Микроорганизмы в решении энергетической проблемы.

Существенный вклад в решение энергетической проблемы могут внести низшие растения (бактерии, грибы, водоросли). Значительные успехи биотехнологии в США, ФРГ, Англии, Франции позволили в лабораторных условиях получать из биомассы метанол, этанол, этилен, пропилен, бутадиен, метан, ароматические соединения и другие виды альтернативного по отношению к нефти топлива.

 

 

 

 

Расчеты показали, что только отходы мирового сельскохозяйственного производства могут дать в год 1 ... 1,3 млрд т условного топлива в виде биогаза. Брожение 1 т органического вещества (сухая масса) дает от 350 до 500 м3 биогаза — это смесь горючего газа метана (60-70%), негорючего углекислого газа (30 ... 35%) и примесей — сероводорода, водорода, кислорода, азота (мало отличается от природного газа). Он образуется в результате жизнедеятельности мeтанoгeнных бактерий. Теплотворная способность биогаза — 5000 ккал/м3. Его можно использовать для отопления домов, сушки зерна, в качестве горючего для автомобилей и тракторов. Массу, оставшуюся после брожения, можно брикетировать и получать твердое топливо, но целесообразнее использовать ее как удобрение. Поскольку сбраживание навоза и других органических отходов идет при температуре 50 ... 55°С не менее 9 часов, значительная доля болезнетворных микроорганизмов и яиц гельминтов гибнет, осадок получается обеззараженным содержит все необходимые растениям макро- и микроэлементы.

В последнее время во многих странах мира производится метановое сбраживание отходов животноводства для получения биогаза. Разработан ряд типовых установок. Используются реакторы (метатенки) объемом от нескольких кубометров до нескольких тысяч кубометров. В Китае, например, на разных отбросах работают свыше миллиона фабрик биогаза.
 

 

Следует отметить, что в большинстве своем биогазовые установки еще сложны по конструкции и для надежной эксплуатации требуют хорошо подготовленных специалистов. К тому же они экономически выгодны на сравнительно крупных животноводческих фермах и комплексах, где накапливаются большие массы органики. Разработаны и довольно простые способы получения биогаза из отходов животноводства на небольших фермах. Например, французский инженер Ж. Пэн предложил такой способ: измельченной массой органики на 3/4 заполняют металлический резервуар емкостью 4 м3, добавляют в него воду и оставляют открытым в течение двух месяцев. Затем резервуар герметически закрывают, в нем начинается анаэробное брожение, в ходе которого выделяется биогаз. За три месяца из 3 м3 биомассы получают около 500 м3 очищенного газа, используемого для обогрева животноводческих, жилых помещений. После брожения остаток пригоден для удобрения полей. Во Франции и других странах действуют десятки простых биогазовых установок, созданных по проекту французского инженера.

 

 

В Финляндии выпускается биогазовый реактор непрерывного действия "Горизонталь-80", предназначенный для переработки навоза в биогаз. Его можно применять на фермах крупного рогатого скота (до 90 голов), свинофермах (до 1 тыс. свиней) и птицефермах (до 10 тыс. кур). Минимальное время переработки навоза 10 суток. За это время происходит обеззараживание его и накопление биогаза. За год, например, из 2200 м3 свиного навоза с помощью реактора получают количество биогаза, эквивалентное 357 тыс. кВт ч. Конструкция установки позволяет эксплуатировать ее даже в условиях 30-градусного мороза.

В Австрии близ города Хальбенрайн имеется специально оборудованная свалка, на которой получают биогаз с помощью бактерий из бытовых отходов. Свалка размещена на площадке со слоем глины толщиной 6 м; такое основание — надежная гарантия того, что никакие жидкие отходы не проникнут в подпочвенный слой и не отравят подземные воды. Для страховки создана специальная дренажная система, из труб которой вода поступает в очистные сооружения.

 

 

Отходы на свалке сильно уплотняются тяжелыми катками, в них встраиваются специальные газовые колодцы, из которых извлекают образующийся биогаз и закачивают в цистерны. Постоянно поддерживаемое в колодцах слегка пониженное давление не дает газу улетучиваться в атмосферу. С 1983 по 1985 гг. со свалки в Хальбенрайне получено 3,8 млн м3 биогаза, что соответствует 1,9 млн л нефти. Газ используют как дешевое горючее для отопления зданий. Его сжигают в топках с помощью специальных горелок. В котлах нагревается вода, которая и отапливает дома. Эта система вызывает интерес и в других странах. Так, в Дании близ г. Вибора построена первая в стране установка, которая также вырабатывает газ из бытовых отходов. По данным датских ученых, 1 м3 отходов производит от 2 до 7 м3 газа, он будет поступать в городскую теплосеть. В будущем датские специалисты намереваются около крупных свалок размещать теплоэлектростанции, которые будут снабжать близлежащие предприятия электроэнергией.

В Институте микробиологии АН Армянской ССР получены термофильные бактерии, обладающие очень высокой активностью роста. Интенсивность микробиологического процесса при их участии повышается в 3 ... 4 раза.

Развитие энергетики в нашей стране предполагает создание материально-технической базы для широкого использования нетрадиционных источников энергии; в том числе энергии биомассы.

Перспективный источник топлива и удобрений — городские стоки. Объем их огромен. Применяемые в настоящее время методы обеззараживания и обработки дОроги (в 1980 г., например, на эти цели затрачено около 180 млн рублей). Методы анаэробной ферментации значительно снизят затраты на очистку стоков и вместе с тем создадут возможность получать до 2 млрд м3 метана в год и удобрения.
 

В нашей стране намечено строительство нескольких опытных и опытно-промышленных биоэнергетических установок. Ведутся исследования в этом направлении.
Метан и жидкое топливо можно получать при переработке макроскопических водорослей, например, крупной бурой водоросли макроцистис. Эксперименты показали, что бурые водоросли из прибрежья могут быть пересажены на так называемое искусственное дно — платформу в открытом океане, где они быстро растут и размножаются. Если в прибрежной зоне эти макрофиты вырастают до товарных размеров за полгода, то на удобряемой океанской плантации достигают нужных промысловых величин за 4 месяца. Плантации могут удобряться водными массами, обогащенными питательными веществами. Вода должна подаваться с больших глубин. Метан, который получается после переработки макроцистиса, является прекрасным заменителем природного газа.

 

Исследования специалистов научно-исследовательского института солнечной энергии (США) показали: если в морскую воду добавлять в определенных дозах соединения азота и микроэлементы, можно повысить содержание в водорослях липидов с длинными углеводородными цепями. При их последующей тепловой обработке в присутствии соляной кислоты и метанола получается дизельное топливо и бензин. При продувании морской воды двуокисью углерода водоросли дают большую органическую массу (50 г/м2 ежедневно), причем 2/3 этой массы приходится на липиды. Если в дизельное топливо будет перерабатываться 80% липидов, водоем диаметром 20 м сможет ежегодно давать до 3000 л дешевого топлива. По мнению ученых, в будущем подобная переработка водорослей смогла бы покрыть 8 % потребностей США в горючем.

 

 

Большой интерес как "энергетическое" растение представляет зеленая водоросль Botrycoccus braunii, встречающаяся в воде многочисленных озер. Она обладает уникальной способностью выделять в чрезвычайно больших количествах во внешнюю среду углеводороды, что позволяет рассматривать ее как возможный постоянный источник этих соединений в природе. Несколько лет назад группа исследователей во Франции заинтересовалась проблемой культивирования данной водоросли, чтобы с ее помощью получать углеводороды в промышленных масштабах. Дело оказалось непростым. Получить нужные количества В. braunii очень трудно, так как ее культура постоянно загрязнена различными бактериями, от которых сложно избавиться. Перспективы культивирования улучшились, когда стали изучать влияние различных бактерий на рост водорослей. Хотя большая часть бактерий тормозила рост В. braunii, были обнаружены и такие, которые стимулировали ее рост. Наиболее стимулирующее влияние оказывала Flavobacterium aquatile. Углекислота, выделяемая во время дыхания этих бактерий, является дополнительным источником углерода для В. braunii. По мнению авторов, разумный выбор партнеров для В. braunii позволит освоить культивирование водоросли в промышленных масштабах.

Очень важно, что биогаз можно использовать вместо бензина как моторное топливо (бензин сильно загрязняет окружающую среду). Во Всесоюзном НИИ природных газов провели сравнительное изучение экологических показателей газового и бензинового двигателей. Автомобиль на бензине выбрасывает в атмосферу сернистый газ, который образуется от сгорания сернистых компонентов топлива. В биогазе серы почти нет, поэтому в выхлопах газового двигателя нет сернистого газа. В отработанных газах бензинового двигателя из-за неполного сгорания топлива содержится окись углерода. Газовое топливо сгорает полнее, поэтому концентрация окиси углерода в выхлопе газового двигателя в несколько раз меньше.

 

 

И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов. Для здоровья человека опасны не сами углеводороды, а продукты их окисления. Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительно легко окисляющиеся вещества — этил и этилен, а газовый двигатель — метан, который из всех предельных углеводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля менее опасен.

Газ как моторное топливо превосходит бензин (более высокое октановое число). Многочисленные испытания показали, что автомобили на газе более выносливы (в 1,5 ... 2 раза дольше работают без ремонта). Ведь при сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя. Кроме того, масляная пленка дольше держится на металлических поверхностях — ее не смывает жидкое топливо, газ практически не вызывает коррозии металла.

С помощью микроорганизмов можно получать из угля жидкое горючее. Идея о переработке угля в жидкое горючее родилась давно (жидкое топливо имеет много преимуществ). Но термические и химические методы переработки невыгодны, требуют больших температур и давлений. Американские исследователи нашли штамм грибка, который "разжижает" уголь. Мелкие частицы бурого угля, помещенные на поверхность культуры этого гриба, через два-три дня окружаются темными каплями, а через одну-две недели уголь полностью расплывается в жидкость. Если предварительно размолотый уголь обработан сильным окислителем (азотной кислотой), процесс идет быстрее. Получающийся темный раствор имеет очень сложный состав, не до конца еще выясненный; во всяком случае, это, как и у нефти, в основном высокомолекулярные органические соединения. Явление настолько интересно и перспективы его применения так значительны, что эксперименты будут продолжены в промышленном биореакторе.

В качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания пригоден этиловый спирт, который можно получить путем микробиологической переработки (сбраживания) содержащих сахара гидролизатов растительного сырья. Национальные программы типа "Топливо из биомассы", "Спиртовое топливо" действуют в США, Канаде, Финляндии и других странах. Помимо применения этанола в качестве топлива, в таких программах разрабатываются способы его превращения в углеводороды — аналоги бензина. Эта идея реализуется и в нашей стране. Использование растений (высших и низших) не решит, конечно, полностью энергетическую проблему, но они могут стать существенным дополнением к другим источникам энергии.

Источник://www.valleyflora.ru/