Иотехнологии в энергетике

Биотехнология, как наука решает ряд энергетических проблем.

Для решения глобальной проблемы актуальны следующие направления, которые способна решить наука биотехнология:

1) Повышение нефтеотдачи — регулирование микрофлоры пластов с целью продуцирования нефтевытесняющих соединений, применение полимеров (на базе акриламида), микробных полисахаридов и др. эмульгирующих спецагентов.

2) Удаление метана из угольных пластов- с использованием-метанотрофных бактерий.

3) При добычи меди, благородных металлов, урана, цинка, кобальта, никеля, редких и других металлов — используют бактериально-химическое выщелачивание меди.

4) Борьба с биокоррозией нефтепроводов и других коммуникаций.

Благодаря этому стали интенсивно развиваться новые разделы биотехнологии – биоэнергетика и биогеотехнология металлов.

Биоэнергетика

Биоэнергетика - это наука, которая изучает механизмы преобразования энергии в процессах жизнедеятельности организмов. Иначе говоря, биоэнергетика – наука о путях и механизмах трансформации энергии в биологических системах, характеризующий рядом причин. Одна из причин, энерговооруженность – это фактор определяющий уровень развития общества. В последнее время для сравнения эффективности процессов и технологий, прибегают к энергетическому анализу. Основная задача энергетического анализа – планирование методов производства, которые обеспечивают наиболее эффективное потребление возобновляемых и ископаемых энергоресурсов, а также охрану окружающей среды.

Потребление энергии на одного человека возросло более чем в 100 раз, при этом запасы источников энергии, таких как нефть, уголь, газ истощаются.

Сжигание ископаемых видов топлив приводит к нарастающему загрязнению окружающей среды. Поэтому важным вопросом становится получение энергии в экологически чистых технологиях.

Пути получения энергии.

Растительный покров Земли составляет более 1800 млрд. т сухого вещества.

Использование сухого вещества, это простейший способ превращения биомассы в энергию заключается в сгорании. Сухое вещество обеспечивает тепло, которое в свою очередь превращается в механическую или электрическую энергию. Для сырого вещества, наиболее эффективным методом превращения биомассы в энергию является получение биогаза (метана), при помощи метанового «брожения», или биометаногенеза.

Получение топлива основывается на сочетании фотосинтеза, кормопроизводства, животноводства, и ферментации с использованием биологических агентов. Проведенные исследования приводят к выводу, что наиболее эффективны методы преобразования солнечной энергии – это методы, основанные на использовании биосистем. Достаточно хорошо освоенные методы биологической технологии превращения биомассы в энергоносители в процессах биометаногенеза и производства спирта, а также новые разработки, направленные на повышение эффективности самого процесса фотосинтеза, и создание биотопливных элементов, получение фотоводорода, биоэлектрокатализ.

Известно, что около 99,4% доступной нам неядерной энергии мы получаем от Солнца, и часть ее аккумулируется в биомассе, хотя и с малой эффективностью. Усредненная максимальная эффективность превращения энергии при фотосинтезе составляет от 5% до 6%. В зонах с умеренным климатом эффективность преобразования энергии составляет от 0,5% до 1,3%. Растения используют свет с длиной волны от 400 до 700 нм, то есть доля фотосинтетически активной радиации (ФАР) составляет 50% всего солнечного света.

Основные процессы фотосинтеза протекают в хлоропластах, которые поглощают СО2, поступающий в растение путем диффузии.

Преимущество использования солнечной энергии, заключенной в биомассе, в том, что она запасается в форме органических веществ и поэтому ее можно хранить и перемещать во времени и в пространстве.

Биомассу можно сжигать или довольно простыми способами при помощи микроорганизмов превращать в жидкое или газообразное топливо (метан, этиловый спирт или водород). По этой причине биомасса представляет собой постоянно возобновляемый источник энергии.

Сырье, используемое для производства биотоплива: древесина, масличные растения, водоросли.

Ранее основным путем использования растительного сырья в качестве топлива во всем мире было прямое сжигание. В настоящее время - это система термической модификации такого сырья: пиролиз, газификация и гидрогенизация. При всем разнообразии жизненных функций, связанных с потреблением энергии, в их основе лежат три вида трансформации энергии:

энергия АТФ – энергия химических связей стабильных биологических соединений;

энергия АТФ – механическая работа;

энергия АТФ – осмотическая работа.

Первый вид использования энергии АТФ составляет основу синтезов разнообразных химических соединений, в том числе и биополимеров – нуклеиновых кислот, белков и полисахаридов (анаболическая ветвь метаболизма). Их энергообеспечение достигается сопряжением реакций, протекающих на одном ферменте («энергия из рук в руки»). При этом запасы энергии в одном из участков реакции повышаются за счёт распада макроэргических соединений с понижением запасов энергии системы в целом.

Второй вид - использование энергии АТФ для осуществления механической работы. Этот процесс лежит в основе разнообразных форм двигательной активности организмов и клеток: сокращение мышц у животных, движение листьев и цветков у растений, работы жгутиков и ресничек у простейших, перемещения ядерного аппарата при делении клеток и т.п. Коэффициент полезного действия трансформации энергии в мышце составляет около 40%. Решающую роль в таких механо-химических процессах играют сократительные белки, способные перестраивать свою структуру и взаиморасположение, что находит свое внешнее проявление в макроскопическом эффекте – сокращении мышцы.

Третий вид использования энергии АТФ – осмотическая работа. В ее основе лежит генерация и поддержание концентрационных перепадов (градиентов) различных веществ и, прежде всего, ионов натрия и калия в системах: клетка – окружающая среда или клеточные органоиды – цитоплазма. Перенос веществ, связанный с расходом богатых энергией соединений, получил название активного транспорта. Благодаря активному транспорту, в клетках поддерживается необходимое постоянство ионного состава и ионная поляризация мембран возбудимых (нервные, мышечные) клеток – мембранный потенциал, или потенциал покоя. Это является основной предпосылкой для возникновения и распространения нервного импульса – потенциала действия.

Наконец, энергия АТФ может с высокой эффективностью трансформироваться в световую энергию. Это имеет место в явлении биолюминесценции. Значительно меньшую роль в биоэнергетике играют процессы чисто физического переноса энергии. Наибольшее функциональное значение миграция энергии имеет в процессе фотосинтеза: с ее помощью осуществляется перенос энергии квантов света (фотонов), поглощенных различными пигментами, к реакционным центрам, с помощью которых энергия электронного возбуждения трансформируется в химическую энергию продуктов фотосинтеза.