Биоводород - СОШ № 5 г. Вольска

Конкурсная работа
Для конкурса инновационных идей применения альтернативных
источников энергии и энергоэффективных технологий среди школьников и
студентов Саратовской области
«Энергосбережение сегодня – энергетическая независимость завтра!»
Наименование конкурсной работы:
БИОВОДОРОД
Наименование и адрес учебного
заведения:
МОУ «Средняя общеобразовательная
школа №5 г. Вольск Саратовская
область»,
412901 Саратовская область,
г. Вольск, ул. Коммунарная, д.30А
Телефон: 8-84593-7-81-80
Е-mail: school5volsk@yandex.ru
Ф.И.О. конкурсанта: Ермолаев Георгий Владимирович
Класс: 11
Учитель: Алпатова Н.А.
Эл. Почта: alpatovana@yandex.ru
Дата подачи: 19.10.2014 г.
САРАТОВ
2014 г.
Введение
В последние годы все большее внимание привлекают проблемы использования
чистых нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) для нужд
энергоснабжения различных сельскохозяйственных и промышленных объектов.
Актуальность и перспективность данного направления энергетики обусловлена
двумя основными факторами: катастрофически тяжелым положением экологии и
необходимостью поиска новых видов энергии. Традиционные топливноэнергетические ресурсы (уголь, нефть, газ и т.д.), при существующих темпах
развития научно-технического прогресса, по оценкам ученых, иссякнут в
ближайшие 100-150 лет.
Практически все развитые страны мира уделяют серьезное внимание проблеме
использования НВИЭ. В России также разработана комплексная программа
проведения научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ по
использованию НВИЭ. Программой предусмотрен ряд организационных
мероприятий по освоению промышленностью производствами широкомасштабного
внедрения систем энергоснабжения, работающих на НВИЭ.
Цель данной работы - рассмотреть важные для практики свойства одного из
направлений альтернативной энергетики, его преимущества и недостатки, а также
способы его получения и применения.
Что же такое альтернативная энергетика?
Альтернативная энергетика — это совокупность перспективных способов
получения, передачи и использования энергии, которые распространены не так
широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их
использования и, как правило, низком риске причинения вреда окружающей среде.
Направления:
1. Ветроэнергетика
Автономные ветрогенераторы
Ветрогенераторы, работающие параллельно с сетью
2. Биотопливо
Жидкое: Биодизель, биоэтанол.
Твёрдое: древесные отходы и биомасса (щепа, гранулы (топливные
пеллеты) из древесины, лузги, соломы и т. п., топливные брикеты)
Газообразное: биогаз, синтез-газ.
3. Гелиоэнергетика
Солнечные электростанции
Фотоэлектрические элементы
4. Альтернативная гидроэнергетика
Волновые электростанции
Мини и микро ГЭС (устанавливаются в основном на малых реках)
Водопадные электростанции
Аэро ГЭС (конденсация/сбор водяного пара из атмосферы и
гидравлический напор 2-3 км)
5. Геотермальная энергетика
Тепловые электростанции (принцип отбора высокотемпературных
грунтовых вод и использования их в цикле)
Грунтовые теплообменники (принцип отбора тепла от грунта
посредством теплообмена)
6. Мускульная сила человека
Хотя мускульная сила является самым древним источником энергии, и человек
всегда стремился заменить её чем-то другим, в настоящее время её значение
растёт вместе с ростом использования велосипеда.
7. Грозовая энергетика
Грозовая энергетика — это способ использования энергии путём поимки и
перенаправления энергии молний в электросеть.
8. Управляемый термоядерный синтез
Синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения
энергии,
который носит управляемый характер. До сих пор не применяется.
Я бы хотел более подробно рассмотреть такое направление, как биотопливо топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности
организмов или органических промышленных отходов.
Виды топлив.
Биотоплива разделяют на твердые, жидкие и
газообразные. Твердые — это традиционные
дрова (часто в виде отходов деревообработки)
и топливные гранулы (прессованные мелкие
остатки деревообработки).
Жидкие топлива — это спирты (метанол,
этанол, бутанол), эфиры, биодизель и
биомазут.
Газообразные топлива — различные газовые
смеси с угарным газом, метаном, водородом
получаемые при термическом разложении
сырья
в
присутствии
кислорода
(газификация), без кислорода (пиролиз) или
при сбраживании под воздействием бактерий.
Твердое биотопливо.
Дрова — древнейшее топливо, используемое человечеством. В настоящее время в
мире для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса,
состоящие из быстрорастущих пород (тополь, эвкалипт и др.). В России на дрова и
биомассу в основном идет балансовая древесина, не подходящая по качеству для
производства пиломатериалов.
Топливные гранулы и брикеты — прессованные изделия из древесных отходов
(опилок, щепы, коры, тонкомерной и некондиционной древесины, порубочные
остатки при лесозаготовках), соломы, отходов сельского хозяйства (лузги
подсолнечника, ореховой скорлупы, навоза, куриного помета) и другой биомассы.
Древесные топливные гранулы называются пеллеты, они имеют форму
цилиндрических или сферических гранул диаметром 8—23 мм и длиной 10—30 мм.
В настоящее время в России производство топливных гранул и брикетов
экономически выгодно только при больших объемах.
Поколения растительных биотоплив.
Первыми начали использовать традиционные сельскохозяйственные культуры с
высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Растительные жиры хорошо
перерабатываются в биодизель. Растительные крахмалы и сахара перерабатываются
на этанол. Однако такое сырье оказалось крайне неудобным: помимо затратного
землепользования с истощением почв и высокими потребностями в обработке почв,
удобрениях и пестицидах его изъятие с рынка прямо влияет на цену пищевых
продуктов. Такое сырье относят к первому поколению.
Непищевые остатки культивируемых растений, травы и древесина стали вторым
поколением сырья. Его получение гораздо менее затратно чем у культур первого
поколения. Такое сырье содержит целлюлозу и лигнин. Его можно прямо сжигать
(как это традиционно делали с дровами), газифицировать (получая горючие газы),
осуществлять пиролиз. Основные недостатки второго поколения сырья —
занимаемые земельные ресурсы и относительно невысокая отдача с единицы
площади.
Третье поколение сырья — водоросли. Не требуют земельных ресурсов, могут
иметь большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства.
Хотел бы обратить ваше внимание на такой газообразный вид топлива, как
биоводород.
Биоводород — водород, полученный из биомассы термохимическим,
биохимическим или другим способом, например водорослями. По оценкам
экспертов, водород является весьма перспективным экологически чистым топливом
будущего. Выбор водорода как энергоносителя определяется не только его
исключительно высокой теплотой сгорания, но и практически неисчерпаемыми
запасами сырья для его производства. Однако развитие водородной энергетики
связано, в первую очередь, с поиском экономичных способов получения водорода.
Все более многообещающими в данной области становятся микробиологические
методы получения этого вида топлива. В связи с этим появился даже специальный
термин — «биоводород», которым называют водород, полученный биологическим
путем (т.е. с помощью микроорганизмов, например, бактерий). Запасы водорода,
связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы.
Способы получения.
Термохимический метод.
При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до
температуры 500—800 °C (для отходов древесины), что намного ниже температуры
процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4.
Себестоимость процесса $5—7 за килограмм водорода. В будущем возможно
снижение до $1,0—3,0.
Биохимический метод.
В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например,
Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae.
Возможно применение различных энзимов (ферментов) для ускорения производства
водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе.
Процесс проходит при температуре 30 °C и нормальном давлении. Себестоимость
водорода около $2 за кг.
На сегодняшний день наиболее актуальным способом получения является
биофотолиз воды.
Биофотолиз воды — разложение воды на водород и кислород с участием
микробиологических систем. Производство водорода происходит в биореакторе,
содержащем водоросли. Водоросли производят водород при определенных
условиях. В конце 90-х годов XX века было показано, что в условиях недостатка
серы биохимический процесс производства кислорода, то есть нормальный
фотосинтез, переключается на производство водорода.
Особенности биореактора.
 Ограничения
фотосинтетического
производства
водорода
путем
аккумулирования протонного градиента.
 Конкурентное ингибирование фотосинтеза водорода со стороны углекислого
газа.
 Эффективность фотосинтеза возрастает, если бикарбоната связан с
фотосистемой II (PSII)
 Экономическая
реализуемость.
Энергетическая
эффективность
—
коэффициент преобразования солнечного света в водород — должна достичь
7—10 % (водоросли в естественных условиях достигают в лучшем случае 0,1
%).
История.
В 1939 году немецкий исследователь Ханс Гаффрон, работая в Чикагском
университете, обнаружил, что изучаемая им водоросль Chlamydomonas reinhardtii
иногда переключается с производства кислорода на производство водорода.
Гаффрон не смог обнаружить причину этого переключения. В течение многих лет
причину переключения не удавалось обнаружить и другим ученым. В конце 1990-х
годов профессор Анастасис Мелис, работая исследователем в Беркли, обнаружил,
что в условиях недостатка серы биохимический процесс производства кислорода, то
есть нормальный фотосинтез, переключается на производство водорода. Он
обнаружил ответственный за это поведение фермент гидрогеназу, теряющий эти
функции в присутствии кислорода. Мелис обнаружил, что серное голодание
прерывает внутреннюю циркуляцию кислорода, меняя окружение гидрогеназы
таким образом, что она становится способна синтезировать водород. Другой тип
водорослей Chlamydomonas moeweesi также перспективен для производства
водорода.
Применение:
 Производство электрической и тепловой энергии в топливных элементах
мощностью от 0,75 кВт до 10 кВт.
 Производство электрической и тепловой энергии в топливных элементах
мощностью более 10 кВт.
 Производство электрической энергии для автомобилей, водного транспорта, и
т. д.
 Производство электрической энергии для мобильных устройств: мобильных
телефонов, ноутбуков и т. д.
Процессы получения биоводорода в биореакторе:
1. Процесс термофильного сбраживания целлюлозы с образованием
водорода.
Из естественных источников обитания (гниющий стог сена, лиственный опад, ил со
дна пруда, термальные источники, образцы почвы, а также симбионтная микробиота
животных
и
насекомых)
получена
серия
накопительных
культур
целлюлозолитических микроорганизмов (всего было выделено 42 термофильных
микробных сообщества), образующих водород и смесь продуктов метаболизма,
выделяемых в среду культивирования. В процессе работы отбирали микробные
ассоциации, образующие максимальное количество водорода. Культивирование
отобранных образцов продолжали на протяжении 168 часов при 60ºC и 70°C на
среде с целлюлозой (фильтровальная бумага) в качестве субстрата.
Наиболее продуктивными оказалась симбионтная микробиота пищеварительного
тракта животных (корова и пони) и образцы донных осадков пресного водоема.
Образование водорода сообществами при 60ºС превосходит в 2-3 раза продукцию
при 70ºС, по этой причине дальнейшее культивирование вели при 60ºС. Следует
отметить,
что
сообщество,
являющееся
симбионтной
микробиотой
пищеварительного тракта коровы, предпочтительнее для процесса, вследствие
большего выхода водорода. Одновременно накопительная культура проявила себя
более устойчивой. Она характеризуется хорошим ростом на подобранной среде и
отличается более активным разложением субстрата.
Параллельно были изучены продукты брожения целлюлозы в культуральной
жидкости двух наиболее активных сообществ с учетом разницы мест отбора
исходных образцов и двух различных сред культивирования при 60°C
(Имшенецкого с целлюлозой и DSM 680 с целлобиозой).
При анализе продуктов разложения целлюлозы консорциумами анаэробных
термофильных микроорганизмов было установлено, что основными продуктами
гидролиза и переработки целлюлозы сообществами, помимо водорода, являются
уксусная и молочная кислоты. Следует также отметить высокий уровень
образованной в результате действия анаэробных целлюлаз глюкозы, накапливаемой
анаэробными и термофильными консорциумами на среде.
Подобный состав продуктов брожения является предпочтительным в процессе
производства водорода из органического сырья, так как уксусная и молочная
кислоты являются прекрасным субстратом для Н2-образующих аноксигенных
пурпурных фототрофных бактерий.
Также была исследована способность использования в качестве единственного
источника углерода не только чистой целлюлозы, но и различных органических
целлюлозосодержащих субстратов, и образования из них водорода выделенными
консорциумами.
Отмечено, что наиболее эффективная конверсия происходит при росте сообщества
на отрубях с концентрацией субстрата в среде 5 г/л. Также изучали сравнительную
продуктивность данного сообщества при росте на фильтровальной бумаге и
древесных опилках. Опилки перед использованием не подвергали специальной
обработке для увеличения доступности субстрата микроорганизмам.
Установлено, что при повышении концентрации фильтровальной бумаги
образование водорода также увеличивается, однако на древесных опилках при
увеличении концентрации субстрата выше 10 г/л выход водорода не растет. В
результате сравнения продуктивности водорода сообществами на фильтровальной
бумаге и опилках показано, что образование водорода на бумаге в 5 раз превосходит
образование водорода на опилках. Однако показательно, что при всей сложности
естественного субстрата, полученное активное сообщество способно его разлагать и
при этом образовывать водород.
При росте сообщества на целлюлозосодержащей печатной продукции было
показано, что наибольшее выделение водорода наблюдается при росте на
журнальной.
Помимо продуктивности, крайне интересным является вопрос о составе полученных
сообществ и определении групп микроорганизмов, образующих данные
консорциумы. Проведенный DGGE-анализ сообщества позволил определить
видовой состав последнего.
Большинство различных фрагментов ДНК были идентифицированы с одним родом
микроорганизмов, который очевидно является сильно преобладающим в
сообществах. Этим родом является Thermoanaerobacterium. Микроорганизмы
преоболадающего рода, идентифицированные по участкам ДНК, очевидно
несколько различаются на уровне штаммов или видов. Точнее анализ может быть
сделан с помощью клонирования, хотя его применение позволит лишь
детализировать картину и получить некоторые уточнения. Очевидно, что
преобладающие формы уже выявлены.
Помимо указанного рода, в сообществах значительное место занимали
представители рода Clostridium.
2. Фототрофная мезофильная стадия ферментации продуктов анаэробного
разложения целлюлозы.
Примером служат, исследования по способности фототрофных микроорганизмов
использовать продукты темновой стадии разложения целлюлозы для образования
водорода. Для этого была выбрана культура Rb. capsulatus В10, как самый
эффективный продуцент водорода. В качестве субстрата в работе использовали
лактат. Выбранная культура по производительности, количеству накопленного
водорода на единицу объема среды и по удельной продуктивности процесса заметно
опережала другие культуры из числа исследованных пурпурных фототрофных
бактерий. Для стабилизации клеток в стационарной фазе развития, а также с целью
упрощения процедуры замены питательной среды в реакторе, была проведена
иммобилизация клеток в криогель ПВС.
Культивирование иммобилизованных клеток продолжали на протяжении более чем
360 суток.
Установлено, что биокатализатор не теряет своих свойств на протяжении
длительного периода культивирования. Клетки сохраняют способность к быстрому
образованию водорода, что важно с биотехнологической точки зрения по
дальнейшему применению метода. Более того, процесс характеризуется
стабильностью и увеличением производственных параметров на протяжении
времени. Была получена максимальная скорость образования водорода
иммобилизованными клетками при периодическом культивировании в 247 мМ/ч*л
матрицы иммобилизующего носителя.
Помимо свойств непосредственно иммобилизованного биокатализатора, важную
роль в реализации технологических и экономических преимуществ играет выбор
условий
культивирования
иммобилизованных
клеток,
осуществляющих
биокаталитические процессы. В связи с этим проведено сравнение процесса
образования водорода иммобилизованными клетками пурпурных бактерий Rb.
capsulatus B10 в условиях периодического и проточного культивирования. Для этого
был сконструирован двублочный фотобиореактор с различными способами
закрепления биокатализатора внутри его блоков и проведена новая иммобилизация
клеток в криогель поливинилового спирта.
Биореактор представляет собой 2 цилиндра, объемом по 2,5 л, содержащих по 2 л
среды. Гранулы иммобилизованных клеток в первом цилиндре в количестве 330
штук находятся в карманах полипропиленовой сети, зафиксированной на рамке из
органического стекла. Второй цилиндр представляет собой систему, в которой на
такой же рамке закреплены нити с нанизанными на них гранулами
иммобилизованных леток в том же количестве. Концентрация клеток в каждом
блоке реактора составила 1,34 г/л.
При исследовании динамики накопления водорода
иммобилизованными клетками после каждого
количественного выхода водорода на постоянные
значения производили смену питательной среды на
свежую.
Продуктивнее оказались иммобилизованные клетки,
зафиксированные в карманах полипропиленовой
сети, по сравнению с таковой у клеток, нанизанных
на полиэтиленовые нити.
3.
Мембранные
системы
сепарации газов.
Создание системы двухстадийной переработки
целлюлозы в водород с непрерывным удалением
водорода из ферментационной среды при помощи
уникальной мембранной технологии.
Помимо подбора субстратов и условий культивирования для термофильной стадии
переработки целлюлозосодержащего органического сырья, существует также
проблема ингибирования процесса накопленным водородом. Для решения данной
проблемы провели разработку системы непрерывного удаления водорода из
культуральной жидкости на основе полимерных мембран и мембранных
контакторов.
Система представляет собой ферментер, в который интегрирована полимерная
мембрана, контактирующая непосредственно со средой культивирования. Через
мембрану происходит отделение газов из жидкой фазы ферментера. Технология
использования мембран в подобных целях на границе раздела газ/жидкость является
уникальной и не встречается в мировой практике.
Вывод
Таким образом, биоводород имеет огромное практическое значение в условиях
истощения природных ресурсов. Он экономически выгоден, имеет весьма
значительную сферу применения и не затрагивает сельское хозяйство.
Список используемой литературы:
Превращение органических отходов сельского хозяйства в топливо для
альтернативной энергетики. Хранение и переработка сельхозсырья, 2010. Нетрусов
А.И., Карякин А.А., Тепляков В.В., Шалыгин М.Г., Воронин О.Г., Абрамов С.М.,
Шестаков А.И., Нетрусов А.И., Шалыгин М.Г., Тепляков В.В.
Основы
технологии
микробиологической
конверсии
органических
целлюлозосодержащих отходов в электроэнергию через промежуточное
образование биоводорода. Катализ в промышленности, 2010. Садраддинова Э.Р.,
Митрофанова Т.И., Шестаков А.И.
Мембранные биореакторы для получения горючих газов. Мембраны, 2007. Нетрусов
А.И., Тепляков В.В., Зенькевич В.Б., Модигель М.
Марикультура на земле. – Биомасса, 1981. Ваганер К.