27.12.2009 - orbk.net

Використання водоростей як джерела енергії.

Поділитися:

laminariaДля зменшення концентрації у водоймищах органічної речовини проводять механічну очистку водоймищ від водної біомаси, ці заходи як правило носять витратний
характер. Для підвищення економічної ефективності очистки водойм необхідно навчитися використовувати виловлену біомасу у корисних цілях й отримувати з цього прибуток. В вітчизняній та міжнародній практиці водорості використовували для кормових цілей, як сировину для парфумерної промисловості, в якості добрива та ін. Одним з перспективних й рентабельних заходів є біоконверсія водної біомаси в біогаз.
Оскільки проблема антропогенної евтрофікації дійсно існує й загрожує своїми наслідками як господарській діяльності людини, так і оточуючому природньому середовищу, потрібно шукати реальні шляхи вирішення цієї проблеми. Одним з перспективних шляхів зменшення вмісту біогенних речовин у водному середовищі, які викликають евтрофікацію, є біоконверсія водної біомаси в носії енергії.

Якщо розглянути два шляхи конверсії біомаси то один з них відбувається через фотосинтез, який у окислювально-відновлювальних процесах хлорофілвміщуючих рослин супроводжується виділенням кисню (реакція 1), або проходить без виділення кисню, як у фотосинтезуючих бактерій.
(1)   С02 + Н20 -> СН20 + 02 + 112 ккал/моль
При випрямінюванні сонячної радіації в ясний день 800 Вт/м2 або 16,6 ккал/м2*день (1Вт=0,24ккал/с)
В цьому процесі на кожні 112 ккал енергії, яка запасається рослиною, утворюється максимально 3О г сухої маси органічної сполуки. При повному використанні всієї падаючої сонячної радіації утворилося б теоретично при максимальному енергетичному виході фотосинтезу 4500 г сухої органічної маси в день. Враховуючи енергетичну ефективність фотосинтезу в 14%, сильні окислювальні процеси при фотосинтезі і інше, реальна ефективність утворення органічної речовини має бути порядку 3%, тобто утвориться при благоприемних умовах 135 г сухої речовини за добу. В принципі такі добові прирости біомаси можна спостерігати на практиці. Вцілому, земний фотосинтез відбувається не ефективно, з к к.д. =0,1 — 0,3%, і конвертує 3*1024 Дж сонячної радіації, яка падає на поверхню землі на протязі року, перетворюючи її в хімічну енергію асимилюючи 2*1011 т вуглецю. Видобуток й використання корисних паливних копалин (газ, вугілля, нафта) складає 1,8*109 т/рік або 1,05% світової продуктивності біомаси. Природня продуктивність фотосинтезу в виробничих умовах може бути підвищена в 10, 100 раз і майже до теоретично максимальних значень. Особливо це відноситься до мікробіологічних фотосинтезуючих систем, які характеризуються високою ефективністю фотосинтезу. При фоторозкладі води суспензією водорості хлорели може утворюватись 130- 140л(~6 молей) кисню з 1 м2 поверхні води за добу, продуктиність по водню може складати біля 12 молей/м2 за добу, приріст біомаси до 150 г/м2 за добу або 6 г/м2 за годину. Біомаса водорості Clorella є перспективним видом не тількі по продуктивним показникам, а й по своєму хімічному складу, бо її стінка утворена з целлюлози, яка може легко бути далі конвертована в технічно доступний вид палива (СЩ) по двох анаеробних біоенергетичних шляхах з участю  метаногенних мікробних асоціацій  або воденьутворюючих мікроорганізмів.
Ще більш перспективним в енергетичних цілях може бути культивування фотосинтезуючої галофільної зеленої водорості Botryacocens braunii (Підродина Botryococcoioceae), яка розмножується в водах на півдні України, здатна до 80% загальної сухої ваги накопичувати вуглеводнів, з яких 30% це ациклічні і циклічні вуглеводні, склад яких нагадує нафтопродукти.У цієї водорості колонії слизисті, шароподібні, гроздеподібно округлені, дольчасті прості чи складаються з радіально відходячих частин слоевища, багатоклітинні, з потужним накопиченням клітин на переферіі, кожна з яких повністю чи частково занурена у в’язку колоніальну слиз, чи сидить у бокалоподібних слизистих утвореннях (чохликах). Центральна частина колоніі складається з безструктурної слизи, яка утворюється в результаті інтенсивного ослизення залишків оболонок клітин. Клітини еліпсовидні, повністю чи на 3/4 довжіни занурені у слиз. Розмноження 4-8 автоспорами. Колонії до 1 мм в діаметрі, клітини 5,7-12*(2,5)-3-7,5 мкм- При масовому розвитку можуть викликати цветіння води. Розмноження Botryacocens braunii відбувається автоспорами та розпадом колоній. Колонії розростаються діленням протопластів клітин у взаємоперпендикулярних площинах, які паралельні радіальним площинам колоній. Клітини продовгуваті, конічної форми, звужені до центру колоній, біля зовнишнього кінця розширені та закруглені, майже повністю занурені в міцні слизисті, інколи хрящоподібної   консистенції   бокалоподібні   ніжки.   Хлоропласт   пристебний, чашоподібний, з базальним піреноідом, без крохмальної обкладінки. Окрім маленьких крохмальних зерен, які розсіяні у стромі хлоропласту, у цитоплазмі накопичуються краплі масла та волютіна. Оболонка тонка, гладенька, безкольорова. Оболонки материнських клітин в наслідок ряду послідовних ділень утворюють систему вкладених один в один бокальців, яки занурені в безструктурну слиз, інколи просочену безкольоровою чи жовтою олією. В останньому випадку колонія має жовто-червоний кольор. Краплі олії можуть досягати 50% об’єму клітини, що дає можливість отримувати велику кількість олії.
Мешкають хлорококкові у товщі води, біля дна, на занурених предметах у різних типах водоймищ, найчастіше з незабрудненою водою, одиничне, інколи масово.
Загальне розповсюдження: Азія, Америка, Африка, Європа. Це єдиний представник роду, що розповсюджений на Україні.
Розмір клітин популяцій з озер Волинської області дорівнював 10,5-2*6-7,5 мкм, що перевищує данні загальних відомостей про хлорококкові. Напевне, це пояснюється впливом екологічних умов в цьому регіоні України.
Конверсія вуглеводів (в тому числі і целюлози хлорели) в метан є складним мікробіологічним процесом, який здійснюється різноманітним комплексом груп анаеробних мікробів. Вуглеводи можуть конвертуватись в метан в оптимальному випадку з отриманням з одного молю глюкози трьох молей метану і трьох молей С02. Перетворення енергії тут складає 85,7%. При хлостридіальному анаеробному зброжуванні на моль глюкози утворюється 4 моля водню, що відповідає 33% ступені конверсії енергії. Це пояснюється значним залишком енергії в аліфатичних кислотах, які накопичуються в середовищі при мікробному культивуванні.Кількісний вихід при метаногенезі значно нижче, ніж при аеробному диханні та денітрифікації. Але різні субстрати забезпечують різний рівень отримання енергії.

4Н2+С02^СН4+2Н202, DG°=-138,8 кДж;

4НСООН->СН4+ЗС02+2Н20. DG0—! 19,5 кДж;

4СНзОН -> ЗСН4+С02+2Н20, D G°=-310,5 кДж;

СНзСООН ->СН4+С02, D G0=-27,6 кДж;

4СО+2Н20 ->СН4+ЗС02, D G0—187,6 кДж;

4СНзМН2+2НзО -»ЗСН4+С02+4КНз, D G°=-225,7кДж;

2(СНз>2КН+2Н20 -^ЗСН4+С02+2№їз, DG°=-220,0 кДж;

4(CH3)3N+6H20 ->9CH4+3C02+4NH3, DG°=-659,8 кДж.

Вихід енергії при метаноутворенні з ЇЇ2 та С02 в нормальних умовах є відносно високим (138,8 кДж на моль СН»). Спряженість процесів утворення АТФ і СН» ще до кінця не з’ясовано. Перші етапи відновлення С02 пов’язані з поглинанням енергії, а енергія утворюється тільки на останньому етапі — термінальній реакції утворення СН» (метилкоензим М-редуктазна реакція). Функціонування системи нікельтетрапірола (Р4зо) як коензима в цьому процесі вказує на аналогію з іншими відомими процесами отримання біологічної енергії, наприклад, Mg-тетрапірол-система міститься в хлорофілі, Fe-тетрапірол-система — в цитохромі, цитохромоксидазі.
Більшість метаногенів здатно використовувати Нз та СО2 для утворення СНі. Відновлення СОз до Сїід відбувається в декілька етапів. При цьому трансформація окремих проміжних Сі-сполук пов’язана з функціонуванням специфічних ферментів -носіїв. СОг зв’язується з метанофураном з утворенням формілметанофурану. Після цього Сі-сполука переноситься на інший Сі-носій — тетрагідрометаноптерин. В подальшому здійснюється два наступних етапа відновлення СОї до -СНз (метальна група). Метилтетрагідрометаноптерин — важлива проміжна сполука, оскільки вона є вихідною сполукою для синтеза клітинної речовини. В процесі метаногенезу метальна група переноситься на коензим М, а потім відбувається відщеплення метальної групи і відновлення її до СІ-и. Ця остання реакція, що поставляє енергію, має активізуючу дію (RPG-ефект) реакційного ланцюгу акцепції і відновлення С02.
Окрім метаногенезу з ССЬ, досить цикавим є утворення СНд з метанолу та метиламінів (дивись схему 2, де МТі, МТз — метилтрансферази, КоМ — коензим М, ТГМП — тетрагідрометаноптерин, СО-Д — СО-дегідрогеназа). Досліди з використанням ізотопів показали, що метальна група без змін трансформується в СНд. В цьому випадку термінальним Сі-носієм при метаногенезі є коєнзім М. В переносі метальної групи від метанолу беруть участь дві метилтрансферази. Перша з них містить 5-гідроксибензи-мідазолілкобамід як простетичну групу і функціонує як носій Сі-сполук. При утворені метану з метилкоензиму М за допомогою системи метилкоензим М-редуктази частина
могильних груп переноситься від коензиму М до тетрагідрометаноптерину. В результаті утворюється формілтетрагідрометаноптерин, який далі окислюється за рахунок відщеплення системи   носія через форміат до С02 . Утворення форміату з формілтетрагідрометаноптерину скоріше за все пов’зано з синтезом АТФ шляхом фосфорилювання субстрату. В процесі розщеплення форміату беруть участь цитохроми, які були знайдені лише у метаногенних бактерій, які використовують метанол, ацетат і метиламіни. Метиламіни трансформуються (після відщеплення аміаку) до CHL» і СС>2 тим самим шляхом, що й метанол.
Послідовне використання фотосинтетичних анаеробних біоенергетичних систем перспективно в умовах насуваючої енергетичної кризи на Україні.
Середня первинна продукція водоростей по зв’язаному вуглецю в природних . умовах океану складає 550 кг/га в рік. Це в 2,5 раза менше в порівнянні з продуктивністью суші, але сумарна величина його перинної продукції складає 550,2 млрд. т (сирої біомаси) в рік, а сумарна біомаса водорості 1,7 млрд. т в рік. 70% поверхні Землі вкрито водою. Люди майже не використовують ці неосяжні простори. Ці показники вказують на можливу перспективність використання водної поверхні для конверсії сонячної енергії. В геологогеографічних умовах України при відсутності пустель, великої розоряності земель під сільскогосподарчу продовольчу продукцію в достатній мірі для забеспечення господарства економічно рентабельних паливних корисних копалин може стати найбільш перспективним використанням в енергетичних цілях водної поверхні, яка знаходиться на теріторії України. Сама природа вказує на необхідність проведення цих робіт. Так в умовах постійного збільшення антропогенного навантаження на водойми в Україні вібувається їх забруднення хімічними сполуками, які служать додатковим поживним субстратом для водорості. Це приводить до інтенсивного «цвітіння» води і сприянню інтенсивного отруєння водного середовища, внаслідок чогогине риба в водоймах України. Це можливо запобігти, використовуючи водорості в енергетичних цілях.
Річна продукція донних водоростей в Чорному морі від 77 т у відкритому морі до 170 т сирої маси на га в рік в захищених містах. Продуктивність прісних водойм значно нижче і складає в середньому 4-75 г/м2 водної поверхні.
Якщо виходити з середньодобової продуктивності прісних водойм 20 г/м2 і тривалості вегетаційного періоду 6 місяців, середня продуктивність вирощувальних систем відкритого типу має скласти 72 т/га (сухої маси) в рік. Площа дзеркала водосховищ України — 7246 км2, лиманів — 1698 км2. Таким чином, з площі водосховищ можна отримати 52,1 млн. т сухої маси водорості в рік і з площі лиманів більш ніж 12,2 млн. т сухої маси водорості в рік. Прі мікробній конверсії цієї біомаси водорості в біогаз можна отримати 12,9 млрд. м3 метану. На комунальні послуги в Україні витрачається біля 17 млрд. м3 природного газу. При використанні системи водорості — біометан з водної поверхні 1 км2 можна забезпечити енергетичні потреби 10000 людей. Вартість капіталовкладень в біотехнологічний проект перетворення сонячної енергії в паливо відповідає витратам на сучасне будівництво атомних і теплових електростанцій. З вирощених водоростей на Чорному морі краще отримувати рідке паливо.
Технологічне використання цих енергетичних біотехнологій в природних умовах України можна використати не тількі для проведення енергетичного забезпечення, а й для заходів по очищенню забруднення водного басейну від органічних сполук і важких металів, враховуючи здатність водоростей накопичуваті ці сполуки в своії біомасі.

Рекомендую:

Сміття, як об’єкт дослідження.... Журнал Science оголосив імена переможців міжнародного науково-технічного конкурсу візуалізації. Серед них - лабораторія SENSEable City, яка функціонує...
Солнечные панели для дома. Наш мир все более относится к постоянно растущему уровню потребления энергии и спрос на ее альтернативы, как солнечная технология демонстрирует быстры...

Довкілля / Наука Вода / Екологія / Енергия / Забруднення / Здоровье / Навчання /