Для производства материальных благ необходима электрическая энергия. Тепловые электростанции, в которых сжигается природное топливо (нефть, уголь, газ), гидроэлектростанции, преобразующие энергию водных потоков, даже АЭС, где выделяется ядерная энергия- все они представляют привычную (традиционную) энергетику. Однако природные ископаемые, которые являются основой энергетики, стремительно расходуются. Сегодня ученые и специалисты пытаясь восполнить очевидный дефицит энергии, ведут активные и масштабные поиски в области так называемой нетрадиционной энергетики, которая использует, например, энергию солнечной радиации, ветра, морских приливов и течений и т.д. Многие эксперты предсказывают важность разработки методов получения жидких и газообразных видов топлива из растительного сырья. Как известно, посредством фотосинтеза создается вся биомасса Земли. Причем ее общее количество, ежедневно образующееся на нашей планете, энергетически превышает суммарную годовую мировую добычу нефти, газа и угля.

Ресурсы растительной биомассы в мире огромны и оцениваются в 100 млрд. тонн по сухому веществу в год. Лишь незначительная часть ее расходуется человечеством (14 % потребляемой в мире энергии). Биомасса- не только возобновляемый и почти даровый источник энергии, но и альтернатива тающим запасам полезных ископаемых. Простейшим способом превращения биомассы сухого вещества в энергию является сгорание. Оно обеспечивает теплом, которое в свою очередь превращается в механическую или электрическую энергию.

Что же касается сырого вещества, то в этом случае древнейшим и наиболее эффективным методом трансформации биомассы в энергию считается получение биогаза (метана). Энергию можно также добывать из растений, богатых углеводами (крахмалом и сахарозой) путем спиртового брожения. Следовательно, в выработке этой формы энергии микроорганизмы играют важную роль.

Получение этанола как топлива. Этанол- экологически чистое топливо, дающее при сгорании СО₂ и H2О. Классическим биообъектом, используемым при получении этилового спирта, являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae.

Недостатками традиционного спиртового брожения являются:

1) конкуренция брожения и дыхания. Субстрат (например, глюкоза) лишь частично сбраживается до этанола. Оставшаяся часть безвозвратно теряется, превращаясь в результате дыхания в СО₂ и H₂О;

2) чувствительность к этанолу дрожжей, которая снижает выход целевого продукта;

3) отсутствие ферментов у дрожжей, катализирующих расщепление крахмала и целлюлозы.

Для устранения этих недостатков селекционерами выведены мутанты дрожжей, утратившие митохондрии и не способные к дыханию, а также устойчивые к этанолу с измененным строением клеточных мембран. Кроме того, известны бактерии с соответствующей гидролитической активностью. Значительный интерес представляют аэротолерантные бактерии Zimomonas mobilis как продуценты этанола. Эти бактерии, издревле применявшиеся центрально-американскими индейцами для сбраживания сока агавы, более эффективно сбраживают сахара и более устойчивы к этанолу. В результате целенаправленной селекции Zimomonas mobilis продуктивность системы по этанолу составляет 200 гр/л в час ,что почти на 2 порядка превышает продуктивность ферментационного процесса на большинстве спиртовых заводов.

Интересны результаты по биоконверсии различных полисахаридных субстратов (целлюлоза, ксилоза) в этанол при культивировании термофильных бактерий. Так, выход этанола из ксилозы при культивировании Thermoanaerobacter ethanolicus составил 0,42 гр/л. Селекция этанолтолерантных штаммов- важный путь интенсификации процесса производства спирта.

Промышленное производство этилового спирта осуществляется химическим путем из этилена, получаемого из нефти и природного газа. В начале 20 века этанол получали путем только брожения, но в последние десятилетия 70 % этой продукции получают на основе химического синтеза. Это объясняется тем, что цены на сахар и крахмал слишком высоки. Среди растений, которые используются для производства этилового спирта, следует отметить сахарный тростник, ананас, сахарную свеклу, сахарное сорго, злаки, маниок. Для производства этанола из сахарного тростника его давят, затем отделяют твердую массу (жом) от сладкого сока. Жом сжигают, используя энергию для производства продукта. Сок концентрируют и стерилизуют, а затем подвергают брожению. По окончании процесса брожения раствор отделяют от образовавшихся твердых компонентов. Этанол получают из 8–10 % спиртового раствора путем перегонки. В настоящее время выгодно производство этанола на основе отхода сахарного производства- мелассы, учитывая ее низкую себестоимость. Исследования по совершенствованию производства этанола направлены на разработку технологии непрерывного брожения, обеспечивающего более высокую концентрацию спирта, повышение эффективности перегонки, использования альтернативных энергетически богатых растений, и их выращивания на землях, непригодных для сельскохозяйственного производства.

В связи с ростом цен на нефть и падением цен на сахар на мировом рынке правительство Бразилии в 1975 году приняло решение приступить к производству этанола из сахарного тростника в качестве заменителя бензина (экологически чистое топливо). Принятию такого решения способствовал тот факт, что Бразилия- второй в мире производитель сахара- столкнулась с трудностями сбыта своей продукции.

Для современных плантаций сахарного тростника обычным является урожай 150 т/га, что эквивалентно получению 50–100 гл/га этанола. Уже к 1981 году первоначальная цель- заменить этанолом 20 % бензина, потребляемого в стране была достигнута.

Латиноамериканские (Коста-Рика, Венесуэла), африканские (Чад, Мали) и азиатские страны (Филлипины) проявили большой интерес к бразильскому опыту. Выращивание и уборка сахарного тростника, производство этанола наряду с распределением и использованием последнего происходит только на собственной территории этих стран. В США с 1980 года поступает в продажу смесь из 9 частей бензина и 1 части этанола – «газохол». Правительственные долгосрочные проекты Японии нацелены на получение этанола из рисовой соломы, жома и древесной щепы. Целью проектов является замена одной трети всего потребляемого страной бензина.

Производство биогаза

Биометаногенез (метановое «брожение») – давно известный процесс превращения биомассы в энергию. Данное явление было открыто в 1776 году Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе.

Биогаз представляет собой смесь из 65 % метана, 30 % углекислого газа, 1 % сероводорода и незначительных количеств азота и кислорода. Он дает пламя синего цвета и не имеет запаха. Энергия, заключенная в 28 куб.м. биогаза, равноценна энергии 16,8 куб.м. природного газа, 20,8 куб.м. нефти или 18,4 л дизтоплива.

Теплотворная способность биогаза как топлива составляет 20,9–33,4 кДж/м. Биогаз образуется в результате сбраживания и переработки навоза, сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, городских канализационных стоков и т.д. В сущности, любое углеродсодержащее соединение может быть превращено в метан: солома, сточные воды, сахара, белки, полимеры и т.д. Конечно, при таком разнообразии исходных материалов нужен не какой-либо один вид микроорганизмов, а сообщество культур и групп микробов, приспособленных к данному типу сырья. Для первичной обработки сложного по своему составу сырья необходимы микроорганизмы, сначала разлагающие его на более простые соединения, которыми уже потом могут воспользоваться метанообразующие бактерии.

В биометаногенезе различают три этапа: растворение и гидролиз органических соединений, ацидогенез и метаногенез. В биогаз превращается только половина органического вещества, но остатки метанового «брожения» можно использовать как удобрения.

В энергоконверсии принимают участие три группы бактерий. Микроорганизмы первой группы трансформируют органические соединения в масляную, пропионовую и молочную кислоты. Эти органические кислоты превращаются в уксусную кислоту, водород и углекислый газ бактериями второй группы. И, наконец, метанообразующие бактерии восстанавливают углекислый газ в метан с поглощением водорода.

В Китае, Индии и некоторых других странах Азии успешно используют небольшие биореакторы объемом 1–2

м³

очень простой конструкции для утилизации отходов домашнего хозяйства, поэтому их изготавливают в основном силами семьи. В связи с этим стоимость их невелика, так как обеспечивается газом кухня и к тому же обезвреживаются отходы. Метановое «брожение» протекает в водонепроницаемых цистернах (дайджестерах), изготовленных из глиняных кирпичей. Дайджестер имеет боковое отверстие, через которое вводится ферментируемый материал. Купол для сбора газа изготавливают из нейлона. Газ надувает нейлоновый мешок, который обычно имеет трубку для отвода газа. В случае использования отходов домашнего хозяйства или навоза соотношение между твердыми компонентами и водой должно быть 1:1. Смесь сбраживаемых материалов засевают отстоем из другого дайджестера. «Брожение» происходит бурно при среде, близкой к нейтральной.

В Юго-восточной Азии, где широко применяются эти установки, благоприятны и климатические условия, что позволяет обеспечить мезофильный режим без подогрева. Дайджестеры иногда загружают в землю, чтобы не допустить резких изменении температуры. Жидкие испражнения из свинарника перерабатываются в течение 10 дней, тогда как навоз крупного рогатого скота или помет птицы – 14–20 дней. Важно отметить, что метановое «брожение» инактивирует все патогенные микроорганизмы и способствует поддержанию чистоты в окружающей среде. Кроме того, биогаз выделяет тепла на 20 % больше, чем его можно получить при полном сгорании навоза. Производство биогаза в сельских районах является одним из главных принципов энергетической политики Индии. В стране разработана программа «Гробар газ», обеспечивающая производителей биогаза технической помощью и распределяющая фонды для создания дайджестеров, работающих на навозе от 3–4 коров, с тем, чтобы покрыть потребности в энергии семьи из 4–5 человек.

В настоящее время в Индии уже работают несколько миллионов дайджестеров. Вместе с тем начат промышленный выпуск биореакторов объемом 5–10 м. для использования кооперативов. Правительство Китая поощряло строительство и использование дайджестеров, предоставляя населению ссуды на льготных условиях для строительства установок. В Филлипинах функционирует комплекс по производству биогаза, который использует навоз свинокомплекса – (17000 свиней). Вырабатываемый газ покрывает потребность в электроэнергии консервного завода по переработке мяса. Насосы и дизельные генераторы, обеспечивающие ферму водой и электричеством, работают также на биогазе.

По оценкам исследователей, потенциальные запасы биогаза, сосредоточенные только в отходах мирового сельскохозяйственного производства, составляют 1–1,2 млрд. условного топлива в год. Это почти десятая часть мирового потребления энергоресурсов. Остаток брожения можно использовать в качестве идеального удобрения для получения экологически чистых продуктов питания. Одно время считали, что биогаз- удел развивающихся стран. Однако эту точку зрения начали пересматривать, причем не столько с энергетических, сколько с экологических позиций. В связи с ростом поголовья скота в развитых странах, переходом животноводства на промышленную основу количество навоза непрерывно увеличивается, что ведет к загрязнению окружающей среды и возникновению инфекционных заболеваний. В странах Европы к 1980 году действовали 546 крупных биогазовых установок, причем 77 % были установлены на фермах для утилизации сельскохозяйственных отходов. В 90-х годах в США начали использовать газ, выделяющийся при разложении мусора на свалках для получения энергии.