Biologines energijos gavimo budai

Biologinės energijos gavimo būdai

1.1 Energija ir gamtiniai rezultatai
Labai paplitęs gamtinių iškasenų naudojimas privedė prie daug industrializuotos visuomenės privalumų. Dideli agrokultūros, namų ir industrinės pramonės nuodingų atliekų kiekiai gauti šalyse kaip vystymosi rezultatas, turi žalingą poveikį tiek gamtai, tiek žmogaus sveikatai. Itai-itai ir Minamata ligos Japonijoje, yra tik du pavyzdžiai oro ir vandens užterštumo poveikio žmogaus sveikatai. Gamtos apsaugos ir žalos atstatymo svarba neturi būti užgožti.
Pastaraisiais metais gamtos užterštumas tapo globaline problema. Industrinės ir socialinės veiklos internacionalizavimas davė pradžią tokiom problemom, kaaip pasaulinis atšilimas, dykumų plotų didėjimas ir rugštinės nuosėdos. Šios globalinės problemos yra įsišaknijusios materialiai turtingame gyvenimo stiliuje, kurie yra palaikomi gausaus ir žalingo naudingų iškasenų panaudojimo industrinėse valstybėse. Staigiai kylant pramoninei veiklai Kinijoje, Indijoje ir kitose besivystančiose šalyse rodo, kad tos šalys neišvengiamai turės prisidėti mažinant žalingą poveikį aplinkai. Gyvenimo stiliaus pokyčiai, taip pat pokyčiai svarbiausiose pramonės sistemose reikalingi kad sumažinti žalingą poveikį aplinkai. Medžiagų perdirbimas, taigi ir nuodingų medžiagų gamyba yra pagrindinė koncepcija, kuri turi būtui įdiegta kad suutikti su naujais reikalavimais palaikomo vystymosi, pramoninėse ir besivystančiose šalyse.
Reikalingi mechanizmai, verčiantys įgyvendinti šią koncepciją ir vystyti aplinkai nežalingas technologijas, palaikančias ateities „perdirbimo“ pasaulį. Sistemos, utilizuojančios energijas, gautas iš biomasės yra tipinis energijos perdirbimo pavyzdys. Biotechnologija yra viena iš į ateitį or

rientuotų technologijų, ir ta, kuri suvaidins didelį vaidmenį biologinės energijos eksploatacijoje. Visa biomasė (augalai, gyvūnai, mikrobai), atsiranda per CO2 cheminį sutirštinimą per fotosintezę. Biomasės utilizavimas yra įtraukiamas į globalinį biosferos karbono ciklą. Bioenergija besivystančiose šalyse, atsiranda iš gyvūnų atliekų, medienos atliekų, agrikultūros liekanų, ir pirmiausia panaudojama veiklai, svarbiai išgyvenimui, tokiai kaip valgio gaminimas ir vandens gavimas. Gyvenimo standartų gerėjimas tose šalyse privers panaudoti tą energiją ne svarbiausioms reikmėms. Taigi labai svarbu kurti technologijas, galinčias efektyviai gaminti bioenergija ir paversti ją į labiau priimtinas enerrgijos formas.
1.2 Fotosintezė ir biomasė
1.2.1 Fotosintetinis efektyvumas
Fotosintezė gali būti aprašyta paprastai taip:
CO2 + H2O + šviesa!’ 6 (CH2O) + O2
Vidutiniškai 114 kilokalorijų laisvos energijos yra sukaupiama augalo biomasėj kiekvienam CO2 gavimui per fotosintezę. Saulės radiacija veikia žemę kasmet atitinkamai 178000 teravatų, tai yra 15000 kartų daugiau, negų kaasmetinis globalinis energijos suvartojimas. Bet įmanomas fotosintetinės energijos gavimas apskaičiuotas tik dešimt kartų didesnis už pasaulinį energijos suvartojimą, ir tik nedidelė dalis šios saulės radiavijos yra naudojama fotosintezei. Vidutiniškai dvi trečiosios pasaulinės fotosintetinės energijos kilmės yra sausumos tipo, kai likusi dalis yra gaunama iš planktono vandenynuose, kurie dengia vidutiniškai 70% viso žemės paviršiaus. Kadangi biomasė kyla iš augalų ir jūros dumblių fotosintezės, abu, sausumos kilmės augalai ir planktonas yra tinkamas tikslas moksliniams tyrinėjimams, susijusiems su biomasės energjos gavimu-gamyba.
Bet kokia biologinės en
nergijos gavimo analizė turi įtraukti į save potencialų efektyvumą planuojamo proceso. Nors fotosintezė yra pagrindas saulės radiacijos perdirbime į kaupiamą biomasės energiją, viso šito teorinis pasiekiamas efektyvumas yra ribotas bangos ilgio diapazono, tinkamo fotosintezei, it kvantiniams reikalavimams fotosintezės procesui. Tik šviesa, kurios bangos ilgis nuo 400 iki 700 nm (fotosintetiškai aktyvi radiacija, PAR) gali būti perdirbama augalų, efektyviai leidžiant išgauti tik 45% saulės energijos, perdirbamos fotosintetiškai. Taipogi, vienos CO2 molekulės sugavimas per fotosintezę, priverčia kvantiškai reikalauti dešimt (ir daugiau), ko pasekoje maksimalus perdirbamumas 25% PAR, sugertos fotosintetinės sistemos. Šių apribojimų pagrindas, teoriškai didžiausias efektyvumas saulės energijos perdirbime yra apie 11%. Tačiau praktikoje fotosintetinės energijos dydis, stebėtas darbo aplinkoje, yra toliau dar sumažintas tokių faktorių, kaip mažo energijos sugėrimo dėl atsispindėjimo, oprimalaus saulės radiacijos lygio reikalingumas. Grynas rezultatas viso įmanomo fotosintetinio efektyvumo yra tarp 3 – 6 procentų nuo visos saulės radiacijos.
1.2.2 Biomasės atliekos ir jų perdirbimas
Atliekos ir liekanos dabar sudaro didelė biomasės išteklių dalį. Į juos įeina kietos ir skystos municipalinės veiklos atliekos, trašos, mėšlas, statybinė miško medžiaga ir minkšta medienos masė, miškų ir agrokultūros atliekos. Išskiriant žemo vandens sudedamasias, didžiji dalis šios biomasės negalį būti tiesiogiai perdirbama, ir privalo pereiti tam tikras transformacijos formas, prieš perdirbant jas į kurą. Biologiniai procesai biomasės vertimo į kurus įtraukia etanolo fermentaciją raugalo bakterijomis, ir metano ga
avyba anaerobinėmis sąlygomis mikrobų sąjungoje.
Medienos atliekos popieriaus pramonėje ir atliekose iš cukraus industrijos yra pavyzdžiai, kai biomasės gamyba gali būti sutelkta vienoje vietoje. Celiuliozės prigimtis šiuose biomasės medžiagose priverčia jų hidrolizę į gliukozę, reikalingą etanolio fermentacijai. Tačiau tinko energijos balancas procesuose, susijusiuose su šia gavyba gali būti sudėtingas dėl šios energijos reikalavimų celiuliozės hidrolizei ir išvalymui, ir nadingumas turi būti didesnis negu etanolio gamybai reikalinga energija.
Skirtingai nei etanolio fermentacija, anaerobinis metano gavybos įsisavinimas utilizuoja organines medžiagas, turinčias savyje karbohidritų, lipidų ir proteinų. Daug mikrobū rūšių kartu dirba anaerobiniame įsisavinime, kuriame šios polimerinės medžiagos (t.y. karbohidratai, proteinai ir lipidai) yra pirmiausiai suskaidomi į organines rūgštis, tada į vandenilio ir anglies dioksidą, iš kurio metanas yra sintezuojamas metanogenų. Žaliavų įvairovė, kurią sudaro agrikultūros atliekos, municipalinės kietosios altiekos, turgų šiukšlės ir vandens atliekos iš fermentacijos ir maisto industrijos, yra priimtinos kaip šio proceso pagrindas. Atliekos, gautos iš gyvulininkystės yra tinkamos anaerobiniam skaidymui. Tačiau mažu skaidytojai populiariai naudojami ir ūkio, ir kaimo lygmenyse. Didelio mąsto operacijos yra reikalingos apsvarstyti techninį tobulėjimą ir kainų ma-inimą, taigi reikalauja ir mikrobiologinių, ir inžinierinių studijų.
Metanas ir etanolis taip pat gali būti gaunami iš kultūrinės biomasės per anaerobinį įsisavinimą ir mikrobiologinius fermentacijos procesus. Kuro gavimo ekonomija iš biomasės kolkas yr
ra daug priklausoma nuo CO2 fiksacijos, panašiai kaip ir H2 gavime ir jūros dumblių alyvoje.
1.2.3 Kuro gamyba per dumblius ir CO2 fiksaciją
Viena iš šiandienos rimčiausių problemų yra globalinis atšilimas, sukeltas daugiausiai dėl gusiai naudojamų iškasenų. Japonijoje, dideli CO2 kiekiai yra išleidžiami į atmosferą iš elektrinių ir industrijos. CO2, sukurtas šių didelių taškų gali būti potencialiai atstatyta atitinkamai mažinant cheminio sugėrimo technologinų steigimą. Dideli CO2 kiekiai privers kurti technologijas mažinančias, arba išvis perdirbančias CO2.
Fotosintetiniai dumbliai yra potencialūs kandidatai perdirbant perteklinį CO2 kiekį, kai kultivuojami šie organizmai sugebėtu pedirbti CO2 remiantis saulės energija. Energijos kilmė iš biomasės dumblių yra patraukli koncepcija tam, preišingai nei iškasenos, dumblinė biomasė gali būti paskirstyta dideliuose žemės plotuose, ir jos perdirbimas nepareikalautų papildomų išteklių, didinančių CO2 lygį. Dumbliai laikomi žemo lygio energijos šaltiniais remiantis dėl jų sandaros iš vandens, tačiau dėl to jie gali būti paversti į šiuolaikines dujas, skystus kurus, tokius kaip vandenilis, metanas, etanolis ir naftos.
Vandenilis yra laikomas kaip potencialus energijos šaltinis ateityje, kadangi jis lengvai paverčiamas į elektrą ir dega labai švariai. Dabar vandenilis gaunamas iš iškasenom paremtų procesų, kurie skleidžia didelį CO2 kiekį, ir atitinkamai mažesnius kiekius kitų teršalų, tokių kaip sieros dioksidas ir nitrooksidai. Biologinis H2 gavimas šiuo metu įgavo papildomą dėmesį dėl didelio miesto oro užterštumo ir pasaulinio atšilimo susirūpinimo.

Japonija. Iš inžinerinio požiūrio, bakteriniės fermentacijos mechanizmai vandenilio gamybai tamsiose ir šviesiose sąlygose dabar svarbu dėl gamtinių nesutarimų ir organinių atliekų utilizacijos, tokių kaip iš maisto ir fermentacijos industrijų, kanalizacijos nutekamieji vandenys, turgaus šiukšlės.
Dumblių kaip skysto kuro panaudojimas yra patrauklus siūlymas iš to taško, kad dumbliai yra fotosintetinė, atsinaujinanti medžiaga, sudaryti iš daug vandens, auga greičiau nei augalai, taip pat gali augti druskinguose vandenyse, netinkamose agrikultūrinei veiklai. Kadangi lipidai yra dumblių sudedamoji, sausos ląstelienos pagrindu sudaranti 20 – 40 % masės, lipidų sudėtis iki 85% yra nustatyta kai kurioms mikrobiologiniėms atmainoms. Botryococcus braunii yra unikali biologinė atmaina, turinti ilgą hidrocarbonatinės sudėties grandinę, sudarančia 30-40% sausos masės, kuri yra tiesiogiai išgaunama žalios naftos pakaitalo pavidalu. Ir fiziniai, ir cheminiai procesai dalyvauja skysto kuro gamyboje dumblių grandinėse. Šie procesai dalyvauja tisioginėje lipidų gavyboje, dyzelinių degalų pakaitalų gamyboje. Aliejinės substancijos taip pat yra gaunamos per termochemines reakcijas didelio slėgio ir temperatūros sąlygose, nuvandeninant biomasę.

1.3 Pagrindinės problemos
Tarp aptartų biomasės perdirbimo procesų, metano ir etanolio gamyba iš įvairių atliekų yra ekonomiškai tinkama priklausomai nuo mąstų ir vietovės. Nors biologiniai dujų gavybos ir skystųjų kurų procesai buvo gerai pademonstruoti su dumblių biomase, šie procesai vistiek turi būti integruoti į sistemą, galinčią atitikti elementarius reikalavimus bendram efektyvumui verčiant saulės energiją į bioenergiją. Taip pat, modelinė sistema turi būt bent iš principo lengvai diegiama ir neribojama inžinierinių ir ekonominių faktorių. Dėl dabartinės benzininės ekonomikos, galimybės panaudoti H2 arba aliejus, gautus biologinių procesų metu atrodo nutolę nuo realybės. Bet ateities reikalavimai dėl švarios aplinkos reikalauja fundamentalių tyrimų mikrobiologijoje ir dumblių srityje, genetikoje, kartu su elementariu inžinerijos tyrinėjimu virsmuose ir visoje sistemoje.

Stengdamasis tikslingai tyrinėti globalinį atšilimą ir kitas aplinkosaugos problemas, Inovacinių Technologijų Tyrimo Institutas (RITE), pradėjo tiriamuosius projektus, itraukiančius ir Biologinę CO2 fiksaciją ir įsisavinimą, taip pat projektą dėl biologinės vandenilio gavybos per aplinkai nekenkenčias technologijas, kuris buvo pradėtas Japonijos vyriausybės 1990m. Šie projektai susideda iš nacionalinių institutų ir privačių kompanijų pastangų. Tuo pačiu metu, moksliniai tyrinėjimai universitetuose įtraukia į save studijas dėl CO2 fiksacijos ir H2 gamybos.

Literatūra
1. Hall, D.O. and House, J.I., Biomass and Bioenergy, 6,11-30 (1994).
2. Miyamoto, K., In “Recombinant Microbes for Industrial and Agricultural Applications” Eds. Murooka, Y. and Imanaka, T., 771-785 (1994) Marcel Dekker, Inc., New York, Basel, Hong Kong.
3. Borowitzka, M.A., In “Micro-algal biotechnology” Eds. Borowitzka, M.A. and Borowitzka, L.J., 257-287 (1988) Cambridge University Press, Cambridge.

Leave a Comment