Дәріс. Тақырыбы: Энергетикалық биотехнология Жоспар:
1. Биоотын алу
2. Биогаз және оның тарихы
3. Еуропа, Америкада және ТМД - дағы биогазды технологиялар
1973 жылы энергиялық дағдарыс, 1986 жылы Чернобыль апаты, және сондай сияқты оқыс оқиғалар көптеген елдердің барланатын энергия көздерін (БЭК) қолдану қарқыны мен болашағы жөнінде өздерінің энергетикалық саясатын қарастыруға тура келді.
Сондықтан да көптеген елдер, көрші елдер Чернобыльдағы АЭС- ке ұқсас атомдық нысаналарды құрастырып жатқанда тек қана экологиялық таза энергияны игеру, дамыту жеткіліксіз екендігін түсінді. Дәстүрлі емес энергетиканы дамыту барысында түрлі елдердің ғалымдары бірге жұмыс жасау керек.
Дәстүрлі энергетиканы дамытудың кері тенденциялары негізінен екі факторға байланысты: табиғи ресурстың таусылуы мен қоршаған ортаның ластануы. БҰҰ – ның мәліметі бойынша көмір кентінің қоры 2082 – 2500 жылға дейін жетеді деп жорамалдауда.
Дәстүрлі энергетиканың болашақта дамитын технологиялары энергия тасымалдауда жағымды әсерін арттырады, алайда экологиялық жағдайда жақсартпайды, қоршаған ортадағы жылулық, радиактивті және химиялық ластану апаттық жағдайға алып келуі мүмкін.
Осыған байланысты, біріншіден дәстүрлі энергетика ресурстарын тиімді пайдалану мүмкіндіктерін анықтау керек болса, екіншіден дәстүрлі емес және барланатын энергия көздерін қолдану бойынша ғылыми – техникалық жұмыстарды дамыту керек.
Биологиялық отын – жану үстінде энергия беруге қабілетті (ағаш сүрегі, шымтезек, балдырлар, т.б.) кез келген биомасса мен одан алынатын өнімдер (спирт, биогаз, т.б.), органикалық қалдықтар (қоқыс, көң, саңғырық, үгінділер, т.б.). Биомассаның құрамындағы күкірттің мөлшері 0,1 пайыз, ал күлділігі – 3-5 пайыздан аспайды (көмірде бұл көрсеткіштер керсінше 2 – 3 пайыз және 10 – 15 пайызға тең). Биомассадан алынған газды отын ретінде пайдаланып турбогенераторлардың көмегімен электр тогын алу жолы басқа белгілі әдістермен бәсекелесе алады. Биомасса қалдық ретінде көп мөлшерде қант пен шарап зауыттарында борық қамысын өңдегенде шығады. Борық қамысынан қант, шарап алу дамып келе жатқан елдердің 80 –ге жуығында жолға қойылған. Осыған байланысты тек борық қамысын пайдалану арқылы бұл өсімдік өсетін елдерде энергияның 50 пайыздай мөлшерін алуды жолға қоюға болады. Осы синтетикалық отын XXI ғ. негізгі энергия көздерінің біріне айналуына толық мүмкіндік бар. Ағаш биомассасынан алынған метанолды отын ретінде жаққанда шыққан көміртек оксидінің мөлшері бензинді жаққанда бөлінетін газ көлемінен 2 еседей төмен. Метанолға альтернативті этанолды қант өндірісінен шыққан биомассадан ферменттер көмегімен алып, оны бензиннің орынына қолдануға болады. Анаэробты микроорганизмдер штамдарының арнайы түрлерін жасап биогаз қолданудың экология және экономика жағынан тиімді жолдарын табуға болады. Биогаздан энзимдер (ашытқы қолдану) арқылы алынған этанолдың бағасы бензинмен салыстырмалы келеді. Қазіргі жағдайда қалдықтардан биогаз алу технологиясы өзін 3 – 5 жылда ақтап, табиғи органикалық ресурстарды үнемдеуге ықпал жасайды.
Биоотын алу
Табиғи қазба байлық экономика жағынан тиімді қор болып саналады. Біздің елімізде сәл де болса қолайсыздау болып энергия көзі саналуда. Қазіргі кезде энергияны қажет ету АҚШ-та 33,9 % мұнайдың арқасында, 18% көмірдің арқасында, ал газдың арқасында 18% алмастырылып отыр. Осындай жағдайлар басқа да елдерде мұнай мен газ қорлары XIX ғасырдың екінші жартысында азая бастады. Көптеген экспорттар, сұйық және газ тәрізді отынды өсімдік тектес заттардан алу әдісін өңдеуде, демек шикізатты жаңартуда. Ағашты химиялық жолмен гидролиз әдісімен және ауылшаруашылық қалдықтарынан азықтық ашытқы, этанол алуда. Гидролиз өндірісінде целлюлозаны және гемицеллюлозаны гексозаға және пептозаға, этанолға дейін ыдырату немесе ақуызға бай биомассаға айналдырады.
Лигноцеллюлозды шикізаттан этанолды алу талқыланып, қана жатқан жоқ, гидролиз және ферментацияны ферментативті гидролизді біріктіру әдісі пайда болуда. Бұл жағдайда шикізатты алдын -ала термомеханикалық өңдеу жасауда. Мұндай шикізаттың биоконверсиялық мүмкіндігі көрсетілген метанда анаэробты ашу процесінде болады. Басқа елдер лигноцеллюлозалы шикізаттан сұйық және газ тәрізді отын алу технологиясын өңдеуде. Сондай-ақ әр түрлі химиялық заттар. Лигноцеллюлоз шикізатын алдын-ала өңдеудің жаңа әдісін қолдану және гидролиздің ферментативті процесін біріктіріп этанолда, көмірсудың биотехнологиялық конверсиясы этанолдың бағасын 1л спиртті 0595-0,36 долл. төмендетуге мүмкіндік жасайды.
Бензинді автомобиль көліктеріне кең көлемде қолданады. Көптеген елдер әсіресе мұнай қазбалары жоқ жерде бензинді алмастырғыш іздестірілуде, олар басқа елдерге мұнай импортына тәуелділігін жоюда. Бензинді этил спиртімен алмастырды, оны микробиологиялық синтез арқылы алуға болады.
Бәріне белгілі микроорганизмдер оттегінің қатысуымен қантты диоксид көміртегіне және суға ыдыратады. Бірақ кейбір микроорганизмдер оттегі жоқ болса да органикалық қосылыстарды ыдыратады, этил спиртінің түзілуімен әсіресе қантты ыдыратады. Мұндай микроорганизмдер факультативті, сонымен қатар олар оттегінің қатысуымен де оттегінің қатысуынсыз да әрмен қарай дамиды, Егерде ферментация кезінде жеткілікті мөлшерде оттегі болып тұрса, онда ферментация процесі соңғы өнімге дейін көміртегі диоксидіне және суға дейін жүреді. Этил спирті анаэробты жағдайдағы факультативті микроорганизмдер толық қышқылданбаған кездегі аралық өнім.
Этил спиртін микроорганизмдердің көмегімен алу бәріне белгілі процесс, бірақ оны енді моторлы отын алу ретінде қарастырып жатыр,
Бірқатар елдерде карбираторларға отын ретінде этил спиртімен бензин қоспасын қолданады. Бұл қоспа 10 - 20% этил спиртін құрайтын қоспаны газголь деп атайды. Октанның саны газголде бензинге қарағанда жоғары, автомобилдің 1км жүрген жолының газголь шығыны таза бензинмен бірдей демек, мұнайды үнемдейді және атмосфераны токсинді заттармен аз мөлшерде ластайды. Двигательді модернизациялаудан кейін моторлы отын ретінде техникалық этил спиртін бензин қоспай - ақ қолдануға болады.
Этил спирті бензинмен бәсекелес болмау үшін, оны арзан шикізатта өндіру қажет. Этил спиртін анаэробты ферментация әдісімен өңдеу кезінде субстрат ретінде жоғары крахмал немесе қант құрайтын кез келген ауылшаруашылық культурасы қолданылады, целлюлоза қоспасы бар материялдар көп. Этил спиртінің шикізаты ретінде тамақ өнімдері өндірісіндегі қалдықтар, әсіресе меласса - қант өндірісінің қалдығы және сүттің сарысуы - ірімшік өндірісінің қалдығы саналады.
Этил спиртін алудағы ең күшті көміртегі көзі болып құрамында целлюлоза құрайтын қалдықтар саналады. Этил спиртін алуға арналған микробиологиялық синтез бойынша негізгі үш сатылардан тұрады, бұл процестің тиімділігіне әсер етеді:
1) субстратты дайындау
2) ферментация
3) этил спиртін бөліп алу
Алдын-ала субстратты дайындау ферментация процесі үшін оның шикізатына байланысты болады. Ондай шикізат көздері құрамында сахароза бар қант қамысы немесе қант қызылшасы бола алады, олар микроорганизмдерді пайдалана алады, арнайы дайындықты қажет етпейді. Қант өндірісінің өнімі - меласса, сол сияқты жақсы дайындықты қажет етпейді, этил спиртін дайындау үшін қажет субстрат болып саналады. Спирттік ашу үшін шикізатты дайындағанда өсімдік қалдықтары үшін химиялық және физикалық әдістерді қолданып, ағаш қалдықтарын полисахаридтердің гидролизін моносахаридке дейін ыдыратады. Өткен жүз жылдықта қант, ашытқы этил спирті өндірісі үшін және сол сияқты өсімдік шикізатын пайдалануда көптеген тәжірибелер жинақталған. Көптеген елдердің ғалымдары осы тәжірибелерді отын - энергетика мәселелерін шешуде қолдануда. Өсімдік шикізатының гидролиз процесі этил спиртінің өндірісі үшін еңбек ету жұмысы көлемді және қымбат, сондықтан зерттеулердің басты мәселесі жаңа гиролиз әдістерін және целлюлозасы бар шикізатты өңдеу арқылы гидролиз алды. АҚШ-та этил спиртін алу туралы ұсыныс жасалған. Ол целлюлозасы бар шикізатты микроскопиялық саңырауқұлақтармен қанттандыру және пайда болған қантты ашыту. Мұндай екі микробиологиялық әдісті қанттандыру және ашыту процестерін біріктіру гидролиз процесінен құтылады, сонымен қатар этил спиртінің шығымын жоғарылатады және ферментация процесінің уақытын азайтады. Этил спиртін алатын көмірсулардың ферментация процесі де үздіксіз жетілдіріліп келеді. Ортада этил спиртінің жоғарғы концентрациясына тұрақты және термофильді қасиеті бар бактериялар мен ашытқылардың жаңа штамдары іздестірілуде. Бірқатар елдерде өңделген ферментацияның жаңа әдісі болып иммобилизденген формадағы бактериялар мен ашытқылар қолданыс табуда. Сонымен Жапонияда иммобилизденген ашытқы түйіршіктерін қолдану арқылы қамыс мелассасынан этил спиртін өндіретін тәжірибелі - өндірістік қондырғылар жұмыс жасауда.
Этил спиртінің бағасы оны культуралды сұйықтықтан бөліп алуда қолданылатын концентрлеу мен залаласыздау процесіне тәуелді. Дәстүрлі дистилляциядан басқа энергия шығынын аз қажет ететін әртүрлі адсорбциялы және экстракционды әдістер ұсынылады. Мотор жанармайы ретінде қолданылатын этил спиртінің микробиологиялық өндірісі Бразилия мен АҚШ-та кеңінен қолданылады. Бразилияда барлық автомобильдердің жарғысына жуығы газгольге жұмыс жасайды, ал қалған машиналар техникалық этил спиртіне көшуді қолдайды. АҚШ-та соңғы жылдары этил спиртін микробиологиялық әдіспен өңдеу қарқынды өсуде. Этил спиртін микробиологиялық әдіспен өңдеу Австралия, Жаңа Зеландияда және көптеген дамып келе жатқан елдерде дамуда.
Отын ретінде этанолды алу. Этанол - экологиялық таза отын, СО және Н2О бөлінеді. Ол таза түрінде немесе 10-12% бензинге қоспа ретінде колданылады, двигатель ішінде жанады.
Бразилияда 1983 жылы 75% автокөліктер 95% этанолда жұмыс жасайды, ал қалғаны газоголде жүреді. АҚШ-та қолданып жүрген бензинге 10% этанолды қосу ұсынылған. Этанолды кеңінен қолдану Батыс Европа елдерінде жоспарланған.
Егіс алаңдарында мол мөлшерде ауыл шаруашылық кулътурасын өсіру қолға алынған, одан биотехнологиялық жолмен этанол алуға, өсімдік шикізатынан этанол алу өндірісін қалдықсыз технология деп санайды.
|