Биотехнологии в получении энергии

      Содержание 

Введение………………………………………………………………………3

1. Биотехнология и энергетика…………………………………………….5

2. Биогаз……………………………………………………………………….8

3. Подготовка биомассы…………………………………………..…………9

4. Сжигание……………………………………………………………………10

5. Мелкомасштабная и промышленная технология сжигания………..11

6. Термическое повышение качества биомассы…………………………13

Заключение……………………………………………………………………16

Библиографический список………………………………………………...17 
 
 

 

      Введение 

     Биотехнология - производственное использование биологических агентов (микроорганизмы, растительные клетки, животные клетки, части клеток: клеточные мембраны, рибосомы, митохондрии, хлоропласты) для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений. В биотехнологических процессах также используются такие биологические макромолекулы как рибонуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), белки - чаще всего ферменты. ДНК или РНК необходима для переноса чужеродных генов в клетки.

     Люди  выступали в роли биотехнологов  тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы и даже не подозревая об их существовании. Собственно сам термин «биотехнология» появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и др. Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было брожение. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э. В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение и получение молочнокислых продуктов. В традиционном, классическом, понимании биотехнология — это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов.

     Термин  «новая» биотехнология в противоположность «старой» биотехнологии применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии, новую биопроцессорную технику, и более традиционные формы. Так, обычное производство спирта в процессе брожения – «старая» биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта – «новая» биотехнология. [3]

     Современная биотехнология тесно стыкуется с рядом научных дисциплин, осуществляя их практическое применение или же являясь их основным инструментом (рис. 1). 
 

 

     Рис. 1. Связь биотехнологии с другими науками 

1. Биотехнология и энергетика

 

     Последние десятилетия характеризуются все возрастающим интересом к исследованию биологических систем. Это стало возможным благодаря достаточно глубокому пониманию фундаментальных основ молекулярных процессов в таких биосистемах. Например, глубокое изучение механизмов ферментативных реакций, исследование структуры и функции ферментов, разработка методов их получения и иммобилизации привели к возникновению инженерной энзимологии - отрасли науки и техники, использующей ферменты как катализаторы ряда принципиально новых химических процессов. Развитие методов деполимеризации целлюлозы дало возможность разработать способы переработки целлюлозы для получения пищевых продуктов, сырья для микробиологической промышленности, получения белка, сырья для производства ряда топлив и продуктов органического синтеза. [4]

       Весьма перспективно использование в биотехнологии термофильных микроорганизмов, не боящихся сравнительно высокой температуры. Применение таких микроорганизмов в ряде случаев очень эффективно, поскольку повышение температуры потенциально способно обеспечить более высокие скорости реакций и производительность процессов. 

     Принципиально важные изменения в ближайшие десятилетия будут связаны с переходом на новые источники энергии. Прогрессирующий дефицит ископаемых топлив ставит перед современной наукой задачи, связанные с разработкой новых процессов, ориентированных на возобновляемые сырьевые и энергетические источники. 

     Об этом со всей остротой заявил академик Н. Н. Семенов. Он подчеркнул важность промышленного использования солнечной энергии и ориентировал на решение этой проблемы многие научные коллективы. Большой интерес в последние годы вызывают работы, направленные на получение газообразного топлива из биомассы. Речь идет о широкомасштабной переработке отходов сельскохозяйственного производства и городского хозяйства в метан. Оценки показывают, что даже для энергетически развитых стран производство биогаза может составить заметную часть общей выработки энергии. В последнее время интерес к фундаментальному изучению систем получения топлив на основе биомассы и их практическому использованию достаточно широк во всем мире. Национальные программы в этой области существуют в США, Великобритании, Франции, Бразилии, Японии, Канаде, КНР, Индии, во многих развивающихся странах. В разработке систем преобразования солнечной энергии с получением топлива уже имеются существенные научные и технические достижения. 

     В качестве примера одной из таких разработок можно привести так называемые «энергетические фермы». Ферма представляет собой гигантскую теплицу площадью примерно 1 км², большой высоты, построенную из прозрачного пластика, способного достаточно эффективно удерживать двуокись углерода. Теплица технологически сопряжена с установкой для экстракции из растений белка и с тепловой станцией, где углеводная часть биомассы используется для выработки электроэнергии (рис. 1.1).

     

Рис. 1.1. Блок-схема процессов в системе преобразования солнечной энергии на основе гигантской теплицы

     На ферме предполагается с высокой эффективностью выращивать в газовой среде, обогащенной углекислотой, растения с повышенным содержанием белка (например, люцерну). Благодаря повышенному выходу фотосинтеза может быть получена биомасса в количестве 200 т/га в год. Люцерна содержит до 24% белка, его можно использовать для питания человека.

     И все же самое узкое место подобных схем с энергетической точки зрения - производство биомассы: средняя эффективность преобразования солнечной энергии при фотосинтезе составляет всего 0,1-1% Это заставляет искать иные биотехнологические процессы, в которых достигались бы более высокие коэффициенты преобразования энергии. Один из таких процессов - биофотолиз воды, то есть использование механизмов фотосинтеза для ее разложения под действием солнечного света с получением свободных кислорода и водорода. 

     Такая система разработана в МГУ профессором С. Варфоломеевым и его сотрудниками. Она открывает вполне реальную перспективу создания новой отрасли энергетики, основанной на биотехнологическом получении молекулярного водорода - топлива высококалорийного и экологически чистого. [5]

 

2. Биогаз

 

     Биогаз образуется с помощью бактерий в процессе разложения органического материала при анаэробных (без доступа воздуха) условиях и представляет собой смесь метана и других газов.

     Теплотворная способность одного кубометра биогаза составляет в зависимости от содержания метана 20-25 МДж/м³, что эквивалентно сгоранию 0,6 - 0,8 литра бензина, 1.3 - 1.7 кг дров или использованию             5 - 7 кВт электроэнергии.

     В процессе сбраживания сырья в биогазовых установках бактерии, производящие метан, разлагают органическое вещество и возвращают продукты разложения в виде биогаза и других компонентов в окружающую среду. Знание процесса сбраживания необходимо для выбора конструкции, строительства и эксплуатации биогазовых установок.

     В принципе, все органические вещества подвержены процессам брожения и разложения. Однако в простых биогазовых установках предпочтительно перерабатывать только однородные и жидкие органические отходы: экскременты и урину скота, свиней и птиц. 

     В более сложных биогазовых установках можно перерабатывать и другие виды органических отходов - растительные остатки и твердые мусорные отходы. Объем вырабатываемого биогаза зависит от типа используемого сырья и температуры процесса сбраживания.

     Биогаз может быть использован в любых газовых приборах так же, как используется природный газ. Наиболее эффективным является использование биогаза для приготовления пищи, обогрева помещений, выработки электроэнергии и заправки автомобилей. [3]

      
 

 

3. Подготовка  биомассы

 

     Перед сжиганием тем или иным способом большинство типов биомасс необходима определенным образом подготовить. Типы биомасс могут варьировать от плотных, относительно сухих материалов, таких, как древесина, до очень влажных, обладающих низкой теплотворной способностью, таких, как канализационные стоки и морские водоросли. Другие материалы, такие, как солома, обладая низкой влажностью, имеёт малую плотность, и поэтому работа с ними является затруднительной. Наиболее важными этапами подготовки биомассы являются измельчение, сортировка по размерам частиц, сушка и хранение. 

     Необходимые размеры древесины получают путем распила, раскола и измельчения. Предварительная сушка на воздухе проводится не всегда, в зависимости от техники сжигания. Используют и другой метод подготовки древесины, называемый «уплотнением». В ходе этого процесса древесину сушат, измельчают, сортируют по размерам частиц и добавляют связующие агенты. Полученный материал брикетируют или прессуют в более плотную массу с содержанием влаги около 7%. В целом эта технология способствует улучшению свойств биомассы как топлива приближая их к свойствам угля. Этот процесс является дорогостоящим и может более чем в двое повысить цену топлива, но он тем не менее обеспечивает получение материала, способного заменить обычные виды топлива; в некоторых районах потребители готовы оплачивать эти лишние издержки. [5]  

     Хранение биологического сырья представляет особую проблему вследствие его большого объема, зачастую сезонного его поступления, а также склонности к биологическому разложению. Обычные виды топлива не имеёт подобного рода недостатков. В некоторых случаях невозможно обеспечить подачу топлива в соответствии с необходимым выделением тепла, поэтому необходима установка печей (бойлеров); способных работать как на обычном топливе, так и на биомассе. [4]

4. Сжигание

 

     Простейшим методом получения полезной энергии из сухой биомассы является её сжигание на воздухе. 

     Теплота реакции составляет от 16 до 24ГДж/т абсолютно сухой биомассы, в зависимости от её типа. Если количество кислорода недостаточно для полного окисления горючего материала, тогда происходит образование углерода, оксида углерода, углеводородов и других газов, а теплота реакции снижается. Азот и другие элементы, присутствующие в биомассе, превращаются в газообразные продукты и золу. 

     Присутствие воды в биомассе не снижает термодинамического выхода тепла, однако практическая эффективность реакции снижается вследствие необходимости нагрева воды и её испарения при температуре сжигания. Вода также снижает температуру пламени и скорость сжигания. Содержание воды более 30% не дает возможности прямого сжигания биомассы, поэтому материал должен быть высушен или же к нему следует добавить топливо. Однако использование печей с псевдо сжиженным слоем материала позволяет проводить сжигание при содержании воды до 55%. Были предложены регенеративные печи, повторно использующие тепло испарившейся воды и газообразных продуктов сгорания; в этих условиях теоретически возможно сжигание материалов, насыщенных влагой. Сжигание в соответствующих камерах сгорания может явиться одним из наиболее эффективных методов использования энергетического потенциала биомассы. В печах прямого нагрева и паровых котлах использование теплы составляет 85%, однако многие установки на практике являются значительно менее эффективными. [2]

 

5. Мелкомасштабная и промышленная технология сжигания

 

     Самый простой метод сжигания биомассы - это сжигание на открытом огне. В этих случаях эффективность сжигания очень низка. При сжигании топлива в традиционных печах отношение выделившейся энергии к энергии подведенной может быть менее 10%. В последние годы были сконструированы эффективные дровяные печи и бойлеры. Значительная потеря тепла в простых топках происходит из-за чрезмерной тяги в дымоходе; простое ограждение для огня и ограничение тяги повышает эффективность сгорания до 25%. В настоящее время имеются значительно более эффективные дровяные печи; комната, где установлена такая печь, получает до 70% энергии сгорания топлива или в результате излучения, или в результате конвекции. Однако средняя эффективность дровяных печей составляет все еще около 50%.