Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Агропромышленность arrow Биоконверсия вторичных продуктов агропромышленного комплекса

Биоэнергетические продукты

Надвигающийся энергетический кризис и возрастающая угроза парникового эффекта заставляют человечество искать новые источники энергии - постоянно возобновляющиеся, высококалорийные и, главное, экологичные. Они должны постепенно заменить ископаемые (традиционные) энергоносители. И здесь на помощь ученым и технологам приходит биоконверсия органических веществ (табл. 38).

Микробиологическое получение водорода активно развивается. Исследования, посвященные получению биоводорода, в первую очередь направлены на использование в качестве исходного сырья возобновляемые растительные отходы (целлюлоза).

Для получения водорода из органических вторичных продуктов путем анаэробной ферментации создаются генно-инженерным методом новые виды микроорганизмов, способные производить водород вместо метана. Кроме того, разрабатываются установки для получения водорода за счет двухстадийного процесса сбраживания целлюлозы, который может быть затем очищен до степени технической чистоты с помощью мембранных газоразделяющих систем. Применение мембранных технологий сепарации газов непосредственно из культуральной жидкости позволяет увеличить продукцию водорода, а также облегчает дальнейшую очистку газовой смеси, поступающей из реактора.

Возможная замена традиционного горючего топливом из биомассы

Таблица 38

Процесс

Усовершенствованный метод трансформации биомассы

Основные продукты

Заменяемое топливо

Биоконверсия

Спиртовая

ферментация

Этиловый спирт

Бензин, добавки к дизельному топливу.

Анаэробная

ферментация

Биогаз

Бензин, дизельное топливо, природный газ, сжиженные газы

Термическая

конверсия

Пиролиз

Древесный уголь. Синтезированный газ, метиловый спирт. Топлива

Каменный уголь, лигнит, топливные масла, природный газ. Топливные масла, бензин.

Бензин, дизельное топливо и т. д.

Газификация

Ожижение

Превращение в сложный эфир

Дизельное топливо из растений

Дизельное топливо

Термокаталитический

крекинг

Бензин и дизельное топливо из растений, керосин и др.

Бензин, дизельное топливо, керосин

В Японии исследован процесс образования водорода из метана при сбраживании рисовой соломы, кухонных остатков, навоза лошадей и метанового ила. Английские исследователи изучили процесс образования водорода с помощью использующих метан бактерий Methylomonas albus, Methylosinus trichosporium. Для преобразования целлюлозы в водород используют фототрофные микроорганизмы Rhodobacter capsulatus, представители рода Clostridium. Для получения энергии в 195 кВ/мес., требуется общий объем анаэробного фототрофного реактора в 1,14 м3, что по площади может занимать около 3 м2-

Получение водорода. Становится актуальным поиск и разработка новых энергетических технологий. Получение водорода микробиологическим путем - биотехнологическое решение XXI в. Это «биоводород», полученный при участии бактерий, использующих в качестве исходного сырья органические целлюлозосодержащие субстраты, в том числе навоз животных. В последние годы все больше обращают внимание на возобновляемое растительное сырье, которое имеет некоторые преимущества перед другими источниками энергии. При этом особое внимание уделяется микроорганизмам как мощной и многообразной каталитической системе.

Водород, по оценкам экспертов, является идеальным химическим носителем энергии. Сжигание его при высоких температурах дает большое количество полезной энергии с высоким КПД. В расчете на единицу веса водород превосходит все соединения, способные служить в качестве топлива. По энергоемкости на единицу веса водород в 2,6 раза превосходит природный газ, в 3,3 раза - жидкие углеводороды нефти, в 6,6 раза - метанол, в 8,3 раза - природный продукт фотосинтеза - целлюлозу.

Выбор водорода как энергоносителя определяется не только его исключительно высокой теплотой сгорания, но и практически неисчерпаемыми запасами сырья для его производства. Он - экологически «чистое» топливо, не вызывающее загрязнения окружающей среды. Практически единственным продуктом сгорания водорода является вода.

В последние 10-15 лет биоэнергетика стала самостоятельной отраслью. Микробиологическое получение водорода в настоящее время активно развивается, хотя прямое биотехнологическое получение водорода на основе процесса, аналогичного фотосинтезу, или анаэробного сбраживания пока широко дискутируется. Однако уже сейчас принципиально возможно путем комбинации техники фиксированных биокатализаторов и генной технологии на основе фотосинтезирующих биосистем достичь результатов, аналогичных результатам с фотоклетками. Для этого используются пурпурные фототрофные бактерии, способные принимать продукты темновой стадии разложения целлюлозы для образования водорода. Самым активным продуцентом водорода считается культура Rh. capsulatus BIO.

Предлагаются установки для получения водорода за счет двухстадийного процесса сбраживания целлюлозы, который может быть затем очищен до степени технической чистоты с помощью мембранных газоразделяющих систем. Это сочетание термофильного и фототрофного анаэробных биореакторов для непрерывного образования биоводорода при утилизации целлюлозосодержащих органических вторичных продуктов (рис. 47).

Подобные установки могут быть смонтированы в любой точке планеты, где имеются растительные ресурсы или органические субстраты для переработки. Микроорганизмами, преобладающими в анаэробных процессах переработки навоза и получения водорода, являются роды Thermoanaerobacterium и Clostridium.

Схема работы системы двухстадийной переработки целлюлозосодержащего сырья в водород (по Нетрусову А. И., 2010)

Рис. 47. Схема работы системы двухстадийной переработки целлюлозосодержащего сырья в водород (по Нетрусову А. И., 2010)

В настоящее время создаются биологические системы, способные конвертировать световую энергию с раздельным получением водорода и кислорода. Процесс биофотолиза воды проводится на уровне биохимических систем в клетках микроскопических водорослей, на уровне иммобилизованных клеток микроорганизмов, на уровне микробных культур - систем микроорганизмов.

Потенциально в технологическом плане наиболее перспективным представляется использование микробиологических систем. Это определяется высокими скоростями роста микроорганизмов, генетической детерминированностью построения систем, что отсутствует во всех «сделанных руками» биохимических системах.

Для получения водорода из органических вторичных продуктов путем анаэробной ферментации селекционируются новые виды микроорганизмов, способные производить водород вместо метана.

Таким образом, водород можно рассматривать не как первичный источник энергии, а как энергоноситель. Водород во многих случаях более эффективен, чем электроэнергия. Он может стать идеальным моторным топливом, и это позволило бы высвободить для других целей около 20% всех потребляемых сейчас нефтепродуктов.

Существует несколько методов производства водорода в промышленных масштабах:

  • - каталитическая конверсия водяного пара, в результате чего получают диоксид углерода, водород;
  • - электролиз воды при электролитическом разложении воды. В настоящее время разрабатывается несколько новых технологий получения водорода: термохимическое разложение воды, фотолиз и биоконверсия.

Биотехнология позволяет непосредственно и экономично получать водород. Отдельные виды бактерий либо водоросли под воздействием солнечного света способны увеличивать окислительный потенциал электронов, содержащихся в молекулах воды, до уровня, который на 0,3 В более отрицательный, чем потенциал водородного электрода. Благодаря этому ионы водорода могут легче превращаться в газообразный водород.

Биоконверсии уделяется самое пристальное внимание. Благодаря техническим достижениям в этой области ситуация в скором времени может измениться к лучшему, особенно если более остро станет вопрос об экономии органических топлив.

Спирты. В настоящее время возник повышенный интерес к спиртовым топливам - прежде всего потому, что их можно получать на базе возобновляемых источников энергии - целлюлозы. Практической ценностью как топливо обладают метиловый (метанол - СН3ОН) и этиловый (этанол - СН3СН,ОН) спирты.

Метанол получают чаще всего посредством сухой перегонки целлюлозы, содержащейся в древесине; его можно получать из вторичных продуктов, содержащих большой процент целлюлозы, таких как макулатура, отходы растениеводства и т. п. С чистотой, равной 100%, чрезвычайно трудно получить метанол и этанол. Одновременно с этими спиртами образуются спирты более высокого порядка: пропанол, изобутанол и т. п.

Спиртовые автомобильные топлива имеют большую перспективу, особенно в смеси с бензином. Причём необходимы заводы, выпускающие этанол (на базе растительных сырьевых материалов) в целях использования его в качестве топлива. Это будет оправдано, так как эксплуатационные показатели автомобиля выше при использовании смеси этанола с бензином, чем смеси метанола с бензином.

Следует при этом подчеркнуть, что в России не существует никаких технических трудностей, которые воспрепятствовали бы переходу на спиртовое автомобильное горючее.

Топливо из вторичных продуктов. Многие процессы получения топлива основаны на использовании ТБО, компонентов перерабатывающей промышленности, животноводства и растениеводства. Значительная часть твёрдых материалов имеет органическое происхождение. Около 15% их можно подвергать переработке с целью получения синтетической нефти, метана либо других горючих углеводородов.

К сожалению, органические сильно увлажнены и их необходимо высушить, чтобы превратить в топливо.

Сельскохозяйственные фермы вполне могут смонтировать самостоятельно биогазовую установку, чтобы производить метан для собственных нужд на базе вторичных продуктов собственного производства (животноводства, земледелия). Это уменьшит зависимость от внешних источников энергоснабжения и очистит окружающую среду от загрязнения поверхностных и грунтовых вод.

Для преобразования твёрдых компонентов в топливо применяют три различные технологии: гидрогенизацию, пиролиз и биоконверсию. Эти альтернативы прямому сжиганию и размещению их на свалках являются результатом выполнения требований закона о восстановлении ресурсов и охраны окружающей среды. Этот закон особо предусматривает использование вторичных сырьевых ресурсов как в энергетических целях, так и для производства необходимых материалов.

Процесс гидрогенизации основан на том, что вторичное сырьё и щелочной катализатор реагируют с СО, и водяным паром при высокой температуре (300°С) и большом давлении (20 МПа). В результате образуется жидкое топливо (40-43%), масла и С02

Пиролиз определяется как химическое превращение одних органических соединений в другие под воздействием теплоты. Его можно рассматривать как сухую перегонку без доступа окислителей. Пиролиз как промышленный процесс применяется для производства метанола, уксусной кислоты, скипидара. При пиролизе твёрдых остатков молекулы материалов, содержащих целлюлозу, превращаются в органические молекулы с меньшей массой. Целлюлоза и прочие углеводы тотчас же после нагревания теряют воду и диоксид углерода. В результате реакций пиролиза образуются четыре категории продуктов: смолы, подсмольная вода, органическая фракция и смесь оставшихся газов.

Процесс биоконверсии - получение метана из органических субстратов - состоит в управляемом анаэробном сбраживании их при участии бактерий. Органические вещества разлагаются без доступа кислорода в среде с регулируемыми параметрами. Анаэробное сбраживание нередко используется в установках по обработке сточных вод как стадия процесса вторичной обработки канализационного геля.

Биогаз - относительно влажный и загрязнённый; он содержит около 65% метана с теплотой сгорания около 2 МДж/м3, в то время как теплота сгорания природного газа - примерно 37 МДж/м3 Биогаз часто загрязнён прочими газами, выделяющимися из отходов. Проводятся интенсивные исследования с применением различных смесей органических веществ, подбором ассоциаций метаногенов и т. п. Для поддержания непрерывности сбраживания их необходимо обеспечить надлежащее соотношение между кислотообразующими и метанообразующими бактериями. Об этом говорится в других разделах учебника.

Методов производства синтетического углеводородного топлива достаточно много, и на сегодняшний день они вполне осуществимы технически. Однако, по-видимому, не наступило время технологий, на которых будет основываться наша энергетика. Возможно, нужна принципиально иная технология, которая позволит в изобилии получать дешёвые и экологически чистые энергоресурсы.

Опыт Германии показывает, что производство биогаза и электроэнергии в сельском хозяйстве требует государственных субсидий и льгот для производителей.

Размер ферментеров (метантенков) зависит от используемого субстрата. Жидкий навоз ферментируют в метантенках объемом до 6000 м3 Чем больше объем, тем труднее перемешивать реактивный материал. Для переработки растительной биомассы используют ферментеры объемом 900-1000 м3 В более крупных чаще образуются отложения, инактивные (мертвые) зоны и непроницаемые плавучие слои. Используют также септиктенки для анаэробного сбраживания ила, улучшения качества удаляемого ила и лучшего его обеззараживания.

Для перемешивания и обогрева реактивной массы в ферментере применяются разные системы мешалок и отопления.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы