Глава 5. Технологическая биоэнергетика

И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА

МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Необходимость разработки новых и эффективных способов производ-

ства энергетических носителей и восполнения сырьевых ресурсов стала

особенно актуальной в последние два десятилетия из-за острого дефицита

сырья и энергии в глобальном масштабе и повышения требований к эко-

логической безопасности технологий. В этой связи стали интенсивно раз-

виваться новые разделы биотехнологии – «Биоэнергетика» и «Биогео-

технология металлов».

5.1. Биоэнергетика

Повышенный интерес к технологической биоэнергетике – науке о

путях и механизмах трансформации энергии в биологических систе-

мах, обусловлен рядом причин. Энерговооруженность является фактором,

определяющим уровень развития общества. В последнее время для срав-

нения эффективности тех или иных процессов и технологий все чаще при-

бегают к энергетическому анализу, который намного раньше используется

в экологии. Основной задачей энергетического анализа является планиро-

вание таких методов производства, которые обеспечивают наиболее эф-

фективное потребление ископаемых и возобновляемых энергоресурсов, а

также охрану окружающей среды.

За историю развития человеческого общества потребление энергии в

расчете на одного человека возросло более чем в 100 раз. Через каждые

10–15 лет мировой уровень потребления энергии практически удваивает-

ся. В то же время запасы традиционных источников энергии – нефти, уг-

ля, газа истощаются. Кроме того, сжигание ископаемых видов топлив

приводит к нарастающему загрязнению окружающей среды. Поэтому ста-

новится очень важным получать энергию в экологически чистых техноло-

гиях. Неиссякаемым источником энергии на Земле является Солнце. Каж-

дый год на поверхность Земли с солнечной энергией поступает 3.2024 Дж

энергии. В то же время разведанные запасы нефти, угля, природного газа

и урана по оценкам эквиваленты 2.5.1022 Дж, то есть менее чем за одну

неделю Земля получает от Солнца такое же количество энергии, какое

содержится во всех запасах. Ежегодно в процессах фотосинтеза образует-

ся свыше 170 млрд. т сухого вещества, а количество энергии, связанной в

нем, более чем в 20 раз превышает сегодняшнее годовое энергопотребле-

ние. Однако возникает вопрос, способна ли энергетика, основанная на

использовании солнечного излучения, обеспечить все возрастающие энер-

гетические потребности общества. В глобальном масштабе солнечная

144

энергетика способна обеспечить современный и будущий уровень энерго-

затрат человечества. Так, величина солнечной энергии, падающей на не-

освоенные территории, например пустыни (около 2.107 км2), составляет

около 5.1018 кВт ч. При освоении этой энергии хотя бы с 5 % к.п.д. уро-

вень мирового производства энергии можно увеличить более чем в 200

раз. Таким образом, при возможном народонаселении в 10 млрд. человек

получение энергии только с поверхности зоны пустынь будет в 10–12 раз

превышать энергетические потребности человечества. При этом предви-

дится рост энергопотребления в расчете на душу населения в 5 раз по

сравнению с настоящим уровнем.

Принципиально возможно также освоение солнечной энергии, падаю-

щей на поверхности морей и океанов. При этом в первичном процессе

преобразование солнечной энергии происходит за счет синтеза биомассы

фитопланктона; вторичный процесс представляет собой конверсию био-

Новые разновидности биосистем

Фиксация

азота

Солнечная

энергия

Сырье

Биореактор

Продукт

Питательная

среда

Гидролитические

ферменты

Регуляторы

роста Топливо

Средства биологического контроля

Сельское и лесное

хозяйство

Рис. 5. 1. Взаимосвязи между биомассой и биотехнологией (по Д. Холлу и др., 1988).

145

массы в метан и метанол. Плантации микроводорослей по оценкам спе-

циалистов представляют собой наиболее продуктивные системы: 50–100

т/га в год. Растительный покров Земли составляет свыше 1800 млрд. т су-

хого вещества, образованного в процессах фотосинтеза лесными, травя-

ными и сельскохозяйственными экосистемами. Существенная часть энер-

гетического потенциала биомассы потребляется человеком. Для сухого ве-

щества простейшим способом превращения биомассы в энергию является

сгорание, в процессе которого выделяется тепло, преобразуемое далее в ме-

ханическую или электрическую энергию. Сырая биомасса также может

быть преобразована в энергию в процессах биометаногенеза и получения

спирта.

Как видно из рис. 5.1, получение топлива по схеме «биомасса – био-

технология» основывается на сочетании фотосинтеза, животноводства,

кормопроизводства и ферментации с использованием тех или иных биоло-

гических агентов.

Научные и аналитические исследования последнего десятилетия приво-

дят к выводу, что наиболее эффективными и обнадеживающими для круп-

номасштабного преобразования солнечной энергии являются методы, осно-

ванные на использовании биосистем. Среди этих методов – достаточно хо-

рошо освоенные биологические технологии превращения биомассы в энер-

гоносители в процессах биометаногенеза и производства спирта, а также

принципиально новые разработки, ориентированные на модификацию и

повышение эффективности самого процесса фотосинтеза, создание биотоп-

ливных элементов, получение фотоводорода, биоэлектрокатализ.

Биометаногенез

Биометаногенез или метановое «брожение» – давно известный про-

цесс превращения биомассы в энергию. Открыт данный процесс в 1776 г.

Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе. Биогаз, по-

лучаемый из органического сырья в ходе биометаногенеза в результате

разложения сложных органических субстратов различной природы при

участии смешанной из разных видов микробной ассоциации, представляет

собой смесь из 65–75 % метана и 20–35 % углекислоты, а также незначи-

тельных количеств сероводорода, азота, водорода. Теплотворная способ-

ность биогаза зависит от соотношения метана и углекислоты и составляет

5–7 ккал/м3; 1 м3 биогаза эквивалентен 4 квт/ч электроэнергии, 0.6 л керо-

сина, 1.5 кг угля и 3.5 кг дров. Неочищенный биогаз используют в быту

для обогрева жилищ и приготовления пищи, а также применяют в качест-

ве топлива в стационарных установках, вырабатывающих электроэнер-

гию. Компремированный газ можно транспортировать и использовать

(после предварительной очистки) в качестве горючего для двигателей

внутреннего сгорания. Очищенный биогаз аналогичен природному газу. В

процессах биометаногенеза решается не только проблема воспроизводства

энергии, – эти процессы чрезвычайно важны в экологическим плане, так

146

как позволяют решать проблему утилизации и переработки отходов раз-

личных производств и технологий, сельскохозяйственных и промышлен-

ных, а также бытовых, включая сточные воды и твердый мусор городских

свалок.

В сложных процессах деструкции органических субстратов и образо-

вания метана участвует микробная ассоциация различных микроорганиз-

мов. В ассоциации присутствуют микроорганизмы-деструкторы, вызы-

вающие гидролиз сложной органической массы с образованием органиче-

ских кислот (масляной, пропионовой, молочной), а также низших спиртов,

аммиака, водорода; ацетогены, превращающие эти кислоты в уксусную

кислоту, водород и окислы углерода и, наконец, собственно – метаногены

– микроорганизмы, восстанавливающие водородом кислоты, спирты и

окислы углерода в метан:

БИОПОЛИМЕРЫ

(углеводы,

липиды, белки)

→

Органические

кислоты, спирты,

NH3, CO2, H2

→

Ацетат,

формиат,

H2, CO2

→

CН4+СО

2

С биохимической точки зрения метановое «брожение» – это процесс

анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органического веще-

ства переносятся на углекислоту; последняя затем восстанавливается до

метана (при истинном брожении конечным акцептором электронов слу-

жит молекула органического вещества, являющегося конечным продук-

том брожения). Донором электронов для метаногенов является водород, а

также уксусная кислота.

Деструкцию органической массы и образование кислот вызывает ассо-

циация облигатных и факультативных анаэробных организмов, среди ко-

торых гидролитики, кислотогены, ацетогены и др.; это представители ро-

дов: Enterobacteriaceae, Lactobacilaceae, Sterptococcaceae, Clostridium,

Butyrivibrio. Активную роль в деструкции органической массы играют

целлюлозоразрушающие микроорганизмы, так как растительные биомас-

сы, вовлекаемые в процессы биометаногенеза, характеризуются высоким

содержанием целлюлозы (лигнинцеллюлозы). В превращении органиче-

ских кислот в уксусную существенную роль играют ацетогены – специа-

лизированная группа анаэробных бактерий.

«Венцом» метанового сообщества являются собственно метаногенные

или метанообразующие бактерии (архебактерии), катализирующие вос-

становительные реакции, приводящие к синтезу метана. Субстратами для

реализации этих реакций являются водород и углекислота, а также окись

углерода и вода, муравьиная кислота, метанол и др.:

4 Н2 + СО2 → CH4 + 2 H2O,

4 CO + 2 H2O → CH4 + 3 CO2,

4 HCOOH → CH4 + 3 CO2 + 2 H2O,

147

4 CH3OH → 3 CH4 + CO2 + 2H2O.

Несмотря на то, что метанообразующие бактерии выделены и описаны

совсем недавно, в середине 80-х гг., их возникновение относят к Архею и

возраст оценивают в 3.0–3.5 млрд. лет. Эти микроорганизмы достаточно

широко распространены в природе в анаэробных зонах, и вместе с други-

ми микроорганизмами активно участвуют в деструкции органических ве-

ществ с образованием биогаза, в морских осадках, болотах, речных и

озерных илах. Архебактерии отличаются от прокариотических микроор-

ганизмов отсутствием муреина в клеточной стенке; специфическим, не

содержащим жирных кислот, составом липидов; наличием специфических

компонентов метаболизма в виде кофермента М (2-меркаптоэтансульфо-

новая кислота) и фактора F420 (особый флавин); специфической нуклео-

тидной последовательностью 16S pPHK.

Внутри данной группы отдельные представители метанообразующих

бактерий могут существенно отличаться друг от друга по ряду показате-

лей, включая содержание ГЦ в ДНК, на этом основании их подразделяют

на три порядка, которые включают несколько семейств и родов. К на-

стоящему времени выделены в чистой культуре и описаны около 30 мета-

нообразующих бактерий; список этот непрерывно пополняется. Наиболее

изученными являются следующие: Methanobacterium thermoautotrophicum,

Methanosarcina barkerii, Methanobrevibacter ruminantium. Все метаногены –

строгие анаэробы; среди них встречаются как мезофильные, так и термо-

фильные формы; гетеротрофы и автотрофы. Особенностью метанообра-

зующих бактерий является также способность активно развиваться в тес-

ном симбиозе с другими группами микроорганизмов, обеспечивающими

метаногенов условиями и субстратами для образования метана.

В процессах метаногенеза можно переработать самое разнообразное

сырье – различную растительную биомассу, включая отходы древесины,

несъедобные части сельскохозяйственных растений, отходы перерабаты-

вающей промышленности, специально выращенные культуры (водяной

гиацинт, гигантские бурые водоросли), жидкие отходы сельскохозяйст-

венных ферм, промышленные и бытовые стоки, ил очистных сооружений,

а также мусор городских свалок. Важно, что сырье с высоким содержани-

ем целлюлозы, трудно поддающееся методам переработки, также эффек-

тивно сбраживается и трансформируется в биогаз.

Установки для биометаногенеза с учетом их объемов и производи-

тельности можно подразделить на несколько категорий: реакторы для не-

больших ферм сельской местности (1–20 м3); реакторы для ферм развитых

стран (50–500 м3); реакторы для переработки промышленных стоков

(спиртовой, сахарной промышленности) (500–10 000 м3) и реакторы для

переработки твердого мусора городских свалок (1 – 20.106 м3). Метано-

тенки, изготовленные из металла или железобетона, могут иметь разнооб-

разную форму, включая кубическую и цилиндрическую. Конструкции ______и

148

детали этих установок несколько варьируют, главным образом, это связа-

но с типом перерабатываемого сырья. Существует огромное разнообразие

установок для реализации процесса метаногенеза, конструкционные дета-

ли и компоновка которых определяется приоритетностью задачи, решае-

мой в конкретном процессе: либо это утилизация отходов и очистка сто-

ков, либо получение биогаза требуемого качества. Так, среди действую-

щих в развитых странах установок есть как средние, так и большие по

объемам аппараты (дайджестеры), снабженные устройствами для очистки

и компремирования биогаза, электрогенераторами и очистителями воды.

Такие установки могут входить в состав комплексов с промышленными

предприятиями (сахароперерабатывающими, спиртовыми, молокозавода-

ми), канализационными станциями или крупными специализированными

фермами. Когда главной целью процесса является утилизация отходов, в

составе установок должен присутствовать блок для фракционирования и

отделения крупных твердых частиц.

Метанотенки могут работать в режиме полного перемешивания, пол-

ного вытеснения, как анаэробные биофильтры или реакторы с псевдо-

ожиженным слоем, а также в режиме контактных процессов. Простейшей

конструкцией метанотенка является обычная бродильная яма в грунте с

фиксированным объемом газа. Метанотенк представляет собой герметич-

ную емкость, частично погруженную в землю для теплоизоляции и снаб-

женную устройствами для дозированной подачи и подогрева сырья, а

также газгольдером – емкостью переменного объема для сбора газа. Очень

важным в конструкции метанотенков является обеспечение требуемого

уровня перемешивания весьма гетерогенного содержимого аппарата. Вме-

сте с тем известно, что максимальное выделение метана наблюдается в

системах со слабым перемешиванием. Поэтому в отличие от аэробных

процессов, требующих интенсивной аэрации и перемешивания, переме-

шивание при метаногенезе, главным образом, должно обеспечивать гомо-

генизацию бродящей массы, препятствовать оседанию твердых частиц и

образованию твердой плавающей корки.

В зависимости от типа исходного материала, сбраживаемого в метано-

тенке, интенсивность процесса, включая скорость подачи и полноту пере-

работки, а также состав образуемого биогаза существенно варьируют. При

переработке жидких отходов животноводческих ферм соотношение меж-

ду твердыми компонентами и водой в загружаемой массе должно состав-

лять примерно как 1:1, что соответствует концентрации твердых веществ

от 8 до 11 % по весу. Смесь материала обычно засевают ацетогенными и

метанообразующими микроорганизмами из отстоя сброженной массы от

предыдущего цикла или другого метанотенка. Температура и, следова-

тельно, скорость протекания процесса зависят от вида используемого ме-

танового сообщества. Для термофильных организмов процесс реализуется

при 50–60°С, для мезофильных – при 30–40°С и около 20° – для психро-

149

фильных организмов. При повышенных температурах скорость процесса в

2–3 раза выше по сравнению с мезофильными условиями.

В ходе сбраживания органической массы на первой, так называемой

«кислотной», фазе в результате образования органических кислот рН

среды снижается. При резком сдвиге рН среды в кислую сторону возмож-

но ингибирование метаногенов. Поэтому процесс ведут при рН 7.0–8.5.

Против закисления используют известь. Снижение рН среды является свое-

образным сигналом, свидетельствующим о том, что процесс деструкции

органики с образованием кислот закончен, то есть в аппарат можно подавать

новую партию сырья для переработки. Оптимальное соотношение C:N в

перерабатываемой органической массе находится в диапазоне 11–16:1. При

изменении соотношения C:N в исходном материале в сторону увеличения

содержания азота приводит к выделению аммиака в среду и защелачиванию.

Поэтому жидкие навозные отходы, богатые азотсодержащими компонента-

ми, разбавляют резаной соломой или различными жомами.

Процессы, протекающие при метановом брожении, эндотермичны и

требуют подвода энергии в виде тепла извне. Для ______подогрева загружаемого

сырья и стабилизации температуры процесса на требуемом уровне обычно

сжигают часть образуемого биогаза. В зависимости от температуры про-

цесса количество биогаза, идущего на обогрев процесса, может достигать