Биоэнергетика. 
Основы биотехнологии. В 2 ч. Часть 2 -

Интерес к биоэнергетике как науке о путях и механизмах трансформации энергии в биологических системах велик, поскольку энерговооруженность относится к факторам, определяющим уровень развития общества. В последнее время для сравнения эффективности тех или иных процессов и технологий все чаще прибегают к энергетическому анализу, который успешно используется в экологии. Основная задача энергетического анализа заключается в планировании таких методов производства, которые обеспечивают наиболее эффективное потребление ископаемых и возобновляемых энергоресурсов, а также охрану окружающей среды.

За всю историю развития человеческого общества потребление энергии в расчете на одного человека возросло более чем в 100 раз. При этом через каждые 10—15 лет мировой уровень потребления энергии практически удваивается, а запасы традиционных источников энергии (нефти, газа) истощаются. Кроме того, сжигание ископаемых видов топлива приводит к нарастающему загрязнению окружающей среды. Поэтому становится очень важным получать энергию за счет экологически чистых технологий.

Неиссякаемым источником энергии на Земле является Солнце. Каждый год на поверхность Земли с солнечной энергией поступает 3×20²⁴ Дж энергии. В то же время, по оценкам специалистов, разведанные запасы нефти, угля, природного газа, урана эквивалентны 2,5×10²² Дж, т. е. менее чем за одну неделю Земля получает от Солнца такое же количество энергии, какое содержится во всех ее топливных запасах.

Важным направлением является поиск новых источников энергии. Так, величина солнечной энергии, падающей на неосвоенные территории, например пустыни (около 2107 км²), составляет около 51 тыс. кВт • ч. При освоении этой энергии хотя бы с 5%-м КПД уровень мирового производства энергии можно увеличить более чем в 200 раз. Таким образом, при возможном народонаселении земного шара в 10 млрд человек получение энергии только с поверхности зоны пустынь будет в 10—12 раз превышать энергетические потребности человечества.

Принципиально возможно также освоение солнечной энергии, падающей на поверхности морей и океанов. При этом первично преобразование солнечной энергии происходит за счет синтеза биомассы фитопланктона; вторичный процесс представляет собой конверсию биомассы в метан и метанол. Плантации микроводорослей, по оценкам специалистов, являются наиболее продуктивными системами: 50—100 т/га в год.

Растительный покров Земли составляет свыше 1800 млрд т сухого вещества, образованного в процессах фотосинтеза лесными, травяными и сельскохозяйственными экосистемами. Существенная часть энергетического потенциала биомассы потребляется человеком. Для сухого вещества простейшим способом превращения биомассы в энергию является сгорание, в процессе которого выделяется тепло, преобразуемое далее в механическую или электрическую энергию. Сырая биомасса также может быть преобразована в энергию в процессах биометаногенеза и получения спирта.

Получение топлива по схеме «биомасса — биотехнология» основывается на сочетании фотосинтеза, животноводства, кормопроизводства и ферментации с использованием тех или иных биологических агентов.

Научные и аналитические исследования последнего десятилетия приводят к выводу, что наиболее эффективными и обнадеживающими для крупномасштабного преобразования солнечной энергии являются методы, основанные на использовании биосистем, в числе которых достаточно хорошо освоенные биологические технологии превращения биомассы в энергоносители в процессах биометаногенеза и производства спирта, а также принципиально новые разработки, направленные на модификацию и повышение эффективности самого процесса фотосинтеза, создание биотопливных элементов, получение фотоводорода, биоэлектрокатализ.

Биометаногенез, или метановое брожение, давно известный процесс превращения биомассы в энергию. Он был открыт в 1776 г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе. Биогаз, получаемый 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 незначительных количеств сероводорода, азота, водорода. Теплотворная способность биогаза зависит от соотношения метана и углекислоты и составляет 5—7 ккал/м³; 1 м³ биогаза эквивалентен 4 кВт • ч электроэнергии; 0,6 л керосина; 1,5 кг угля и 3,5 кг дров. Неочищенный биогаз используют в быту для обогрева жилищ и приготовления пищи, а также в качестве топлива в стационарных установках, вырабатывающих электроэнергию. 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 экологическом плане, так как позволяют решать проблему утилизации и переработки отходов — производственных и технологических, сельскохозяйственных и промышленных, а также бытовых, включая сточные воды и твердый мусор городских свалок.

В сложных процессах деструкции органических субстратов и образования метана участвует микробная ассоциация различных микроорганизмов. В ассоциации присутствуют микроорганизмы-деструкторы, вызывающие гидролиз сложной органической массы с образованием органических кислот (масляной, пропионовой, молочной), 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.

С биохимической точки зрения метановое брожение — это процесс анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органического вещества переносятся на углекислоту; последняя затем восстанавливается до метана (при истинном брожении конечным акцептором электронов служит молекула органического вещества, являющегося конечным продуктом брожения). Донорами электронов для метаногенов служит водород, а также уксусная кислота.

Деструкцию органической массы и образование кислот вызывает ассоциация облигатных и факультативных анаэробных организмов, в числе которых гидролитики, кислотогены, ацетогены и др. Это представители родов Enterobacteriaceae, Lactobacilaceae, Streptococcaceae, Clostridium, Butyrivibrio. Активную роль в деструкции органической массы играют целлюлозоразрушающие микроорганизмы, так как растительные биомассы, вовлекаемые в процессы биометаногенеза, характеризуются высоким содержанием целлюлозы (лигнинцеллюлозы). В превращении органических кислот в уксусную существенное значение имеют ацетогены — специализированная группа анаэробных бактерий.

«Венцом» метанового сообщества являются собственно метаногенные, или метанобразующие, бактерии (архебактерии), катализирующие восстановительные 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.:

Несмотря на то что метанобразующие бактерии выделены и описаны сравнительно недавно — в середине 1980;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 условиях. Вместе с другими микроорганизмами активно участвуют в деструкции органических веществ с образованием биогаза в морских осадках, болотах, речных и озерных илах. От прокариотических микроорганизмов архебактерии отличаются отсутствием муреина в клеточной стенке; специфическим, не содержащим жирных кислот составом липидов; наличием специфических компонентов метаболизма в виде кофермента М (2-меркаптоэтансульфоновая кислота) и фактора F420 (особый флавин); специфической нуклеотидной последовательностью 16S рРНК.

Внутри данной группы отдельные представители метанобразующих бактерий могут существенно отличаться друг от друга по ряду показателей, включая содержание Г — Ц в ДНК. На этом основании их подразделяют на три порядка, которые включают несколько семейств и родов. К настоящему времени выделены в чистой культуре и описаны около 30 метанобразующих бактерий; список этот непрерывно пополняется. Наиболее изучены метанобактерии Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanosarcina barkerii, Methanobrevibacter ruminantium. Все метаногены — строгие анаэробы; среди них встречаются как мезофильные, так и термофильные формы; гетеротрофы и автотрофы. Особенностью метанобразующих бактерий является также способность активно развиваться в тесном 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 перерабатывающей промышленности, специально выращенные культуры (водяной гиацинт, гигантские бурые водоросли), жидкие отходы сельскохозяйственных ферм, промышленные и бытовые стоки, ил очистных сооружений, а также мусор городских свалок. Важно, что сырье с высоким содержанием целлюлозы, трудно поддающееся методам переработки, также эффективно сбраживается и трансформируется в биогаз.

Установки для биометаногенеза с учетом их объемов и производительности можно подразделить на несколько категорий: реакторы для небольших ферм сельской местности (1—20 м³), реакторы для ферм развитых стран (50—500 м³), реакторы для переработки промышленных стоков, например спиртового и сахарного производств (500— 10 000 м³), и реакторы для переработки твердого мусора городских свалок (до 20 тыс. м³).

Метантенки, изготовленные из металла или железобетона, могут иметь разнообразную форму, включая кубическую и цилиндрическую. Конструкции и детали этих установок несколько варьируют, что связано в основном с типом перерабатываемого сырья. Существует огромное разнообразие установок для реализации процесса метаногенеза, конструкционные детали и компоновка которых определяются приоритетностью задачи, решаемой в конкретном процессе: либо это утилизация отходов и очистка стоков, либо получение биогаза требуемого качества. Так, среди действующих в развитых странах установок есть как средние, так и большие по объему 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, молокозаводами), канализационными станциями или крупными специализированными фермами. Когда главной целью процесса является утилизация отходов, в конструкции установок должен быть предусмотрен блок для фракционирования и отделения крупных твердых частиц.

Метантенки могут работать в режиме полного перемешивания, полного вытеснения, как анаэробные биофильтры или реакторы с псевдоожиженным слоем, а также в режиме контактных процессов. Простейшая конструкция метантенка — это обычная бродильная яма в грунте с фиксированным объемом газа. Метантенк представляет собой герметичную емкость, частично погруженную в землю для теплоизоляции и снабженную устройствами для дозированной подачи и подогрева сырья, а также газгольдером — емкостью переменного объема для сбора газа. Очень важно, чтобы в метантенках обеспечивался требуемый уровень перемешивания весьма гетерогенного содержимого аппарата. Вместе с тем известно, что максимальное выделение метана наблюдается в системах со слабым перемешиванием. Поэтому, в отличие от аэробных процессов, требующих интенсивной аэрации и перемешивания, перемешивание при метаногенезе главным образом должно обеспечивать гомогенизацию бродящей массы, препятствовать оседанию твердых частиц и образованию твердой плавающей корки.

В зависимости от типа исходного материала, сбраживаемого в метантенке, интенсивность процесса, включая скорость подачи и полноту переработки, существенно варьирует. При переработке жидких отходов животноводческих ферм соотношение между твердыми компонентами и водой в загружаемой массе должно составлять примерно 1:1, что соответствует концентрации твердых веществ от 8 до 11% по весу. Смесь материала обычно засевают ацетогенными и метанобразующими микроорганизмами из отстоя сброженной массы от предыдущего цикла или другого метантенка. Температура и, следовательно, скорость протекания процесса зависят от вида используемого метанового сообщества. Для термофильных организмов процесс реализуется при 50—60 °С, для мезофильных — при 30—40 °С, для психрофильных — около 20 °C. При повышенных температурах скорость процесса в два-три раза выше, по сравнению с мезофильными условиями.

В ходе сбраживания органической массы на первой (так называемой кислотной) фазе в результате образования органических кислот снижается pH среды. При резком сдвиге pH среды в кислую сторону возможно ингибирование метаногенов. Поэтому процесс ведут при pH 7,0—8,5. Против закисления используют известь. Снижение pH среды служит своеобразным сигналом о том, что процесс деструкции органики с образованием кислот закончен, т. е. в аппарат можно подавать новую партию сырья для переработки. Оптимальное соотношение С: N в перерабатываемой органической массе находится в диапазоне 11—16: 1. Изменение соотношения С: N в исходном материале в сторону увеличения содержания азота приводит к выделению аммиака в среду и защелачиванию. Поэтому жидкие навозные отходы, богатые азотсодержащими компонентами, 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 процесса, количество биогаза, идущего на обогрев процесса, может достигать 30% от объема получаемого.

Скорость поступления сырья на переработку или время удержания сырья в аппарате являются важными и контролируемыми параметрами. Чем интенсивнее процесс брожения, тем выше скорость загрузки и тем меньше время удержания. Однако важным условием стабильности процесса биометаногенеза, как и любой проточной культивационной системы, является сбалансированность потоков субстрата со скоростью размножения продуцента.

Скорость подачи субстрата в метантенк должна быть равной скорости роста бактерий метанового сообщества, при этом концентрация субстрата (по органическому веществу) должна быть стабилизирована на уровне не ниже 2%. При уменьшении концентрации субстрата плотность бактериального сообщества снижается, и процесс метаногенеза замедляется.

Наибольший выход продукции обеспечивается более высокой скоростью подачи субстрата, что, в свою очередь, требует стабилизации в аппарате достаточно высокой концентрации микроорганизмов.

Возможны осложнения процесса, которые зависят от характера перерабатываемой органики. Если в перерабатываемом материале содержится много труднорастворимых веществ, в реакторе накапливаются неразрушенные твердые вещества (до 80% осадка). При больших количествах растворимой и легкодоступной органики образуется большое количество микробной биомассы в виде активного ила (до 90% осадка), который трудно удержать в реакторе. Чтобы избежать подобных осложнений, применяют химический или ферментативный гидролиз исходного сырья (помимо его механического измельчения), обеспечивают оптимальное перемешивание в метантенке подаваемого сырья с активным илом, перемешивают осадок и т. д.

Нормы загрузки сырья в существующих процессах метаногенеза колеблются в пределах 7—20% объема субстрата от объема биореактора в сутки. Цикличность процесса — 5—14 суток. Обычно время сбраживания животноводческих отходов составляет около двух недель. Растительные отходы перерабатывают дольше — 20 суток и более.

Особенно трудны для переработки твердые отходы, поэтому переработка более длительна. В результате модификации и усовершенствования процесса можно существенно изменить скорость протока сырья через метантенк. Цикличность процесса может быть сокращена до 5—15 ч при увеличении скорости загрузки до 150—400% от общего суточного объема.

Интенсифицировать процесс можно повышением его температуры и использованием термофильного сообщества, но это требует дополнительных энергозатрат. Для увеличения эффективности метанового сообщества в метантенке применяют так называемые анаэробные биофильтры, или метантенки второго поколения. В анаэробном биофильтре микроорганизмы находятся в иммобилизованном состоянии. В качестве носителя используют галечник, керамзит, стекловолокно и др. В таких конструкциях сбраживание материала происходит при существенно меньшей величине текущей концентрации субстрата (0,5% сухих веществ) с большими скоростями. Это позволяет повысить интенсивность деструкции отходов при уменьшении объемов реакторов.

Эффективно также пространственное разделение процесса в соответствии с характерной для него (с точки зрения химизма процесса) двухфазностью. Процесс реализуется в двух, соединенных последовательно реакторах. В первом аппарате осуществляется анаэробное разложение органики с образованием кислот, окислов углерода и водорода (кислотная стадия). Параметры процесса брожения в аппарате задаются на уровне, обеспечивающем требуемый выход кислот и pH культуры не выше 6,5. Полученная барда поступает во второй аппарат, в котором происходит процесс образования метана. В такой системе можно независимо варьировать условия ферментации (скорость протока, pH, температуру) в каждом аппарате с учетом создания оптимальных условий для развития микроорганизмов-деструкторов в первом и метаногенов — во втором аппарате. Применение такой биосистемы в два-три раза повышает интенсивность процесса.

Производство биогаза стало одним из основных принципов энергетической политики ряда стран Тихоокеанского региона. Правительство Китая уделило больше внимания и вложило много средств в становление биогазовой промышленности, особенно в сельской местности. В рамках национальной программы были созданы условия для строительства сети заводов, выпускающих биогазовые установки. Правительство поощряло это направление и пошло даже на создание сети региональных и местных структур, ответственных за биогазовую программу. Государственные банки предоставляли населению льготные ссуды и материалы для строительства установок. В 1978 г., через три года после принятия программы, в стране функционировало свыше 7 млн установок, что в 15 раз превосходило уровень 1975 г. В год вырабатывалось около 2,6 млрд м³ биогаза, что эквивалентно 1,5 млн т нефти. В начале 1980;х гг. в Китае производилось до 110 млрд м³ биогаза, что эквивалентно 60—80 млн т сырой нефти, а уже через несколько лет было создано до 70 млн установок, которые покрывали бытовые потребности в энергии примерно 70% крестьянских семей. В Индии также большое внимание было уделено получению энергии в процессах биометаногенеза при утилизации сельскохозяйственных отходов.

Строительство биогазовых установок начато на Филиппинах, в Израиле, странах Латинской Америки. Интерес к данной технологии в середине 1980;х гг. усилился в странах Центральной Европы, особенно в ФРГ и во Франции. Комиссариатом по солнечной энергии Франции в середине 1990;х гг. было выделено 240 млн франков на создание и распространение биогазовых установок в сельской местности. Французским исследовательским институтом прикладной химии было показано, что при утилизации и переработке навоза сельскохозяйственных ферм можно полностью обеспечить потребности в энергии комплекса из 30 голов крупного рогатого скота или 500 свиней.

В середине 1990;х гг. в странах Евросоюза функционировало около 600 установок по производству биогаза из жидких сельскохозяйственных отходов и около 20 установок, перерабатывающих твердый городской мусор. В пригородах Нью-Йорка установка по переработке содержимого городской свалки производит около 100 млн м³ биогаза в год. Интегрированные национальные программы многих стран Африки и Латинской Америки, имеющих огромные количества сельскохозяйственных отходов (свыше 90% мировых отходов цитрусовых, бананов и кофе, около 70% отходов сахарного тростника и около 40% отходов мирового поголовья скота), в настоящее время ориентированы на получение биогаза.