Ферментативный способ получения энергии

Обмен веществ и превращение энергии – свойства живых организмов. Энергетический обмен и пластический обмен, их взаимосвязь. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание

Содержание:

Обмен веществ и превращение энергии – свойства живых организмов

Обмен веществ является комплексом различных химических преобразований, способствующих сохранению и самовоспроизведению биоструктур.

Он заключается в поступлении веществ в организм во время питания и дыхания, метаболизме внутри клетки или обмене веществ, вдобавок, в высвобождении конечных продуктов метаболизма.

Метаболизм неотрывно соединён с процессами преобразований определённых видов энергии в другие. К примеру, в начале процесса фотосинтеза световая энергия скапливается в виде энергии химических связей сложных органических молекул, в процессе же дыхания она освобождается и применяется для синтезирования новых молекул, механические и осмотические работы, рассеянные в виде тепла и т. д.

Поток химических превращений в живых организмах снабжается биологическими катализаторами белковой специфики — ферментами или энзимами. Наряду с остальными катализаторами, энзимы ускоряют течение химических реакций в клетке до нескольких сотен тысяч раз, при этом они не меняют природу или свойства конечных продуктов клетки. Ферменты представляют собой простые или сложные белковые молекулы, которые, помимо части, состоящей из белка, включают небелковый кофактор, по – другому называемый коферментом. Ферментами являются, например: амилаза слюны, которая расщепляет гликаны при длительном жевании и пепсин, который обеспечивает переваривание белков в желудочно-кишечном тракте.

Ферменты различаются с небелковыми катализаторами тем, что имеют высокую специфичность действия, в значительной степени увеличенную скорости реакции, а также возможностью регулирования действия путем смены условий реакции или взаимодействия различных веществ с ними. Кроме того, условия, при которых протекает ферментативный катализ, значительно различаются с теми, при которых происходит неферментативный катализ: оптимальная температура для того, чтобы ферменты могли функционировать в организме человека, составляет 37 ° С, а также необходимо, чтобы давление являлось близким к атмосферному, в то время как кислотность среды может значительно варьироваться. Например, для амилазы необходима щелочная среда, для пепсина же наоборот — кислая.

Механизм действия ферментов заключается в том, чтобы снизить энергию активации веществ (субстратов), которые вступают в реакцию вследствие образования промежуточных фермент-субстратных комплексов.

Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь

Метаболизм процессуально слагается из двух частей, происходящих в клетке в одно и то же время: пластического и энергетического обмена.

Пластический метаболизм (анаболизм, ассимиляция) является совокупностью реакций синтеза, сопровождающихся расходом энергии аденозинтрифосфата. Пластический обмен особенно важен тем, что в результате него синтезируются органические вещества, играющие важную роль в жизнедеятельности клетки. Реакциями данного обмена являются, например, процесс фотосинтеза, биологический синтез белковых молекул и репликация молекул ДНК (самодублирование).

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) являет собой сочетание реакций разложения сложных веществ на более простые. Результатом данного обмена является накапливание энергии в форме АТФ. Важнейшими процессами энергетического обмена являются дыхание и брожение.

Пластический и энергетический обмены прочно коррелируют между собой, в связи с тем, что синтез органических веществ происходит в процессе пластического обмена, а для этого нужна именно энергия АТФ; в процессе обмена энергии органические вещества разлагаются, и высвобождается АТФ, а затем используется для синтеза.

Получение энергии организмами осуществляется в процессе питания, затем высвобождают ее и переводят в форму, доступную главным образом в процессе дыхания. По способу питания все организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофы способны к самостоятельному синтезу органических веществ из неорганических, а гетеротрофные организмы поглощают уже готовые органические вещества.

Ассимиляция — биосинтез макромолекул, свойственных клеткам организма. Растения и многие бактерии могут создавать молекулы глюкозы из углекислого газа и воды. На этот процесс расходуется и запасается энергия. Животным необходимы готовые молекулы белков, жиров и углеводов (БЖУ). Это важнейший строительный и энергетический материал для клеток.

Ассимиляция — это совокупность процессов создания структур организма с накоплением энергии.

• Поступление из внешней среды веществ, необходимых для организма;
• Превращение питательных веществ в соединения, которые могут использоваться клетками и тканями;
• Синтез структурных элементов клеток, ферментов и т.д., замена устаревшим новыми;
• Синтез более сложных соединений из более простых;
• Отложение запасов.

Чтобы организм мог усвоить вещества из пищи, они должны быть сначала разобраны на «кирпичики» или мономеры. Из них в организме «собираются» собственные макромолекулы.

Диссимиляция — распад веществ, противоположный ассимиляции (биосинтезу). Белки гидролизуются до аминокислот. При распаде жиров выделяются жирные кислоты и глицерин. Сложные углеводы разлагаются на простые сахара.

Ассимиляция и диссимиляция происходят согласованно. Распад и окисление веществ с выделением энергии возможны лишь тогда, когда есть субстрат — макромолекулы. Они разлагаются на мономеры, которые участвуют в биосинтезе. Выделяющаяся при диссимиляции энергия затрачивается на образование свойственных организму веществ.

Стадии энергетического обмена

Несмотря на сложность реакций обмена энергии, он разделяется на три фазы:

На подготовительном этапе происходит разложение молекул гликанов, липидов, белков, нуклеиновых кислот на более простые, к примеру, на глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды. Эта фаза может осуществляться непосредственно в клетках или в кишечнике, откуда эти вещества переносятся кровотоком.

В анаэробной фазе энергетического катаболизма в дальнейшем происходит расщепление мономеров органических соединений до более простых промежуточных соединений, к примеру, пировиноградной кислоты или пирувата. Он не нуждается в присутствии кислорода, и для организмов, живущих в болотном иле, это единственный способ получить энергию. Анаэробная фаза энергетического обмена проходит в цитоплазме.

Некоторые вещества подвергаются бескислородному расщеплению, при этом глюкоза, чаще всего, остается основным субстратом реакций. Процесс его свободного от кислорода распада принято называть гликолизом. Вследствие гликолиза, молекула глюкозы теряет четыре атома водорода, то есть она окисляется, и образуются две молекулы пировиноградной кислоты, две молекулы АТФ и две молекулы переносчика водорода, восстановленного НАДH + H + :

Образование АТФ из АДФ осуществляется за счет прямого переноса фосфат-аниона из предварительно фосфорилированного сахара и называется субстратным фосфорилированием.

Аэробная фаза энергетического катаболизма может происходить только в присутствии кислорода, тогда как промежуточные продукты, образующиеся при бескислородном разложении, окисляются до конечных продуктов (углекислого газа и воды), и большая часть энергии, хранящейся в химических связях органических соединений, высвобождается. В молекулу АТФ входит 36 макроэргических связей. Эта стадия имеет такое название, как тканевое дыхание. Когда кислород отсутствует, происходит преобразование промежуточных продуктов обмена веществ в определённые органические вещества, данный процесс принято называть ферментацией или брожением.

Брожение и дыхание

Брожение и дыхание это две различные формы диссимиляции — разложения веществ в организме для получения энергии.

Брожение

Примеры процессов брожения известны из повседневной жизни, производственной деятельности.

1. Спиртовое брожение заключается в метаболическом превращении углеводов микроорганизмами, преимущественно дрожжами. В результате образуется этиловый спирт, АТФ и вода, выделяется углекислый газ. Энергию микроорганизмы используют для жизнедеятельности, деления клеток. Спиртовое брожение используется в производстве алкогольных напитков. Пекарские дрожжи в хлебопечении тоже перерабатывают углеводы на этанол и углекислый газ, разрыхляющий тесто.
2. Молочнокислое брожение завершается образованием молекул молочной кислоты, АТФ, водорода и воды. Так скисает молоко, получается пахта, йогурт, сметана, творог. (Рисунок 1). Этот же тип брожения происходит при квашении капусты. Молочнокислые бактерии уменьшают рН субстрата, создают кислую среду. Они не нуждаются в кислороде, но выживают и в кислородной среде.
3. Уксуснокислое брожение приводит к изменениям сока, вина. Сначала, в результате спиртового брожения, вырабатывается этанол. Затем, уксуснокислые бактерии перерабатывают спирт на органические кислоты, в основном яблочную, лимонную, молочную. Так получают натуральный уксус из плодово-ягодного сырья.

Во всех случаях брожения микроорганизмы изменяют углеводы и производят макроэнергетическое вещество — АТФ. Для этого процесса не требуется кислород, что является важнейшим отличием от дыхания. Общий признак — химическая энергия связей в молекуле глюкозы преобразуется в энергию в форме АТФ, которая используется для жизненных процессов.

Брожение — древнейший и не самый совершенный способ выработки энергии. Из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. Кислородный процесс более эффективен в плане получения энергии.

Организмы, которым необходим кислород для дыхания, являются аэробами (в переводе с греческого «аэр» — воздух). Внешняя сторона процесса заключается в поглощении кислорода из воздуха и выделении диоксида углерода.

Молекулы О₂ попадают в организм насекомых через трахеи. Для рыб характерно жаберное дыхание, для млекопитающих — легочное. Переносят кислород к органам и транспортируют диоксид углерода красные кровяные клетки, содержащие гемоглобин.

При отсутствии кислорода начинает происходить ферментация. Ферментация является эволюционно более ранним способом генерирования энергии, чем дыхание, но она менее энергетически выгодна, потому что ферментация производит органическое вещество, которое все еще богато энергией. Различают несколько основных видов брожения: уксусно – кислое, спиртовое, маслянокислое, молочнокислое, метановое и др.

Стало быть, в скелетных мышцах в отсутствие кислорода во время ферментации пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты, тогда как ранее образованные восстановительные эквиваленты расходуются, и остаются только две молекулы АТФ:

При ферментации с дрожжами пировиноградная кислота в присутствии кислорода преобразуется в этиловый спирт и окись углерода (IV):

Во время ферментации с использованием микроорганизмов пируват также может образовывать уксусную, масляную, муравьиную кислоты и так далее.

Энергия АТФ, которая образуется вследствие энергетического обмена, используется клеткой на различные виды работ:

• Химическая работа включает в себя биосинтез белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и других важных соединений.
• Осмотическая работа включает процессы поглощения и удаления веществ из клетки, находящиеся во внеклеточном пространстве в более высоких концентрациях, чем в самой клетке.
• Электрическая работа неразрывно связана с осмотической, ведь именно из – за перемещения заряженных частиц через мембраны формируется заряд мембраны и приобретаются свойства возбудимости и проводимости.
• Механическая работа связана с передвижением веществ и структур во внутриклеточном пространстве и непосредственно клетки в целом.
• К регуляторной работе относят все процессы, которые направлены на координировании процессуальных действий в клетке.

Дыхание

Кислородное дыхание производится в митохондриях, где пировиноградная кислота вначале теряет один атом углерода, что сопровождается синтезом одного восстанавливающего эквивалента молекул НАДН + Н + и ацетилкофермента A (ацетил-КоА):

Ацетил-КоА в митохондриальном матриксе участвует в цепочке химических превращений, которые в совокупности называются циклом Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты). Во время этих превращений образуются две молекулы АТФ, ацетил-КоА полностью окисляется до диоксида углерода, а его ионы водорода и электроны присоединяются к водородным векторам НАДН + Н + и НАДH2. Носители переносят протоны и электроны водорода во внутренние митохондриальные мембраны, которые образуют гребни. При помощи белков-носителей протоны водорода вводятся в межмембранное пространство, а электроны переносятся через, так называемую, дыхательную цепь энзимов, которые расположены во внутренней митохондриальной мембране, и разряжаются в атомы кислорода:

Важно то, что в дыхательной цепи имеются белки, содержащие железо и серу.

Протоны водорода переносятся из межмембранного пространства в митохондриальный матрикс благодаря специальным ферментам, АТФ-синтетаз, а энергия, выделенная в результате этого процесса, используется для синтеза 34 молекул АТФ из каждой молекулы глюкозы. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием. В митохондриальной матрице протоны водорода, прореагировавшие с радикалами кислорода с образованием воды:

Набор кислородных дыхательных реакций можно выразить таким уравнением:

Общее уравнение дыхания выглядит следующим образом:

Таким образом, клеточное дыхание в организме человека происходит поэтапно. Гликолиз сопровождается образованием 8 молекул АТФ (2 из них расходуются). Окислительное декарбоксилирование «дает» 6 АТФ, цикл Кребса — 24 АТФ. Итого, разложение молекулы глюкозы приводит к созданию 38 молекул АТФ. Аэробное дыхание — более совершенный способ получения и накопления энергии.

Источник

ГК «Униконс»

Продвижение и реализация комплексных пищевых добавок, антисептиков и др. продукции.

«Антисептики Септоцил»

Септоцил. Бытовая химия, антисептики.

«Петритест»

Микробиологические экспресс-тесты. Первые результаты уже через 4 часа.

«АльтерСтарт»

Закваски, стартовые культуры. Изготовление любых заквасок для любых целей.

ГЛАВА 11. ОСНОВЫ БИОЭНЕРГЕТИКИ

Биоэнергетика – одно из перспективных направлений биотехнологии, которое основано на получении энергии с помощью биологических процессов.

Биоэнергетика – это новая отрасль народного хозяйства, которая связывает решение проблем получения топлива из биомассы и охраны окружающей среды. Это и научная дисциплина, изучающая и разрабатывающая пути биологической конверсии солнечной энергии в биомассу, а также биологическую и термохимическую трансформации биомассы в топливо и энергию.

В основе биоэнергетики находится наука о превращении энергии в живых организмах. Изучает одну из универсальных функций живых существ – способность к энергообеспечению жизнедеятельности в результате использования внешних энергетических ресурсов. В основе этого процесса лежат молекулярные механизмы, главную роль в которых играют ферменты энергетического обмена. Процессы, катализируемые этими ферментами, подразделяют на две группы. Одна из них включает преобразование внешних энергетических ресурсов в энергию, аккумулируемую АТФ, или энергию, обусловленную разностью трансмембранных электрохимических потенциалов ионов Н + или Na + .

Растительный покров Земли составляет более 1800 млрд т сухого вещества, что энергетически эквивалентно известным запасам энергии полезных ископаемых. Леса составляют около 68 % биомассы суши, травяные экосистемы – примерно 16 %, а возделываемые земли – только 8 %. Ежегодное мировое коммерческое использование всей энергии составляет 3,9 х 10 20 Дж, что в 10 раз меньше запасаемой энергии.

Учитывая все снижающееся количество традиционных энергоносителей (уголь, нефть, газ), запасы которых на земле не безграничны, а также низкий коэффициент эффективности сжигания топлива, при котором большая часть энергии теряется, проблема поиска новых способов получения энергии является ключевой для выживания земной цивилизации. Для этой цели используется обычная биотехнологическая схема, но с необычным конечным продуктом, который представляет собой трансформированный энергетический эквивалент, аккумулирующий большую часть энергии химических связей использованных органических соединений. Пути трансформации энергии в живых системах, используемые в биотехнологии, представлены на рисунке 11.1. Первым этапом биотехнологического получения энергии является накопление биомассы за счет солнечного света. Ежегодно на Землю поступает 3 х 10 24 Дж солнечной энергии, в то время как суммарный энергетический эквивалент всех запасов угля, нефти, газа и урана в земной коре составляет менее 1 % этого количества.

Рис. 11.1. Схема трансформации энергии в живых системах

Среди множества проблем реализации способа обеспечения солнечной энергией наиболее существенными являются неравномерность и диффузность солнечной инсоляции. Но эти ограничения перекрываются возможностями получения возобновляемого сырья, в котором аккумулирована солнечная энергия в виде химических связей органических соединений. Это сырье можно складировать и транспортировать. Главная трудность и до сих пор до конца не решенная технологическая задача – это эффективное извлечение энергии, содержащейся в биологическом сырье. До настоящего времени 60 % древесины используется в качестве топлива. При этом эффективность использования биомассы в качестве топлива чрезвычайно мала (1-2 %) вследствие большого содержания воды и высокой температуры сжигания, что приводит к большим теплопотерям.

Биологические процессы протекают при низких температурах (25-65 °С) и для них пригодно сырье с высокой влажностью. Экономичное преобразование энергии химических связей органических соединений в тепловую энергию проводится в биореакторах. В биореакторах используются сахарный тростник, древесина, сточные воды, навоз, бытовой мусор, отходы сельского хозяйства (солома и меласса) и производства бумаги. Вид сырья зависит от конкретных природно-экономических условий.

Для большинства стран мира древесина – слишком дорогое сырье, особенно для стран Азии и Африки, где возникает дилемма: куда важнее использовать биомассу – на получение энергии или на производство пищи. Однако в Бразилии найден способ высокоэкономичного разведения эвкалиптов и получения из них относительно дешевого растительного сырья и топлива. Следует отметить, что древесное сырье из-за большого содержания в нем лигнина (полифенол) трудно использовать для производства перспективных жидких энергоносителей – спиртов, так как для этого требуются относительно чистые растворы углеводов. В ряде стран в качестве исходного сырья для получения топлива используются водоросли и микроорганизмы, но чаще всего – лишенные лигнина ткани высших растений, содержащие полисахариды.

В странах, не обладающих достаточными запасами нефти, интенсивно развивается производство из растительного сырья технического спирта, который используется главным образом в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания, а также для обогрева, приготовления пищи и освещения. Производство этанола из мелассы, сока сахарного тростника, крахмала или целлюлозы включает в себя следующие этапы: подготовка сырья – гидролиз, осветление, фильтрация, пастеризация; дрожжевая ферментация; перегонка для получения 96%-го спирта; обезвоживание для получения абсолютного спирта; денатурация; концентрирование кубовых остатков для получения удобрения, кормов, топлива, метана. Для ферментации применяют дрожжи, обычно Saccharomyces cerevisie, которые могут расти на глюкозе, фруктозе, мальтозе и мальтотриозе, образующихся при гидролизе сахара и крахмалсодержащего сырья.

Образование этанола дрожжами – анаэробный процесс. Но для размножения дрожжей и поддержания их жизнедеятельности нужны следовые количества кислорода. Рост, деление дрожжевых клеток и образование спирта зависят от концентрации субстрата, которым служит соответствующий сахар, кислорода и конечного продукта (спирта). Для увеличения выхода спирта отбирают штаммы дрожжей, наиболее устойчивых к повышенным концентрациям cахаров и спирта. После сбраживания концентрация спирта составляет 6-12 %. Концентрирование спирта осуществляется путем перегонки паром и осушением десятикратным по отношению к воде количеством бензола. Затем спирт денатурируют. Для этого добавляют горькие вещества или бензин. Процесс получения этилового спирта таким способом является дорогим и, как правило, характеризуется отрицательным энергобалансом.

Таким образом, количество энергии, расходуемое на производство этанола из крахмала или сахарной свеклы, превышает ее количество, запасенное в данном объеме спирта. Единственный пример положительного энергетического баланса получения спирта – это использование в качестве топлива отжатого сахарного тростника (багассы). Путями удешевления продукции является повторное использование дрожжей, иммобилизация дрожжевых клеток, что делает производственный процесс непрерывным, а также получение новых культур сбраживания микроорганизмов методами генной инженерии.

Второй энергетический продукт, производство которого налажено в ряде стран (Германии, Китае), – метан. При переработке сырья в анаэробных условиях под действием микроорганизмов образуется смесь газов, главным образом метан и диоксид углерода. В газовых реакторах используются отходы сельского хозяйства, испорченные продукты, жидкие стоки сахарных, масло– и спиртозаводов, древесные отходы. Существуют крупные промышленные газореакторные установки, расположенные обычно вблизи предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции, и небольшие бытовые реакторы. Неочищенный газ используют для приготовления пищи и освещения, но при выработке в больших количествах его можно использовать в качестве топлива на электростанциях или для заправки машин и тракторов. Для подачи в газораспределительную сеть его очищают от углекислоты и сероводорода.

Наряду с получением энергоносителя биореакторы выполняют важную роль в переработке бытовых отходов, навоза и мусора. Получение газа происходит при участии разных популяций микроорганизмов. Одни из них расщепляют полимеры, вторые образуют летучие жирные кислоты, в том числе уксусную кислоту, а также водород и диоксид углерода, а третьи (метанобразующие бактерии) – метан. Первая группа микробов расщепляет жиры, белки и целлюлозу. Процесс идет обычно при 30-40 °С и рН 6-7 (условия, оптимальные для мезофильных бактерий). При снижении температуры до 20 °С (при которой могут расти психрофильные микроорганизмы) процесс пойдет медленнее. Повышение температуры ферментации до 50-60 °С (оптимальные условия для термофильных бактерий) приводит к значительному ускорению процесса, но вызывает дополнительный расход энергии (сжигание части получаемого газа). В результате реакций гидролиза образуются жирные кислоты, аминокислоты и моносахариды, которые используются микробами второй группы, образующими различные органические кислоты: молочную, пропионовую, уксусную.

Уксусная кислота является главным субстратом для образования метана. Метан образуется также из водорода и диоксида углерода. Источником азота для растущих бактерий могут служить соли аммония. Ингибируют процесс метанообразования кислород, нитриты, нитраты, сульфиды, цианиды, сероводород, ионы тяжелых металлов.

Необходимыми условиями эффективной работы реакторов является поддержание оптимальных для используемых культур микроорганизмов значений температуры и рН. В зависимости от состава используемого сырья энергетический выход получения метана в биореакторах составляет 20-50 %. Теоретическая эффективность образования метана из глюкозы – более 90 %. Обычно биогаз содержит до 70 % метана. Его очистка требует дополнительных расходов, снижающих энергетическую эффективность. Тем не менее биотехнологическое получение метана (биогаза) является экономически выгодным, так как при этом не только используется сырье, не имеющее коммерческой ценности, но и решается проблема уничтожения отходов. Дальнейший прогресс в этом направлении требует изучения и рационального подбора микроорганизмов для ферментации, совершенствования способов закачки сырья и теплообеспечения, измерения объемов газа, а также разработки новых производственных процессов систем контроля.

Роль методов биотехнологии в переработке промышленных отходов огромна. В развитых странах миллионы тонн отходов пищевого производства (молочная сыворотка, барда, отходы животноводства и другие) перерабатываются с применением методов промышленной биотехнологии. В настоящее время не все технологии коммерчески эффективны, но динамика процесса (особенно в последние десять лет) позволяет предположить, что в течение следующих 10-15 лет технологии переработки и утилизации промышленных отходов будут внедрены в массовое производство.

Утилизация (переработка) промышленных отходов с применением биопрепаратов – это пока небольшой, но очень перспективный рынок. Агропромышленный комплекс является одним из крупнейших источников отходов. В России в настоящий момент переработке и нейтрализации подвергается порядка 30 % отходов сельскохозяйственного производства. Существующие нормативы по хранению отходов, в частности отходов животноводства, не соблюдаются.

По сравнению с агропромышленным комплексом ситуация в пищевой перерабатывающей промышленности немного лучше.

Отходы от производства этанола (послеспиртовая барда) используются на кормовые цели в двух видах (влажной и сухой). В молочной промышленности одним из основных побочных продуктов производства является молочная сыворотка, которая в России используется в среднем на 40 %. Большая часть сыворотки подлежит утилизации как отход производства, несмотря на наличие технологий ее комплексного использования. Ежегодно объем сыворотки возрастает на 1-2 %.

Открытие способности цианобактерий и зеленых водорослей разлагать воду на кислород и водород под действием света послужило началом разработок по биотехнологическому производству водорода. Водород является идеальным носителем энергии, так как сгорая, он дает воду, не образуя токсичных продуктов. Для роста фотосинтезирующих микроорганизмов можно использовать простые органические и неорганические субстраты, в том числе содержащиеся в промышленных отходах, поэтому получение водорода путем фотолиза может быть сопряжено с переработкой отходов. Поскольку вода и бактерии являются возобновляемыми участниками процесса, эта технология обещает быть наиболее рентабельной.

Наиболее перспективным направлением биоэнергетики является создание биотопливных элементов, преобразующих энергию света в электрическую энергию. Это стало возможным после открытия в конце XIX века превращения химической энергии в электрическую, а также обнаружения в XX веке движения электронов в живых организмах при дыхании, фотосинтезе и других окислительно-восстановительных процессах.

Принцип преобразования энергии окислительно-восстановительных реакций в электрическую в настоящее время широко используется в датчиках и анализаторах. Они используются для определения концентраций глюкозы, спирта и других веществ в крови, выдыхаемом воздухе и других биосредах. Механизм генерации электрических импульсов широко распространен в биосфере, он доведен до совершенства у электрических скатов, угрей и некоторых других животных.

Впервые получил электрический ток биологического происхождения английский ботаник С. М. Поттер в 1910 г. Погрузив один платиновый электрод в анаэробную культуру кишечной палочки, а другой – в стерильную аэробную среду, он зарегистрировал слабый электрический ток напряжением 0,3-0,5 В, силой 0,2 мА. За последние годы разработаны разные типы регенерируемых (самовосстанавливающихся) биотопливных элементов, в которых используется энергия глюкозы, спиртов и других субстратов, окисляющихся при участии ферментов (дегидрогеназ) микроорганизмов.

На пути биотехнологического получения водорода встает ряд нерешенных проблем, в частности, не до конца изучен механизм фотосинтеза и фотолиза. Биологические системы работают ограниченное время. Фермент гидрогеназа ингибируется кислородом. Тем не менее сконструированы опытные установки, дающие несколько литров водорода в минуту. В них используются бесклеточные системы, содержащие хлоропласты и необходимые ферменты. Для увеличения срока функционирования их иммобилизируют (закрепляют) на полимерных носителях. Методами генной инженерии получают гидрогеназу, активность которой не зависит от концентрации кислорода. Изучается также замена части биологических переносчиков электронов на более стабильные искусственные окислители и восстановители. Поскольку себестоимость водорода, получаемого в биореакторах, высока, а сами они еще недостаточно стабильны в работе, их промышленное производство пока не налажено.

В настоящее время крупнейшие биотехнологические фирмы работают над созданием фотобиоэлектрических элементов. Как ожидается, эти элементы совершат переворот в биоэнергетике. В них используются фотосинтезирующие микроорганизмы, в хлоропластах которых возбужденные под действием света электроны транспортируются по системе переносчиков непосредственно на анод, а протоны – на катод, создавая электрический ток при замыкании цепи по схеме, аналогичной предыдущей.

Перспективы получения и использования биотоплива остаются предметом острых дискуссий во всем мире. Важно отметить, что основные участники этой дискуссии активно развивают у себя производство биотоплива, стимулируют рынки и финансируют научно-исследовательские программы в данной области.

Мировое потребление биотоплива, как жидкого, так и твердого, растет темпами, превышающими 10 % в год. Практически во всех странах мира, как развитых, так и развивающихся, приняты биоэнергетические программы. Особенно бурное развитие получает биоэнергетика в Европейском союзе, и вероятность того, что к 2020 г. биотопливо превысит в энергетическом балансе Европы 10 %, очень высока.

Россия за счет использования своих ресурсов имеет возможность стать одним из лидеров мирового рынка биоэнергетики. В Российской Федерации образуется более 100 млн т доступных для получения энергии отходов биомассы в год, энергетическая ценность которых составляет более 300 млн МВт • ч. При этом утилизируется не более 10 % из них. Россия должна занять достойное место на развивающемся рынке топливных гранул.

Основными источниками российской энергетической биомассы являются:

• органические отходы агропромышленного комплекса с энергосодержанием до 80 млн т.у.т./год;
• органические отходы лесопромышленного комплекса (при условии использования современных технологий лесопроизводства и деревообработки) с энергосодержанием до 1 млрд т.у.т./год (весь лесной запас – 20 млрд т.у.т.);
• отходы городов (сточные воды и твердые бытовые отходы);
• торф (энергосодержание всего запаса – 60 млрд т.у.т., 10,7 млрд т.у.т. – промышленный фонд, потребление – 100 млн т.у.т./год);

Боэнергетические технологии у нас развиваются по следующим направлениям:

1) изыскание и создание крупномасштабных, высокопродуктивных источников биомассы (фотосинтез, производство древесной биомассы, промышленное разведение растений – продуцентов углеводородов, производство углеводсодержащей непищевой биомассы, производство водной биомассы, использование твердых отходов городов);

2) биотехнологическая конверсия (получение этилового и других спиртов, органических кислот, растворителей из различных видов биомассы, получение биогаза и водорода);

3) термохимическая конверсия (прямое сжигание, газификация, пиролиз, сжижение, фест-пиролиз, синтез) для получения жидкого, твердого и газообразного топлива.

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ БИОТОПЛИВА –
ТВЕРДОЕ, БИОГАЗ, БИОЭТАНОЛ, БИОДИЗЕЛЬ

Твердое биотопливо – топливные гранулы (пеллеты) или брикеты, которые производят из отходов лесопромышленного комплекса и деревообрабатывающей отрасли, а также сельского хозяйства. Твердое биотопливо имеет ряд экологических преимуществ перед традиционными видами топлива – более низкие затраты энергии на производство и эмиссия углекислого газа в 10-50 раз ниже, чем при сжигании традиционных видов топлива, высокая теплотворная способность и насыпная плотность, что облегчает транспортировку, перевалку и подачу в котлы.

Производство твердого биотоплива на данный момент является наиболее конкурентоспособным сегментом биоэнергетики в России. В нашей стране сосредоточено до 25 % всех мировых запасов древесины, оцениваемых в 82 млрд м 3 или 41 млрд т. Общий объем древесной биомассы, подлежащей использованию в энергетических целях, составляет 140 млн т в год. Производственный потенциал России по выпуску древесных пеллет составляет несколько миллионов тонн в год, однако общий объем производства пока не превысил 1 млн т в год. Обладая столь значительным ресурсным потенциалом, Россия в перспективе может стать крупнейшим поставщиком пеллет на мировом рынке. Сейчас более 200 компаний производят пеллеты. Крупнейшие предприятия сосредоточены в Ленинградской и Архангельской областях, а также в Красноярском крае. В 2011 году в Ленинградской области начал работу один из самых больших заводов по производству пеллет в мире (ОАО «Выборгская лесопромышленная корпорация») с ежегодной потенциальной мощностью 1 млн т. В настоящее время более 90 % древесных пеллет Россия экспортирует, главным образом, в страны Европы (Дания, Швеция) и Южную Корею. Во многом этому способствует активная политика европейских стран по увеличению доли возобновляемых источников энергии в энергобалансе и улучшению экологии, а также возможность заключения долгосрочных контрактов.

БИОГАЗ (МЕТАН)

Получают при метановом «брожении» (биометаногенезе) сырой биомассы. Процесс был открыт в 1776 г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе. Биогаз, получающийся в ходе этого процесса, представляет собой смесь из 65 % метана, 30 % углекислого газа, 1 % сероводорода (H₂S) и незначительных количеств азота, кислорода, водорода и закиси углерода. Болотный газ дает пламя синего цвета и не имеет запаха. Его бездымное горение причиняет гораздо меньше неудобств людям по сравнению со сгоранием дров, навоза жвачных животных или кухонных отбросов. Энергия, заключенная в 28 м 3 биогаза, эквивалентна энергии 16,8 м 3 природного газа, 20,8 л нефти или 18,4 л дизельного топлива.

Биометаногенез осуществляется в три этапа: растворение и гидролиз органических соединений, ацидогенез и метаногенез. В энергоконверсию вовлекается только половина органического материала -1800 ккал/кг сухого вещества по сравнению с 4000 ккал при термохимических процессах, но остатки, или шлаки, метанового «брожения» используются в сельском хозяйстве как удобрения. В процессе биометаногенеза участвуют три группы бактерий. Первые превращают сложные органические субстраты в масляную, пропионовую и молочную кислоты; вторые превращают эти органические кислоты в уксусную кислоту, водород и углекислый газ, а затем метанообразующие бактерии восстанавливают углекислый газ в метан с поглощением водорода, который в противном случае может ингибировать уксуснокислые бактерии. В 1967 г. Брайант и др. установили, что уксуснокислые и метанообразующие микроорганизмы образуют симбиоз, который ранее считался одним микробом и назывался Methanobacillus omelianskii.

Для всех метанобактерий характерна способность к росту в присутствии водорода и углекислого газа, а также высокая чувствительность к кислороду и ингибиторам производства метана. В природных условиях метанобактерии тесно связаны с водород – образующими бактериями: эта трофическая ассоциация выгодна для обоих типов бактерий. Первые используют газообразный водород, продуцируемый последними; в результате его концентрация снижается и становится безопасной для водородобразующих бактерий.

Метановое «брожение» происходит в водонепроницаемых цилиндрических цистернах (дайджестерах) с боковым отверстием, через которое вводится ферментируемый материал. Над дайджестером находится стальной цилиндрический контейнер, который используется для сбора газа; нависая над бродящей смесью в виде купола, контейнер препятствует проникновению внутрь воздуха, так как весь процесс должен происходить в строго анаэробных условиях. Как правило, в газовом куполе имеется трубка для отвода биогаза. Дайджестеры изготовляют из кирпичей, бетона или стали.

В тех случаях, когда используются отходы домашнего хозяйства или жидкий навоз, соотношение между твердыми компонентами и водой должно составлять 1:1 (100 кг отходов на 100 кг воды), что соответствует общей концентрации твердых веществ, составляющей 8-11 % по весу. Смесь сбраживаемых материалов обычно засевают ацетогенными и метаногенными бактериями или отстоем из другого дайджестера. Низкий рН подавляет рост метаногенных бактерий и снижает выход биогаза; такой же эффект вызывает перегрузка дайджестера. Против закисления используют известь. Оптимальное «переваривание» происходит в условиях, близких к нейтральным (рН 6,0-8,0). Максимальная температура процесса зависит от мезофильности или термофильности микроорганизмов (30-40 °С или 50-60 °С); резкие изменения температуры нежелательны.

Обычно дайджестеры загружают в землю, чтобы использовать изоляционные свойства почвы. В странах с холодным климатом их нагревают при помощи устройств, которые применяют при компостировании сельскохозяйственных отходов. С точки зрения питательных потребностей бактерий, избыток азота (например, в случае жидкого навоза) способствует накоплению аммиака, который подавляет рост бактерий. Для оптимальной переработки соотношение C/N должно быть порядка 30:1 (по весу). Это соотношение можно изменять, смешивая субстраты, богатые азотом, с субстратами, богатыми углеродом. Так, C/N навоза можно изменить добавлением соломы или жома сахарного тростника.

Отходы пищевой промышленности и сельскохозяйственного производства характеризуются высоким содержанием углерода (в случае перегонки свеклы на 1 литр отходов приходится до 50 граммов углерода), поэтому они лучше всего подходят для метанового «брожения». Твердый материал необходимо раздробить, так как наличие крупных комков препятствует образованию метана. Обычно длительность переработки навоза крупного рогатого скота составляет две-четыре недели. Двухнедельной переработки при температуре 35 °С достаточно, чтобы убить все патогенные энтеробактерии и энтеровирусы, а также 90 % популяции Ascaris lumbricoides и Ancylostoma.

Схемы различных типов организации получения и использования биогазовых установок в сельской местности, в которой имеются налаженные сельскохозяйственные производства и накапливаются органические отходы, представлены на рисунках 11.2-11.3. При этом возможна организация обеспечения тепловых и электрических источников энергии и таким образом полный перевод на биоэнергетические принципы хозяйствования данной местности, ее экологизация, создание новых рабочих мест.

Биогаз состоит из 62 % метана и 38 % углекислого газа; последний предполагают использовать в теплицах для ускорения фотосинтеза культивируемых растений. Отходы переработки, содержащие только 12 % твердого вещества, представляют прекрасный корм для аквакулыуры (рыб), скота, могут использоваться в качестве органического удобрения. Как показала практика европейских «биодеревень», отходы крупного рогатого скота и овец, богатые белками, минеральными солями и витаминами, можно использовать в качестве корма для скота, заменяя ими до 25 % сухого вещества поглощаемой пищи.

Рис. 11.2. Схема организации биоэнергетики при переработке органических отходов
с использованием тепловой и электрической энергии

Рис. 11.3. Схема организации биогазовой энергетики в сельской местности

Производство биогаза имеет следующие достоинства: это источник энергии; отходы процесса служат высококачественными удобрениями и компонентами кормов, процесс способствует поддержанию экологии окружающей среды.

БИОЭТАНОЛ

Обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Мировое производство биоэтанола каждый год увеличивается, лидерами являются США, Бразилия, Китай, Индия. В настоящее время большая часть биоэтанола производится из кукурузы (США) и сахарного тростника (Бразилия). Сырьем для производства биоэтанола также могут быть различные культуры с большим содержанием крахмала: маниок, картофель, сахарная свекла, батат, сорго, ячмень и т.д. Большим потенциалом обладает маниок. Маниоку в больших количествах производят Китай, Нигерия, Таиланд. Бразилия является первой страной, начавшей использовать негидрированный спирт в качестве добавки к топливу.

Биоэтанол получают сбраживанием сахара по технологии, которая используется в производстве пива и пищевого спирта, сухим или мокрым способами (рисунки 11.4-11.5). Крахмал из зерен и клубней растений с помощью ферментов превращается в простые сахара. Затем эти или природные сахара из сахарной свеклы, сахарного тростника или сорго сбраживаются дрожжами в бражку, то есть смесь спирта, воды и несброженных остатков. Этанол отделяют от бражки в дистилляционных колоннах и дополнительно очищают в ректификационных колоннах, на выходе которых получают смесь этанола с водой. На этапе обезвоживания из этой смеси удаляют остатки воды и получают безводный биоэтанол, который можно смешивать с бензином в качестве окислителя и высокооктанового компонента.

Рис. 11.4. Получение биоэтанола сухим способом

Рис. 11.5. Получение биоэтанола мокрым способом

Отходам производства биоэтанола находится широкое применение. Чаще всего из них производят высушенную дробину с растворимыми веществами барды – богатый белками и питательными веществами корм для крупного рогатого скота, свиней и птицы. Также полученную биомассу можно использовать как топливо для производства электрической и тепловой энергии или как сырье для выработки метана.

Основным достоинством биоэтанола при его использовании в качестве добавки к бензину в количестве 10 % является сокращение выхлопов в атмосферу аэрозольных частиц (до 50 %), выбросов СО – до 30 %. Это достигается за счет наличия кислорода в его составе, что позволяет более полно сжигать углеводороды топлива.

В 2014 году в Китае было выпущено около 2,16 млн тонн биоэтанола, страна является третьим по величине производителем и потребителем биоэтанола в мире, уступая только США и Бразилии.

Основной проблемой производства биоэтанола, получаемого из товарной сельскохозяйственной продукции (пшеница, кукуруза, просо, рис и др.), является сокращение доли земель, занятых под производство кормовых и пищевых культур и, как следствие, рост цен на продовольствие. Другими недостатками биоэтанола как компонента бензинов являются: меньшая плотность энергии, чем в бензине; коррозионная активность; низкая светимость пламени; низкое давление пара; высокая смешиваемость с водой; токсичность для экосистем.

Перспективным источником получения биоэтанола является лигноцеллюлозная биомасса (древесина, трава, растительные отходы биомасс) как наиболее дешевое возобновляемое природное сырье. Производство биоэтанола здесь связано с двумя основными технологическими процессами: гидролиз целлюлозы в лигноцеллюлозной биомассе для получения cахаров и ферментация cахаров в этанол. Стоимость производства этанола из лигноцеллюлозных материалов на основе современных технологий является относительно высокой, а также основными проблемами являются низкий выход и высокая стоимость процесса гидролиза. Альтернативный путь производства биоэтанола – использование микроорганизмов, которые способны преобразовать биомассу в этанол. В последние два десятилетия многочисленные микроорганизмы были разработаны с целью селективного получения этанола. Наибольшие успехи достигнуты при использовании грамотрицательных бактерий: Escherichia coli, Klebsiella oxytoca и Zymomonas mobilis. Некоторые авторы приводят аргументы в пользу грибов Trichodermareesei. Отмечено бактериальное загрязнение как серьезная проблема стадии ферментации при получении этанола из кукурузного волокна. В общем, использование сельскохозяйственных, промышленных и городских отходов для производства этанола позволит утилизировать твердые отходы и улучшить качество воздуха. Кроме того, побочный продукт производства биоэтанола – лигнин – может быть использован для генерирования электроэнергии (около 3,6 % мирового производства электроэнергии) и пара.

Крупномасштабное коммерческое производство топливного биоэтанола из лигноцеллюлозных материалов до сих пор не реализовано. Основные задачи коммерциализации производства этанола из биомассы – сокращение затрат и повышение выхода этанола путем совершенствования технологий. Так, в зависимости от типа предварительной обработки проса, выход глюкозы варьирует от 70 % до 90 %, а выход ксилозы от 70 % до 100 % после гидролиза. После предварительной обработки и гидролиза выход этанола варьирует от 72 % до 92 % от теоретического максимума. Многотопливное производство из биомассы сегодня рассматривается как наиболее энергетически эффективный и экономичный процесс, например, производство биоэтанола и биоводорода одновременно.

БИОДИЗЕЛЬ ИЛИ БИОДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО

Биотопливо на основе растительных или животных жиров (масел), а также продуктов их этерификации. Лидерами по производству биодизеля являются Европа, США, Бразилия и Китай.

При производстве биодизеля растительное масло переэтерифицируется метанолом, реже этанолом или изопропиловым спиртом (приблизительно в пропорции на 1 т масла 200 кг метанола + гидроксид калия или натрия) при температуре 60 °С и нормальном давлении. Применяется на автотранспорте в чистом виде и в виде различных смесей с дизельным топливом.

Сама концепция использования растительного масла в качестве топлива восходит к 1895 году, когда д-р Рудольф Дизель создал первый дизельный двигатель для работы на растительном масле. Дизель продемонстрировал его на Всемирной выставке в Париже в 1900 году с использованием арахисового масла в качестве топлива.

Основные преимущества использования биодизеля:

1 – биодизель является единственной альтернативой топливу, которое может использоваться в любых обычных, немодифицированных дизельных двигателях. Условия хранения не отличаются от таковых для обычного дизельного топлива;

2 – биодизель может использоваться в чистом виде, либо в смеси в любом соотношении с нефтяным дизельным топливом. Самой распространенной является смесь из 20 % биодизельного топлива и 80 % нефтяного дизельного топлива (европейское обозначение такого топлива «В20»);

3 – в жизненном цикле производства и использования биодизеля производится примерно на 80 % меньше выбросов диоксида углерода и почти на 100 % меньше диоксида серы, за счет снижения мутагенности биодизельное топливо на 90 % уменьшает риск развития рака;

4 – биодизельное топливо состоит из 11 % (по весу) кислорода и не содержит серы, использование его может продлить жизнь дизельных двигателей, так как оно имеет более высокие, чем у нефтяного дизельного топлива, смазывающие характеристики, в то время как остальные (потребление топлива и др.) сопоставимы;

5 – биодизельное топливо безопасно для использования и транспортировки, поскольку оно является биологически чистым, как сахар, в 10 раз менее токсично, чем поваренная соль, и обладает высокой температурой воспламенения (около 150°С против 55 для нефтяного дизельного топлива);

6 – биодизель может быть изготовлен из широкого арсенала сырья (различные возобновляемые масличные культуры, такие, как соя, кукуруза или рапс, отработанные жировые отходы);

7 – при сгорании биодизельное топливо заменяет запах выхлопных газов на приятный запах попкорна или жареного картофеля.

Недостатки биодизеля в качестве топлива для двигателей: при сгорании биодизеля выделяется больше закиси азота, чем при сгорании нефтяного дизельного топлива; расход пищевого сырья (рапса, подсолнечника), что ведет к удорожанию продовольствия; биодизель имеет свойства растворителя, что может вызвать проблемы в старых дизельных двигателях; существует незначительное ухудшение основных параметров и пробега транспортного средства; отличия по качеству, в зависимости от вида жирового сырья.

Суть процесса приготовления биодизеля заключается в уменьшении вязкости растительного масла, чего можно достичь различными способами. Любое растительное масло – это смесь триглицеридов (эфиров жирных кислот, соединенных с молекулой глицерина) с трехатомным спиртом. Именно глицерин придает вязкость и плотность растительному маслу. Поэтому, чтобы получить биодизель, необходимо удалить глицерин, заместив его на спирт. Этот процесс называется трансэтерификацией.

В качестве первичного сырья может использоваться и отработанное растительное масло. В этом случае необходима предварительная фильтрация для удаления примесей и воды. В процессе реакции масло вначале нагревается до определенной температуры (для ускорения реакции), а затем в него добавляются катализатор и спирт. Если применяется метанол, образуется метиловый эфир жирных кислот, если этанол – этиловый эфир. Для ускорения реакции также может применяться кислота. Смесь определенное время перемешивается и отстаивается. После отстаивания смесь расслаивается, образуя биодизель в верхнем слое (называемый химически «эфир»), затем слой мыла, а на дне остается глицерин. Глицерин и мыльный слой впоследствии отделяются, а биодизель промывается различными способами для удаления остатков мыла, катализатора и других возможных примесей. После промывок он осушается для удаления остатков воды, например, сульфатом магния. Затем осушитель удаляется простой фильтрацией. Из одной тонны растительного масла и 111 кг спирта (в присутствии 12 кг катализатора) получается приблизительно 970 кг (1100 л) биодизеля и 153 кг первичного глицерина.

После завершения реакции на дне осаждается глицерин. Биодизель должен быть цвета меда, глицерин – более темного цвета. При поддержании температуры около 38 °С глицерин остается в жидком состоянии и может быть легко удален снизу смесителя отдельным шлангом. Глицерин, полученный из отработанных масел, обычно коричневый и твердеет при температуре 38 °С, глицерин из свежего масла остается в жидком состоянии при более низких температурах. Его можно использовать как побочный продукт, предварительно выпарив из него метанол нагреванием до 65,5 °С.В России внедрение биодизеля сегодня не столь актуально, т.к. мало внимания уделяется качеству топлива, а начинать внедрение нужно с создания специальных законодательных программ, стимулирующих улучшение качества топлива. Кроме того, в настоящее время инвестиционная привлекательность производства биодизеля не столь высока, по сравнению с производством обычного топлива, при этом использовать пищевое сырье (рапс, соя, подсолнечник) нерентабельно.

В настоящее время для производства биодизеля активно ищется альтернативное сырье, осваивают и распространяют новые технологии и ускоряют строительство новых установок по производству такого рода топлива.

Новым источником жировой фракции, как сырья для биодизеля, могут служить водоросли. Специалисты считают, что перспективным сырьем для производства биодизеля станут водоросли с высоким содержанием липидной фракции (до 80 % массы), из которых получают в 150-300 раз больше масла, чем из сои. По своим энергетическим характеристикам водоросли значительно превосходят другие источники. Производство специальных видов водорослей привлекательно еще и тем, что в ходе биосинтеза поглощается углекислый газ из атмосферы. Для выращивания этих водорослей необходимы теплый жаркий климат и земля. Для этих целей возможно использовать земли, которые не пригодны для культивирования пищевых сельхозкультур.

Разработаны технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, которые могут использовать тепло электростанций или других источников (биогазовых установок), необходимое для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого пустынного климата. Водоросли размножаются делением. Они делятся каждые 12 часов, и постепенно вода в биореакторах превращается в зеленую плотную массу. Далее содержимое цилиндра подвергается центрифугированию. Остаток представляет собой практически стопроцентное биотопливо. Насыщенная жирами часть этой массы преобразуется в биодизель, а углеводороды – в биоэтанол.

Источник