2.Біотехнологія біопалива

2.1.Біотехнології перетворення сонячної енергії

Населення Землі натепер 95% своїх потреб в енергії задовольняє за рахунок вугілля та газу – продуктів фотосинтетичної діяльності рослин минулих епох, решта 5% потреб а енергії покриваються за рахунок гідро- та атомних електростанцій.

Сонячне світло є потужним джерелом енергії, а кількість біомаси обмежена, деякі біотехнологи, що працюють над проблемами енергетики, зайнялися вирішенням двох проблем підвищення ефективності застосування сонячної енергії:

1. знайти практичні способи підвищення ефективності конверсії сонячного світла у біомасу (наприклад, шляхом вирощування водоростей за високої концентрації вуглекислого газу й обмеженої освітлюваності у біореакторах із суворо контрольованими умовами росту);

2. вивчити можливість добування водню шляхом розщеплення води за участю фото системи фото синтезуючих організмів, тобто фотолізом. Технічно простіше добувати водень з використанням синьо-зелених водоростей або процесів ферментації (бродіння). Однак кінцевою метою таких досліджень є створення на основі біофотолізу складного реактора, що містить впорядковані стабільні біофотосистеми.

В основі фотосинтетичного процесу лежать реакції утворення вуглеводів та кисню з води та вуглецевої кислоти з використанням енергії Сонця:

Н₂О + СО₂ = 1/6 С ₆Н ₁₂О ₆ + О ₂

Установлено, що клітина одноклітинних водоростей за оптимальних умов життєдіяльності для асиміляції однієї молекули СО₂ споживає близько 10 квантів сонячної енергії. Близько 50% енергії сонячного випромінювання, що досягає поверхні Землі, зосереджується у видимій ділянці спектра і відноситься до фотосинтетично активної радіації, решта 50% енергії сонячної радіації в інфрачервоній області спектру, рослинами для фотосинтезу не використовується. Енергію інфрачервоного випромінення використовують для забезпечення біосинтезу фотосинтетуючі бактерії. Це відбувається завдяки бактеріохлорофілу, що міститься в цих одноклітинних організмах. Внесок цих прокаріот у загально планетне виробництво органічної речовини, внаслідок їх незначного поширення у природі, є досить малим.

Одним з перспективних напрямів є добування фотоводню. Якщо з хлоропластів виділити мембрани, що містять ферменти фотосинтезу, то на світлі відбувається фотоліз води – розкладання на кисень та водень. Переваги такого способу одержання енергії очевидні:

- наявність надлишку субстрату,води;

- джерело енергіх, що не лімітується – Сонце;

- продукт (водень) можна зберігати, не забруднюючи атмосферу;

- водень має високу теплотвірну здатність (29 ккал/г) порівняно з вуглеводнями (3,5 ккал/г);

- процес відбувається за нормальної температури без утворення токсичних проміжних продуктів;

- процес циклічний, оскільки зі споживанням водню регенерується субстрат – вода.

Для реалізації потенційних можливостей культурних рослин, зменшення витрат ручної праці та збільшення рентабельності потрібне повне задоволення їх потреб у всіх компонентах харчування, створення оптимальних умов для вегетації, що у кінцевому підсумку супроводжується таким ростом енергетичних витрат, які значно перевищують енергію, що запасається у ході фотосинтезу. Більш високими показниками енергетичних витрат характеризується тваринництво.

У результаті фотосинтетичної діяльності рослинних організмів головним чином утворюється целюлоза, величина якої протягом року досягає до 10¹¹т. у перерахунку на біомасу ця величина значно підвищується. До цього слід додати, що біомаса порівняно з викопними видами палива має таку істотну перевагу, як відновлюваність.

Лише ліси щорічно виробляють близько 7,4*109 т біомаси, що за енергетичним потенціалом майже у три рази перевищує щорічне світове споживання енергії. Біомаса пшеничної та рисової соломи – побічний продукт сільськогосподарського виробництва, а також відходи тваринництва досягають протягом року 4,2*109 т, що за метанової біоконверсії відповідає приблизно 10% енергії, що натепер споживається людством.

Зі способів утилізації біомаси натепер найбільш розроблені на комерційному рівні біотехнології виробництва етанолу та біогазу. Організація великотоннажного виробництва етилового спирту потребує пошуку доступних сировинних джерел. Найбільш перспективною є целюлоза, щорічне виробництво якої перевищує викопне паливо, яке добувають протягом року. Вироблений з біомаси біотехнологічним шляхом етанол може використовуватися як паливо для двигунів внутрішнього згоряння.