Органическое сырьё. 
Перспективы создания установок для микробиологического получения водорода

Один из наиболее перспективных методов получения водорода — анаэробное разложение органического сырья термофильными микроорганизмами. Особенность данного методаприсутствие в получаемом водороде таких примесей, как углекислый газ, сероводород, что не позволяет использовать его напрямую в качестве топлива. Например, в низкотемпературных топливных элементах присутствие соединений серы приводит к инактивации Pt-электродов, а их сжигание будет сопровождаться токсичными выбросами в атмосферу. Кроме того, еще не решена проблема экономически эффективной транспортировки и хранения водорода [10].

Также серьезной проблемой производства биоводорода является ингибирование ферментации за счет повышенной концентрации водорода. Для достижения максимальной продуктивности биореактора необходимо непрерывно удалять водород из биосреды, поддерживая его концентрацию на уровне 2−5% от максимальной. Предлагаются разные технологии выведения водорода из среды ферментации, наиболее простые — барботаж инертным газом и вакуумирование. Их недостатки: получение разбавленного инертным газом водорода (и примесей), нарушение условий культивирования микроорганизмов и высокий расход энергии.

Активно ведутся исследования в области разработки и применения мембранно-абсорбционных систем для газоразделения. Такие системы могут быть также с успехом применены для десорбирования газов из жидких сред. В большинстве мембранно-абсорбционных систем применяют пористые полимерные мембраны, поскольку они обеспечивают низкое сопротивление массопереносу. Однако пористые мембраны имеют ряд недостатков, которые не позволяют их использовать в микробиологических процессах: они не обеспечивают стерильность, требуют точного контроля перепада давлений между газовой и жидкой фазами и могут достаточно быстро зарастать микроорганизмами.

Для извлечения водорода из культуральной жидкости наиболее перспективно использование мембранно-абсорбционных систем на основе непористых полимерных мембран с помощью ферментного топливного электрода на основе фермента гидрогеназы с рекордными характеристиками. Он может функционировать в присутствии соединений серы, монооксида углерода, кислорода в широком диапазоне рН. Было предложено интегрировать ферментный топливный электрод на основе гидрогеназы непосредственно в биореактор с водород образующими термофильными микроорганизмами. В качестве катода топливного элемента использовали платину в кислороде. Для этого был сконструирован биореакторный топливный элемент, позволяющий вести ферментацию органического сырья и окисление выделяемого водорода в одном объеме.

В процессе был проведен скрининг микроорганизмов, способных к образованию биоводорода при росте на целлюлозосодержащем органическом субстрате, разработан мембранный модуль для извлечения биоводорода из культуральной жидкости, а также создана установка конверсии органического сырья в электроэнергию через промежуточное образование биоводорода.

В результате показана возможность микробной переработки органического сырья и отходов в биоводород;

— выбраны культуры для осуществления данного процесса с максимальной эффективностью;

— показана возможность интенсификации выделения водорода вследствие дегазирования культуральной жидкости с помощью ПВТМС-мембраны;

— осуществлена конверсия биоводорода в электричество непосредственно в среде действия микроорганизмов. Максимальная мощность разработанного водородкислородного реакторного топливного элемента составила 200−250 мкВт/см2 .

В настоящее время достижения биотехнологии перспективны и в сельском хозяйстве. 1, С. 32,42.].

Известно, что животные плохо усваивают энергию растительных кормов и более половины ее уходит в навоз, который прежде всего является ценнейшим видом органических удобрений. Вместе с тем, он может быть использован в качестве возобновляемого источника энергии. Концентрация животных на крупных фермах и комплексах обусловила увеличение объемов навоза и навозных стоков, которые должны утилизироваться, не загрязняя окружающую среду.

Одним из путей рациональной утилизации навоза и навозных стоков является их анаэробное сбраживание, которое обеспечивает обезвреживание навоза и сохранение его как важнейшего органического удобрения при одновременном получении биогаза.

Очистные сооружения, использующие анаэробное брожение для обработки органических отходов, известны с конца прошлого столетия. Первый такой опыт относится к 1895 г., когда в английском городе Экзетер был введен в эксплуатацию так называемый септиктенк для очистки коммунальных отходов. Помимо чисто санитарных задач, эта установка обеспечивала получение биогаза, который использовался для освещения улиц.

Анаэробный метод обработки отходов долгое время применялся для стабилизации осадков водоочистных станций и отходов животноводства. Однако с началом энергетического кризиса 1970;х годов этот метод привлек особое внимание в связи с идеей получения биогаза в основном из навоза сельскохозяйственных животных.

Анаэробное сбраживание навоза с получением биогаза осуществляется в специальных биогазовых установках, основными элементами которых являются герметические емкости. Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных и метанообразующих бактерий превращаются в газообразные продукты — метан и углекислоту. Степень разложения органического вещества при анаэробном сбраживании навоза составляет 25−45%.

Кроме того, метановое сбраживание навоза обеспечивает его дезодорацию, дегельминтизацию, уничтожение способности семян сорных растений к всхожести, перевод удобрительных веществ в легкоусвояемую растениями минеральную форму. При анаэробной обработке навоза фосфор и калий практически полностью сохраняются в сброженной массе. Потери азота, которые при других методах обработки навоза составляют до 30%, в процессе метаногенеза не превышают 5%. При этом значительная часть азота, присутствующего в свежем навозе в форме органических соединений, в сброженном видесодержится в аммиачной форме, которая быстро усваивается растениями. После анаэробной обработки в навозе значительно уменьшается содержание пахнущих веществ, снижается на 98,5%, индекс Э. коли — от 108 до 105−104 и зародышей паразитов на 90−100%.

Экономическими критериями невозможно оценить тот факт, что анаэробная переработка навоза животных находится в полном согласии со все более строгими требованиями к соблюдению принципов охраны окружающей среды [1,C.32,42].