АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Применение биотехнологии в промышленности, при производстве энергии

Неиссякаемым источником энергии является солнце. Каждый год

на поверхность Земли поступает 3•1024 Дж энергии, в то время как

запасы нефти, природного газа, угля, урана по оценкам эквивалентны

2,5•1022 Дж. Т.е. менее чем за неделю Земля получает от Солнца такое

же количество энергии, какое содержится во всех невозобновляемых

ее запасах.

Если бы только 0,1% поверхности Земли занимали коллекторы,

использующие солнечную энергию с коэффициентом полезного

действия около 10%, то были бы удовлетворены все текущие

потребности в энергии в мире за год (3•1020 Дж).

Однако у солнечной энергии есть два недостатка: она поступает

неравномерно и диффузно. Поэтому необходимо, во-первых,

разработать какие-то системы накопления, так чтобы энергия была

доступна по потребности, а во-вторых, создать коллекторы большой

площади. Оба этих фактора накладывают определенные ограничения

на использование систем на основе солнечной энергии.

Обе эти проблемы решает производство биомассы путем

фотосинтеза:

Во-первых, коллекторы могут быть выращены из семян, и во-

вторых, получаемый продукт стабилен и может храниться.

Впрочем, при получении и использовании биомассы для

выработки энергии возникают свои проблемы, которые, однако,

уравновешиваются преимуществами: ее можно получать во всем

мире, она возобновляется и производится в согласии с окружающей

средой.

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 пространстве.

К недостаткам относится малая эффективность (обычно менее

1% и редко более 2%) использования солнечной энергии при

фотосинтезе; при образовании продукции растениеводства

диффузный, а часто и сезонный характер продукции и высокое

весовое содержание влаги. По этим причинам для получения

высококачественного, богатого энергией сырья необходимо

осуществить его сбор, перевозку, удаление воды, концентрирование

или же химическую или биологическую переработку и упаковку.

Если же задачей является превращение биомассы в ценные виды

топлива, то думать приходится не только об удалении воды и

увеличении удельного содержания энергии, но и о том, как получить

продукт, совместимый с технологией, для которой он предназначен.

Ранее основным путем использования растительного сырья в

качестве топлива во всем мире было прямое сжигание главным

образом древесины и в меньших масштабах – остатков урожая и

навоза. В настоящее время на разных стадиях разработки находится

ряд систем термической модификации такого сырья. Среди них –

установки на основе пиролиза, газификации и гидрогенизации.

Для этой цели применяют главным образом сахарный тростник,

кукурузу, древесину, навоз, бытовой мусор, а также отходы сельского

хозяйства и промышленности.

Основным поставщиком биомассы, идущей на топливо, служит

сельское и лесное хозяйство. Оценивая нынешние возможности,

следует исходить из наличных земельных площадей, урожайности

современных культур, продуцирующих сахар и крахмал, и числа

работников, занятых в сельском хозяйстве.

Ежегодный прирост биомассы во всем мире составляет около

2•1011 т. Из них приблизительно 1,2•1011 т составляет древесина (в

пересчете на сухое вещество). Примерно 60% вырубаемой древесины

используется как топливо.

Как сырье для производства биотоплива, древесина обладает

рядом достоинств: выход продукции в пересчете на гектар очень

высок; из древесины получают значительно больше биомассы, чем из

любого другого источника; разведение лесов требует гораздо

меньших вложений, чем выращивание других культур. К числу

недостатков нужно отнести длительность роста до зрелости, а также

тот факт, что главный компонент древесины, лигноцеллюлоза, очень

сложна для переработки. В ближайшем будущем наиболее удобным и

доступным источником сырья будут отходы деревообрабатывающей

промышленности, но впоследствии все возрастающее значение будет

приобретать «выращивание» топлива.

Поскольку основные затраты связаны с очисткой земли и

посадкой, основное внимание уделяется сегодня выращиванию

твердодревесного быстрорастущего порослевого леса.

Большим потенциалом биомассы отличаются пресноводные и

морские растения, но чрезвычайно большое содержание воды во

многих этих растениях при сборе и сложность сушки на солнце

препятствуют использованию их как топлива путем прямого

сжигания.

Наиболее подходящей технологией переработки водных

растений и сырых отходов земледелия в топливо, корма и

удобрения является анаэробная ферментация. Эти растения просто

процветают в сточных водах. Они успешно очищают воду и хорошо

при этом растут. Таким образом, они могут играть двойную роль:

улучшать состояние окружающей среды и служить важным

источником энергии. В ряде стран из водных растений получают

биогаз. Их стали использовать для этой цели, поскольку растения

исключительно быстро растут, причем на поверхности воды, и их

легко собирать. Можно использовать и водоросли, растущие в

прудах, в которых перерабатываются сточные воды, содержащие

органические вещества. Такая технология особенно пригодна для

стран, где много солнца, и к тому же нередко возникают проблемы

переработки жидких отходов.

Многие жидкие и полутвердые отходы – идеальная среда для

роста фотосинтезирующих водорослей и бактерий. При хороших

условиях они быстро наращивают биомассу и осуществляют

эффективное превращение солнечной энергии (3,5%); выход

продукции составляет 50-80 т с гектара в год. Собранные водоросли

можно прямо скармливать животным, получать из них метан или

сжигать для получения электроэнергии. При этом одновременно

происходит переработка отходов и очистка воды. По существующим

оценкам затраты на такие системы в условиях Калифорнии

составляют около 50% от затрат на обычные системы переработки

сточных вод. Главная хозяйственная проблема здесь – затраты на сбор

продукции. Ее можно решить, используя иные виды водорослей,

которые легче собирать, и новые технические приемы сбора.

Клеточные ферменты привлекают внимание производителей, занимающихся производством органических соединений. Это происходит, поскольку в клетке ферменты контролируют образование органических веществ, четко и тонко регулируя эти реакции, повышая скорость реакции в сотни и тысячи раз. Тысячи существующих природных ферментов были охарактеризованы и используются в настоящее время в производстве продуктов питания, красителей для текстильной промышленности, антибиотиков и инсектицидов. Доступность технологий рекомбинантных ДНК предоставила возможность видоизменять ферменты таким образом, что они становятся менее чувствительными к нагреванию, более долго живущими и не перестают работать при накоплении продукта реакции. Новые технологии позволили также одной молекуле фермента выполнять разные функции, в то время как в естественных условиях для этого требуется несколько ферментов. Совершенно ясно, что, поскольку это научное направление еще очень молодо, его потенциал только ждет своей реализации.

Открытие новых природных ферментов и создание ферментов с заданными свойствами — трудная задача, требующая кропотливой работы. Это связано со сложностью состава клеточного бульона, трудностями по предсказанию влияния небольших изменений в аминокислотной последовательности на структуру, а отсюда — и на функцию белка. Данная задача стала достижимой при использовании аналитических методов, основанных на бесчисленных данных по структуре и функциям белков. Компьютерные технологии сгруппировали белки царства животных и царства растений в суперсемейства, представители каждого из которых имеют сходную структуру и функцию. Сравнивая структуру вновь обнаруженного фермента со структурой ферментов, чья функция известна, можно иногда сделать предположение о функции нового фермента.

Промышленные процессы, включающие клетки и клеточные ферменты, проводятся в биореакторах. Большинство биокаталитических процессов проходят в водной среде в присутствии питательных веществ и растворенного кислорода при условиях контролируемой температуры и рН, а также при постоянном удалении отходов. Новые разработки упростили некоторые из этих подходов путем иммобилизации клеток или реагирующих соединений. Это позволяет уменьшить размер реактора и упростить контроль условий среды.

Технологии биоремедиации были разработаны с целью очистки загрязненной почвы и воды. Существующие в природе микроорганизмы участвуют в детоксикации опасных соединений, хотя имеются определенные подходы, позволяющие увеличить скорость протекания этих процессов. Такие подходы включают увлажнение загрязненной почвы и добавление питательных веществ. Есть природные микроорганизмы, а также микроорганизмы, искусственно созданные человеком, которые способны разрушать многие органические загрязнители и даже «кушать» металлы. Металлпотребляющие бактерии переводят металлы в менее токсичные формы. Подземные воды представляют особую проблему, поскольку питательные вещества, необходимые для поддержания роста культуры микроорганизмов, которые добавляются в воду при очистке этих водоемов, сами могут оказаться загрязнителями. В целом биоремедиация менее популярна у широкой общественности, чем простое удаление загрязненной среды с соседствующих территорий. Были разработаны также приемы очистки воздуха с помощью микроорганизмов.

Дата добавления: 2015-10-20 | Просмотры: 454 | Нарушение авторских прав