Производство биотоплив: новые тенденции Е.Д. Гельфанд

Производство биотоплив: новые тенденции
Е.Д. Гельфанд, доктор технических наук, профессор
ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет
имени М.В. Ломоносова»
Материал в помощь студентам, изучающим дисциплину
«Технология биотоплив» по направлению «Биотехнология»
Современное производство биотоплив базируется исключительно на сырье,
производимом Природой, т.е. растительных и животных организмах. Такое сырьё
нуждается в заготовке и специальной переработке, что сопряжено с
существенными затратами, значительно увеличивающими стоимость биотоплив.
Резонно задаться вопросом: нельзя ли осуществить производство биотоплив
или близких к ним полупродуктов непосредственно из углекислого газа и воды,
минуя стадии заготовки и переработки природного сырья.
К настоящему времени известен ряд разработок по конверсии углекислого
газа и воды в биотоплива, которые можно подразделить на следующие
направления:
а) прямая биоконверсия углекислого газа в биотоплива или полупродукты для
их производства (направление 1),
б) фотокаталитическая конверсия углекислого газа в биотопливо или
полупродукты (направление 2),
в) биоконверсия воды в топливный водород (направление 3),
г) фотокаталитическое разложение воды с получением водорода
(направление 4).
Рассмотрим в качестве примеров некоторые разработки в данных
направлениях.
Направление 1
В реализации данного направления учёные всего мира делают упор на
создание исскуственных микроорганизмов, способных, в отличие от природных
микроорганизмов, к прямому синтезу нужных продуктов непосредственно из
углекислого газа. Такие микроорганизмы создаются на основе природных
фотоавтотрофов с использованием приёмов генной инженерии.
В качестве исходного объекта (за небольшими исключениями) для генного
модифицирования учёные используют т.н. цианобактерию (альтернативное
название – синезелёная микроводоросль). К настоящему времени разработано
несколько версий генномодифицированных цианобактерий (большинство из них
запатентованы, либо засекречены), характеризующихся совершенно разными
свойствами и направлением использования.
Работы по направленному изменению свойств цианобактерий (Synechoccus)
с целью придания им способности синтезировать полисахариды или жиры, или
непосредственно жидкие топлива (этанол, бутанол, дизельное топливо) интенсивно
ведутся сразу в нескольких высших учебных заведениях США. В Университете
штата Техас учёные сконструировали генномодифицированную цианобактерию,
способную к синтезу экзополисахаридов, построенных по типу целлюлозы, но не
имеющих упорядоченной надмолекулярной структуры, и потому – легко
поддающихся ферментативному осахариванию; по данным разработчиков,
полисахариды легко отделяются от бактериальной биомассы в виде геля и, таким
образом, на их основе в принципе возможно производить биоэтанол;
бактериальную биомассу возможно возвращать на стадию биосинтеза.
В Аризонском Университете разработан генномодифицированный штамм
цианобактерий, обладающий способностью к усиленному фотосинтезу в среде,
насыщенной углекислым газом, триглицеридов жирных кислот, которые по мере
накопления их в клетке до определенного критического уровня самопроизвольно
выводятся за её пределы (из-за этой особенности штамм получил название
«генетическая бомба»). Далее на их основе возможно производить топливо типа
«Биодизель».
Американская компания Joule Unlimited (первоначальное название – Joule
Biotechnology), штат Массачусетс, сконструировала свою, запатентованную,
генномодифицированную версию цианобактерий, способных при этих же условиях
синтезировать этанол и дизельное топливо; на экспериментальной установке,
запущенной в
Leander, штат Техас, удалось получить первую продукцию; по
расчётам разработчиков, с 1 акра в год по технологии, получившей название
helioculture, возможно вырабатывать 25000 галлонов биоэтанола и 15000 галлонов
дизельного топлива; ожидаемая цена его – 30 долларов за баррель.
Учёными Университета в Лос-Анджелесе, штат Калифорния, США,
разработан генномодифицированный штамм цианобактерий вида Synechoccus
elongates, который способен продуцировать изобутиловый альдегид; он выводится
из биореактора в газообразной форме, а затем – отдельно – восстанавливается в
изобутанол. Этот изомер ценнее, чем н-бутанол, поскольку, в отличие от него,
смешивается с бензином в любых соотношениях без расслаивания.
В
школе
инженерных
и
прикладных
наук
при
Калифорнийском
Университете разработано весьма оригинальное устройство для осуществления
биоконверсии углекислого газа в изобутанол (а также – 3-метил-бутанол). Процесс
осуществляется в т.н. электромикробном биореакторе, состоящем из анодной и
катодной ячеек; напряжение на электроды подаётся от солнечных батарей, при
этом в катодном пространстве из воды и СО2 образуется формиат; здесь же, в
катодном
пространстве
культивируют
специальный
штамм
генномоди-
фицированной бактерии Ralstonia eutropha H 16, преобразующей формиат в
изобутанол и 3-метилбутанол. Важной особенностью этой разработки является то,
что процесс может осуществляться круглосуточно: в период светового дня энергия
поступает в биореактор непосредственно от солнечных батарей, а в период ночи –
от аккумуляторов, заряжаемых от солнечных батарей.
Направление 2
Возможность прямой конверсии углекислого газа в монооксид углерода с
помощью специально разработанного фотокатализатора доказана в разработках
Токийского технического Университета. Основой катализатора является
супермолекулярный рутениево-рениевый комплекс. Получаемый монооксид
углерода имеет теплоту сгорания 10,1 Мдж/кг (или 12,6 Мдж/м3).
Корпорации Panasonic (г. Осака, Япония) удалось осуществить прямую
фотокаталитическую конверсию углекислого газа в муравьиную кислоту.
Система, предложенная корпорацией Panasonic, состоит из нитридного
полупроводникового фотоэлектрода и металлического катализатора, на котором
собственно и образуется муравьиная кислота. Характерно, что система способна
работать при любом источнике светового излучения.
Подобную же фотокаталитическую конверсию удалось осуществить в
Южно-Корейском научно-исследовательском институте химической технологии.
Фотокатализатор, разработанный этим институтом, имеет графеновую основу и
способен поглощать солнечную энергию в широкой части спектра.
Обе последние разработки интересны тем, что получаемая в них муравьиная
кислота может быть использована в качестве субстрата генномодифицированной
бактерией Ralstonia eutropha H16, способной преобразовывать её в изобутанол (см.
выше).
Направление 3
Данное направление основывается на том, что некоторые фотоавтотрофные
микроорганизмы при культивировании их в определенных условиях (например,
при дефиците серы в качестве биогенного элемента) начинают продуцировать
водород вместо кислорода.
Эту способность микроорганизмов удалось усилить путём генного
модифицирования, например, у цианобактерий «производительность» по
генерации водорода удалось довести до 10-40 мл/час в расчёте на 1г сухой
биомассы.
Направление 4
Данное направление интересно тем, что, во-первых, оно не связано с
использованием живых организмов; во-вторых, сырьевым источником для его
осуществления может быть любая вода (не обязательно – чистая).
Сущность процесса во всех предлагаемых разработках одна: воду вводят в
контакт с катализатором, освещаемым солнечными лучами, и при этом она
разлагается на водород и кислород.
Об уникальном фотокатализаторе для разложения воды сообщили учёные из
Шведского королевского технологического университета (г. Стокгольм);
эффективность разработанного катализатора по скорости выделения кислорода
(а, следовательно, и водорода) близка к эффективности природного фотосинтеза в
зелёных листьях.
Свой вариант фотокатализатора разработан в Калифорнийском
Университете (г. Сан-Диего, США); он представляет собой объёмную
разветвленную структуру из наноразмерных проводников, изготовленных из
кремния и окиси циркония. Структуры названы нанодеревьями и характеризуются
высокой производительностью по водороду.
Основой фотокатализатора, разработанного в Национальной Лаборатории
имени Лоуренса в г. Беркли (штат Калифорния, США) являются нанокристаллы
оксида кобальта – Со3О4.
В Массачусетском технологическом институте совместно с Компанией
SunCatalytex разработан фотокатализатор «искусственный лист». Он выполнен из
прозрачного силиконового материала с нанесенным на него специальным
покрытием, содержащим соединения кобальта и фосфата. Результаты испытаний
были положительными даже при использовании сточной воды. Авторы разработки
считают, что в ближайшее время возможно создать компактные установки по
производству топливного водорода для индивидуальных жилых домов.
Подобный тип искусственного листа разработан в Политехническом
Университете г. Турина (Италия), в лаборатории Biosolar. «Производительность»
листа при испытаниях оказалась в 10 раз выше, чем у обычного зелёного листа при
одинаковых размерах.
Заключение
Представленные направления производства биотоплив имеют два
важнейших преимущества перед традиционными производствами: во-первых, в
них используется общедоступное и не имеющее заготовительной стоимости сырьё
– углекислый газ и вода - и общедоступный источник энергии – энергия
солнечного излучения; во-вторых, они обещают быть экологически чистыми.
Следовательно, данные производства возможно организовать в любом месте, в
особенности – там, где нет традиционного сырья или – там, где недопустимо
создание производств, характеризующихся наличием отходов.