Криобиологические сосуды > Что такое биотехнология? > Энергетика

Энергетика


В ходе эволюции в биологических системах сформировался ряд весьма совершенных механизмов превращения энергии. На рис. 1.3 представлены основные известные их типы, часть которы хиспользуется разными способами, особенно реакции 1, 2 и 9.  Отметим, что биомасса постоянно используется для получения электрической энергии за счет небиологических эквивалентов в реакциях 8 и 11.
Основные пути превращения энергии в живых системах.
 
Рис. 1.3. Основные пути превращения энергии в живых системах.

Что касается возможного вклада биотехнологии в решение проблем энергообеспечения, то здесь в отличие от других обла­стей ее применения предсказать что-либо гораздо сложнее, В последние годы немало говорилось об «энергетическом кризи­се»: запасы ископаемого топлива ограничены, а население рас­тет, и потребление энергии per capita все увеличивается. В этом контексте обсуждаются и перспективы использования ядерной энергии. Неравномерность распределения запасов ископаемого топлива, а также наличие ряда сложных политических и эконо­мических факторов делают любые предсказания особенно сложными. Наиболее важным является здесь то обстоятельство,
что около 99,4%, или 1,7-1023 калорий в год, доступной нам не­ядерной энергии мы получаем от Солнца, и часть ее аккумули­руется в биомассе, хотя и с малой эффективностью, порядка 1—2%. По этой причине биомасса представляет собой постоян­но возобновляемый источник' химической энергии. Ее можно сжигать или довольно простыми способами превращать при по­мощи микроорганизмов в жидкое или газообразное топливо (метан, этиловый спирт или водород). Однако биомасса исполь­зуется и для других целей: она служит пищей для людей и да­ет ряд ценных видов сырья.
Со временем биомасса, видимо, будет все более распростра­ненным исходным продуктом при производстве сырья для хи­мической промышленности на основе биотехнологических про­цессов. Примером такого рода может быть превращение лигни­на в соединения ароматического ряда.
Конкуренция за имеющиеся в наличии запасы биомассы усу­губляется тем, что площади, пригодные для ее производства, из-за роста населения постоянно уменьшаются. По этой при­чине дать точный глобальный прогноз использования энергии, получаемой из биомассы, довольно трудно. Отметим, однако, что из-за недостатка ископаемого топлива в некоторых странах (например, в странах Южной и Северной Америки) производ­ство этилового спирта путем ферментации становится все более популярным, особенно для использования в качестве добавки и/или для замены нефти как горючего на транспорте. Если рас­сматривать это производство само по себе, то экономическая его обоснованность оказывается весьма сомнительной, но оно приемлемо для некоторых стран по политическим соображени­ям (Бразилия, США).
В последнее время вновь пробудился интерес к разработке биотопливных элементов, с помощью которых можно с высо­кой эффективностью и при обычной температуре получать из ряда видов топлива и биомассы электрическую энергию. Хотя эти устройства и находят уже применение (например, в качест­ве специальных датчиков), в большинстве случаев с их помо­щью сложно получить на электродах ток достаточной плотно­сти, что позволяло бы использовать их в качестве крупномас­штабных преобразователей энергии. Возможно, однако, что уже в ближайшем будущем они найдут применение в специ­альных областях энергетики. Единственным исключением среди них является «гибридный» водородный биотопливный элемент: в нем водород, образующийся при брожении, используется в обычном водород-кислородном элементе. Впрочем, и другие биотопливные элементы могут со временем аайти применение для получения дешевой электроэнергии путем переработки сто­ков, отходов или окиси углерода.
Поскольку солнечный свет является мощным источником энергии, а количество имеющейся биомассы ограничено, неко­торые биотехнологи, работающие над проблемами энергетики, занялись разработкой двух проблем, решение которых позволи­ло бы повысить эффективность использования солнечной энер­гии. Во-первых, они пытаются найти практические способы повышения эффективности конверсии солнечного света в био­массу, например путем выращивания водорослей при высокой концентрации углекислого газа и ограниченной освещенности в биореакторах со строго контролируемыми условиями роста. Во-вторых, они изучают возможность получения водорода путем расщепления воды при участии фотосистемы фотосинтезирую-щих организмов, т.е. путем биофотолиза. Технически проще все­го получать водород, используя интактные сине-зеленые водо­росли или процессы ферментации (брожения). Надо сказать, однако, что если биотехнология всерьез намерена внести в бу­дущем весомый вклад в производство энергии, то ей придется решить нетривиальную техническую задачу: на основе биофото­лиза разработать сложный реактор, включающий упорядочен­ные стабильные биофотосистемы.
В самом ближайшем будущем биотехнология станет играть все возрастающую роль и при добыче нефти. Поскольку цены на нефть растут, добыча ее из сложных в эксплуатации зале­жей становится все более экономически выгодной. Здесь могут оказаться полезными микроорганизмы. Во-первых, некоторые образуемые ими полимеры, особенно производные ксантана, можно использовать в качестве компонентов закачиваемых в пласт растворов, обладающих нужными реологическими харак­теристиками, для добычи остаточной нефти (гл. 5). Во-вторых, в нефтяной промышленности используются поверхностно-актив­ные вещества микробного происхождения. С экономической точ­ки зрения производство таких веществ будет особенно выгод­ным, если их удастся получать путем микробиологической пе­реработки отходов, содержащих нефть. Как правило, экономи­ческие характеристики биотехнологических процессов улучша­ются, если удается совместить переработку отходов с производ­ством полезного продукта.
Некоторые группы ученых работают сегодня над разработ­кой более долгосрочных крупномасштабных программ. Предпо­лагается, например, вводить подходящие микроорганизмы не­посредственно в нефтяной пласт, чтобы ускорить отток нефти из пористых пород.