Биотехнологии в решении энергетических проблем
Биотехнологии основаны на использовании живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве.
Современные биотехнологии тесно связаны с решением основных вопросов нашего времени; продовольственной проблемы, энергетического кризиса, загрязнения Окружающей среды.
Исключительное значение приобрело создание индустрии, связанной с использованием растительного сырья для получения моторного топлива, в связи с неизбежным истощением мировых запасов природных энергоносителей. Биотехнология вовлечена в разработку способов получения искусственной нефти, а так же получения биогаза из сырья различного происхождения для решения энергетической проблемы. Так, например, некоторые виды грибков превращают нефть, мазут и природный газ в пищевую биомассу, богатую белками. Так, из 100 т неочищенного мазута можно получить 10 т дрожжевой биомассы; содержащей 5 т чистого белка и 90 т дизельного топлива. Столько же дрожжей производится из 50 т сухой древесины или 30 тыс. м3 природного газа.
Биоэнергетика - одно из направлений биотехнологии, связанное с эффективным использованием энергии, запасаемой при фотосинтезе. В результате фотосинтеза растения ежегодно ассимилируют приблизительно 2*1011 т углерода с энергосодержанием 3*1021 Дж, что в 10 раз больше годового потребления энергии в мире и в 200 раз больше того количества энергии, которое содержится в используемых человечеством за год продуктах питания.
Следует отметить также, что в процессе фотосинтеза на Земле образуется в пересчете на сухой вес около 155 млд. тонн органической массы, главным образом целлюлозы, которую можно в сыром виде без переработки использовать как топливо (например, для выработки электроэнергии)
Органическое топливо является продуктом фотосинтеза, происходившего в каменноугольный период (300млн лет назад). Топлива тогда были биомассой, поэтому представляет интерес процесс получения энергии из биомассы с использованием живых организмов.
Биомасса - возобновляющееся органическое вещество, генерируемое растениями путем фотосинтеза. Термин биомасса распространяется на все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности человека и животных, органические отходы.
Рассмотрим с энергетической точки зрения продукт фотосинтеза биомассу, которую можно конвертировать в топливо различными способами, причем некоторые из них связаны с охраной окружающей среды.
Биомасса как источник энергии
Биомасса по своему составу может быть углеродосодержащей (растительный материал, древесная щепа, опилки, морские водоросли, зерно, бумага, упаковочная тара) и сахаросодержащей {сахарная свекла, сахарный тростник, сорго). Первичным источником биомассы являются деревья, сельскохозяйственные культуры, водные растения. После сбора и переработки биомассы в товарные продукты образуются отходы, которые вместе с твердыми городскими отходами дают большое количество органического материала, пригодного для получения дополнительной энергии. Это вторичный источник энергетики использующей биомассу.
Естественно, что за счет энергии и топлива, получаемых из биомассы, нельзя полностью удовлетворить энергетические потребности промышленно развитых стран, однако даже та небольшая доля энергии (до 10 %), которую можно получить из биомассы, заслуживает внимания. Биомасса в отличие от органического топлива представляет собой возобновляющийся источник энергии, и при правильной организации ее воспроизводства и сбора доля получаемьк энергии и топлива может существенно возрасти. Ресурсы биомассы в различных ее видах имеются практически во всех регионах, и почти в каждом из них может быть налажено производство из нее энергии и топлива.
Системы производства и использования биомассы для получения энергии имеют следующие преимущества: способность к накоплению энергии для использования ее в любое время, возобновляемость, относительная дешевизна и экологическая безопасность. В связи с малой мощностью биоэнергетических станций к преимуществам можно отнести также короткий срок их проектирования и строительства: повышение надежности энергоснабжения, связанное с децентрализацией системы; повышение эффективности использования топлива; снижение остроты проблемы от отходов. Недостатками этих систем являются рассредоточенность ресурсов и конкуренция других вариантов использования земель.
Однако участие биомассы в энергетике развитых стран пока незначительное, и ее можно рассматривать лишь как дополнительный источник энергии. Доля биомассы в топливно-энергетическом балансе США в настоящее время составляет 4 % (это равноценно доле ядерной энергетики), в странах ЕЭС - 5 %, в России - около 3 %, в ФРГ и Англии - 2,5 %. В Канаде и Швеции соответственно 8 и 10 % общенациональных потребностей в энергии удовлетворяются за счет биомассы, в основном в виде древесины и древесных отходов.
В биосфере содержится 800 млрд, т биомассы (90 % приходится на древесину), из ник 200 млрд. т ежегодно возобновляется, что соответствует 100 млрд. т нефти. Мировое потребление энергии за год составляет 0,1 часть ее количества, накапливаемого ежегодно в процессе фотосинтеза. Накопленная в биомассе энергия эквивалентна по величине запасам органического топлива. Для сравнения отметим, что разведанные запасы угля оцениваются в 500 млрд. т, нефти - 200 млрд. т, природного газа - 100 млрд. т (по углю).
В целом биомасса составляет седьмую часть мирового объема топлива, а по количеству полученной энергии занимает наряду с природным газом третье место. Если сравнивать ее с другими источниками энергии, то из биомассы получают в 2 раза меньше, энергии, чем из нефти, на 1/3 меньше, чем из каменного угля, и в 4 раза больше, чем дает ядерная энергетика.
Источниками биомассы являются твердые городские отходы, отходы животноводства, растительные остатки, промышленные отходы, продукты леса. Кроме того, к ним относятся водоросли и водные макрофиты, фитопланктон и бентос, продукция лесоводческих энергетических хозяйств. Интенсификация промышленного и сельскохозяйственного производства и дальнейшая утилизация неизбежно приводят к увеличению концентрации разнообразных органических отходов, ежегодный объем биомассы, выращенной на обрабатываемых землях, составляет около 8 % общего объема ее производства. Прирост биомассы лесов и кустарников в 9 раз превышает этот показатель на обрабатываемых землях, а жидкое топливо, полученное из целлюлозы деревьев и кустарников, обладает гораздо большим потенциалом, чем полученное из сельскохозяйственных культур.
Отходы неэнергетических производств, например пищевой или бумажной промышленности, а также сельскохозяйственные культуры, выращиваемые ради их энергетической ценности, являются, как известно, ценными источниками органического топлива. Определяемые как «ресурсы, не находящие применения», органические отходы содержат энергию, которую можно получить физическими, химическими и микробиологическими способами.
Особое внимание следует уделить такому важному источнику энергетически используемой биомассы, как лигнин, являющийся отходом гидролизного производства. По массе он составляет 1/3 перерабатываемой древесины и на большинстве гидролизных заводов полностью или частично вывозится в отвалы, загрязняя обширные территории. В настоящее целесообразным способом утилизации лигнина является его применение в качестве энергетического топлива (теплотворная способность лигнина из древесины 6300 кДж/кг).
Интенсивно ведутся исследования в области получения энергии из водорослевых культур. Океан является основным поставщиком морских бурых водорослей, а также обитающих на дне в стоячей воде. Рассматриваются возможности использования биомассы эстуарий, соленых и пресноводных болот. Среднее количество биомассы, которое дают водоросли, составляет 15...25 г/м сухой массы в сутки, а максимальная скорость ее образования - 30...40 г/м. Поэтому водорослевые культуры тоже могут стать эффективными источниками энергетического сырья. В качестве источников сырья для получения биомассы могут быть различные веществе (табл. 1).
Биоэнергетические станции по сравнению с традиционными электростанциями и другими нетрадиционными возобновляющимися источниками энергии являются наиболее экологически безопасными. Они способствуют избавлению окружающей среды от загрязнения всевозможными отходами. Так, например, анаэробная ферментация - эффективное средство не только реализации отходов животноводства, но и обеспечения экологической чистоты, так как твердые органические вещества теряют запах и становятся менее привлекательными для грызунов и насекомых (в процесс переживания разрушаются болезнетворные микроорганизмы). Кроме того, образуются дополнительный корм для скота (протеин) и удобрения.
Таблица 1.
Источники биомассы для выработки топлива.
Следует отметить также, что биологические процессы обладают тем преимуществом, что для них пригодно сырье с высоким содержанием воды, а осуществляются они в интервале температур от 25 до 650 С.
Различные процессы преобразования биомассы в топливо (в том числе и химические ) позволяют заменить фактически все производные нефти и другие горючие ископаемые топливом из биомассы, поскольку в зависимости от ее состояния и технологической переработки могут быть получены различные энергетические продукты (таблица 2).
Таблица 2.