекращается совсем. Снижение величины рН среды («прокисание») связано с нарушением равновесия скоростей об­разования летучих жирных кислот (муравьиной, уксусной, особенно пропионовой, а также масляной) и дальнейшим их пре­вращением, заканчивающимся образованием метана. Подобные дефекты вызываются, как правило, увеличением поступления в реактор легкосбраживаемых углеводов, а также нарушением соотношения углерода и азота в субстрате. Оптимальные значе­ния соотношений C:N находятся в пределах 11 —16:1. Повыше­ние значений рН среды (> 8,5) связано либо с высокой кон­центрацией азотсодержащих органических веществ в субстрате и образованием из них в процессе брожения больших количеств аммония, либо наличием в среде значительных концентраций щелочно-земельных металлов.

Указанные нарушения процесса обычно устраняются останов­кой загрузки ферментера новыми порциями сырья. В результате избыток образовавшихся жирных кислот постепенно конвертиру­ется в метан, рН среды повышается до необходимых оптимальных значений, и процесс продолжается. В некоторых случаях уменьшают объем загрузки сырья в реактор.

Важным моментом промышленной технологии получения ме­тана является скорость поступления сырья в реактор или время выдерживания сырья в реакторе. Указанные параметры зависят прежде всего от скорости конверсии органических веществ в ме­тан. Чем интенсивнее процесс брожения, тем выше скорость загрузки сырья в реактор, меньше время выдерживания сырья в реакторе и рентабельнее сам процесс. Существующие в настоя­щее время нормы скорости загрузки сырья находятся в пределе 7—20 % объема субстрата от рабочего объема ферментера в сут­ки. Следовательно, цикличность процесса равна 5—14 сут. Од­нако разработаны технологии, в которых цикличность сокращена до 5—15 ч, или скорость загрузки в пределах 150—400 % в сутки. С большей скоростью происходит образование метана при наличии хорошо растворимых и легко разлагаемых бактериями органических соединений (некоторые виды жидких отходов пи­щевой, микробиологической и других отраслей промышленности, перерабатывающих сельскохозяйственное сырье). Медленнее сбраживаются отходы сельскохозяйственного производства (жи­вотноводства и растениеводства), содержащие твердые органиче­ские включения.

Применяемые широко в настоящее время в практике метантенки относятся к реакторам первого поколения. В них все про­цессы протекают в одной емкости без разделения на стадии или фазы, бактериальные клетки находятся во взвешенном состоянии и по мере нарастания удаляются вместе со сброженной массой. Важным условием нормального функционирования таких реакто­ров является необходимость поддержания равенства скоростей размножения бактерий и поступления сырья в реактор при усло­вии, что концентрация органического вещества в сырье состав­ляет не менее 2 %.

При меньших концентрациях органического вещества плот­ность бактериальных клеток на единицу объема реактора резко падает, и процесс практически останавливается.

Этот недостаток реакторов первого поколения полностью уст­раняется при использовании реакторов второго поколения, в ко­торых бактерии при необходимой для процесса плотности нахо­дятся в закрепленном (иммобилизованном) состоянии. В реакто­рах второго поколения можно сбраживать субстраты с низким содержанием органических соединений (0,5 % сухих веществ) при высокой скорости пропускания через: реактор (такие реакто­ры часто называют «анаэробными фильтрами»). В качестве носителей для закрепления бактерий широко используются галь­ка, керамические, полихлорвиниловые, полиуретановые кольца и стекловолокно. Применение реакторов второго поколения позволя­ет резко повысить процессы деструкции и соответственно снизить их объемы, что имеет важное значение при их широком производстве и эксплуатации.

В последние годы в практику внедряются технологии, осно­ванные на разделении процесса метанового брожения на ста­дии—фазы: кислотную и метановую. Двухфазный процесс осу­ществляется в двух реакторах, соединенных последовательно. Скорость поступления сырья и объемы реакторов рассчитывают­ся так, чтобы в первом протекала только стадия образования кислот, значение рН среды не должно быть выше 6,5. Такая бражка подается во второй реактор, в котором с большой скоростью протекает непосредственно образование метана. Двух­фазный процесс позволяет увеличить его общую скорость в два-три раза. Иногда в практике при использовании двухфазного процесса с целью дополнительного получения товарного биогаза процесс брожения в первом ферментере проводят при 35—37 °С, во втором — при 55 °С. При нормальных условиях ферментации на каждую тонну сброженного органического вещества образует­ся до 300—600 м³
биогаза. Процент разложения органических веществ до метана зависит от скорости процесса и времени вы­держивания сырья в реакторе, обычно эта величина равна 30—60 %.

Концентрация метана в образующемся биогазе зависит от химического состава субстрата: углеводы дают больше углекислоготаза, жиры — больше метана (до 85%). Чем больше вос­становлен субстрат, тем выше концентрация метана.

Метановое брожение — процесс эндотермический, требует по­стоянного подогрева для поддержания необходимой температуры ферментации. Как правило, метантенки и сырье подогреваются за счет сжигания образующегося биогаза. В среднем на поддер­жание требуемой температуры ферментации расходуется от 15— 20 % (мезофильный процесс) до 30—50 % (термофильный про­цесс) биогаза. Поэтому одним из важных моментов эксплуата­ции метантенков является их хорошая теплоизоляция.

Рассмотренный выше процесс метанового брожения касался использования только жидких субстратов. В последние годы ши­рокое развитие имеет технология твердофазной метангенерации, или получение биогаза, при деструкции органических веществ с влажностью 30—40 %. Такие процессы уже имеют практическое применение в США и некоторых странах Западной Европы, на­пример, при переработке городского твердого мусора. Основное условие такого процесса — анаэробиоз и необходимая влаж­ность.

Кроме этого для получения биогаза можно использовать отходы сельского хозяйства, испорченные продукты, стоки крахмалперерабатывающих предприятий, жидкие отходы сахарных заводов, бытовые отходы, сточные воды городов и спиртовых заводов. Процесс ве­дется при температуре 30 — 60°С и рН 6 — 8. Этот способ получе­ния биогаза широко применяют в Индии, Китае, Японии. В на­стоящее время для производства биогаза чаще используют вто­ричные отходы (отходы живот­новодства и сточные воды го­родов), чем первичные (отхо­ды зерноводства, полеводства, хлопководства, пищевой, лег­кой, микробиологической, лес­ной и других отраслей), обла­дающие сравнительно низкой реакционной способностью и нуждающиеся в предваритель­ной обработке.

Биогаз кроме метана и углекислого газа может содержать примеси сероводорода (до 2%), что требует его соответствую­щей очистки.

Теплотворная способность биогаза составляет 5—7 ккал/м³
и зависит от концентрации в нем СО₂
. Один кубический метр био­газа эквивалентен 4 кВт/ч электроэнергии, 0,62 л керосина, 1,5 кг угля, 3,5 кг дров, 0,43 кг бутана. Он может быть использован для получения тепловой энергии, электроэнергии, заменить моторное топливо. Из биогаза можно получить «синтез-газ» (смесь угарного газа и молекулярного водорода), из которого синтезируют метанол, или искусственный бензин.

Образующийся в процессе метанового брожения шлам (жидкий или твердый) является хорошим органо-минеральным удоб­рением. Он может также использоваться для производства цен­ных биологически активных соединений, применяемых в медицине и сельском хозяйстве.

Перечисленные выше физические особенности биогаза и отно­сительная простота его получения, возможность использования в качестве сырья для его производства разнообразных отходов положительным образом отразились на создании и развитии биогазовой промышленности в ряде стран. В России метановое брожение широко применяется в системе биологической очистки городских сточных вод на станциях аэра­ции. В метантенках сбраживают осадки сточных вод и активный ил, образующийся в аэротенках. Две станции, обслуживающие город с населением 8 млн. человек, дают в год 110 млн. м³
био­газа. Термофильное метановое брожение отходов микробиоло­гической промышленности используют в нашей стране для произ­водства биогаза и кормового препарата витамина B₁₂
. Два цеха, перерабатывающие жидкие стоки ацетоно-бутиловой промышлен­ности, производят в год до 7 млн. м³
биогаза и до 1 т витами­на B₁₂
. В Венгрии мезофильное метановое брожение применяется для промышленного производства кристаллического препарата витамина B₁₂
медицинского назна­чения.

В США широкое развитие получает производство биогаза при переработке городского твердого мусора. Например, в пригоро­дах Нью-Йорка действует станция, производящая в год 100 млн. м³
биогаза.

Современное состояние проблем и перспектив в области получе­ния биогаза свидетельствует о том, что анаэробная конверсия орга­нических отходов в метан — наиболее конкурентоспособная об­ласть биоэнергетики. Основное преимущество биогаза состоит в том, что он является возобновляемым источником энергии. Его производство будет так же длительно, как существование жизни на Земле.

ПОЛУЧЕНИЕ СПИРТОВ

Возможность широкого использования, низших спиртов: метанола, этанола, бутанола, бутандиола, а также ацетона и другихрастворителей— в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания и дизельных двигателей вновь вызвала большой интерес к получению перечисленных соединений био­конверсией из растительной биомассы.

Смесь этилового или метилового спиртов с бензином в отношении 10:90 или 20:80 под коммерческим названием «газохол» уже широко применяется в ряде стран для автомобильного транспорта. В свете вышесказанного стоит конкретная задача по разра­ботке, конкурентоспособной промышленной технологии производ­ства этанола для технических целей методами биоконверсии. Метиловый спирт предполагается производить из биомассы мето­дом термохимической конверсии. Бутанол и бутандиол — хоро­шие заменители мазута, их также необходимо добавлять в каче­стве присадок к спиртово-бензиновым смесям для лучшего смеши­вания спиртов и углеводородов.

Микробиологическое получение этилового, бутилового спиртов и бутандиола из углеводов достаточно хорошо изучено и имеет многолетний промышленный опыт.

Этиловый спирт обычно получают из гексоз с помощью бро­жения, вызываемого дрожжами:

С₆
Н₁₂
О₆
2СН₃
СН₂
ОН + 2СО₂

В качестве сырья используются меласса (отходы сахарного производства), зерновой, картофельный, кукурузный крахмал, который предварительно осахаривается.

Этиловый спирт образуют также в большом количестве бакте­рии, например из рода Zymomonas (
Z.
mobilis,
Z.
anaerobica),
Sarcina
ventriculi
и Erwinia
amylovora.
Среди продуцентов эта­нола имеются и клостридии, к их числу относятся Clostridium
thermocellum
и Cl.
thermohydrosulphuricum.
В последнее время эти микроорганизмы интенсивно изучают, так как некоторые из них способны использовать в качестве сбраживаемого субстрата не только крахмал, но такой непищевой и дешевый продукт, как целлюлоза. Бутиловый спирт и ацетон в промышленности также получают с помощью клостридий.

Использование этанола и бутанола как моторных топлив требует их промышленного производства в объеме десятков мил­лионов тонн. Первая задача, которую необходимо решать в связи с поставленной целью, — это выбор непищевого, дешевого, мас­сового и легкоконвертируемого сырья.

В некоторых странах (например, в Бразилии) для производства технического этанола используют отходы сахарного тростни­ка багассу, в других странах — маниок, батат, сладкое сорго, топинамбур (земляная груша). Указанные культуры являются представителями южных растений. Для стран с умеренным климатом и обладающими большими лесными массивами дешевым сырьем, для крупнотоннажного производства спиртов служит древесина.

Древесина может использоваться как сырье при условии разрушения структурных связей лигнина с целлюлозой и гидролизом последней до гексоз, т.е. требуется определенная химическая или биохимическая предобработка. Это сдерживает широкое использование древесины для получения спиртов, хотя в ряде стран в течение многих лет существует промышленное производство этилового спирта путем брожения гидролизатов древесины. Такой способ основан на кислотном или щелочном гидролизе древесины до гексоз, которые далее сбраживаются дрожжами до этанола. Но такая технология достаточно энергоемкая и требует использования коррозионно-устойчивого оборудования (основное препятствие ее широкого использования в практике).

Для возможного применения древесины в целях получения биопродуктов в настоящее время интенсивно разрабатываются различные технологии деструкции лигноцеллюлоз: механические (размалывание), физические (гамма-облучение), физико-химиче­ские (паровой взрыв, или парокрекинг), химические (гидролиз), биологические (ферментативный гидролиз) и различные комбинации перечисленных методов. К наиболее перспективным сле­дует отнести сочетание «парокрекинга» с ферментативным гидролизом— это предварительная обработка лигноцеллюлоз или гемицеллюлоз паром при высокой температуре и высоком давле­нии, при котором происходит взрыв кристаллических структур указанных субстратов и отделение лигнина от целлюлозы с последующим гидролизом клетчатки целлюлозолитическими ферментами.

К растительным материалам, используемым для гидролитического получения сахара с последующей их биоконверсией в спирты, относят различные виды отходов лесопиления и деревообработки, сельскохозяйственного производства (солома, хлопчатник, кукурузная кочерыжка, подсолнечная лузга, костра льна, конопли, кенафа, тростник, малоразложившийся торф).

Из одной тонны древесины можно получить до 170—180 л этанола и 40 кг биомассы дрожжей, из тонны картофеля — 100 л этанола, из тонны зерна ржи — до 270 л этилового спирта.

Следовательно, одна тонна древесины при производстве этанола заменяет около 0,6 т зерна или 1,7 т картофеля.

Большие перспективы для использования целлюлозы в качест­ве сырья для получения самых разных продуктов открывает ферментативный гидролиз, осуществляемый комплексами целлюлаз и гемицеллюлаз, продуцируемых некоторыми грибами и бактериями. Гидролиз протекает при 40—60°С и рН 4,0—7,0, не требует больших энергозатрат и коррозионностойкого оборудования.

Перспективы использования лигноцеллюлозы для получения этанола и других спиртов, а также иных органических соединений открывают широкие возможности не только для производства моторных топлив, но и для создания важной сырьевой базы для промышленного органо-химического синтеза, например для получения .искусственного каучука по методу Лебедева.

ПОЛУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ БАКТЕРИАЛЬНОМ ОКИСЛЕНИИ.

Несколько в стороне от вышеописанных методов анаэробной биоконверсии биомассы в топливо стоит еще один микробиоло­гический процесс получения энергии — аэробное окисление твер­дой биомассы (отходов) с выделением больших количеств тепла.

Твердое органическое сырье погружается в шахту, снизу пода­ется воздух. В результате окислительных процессов, осуществля­емых микроорганизмами, происходит интенсивное выделение тепловой энергии и проходящие газы нагреваются до 80 °С. С помощью компрессии температуру газов можно увеличить до 100—110 °С и получаемую энергию аккумулировать в виде горя­чей воды или пара. Коэффициент полезного действия установок с учетом затрат электроэнергии на эксплуатацию воздуходувок составляет 95%. Такие установки промышленного типа работа­ют в Японии. Образующийся шлам используется в качестве вы­сокоэффективного органо-минерального удобрения.

Таким образом, биомасса при ее рациональном использовании может стать эффективным источником возобновления энергети­ческих ресурсов с использованием микробиологических процес­сов. Однако вклад биомассы в общую энергетику большинства развитых стран не превысит 10 %, в отдельных странах он может составить 25—30 %, но не более, так как в противном случае она перестает быть возобновляемым источником. Более перспектив­ным способом использования солнечной энергии является ее пря­мая конверсия в молекулярный водород при фотолизе воды.

ПОЛУЧЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО ВОДОРОДА

Молекулярный водород считается наиболее перспективным видом топлива. По энергоемкости (в расчете на единицу массы) он превосходит все другие соединения, которые можно использо­вать в этих целях. Сжигание молекулярного водорода не сопро­вождается загрязнением среды большим количеством вредных веществ и, более того, ведет к регенерации воды. Водород может храниться, транспортироваться и легко преобразуется в электро­энергию с помощью топливных элементов.

В настоящее время молекулярный водород используется в ряде областей химической промышленности. Особенно много его расходуется при переработке нефти, синтезе метанола, а также аммиака, соединения которого используются в качестве удобрений. Кроме того, молекулярный водород может обеспечивать как источник энергии рост ряда бактерий, некоторые из которых являются перспективными продуцентами биомассы, богатой белком, а также других практически важных продуктов. Среди микроорганизмов, способных использовать Н₂
, имеются аэробные и анаэробные виды, к последним, как уже говорилось, относятся многие метанобразующие бактерии.

Производство молекулярного водорода в развитых странах ежегодно составляет около 30 млн. т и продолжает увеличиваться.

Большую часть молекулярного водорода получают химическим путем, главным образом из природного газа (метана). Используют, кроме того, продукты газификации жидких и твердых топлив. Предложены также разные способы получения Н₂
из воды. К ним относятся методы паровой конверсии природного газа и электролиза Н₂
, имеющие практическое применение. Но все эти способы производства молекулярного водорода требуют боль­шой затраты энергии и достаточно дороги. Помимо этого масштабы получения Н₂
из метана и ряда других веществ ограничива­ются их запасами. Поэтому изыскание других, более дешевых способов получения молекулярного водорода и расширения на их основе его производства, а также областей применения является актуальной проблемой.

В последние годы большое внимание привлекают к себе мик­роорганизмы, способные к образованию Н₂
в процессе своей жизнедеятельности. Таких микроорганизмов известно довольно мно­го, обнаруживаются все новые виды, выделяющие молекулярный водород. Среди них есть и хемотрофы, и фототрофы.

Образование молекулярного водорода хемотрофами

К числу хемотрофов, образующих в значительном количестве молекулярный водород, относится прежде всего ряд облигатных и факультативных анаэробных бактерий. Кроме того, Н₂
выделяют некоторые простейшие (главным образом из числа трипанозом), растущие в анаэробных условиях. Показана также возможность образования молекулярного водорода азотфиксирующими аэробами, например азотобактером.

В наибольшем количестве молекулярный водород выделяют бактерии, осуществляющие брожение разных органических ве­ществ, но чаще всего углеводов.

Фермент, катализирующий выделение хемотрофами при брожениях Н₂
гидрогеназа осуществляет следующую обратимую реакцию:

RН₂

Н₂
+ R

где R — переносчик электронов, взаимодействующий с гидрогеназой. Переносчиком может быть ферредоксин или другое соединение.

К числу наиболее активных продуцентов Н₂
относятся отдель­ные виды клостридий (например, Clostridium
butyrlcum, С.
perfringens),
энтеробактерий (
Escherichia
coli,
Citrobacter
freundii)
, Ruminococcus
и некоторых других родов. Однако даже у самых активных продуцентов Н₂
его количество не превышает 4 молей на моль сброженного сахара:

глюкоза 2 ацетат + 2СO₂
+ 4Н₂

КПД преобразования энергии в этом случае составляет не более 33 %, а практически бывает еще ниже, тогда как при переработ­ке органических веществ в метан он может достигать 85 %.

Поэтому получение молекулярного водорода в результате бро­жения вряд ли найдет широкое применение даже в тех странах, где много дешевого растительного сырья. Однако если выделение хемотрофами Н₂
сочетается с образованием двух полезных про­дуктов, то такой способ его получения может использоваться. Примером является ацетоно-бутиловое брожение, сопровождаю­щееся выделением Н₂
, давно имеющее практическое применение. Возможно также использование водородобразующих бактерий для разложения некоторых вредных веществ, попадающих в сто­ки, например формиата, до СО₂
и Н_2.

Кроме того, хемотрофные бактерии, выделяющие Н₂
, входят в состав ассоциаций микроорганизмов, которые разлагают разные органические субстраты с образованием метана. В связи с этим важно знать их особенности, для того чтобы повысить активность и соответственно скорость выделения Н₂
, так как он служит одним из субстратов для образования метана.

Образование молекулярного водорода фототрофами

Из фототрофных организмов способность к выделению Н₂
проявляют многие пурпурные бактерии, цианобактерии и ряд водорослей. Среди последних есть не только микро-, но и макро­формы. Есть данные о выделении в небольшом количестве Н₂
и высшими растениями.

Пурпурные бактерии осуществляют так называемый аноксигенный фотосинтез (фотосинтез без выделения молекулярного кислорода). Объясняется это тем, что они не могут использовать воду при фотоассимиляции СО₂
и в других конструктивных про­цессах в качестве исходного донора электронов; такую функцию у них выполняют сульфид, сера, тиосульфат, органические ве­щества или Н₂
.

Анаэробное окисление многими пурпурными бактериями орга­нических веществ и неорганических соединений серы в опреде­ленных условиях ведет к образованию ими Н₂
. Особенно в боль­шом количестве эти микроорганизмы выделяют молекулярный во­дород в присутствии света. Поэтому данный процесс часто назы­вают фотовыделением водорода. В отличие от образования Н₂
при брожении фотовыделение Н₂
пурпурными бактериями катализирует обычно не гидрогеназа, а нитрогеназа — фермент, главная функция которого заключается в превращении N₂
в аммиак. Но даже при наличии N₂
часть электронов, поступающих к нитрогеназе, расходуется на восстановление протонов, что ведет к выделению H₂
:

N₂
+ 8е+ 8Н⁺
2NH₃
+ Н₂

К фотовыделению Н₂
способны растущие культуры, суспензии клеток, а также иммобилизованные клетки пурпурных бактерий. Некоторые субстраты, например ацетат, лактат, малат, глюкоза, могут полностью разлагаться клетками этих микроорганизмов до СО₂
и Н₂
.

К числу наиболее активных продуцентов Н₂
относятся неко­торые штаммы Rhodobacter
capsulatus.
Растущие культуры этой бактерии, используя лактат, выделяют в некоторых условиях Н₂
со скоростью 300—500 мл ч∙гсухой биомассы. При исполь­зовании клетками пурпурных бактерий 1 кг лактата можно получить до 1350 л Н₂
. КПД конверсии энергии света при образова­нии пурпурными бактериями Н₂
достигает 2,0—2,8 %.

Среди цианобактерий также обнаружены штаммы, выделяю­щие при наличии света Н₂
в довольно большом количестве и созначительной скоростью (30—40 мл ч∙гсухой биомассы). К таким организмам относятся в основном нитчатые формы, образующие особые клетки — гетероцисты (например, Anabaena
cylindrica,
A.
varidbilis,
Mastlgocladus
thermophilus,
M.
laminosus).

Выделение Н₂
чаще всего отмечается у суспензий клеток, при­чем может продолжаться 30 сут и более. Такую жеспособность проявляют иммобилизованные клетки микроорганизмов. В отли­чие от пурпурных бактерий для образования Н₂
цианобактериями не требуется каких-либо экзогенных доноров электронов, кроме воды. Важно также, что нитчатые формы бактерий, образующие гетероцисты, и некоторые одноклеточные виды способны выде­лять Н₂
не только в анаэробных, но и в аэробных условиях.

Фотообразование цианобактериями Н₂
, как и у пурпурных бактерий (за редким исключением) катализирует нитрогеназа. Этот фермент очень чувствителен к молекулярному кислороду, но у цианобактерий, выделяющих Н₂
в аэробных условиях, он защищен от инактивирующего действия О₂
разными способами. У нитчатых форм, образующих гетероцисты, нитрогеназа локали­зуется в основном в этих специализированных клетках, которые в процессе фотосинтеза молекулярный кислород не выделяют.

КПД преобразования энергии света в Н₂
у цианобактерий по имеющимся расчетам может достигать около 10 %.

Выделение молекулярного водорода водорослями обнаружено лишь у суспензий клеток и в небольшом количестве, кроме того, процесс не стабилен. Одной из главных причин этого является инактивация гидрогеназы, катализирующей образование водо­рослями Н₂
, под действием молекулярного кислорода, который они выделяют при фотосинтезе.

Из вышесказанного следует, что из разных фототрофов наиболее просто использовать в качестве продуцентов водорода пур­пурные бактерии. Но масштабность процесса получения с их помощью Н₂
ограничивается запасами и ценой тех субстратов (органических веществ или неорганических соединений серы), которые могут разлагаться с выделением молекулярного водо­рода.

Более перспективны в данном отношении цианобактерии, по­скольку выделение ими Н₂
связано с биофотолизом воды, которая пока остается наиболее дешевым и доступным субстратом. Не прекращаются работы и с водорослями, так как они также спо­собны выделять Н₂
при разложении воды. Предлагается, кроме того, использовать комплексные системы, образующие Н₂
, в ко­торые входят разные фототрофы или фототрофы и хемотрофы. Известно, что хлоропласты (например, из шпината) в присут­ствии искусственного донора электронов и бактериального экст­ракта, содержащего фермент гидрогеназу, способны продуциро­вать водород:

донор электронов фотосистема Iпереносчик eгидрогеназа Н₂

Гидрогеназа получает электроны от ферредоксина. В качестве доноров электронов используются различные органические со­единения. Процесс сопровождается облучением видимым светом. Эта форма получения энергии имеет ряд достоинств: избыток суб­страта фотолиза (воды); нелимитированный источник энергии (солнечный свет); не загрязняющий атмосферу водород. Водород обладает более высокой теплотворной способностью по сравнению с углеводородами, кроме того, процесс получения водорода — возобновляемый процесс, зависящий в основном от стабильности выделенных хлоропластов. Водород можно получать в присутствии искусственного донора e (вместо воды) и поглощающих свет пигментов, а не мембран хлоропластов. Его способны выделять и некоторые микроорганизмы, например цианобактерии (аэробные фототрофы) и др. При этом микробиологическое образование водорода может идти из соединений углеводного характера, включая крахмал и целлюлозу, а также из амино- и кетокислот.

Основная проблема создания систем конверсии энергии биомассы в водород связана с превращением этих метаболитов в топливную форму. Для биотехнологии можно было бы воспользоваться и другими механизмами превращения энергии, выявленными у микроорганизмов. Например, галофильная бактерия Halobacterium
halobium
способна использовать световую энергию, улавливаемую пурпурным пигментом (бактериородопсином), вмонтированным в мембрану клетки. Молекула пигмента состоит из одной полипептидной цепи, к которой прикреплена молекула ретиналя, являющегося светочувствительной частью пигмента. Под влиянием солнечного света изменяется конформация пигмента, приводящая к переносу ионов водорода(H) через мембрану. Пигмент является как бы протонным насосом. Молекулы бактериородопсина располагаются в мембране триадами, и перекачивание протонов через мембрану обеспечивает градиент концентрации H(Δ H), вследствие чего они движутся к наружной cтенке, у которой пространство подкисляется и возникает электрохимический градиент (Δ). Предприняты попыткивстраивания молекул пигмента в искусственные системы повышения эффективности их использования. В частности, растущие бактерии H. halobium
переносят в мелкие водоемы с высокой концентрацией NaCl и других минеральных солей, в которых исключается загрязнение. У некоторых штаммов половина клеточной мембраны покрыта пурпурным пигментом, и из 10 л бактериальной культуры можно получить 0,5 г пурпурных мембран. В таких биомембранах содержится до 100 000 молекул родопсина. Биомембраны фиксируют на особой подложке, которая должна обладать всеми свойствами, необходимыми для обеспечения тока протонов, а не других ионов. В частности, для этих целей вполне пригодны пористые подложки, пропитанные липидами, которые, сливаясь с мембраной, сплошным слоем покрывают поверхность фильтра. Мембранные фрагменты можно смешивать и с акриламидом с образованием геля. Вместо создания плотных слоев молекул бактериородопсин и липиды могут создавать протеолипосомы, которые встраивают в структуры, обеспечивающие эффективное перекачивание протонов.

У H. Halobium
имеется и другой тип насоса, который обеспечивает галородопсин, использующий световую энергию непосредственно для перекачивания ионов. Изучение систем энергоконверсии чрезвычайно перспективно с точки зрения разработки искусственных устройств, более эффективных, чем естественные.

Наконец, следует отметить интерес к некоторым ферментам, образуемым фототрофами и хемотрофами, выделяющими Н₂
, прежде всего к гидрогеназам. Помимо использования для полу­чения Н₂
, гидрогеназы могут быть применены в других практиче­ски важных целях, включая восстановление кофакторов, напри­мер НАД, требующихся в некоторых производственных процес­сах, при синтезе соединений, меченных дейтерием и тритием, а также в топливных элементах.

Таким образом, хотя микробиологический способ получения молекулярного водорода еще не реализован, но работы в данном направлении развиваются и аспекты исследований водородобразующих видов микроорганизмов достаточно широки.

Заключение

Круг вопросов, к решению которых привлекают биотехнологические методы и достижения, достаточно широк. Большинство из них прямо или косвенно связано с глобальными проблемами, стоящими перед современной цивилизацией, такими, как загрязнение окружающей среды, угроза экологического кризиса, истощение запасов полезных ископаемых, опасность мирового энергетического кризиса, нехватка продовольствия, борьба с болезнями.

Повышение цен на традиционные источники энергии(природный газ, нефть, уголь) и угроза их исчерпания побудили ученых обратиться к альтернативным путям получения энергии. Роль биотехнологии в создании экономичных возобновляемых энергетических источников (спиртов, биогенных углеводородов, водорода) чрезвычайно велика. Эти экологически чистые виды топлива можно получать путем биоконверсии отходов промышленного и сельскохозяйственного производства. Перспективно продолжение исследований по усовершествованию и внедрению процессов производства метана, этанола, созданию на основе микроорганизмов (и ферментов) элементов, эффективно производящих электричество, а также по организации искусственного фотосинтеза, в частности, биофотолиза воды, при котором можно получать богатые энергией водород и кислород.

Список литературы

1. Промышленная микробиология. Под ред. Н.С.Егорова. М.: Высшая школа, 1989 – 688 с.

2. Т.А. Егорова, С.М. Клунова. Основы биотехнологии. М.: Академия, 2003 – 207с.