Азотфиксация. Топливо из биомассы — новый источник энергии.

 азотфиксация это набор биологических и небиологических процессов, которые производят химические формы азота, доступные для живых существ. Наличие азота в значительной степени контролирует функционирование экосистем и глобальную биогеохимию, поскольку азот является фактором, ограничивающим чистую первичную продуктивность в наземных и водных экосистемах..

В тканях живых организмов азот является частью аминокислот, единиц структурных и функциональных белков, таких как ферменты. Это также важный химический элемент в составе нуклеиновых кислот и хлорофилла.

Азотфиксация. Топливо из биомассы — новый источник энергии.

Кроме того, биогеохимические реакции восстановления углерода (фотосинтез) и окисления углерода (дыхание) происходят при посредничестве азотсодержащих ферментов, так как они являются белками.

В химических реакциях биогеохимического цикла азота этот элемент меняет свои степени окисления с нуля на N2, 3- в NH3, 3+ в НЕТ2 — и NH4+ , и до 5+ в НЕТ3-.

Некоторые микроорганизмы используют энергию, генерируемую в этих реакциях восстановления оксида азота, и используют ее в своих метаболических процессах. Именно эти микробные реакции, которые в совокупности управляют глобальным азотным циклом.

Наиболее распространенной химической формой азота на планете является газообразный молекулярный двухатомный азот N2, что составляет 79% атмосферы Земли.

Это также химическая разновидность азота, менее реакционноспособная, практически инертная, очень стабильная благодаря тройной связи, объединяющей оба атома. По этой причине азот, столь богатый в атмосфере, недоступен для подавляющего большинства живых существ..

Азот в химических формах, доступных живым существам, получается путем «азотфиксации». Фиксация азота может происходить через две основные формы: абиотически связывающие формы и биотически связывающие формы.

индекс

  • 1 Абиотические формы азотфиксации
    • 1.1 Грозы
    • 1.2 Сжигание ископаемого топлива
    • 1.3 Сжигание биомассы
    • 1.4 Выбросы азота от эрозии почвы и выветривания горных пород
  • 2 Биотические формы азотфиксации
    • 2.1 Свободноживущие или симбиотические микроорганизмы
    • 2.2 Механизмы поддержания активной системы нитрогеназы
    • 2.3 Биотическая фиксация азота свободноживущими микроорганизмами
    • 2.4 Энергия, необходимая во время реакции фиксации N2
    • 2.5 Ферментативный комплекс нитрогеназы и кислорода
    • 2.6 Биотическая фиксация азота микроорганизмами симбиотической жизни с растениями
  • 3 Ссылки

Абиотические формы азотфиксации

гроз

Азотфиксация. Топливо из биомассы — новый источник энергии.

Молния или «молния», возникающая во время грозы, — это не просто шум и свет; Это мощный химический реактор. Под действием молнии во время штормов образуются оксиды азота и NO.2, обычно называется НЕТх.

Эти электрические разряды, наблюдаемые как молния, создают условия высокой температуры (30000илиВ) и высокие давления, которые способствуют химической комбинации кислорода или2 и азот N2 атмосферы, производящие оксиды азота NOх.

Этот механизм имеет очень низкую скорость вклада в общую скорость фиксации азота, но он является наиболее важным в абиотических формах.

Сжигание ископаемого топлива

Существует антропогенный вклад в производство оксидов азота. Мы уже говорили, что сильная тройная связь молекулы азота N2, он может сломаться только в экстремальных условиях.

Сжигание ископаемого топлива, полученного из нефти (в отраслях промышленности и в коммерческом и частном транспорте, на море, в воздухе и на суше), производит огромное количество выбросов NOх в атмосферу.

N2Или выделяется при сжигании ископаемого топлива, это мощный парниковый газ, который способствует глобальному потеплению планеты.

Сжигание биомассы

Существует также вклад оксидов азота NOх путем сжигания биомассы в зоне более высокой температуры пламени, например, при лесных пожарах, использования древесины для отопления и приготовления пищи, сжигания органических отходов и любого использования биомассы в качестве источника тепловой энергии.

Оксиды азота NOx, выбрасываемые в атмосферу антропогенными маршрутами, вызывают серьезные проблемы загрязнения окружающей среды, такие как фотохимический смог в городских и промышленных условиях, и важный вклад в кислотные дожди.

Выбросы азота в результате эрозии почвы и выветривания горных пород

Эрозия почвы и выветривание богатых азотом горных пород подвергают воздействию минералов, которые могут выделять оксиды азота в элементы. Выветривание горных пород происходит под воздействием факторов окружающей среды, вызванных воздействием физико-химических механизмов..

Тектонические движения могут физически подвергать породы, богатые азотом, погоде. Впоследствии химическими средствами осаждение кислотных дождей вызывает химические реакции, которые выделяют NO.х, и этот тип камней и почвы.

Есть недавние исследования, которые связывают 26% общего биодоступного азота планеты с этими механизмами эрозии почвы и выветривания горных пород..

Биотические формы азотфиксации

Некоторые бактериальные микроорганизмы имеют механизмы, способные разрушать тройную связь N2 и производят аммиак NH3, который легко превращается в ион аммония, NH4+ преобразующийся в ходе обмена веществ.

Свободноживущие или симбиотические микроорганизмы

Формы фиксации азота микроорганизмами могут происходить через свободноживущие организмы или через организмы, которые живут в ассоциациях симбиоза с растениями..

Хотя существуют большие морфологические и физиологические различия между азотфиксирующими микроорганизмами, процесс фиксации и ферментативная система азотазы, используемая всеми из них, очень похожи.

Количественно биотическая фиксация азота с помощью этих двух механизмов (свободной жизни и симбиоза) является наиболее важной в мире..

Механизмы поддержания активной системы нитрогеназы

У азотфиксирующих микроорганизмов есть стратегические механизмы для поддержания активности их ферментативной системы нитрогеназы..

Эти механизмы включают респираторную защиту, конформационную химическую защиту, обратимое ингибирование ферментативной активности, дополнительный синтез альтернативной нитрогеназы с ванадием и железом в качестве кофакторов, создание диффузионных барьеров для кислорода и пространственное разделение. нитрогеназа.

У некоторых есть микроаэрофилия, такая как химотропные бактерии родов Azospirilium, Aquaspirillum, Azotobacter, Beijerinkia, Azomonas, Derxia, Crynebacterium, Rhizobium, Agrobacterium, Thiobacillus и фототрофы жанров Глеокапса, Анабэна, Спирулина, Носток, Осцилляторы, Калотрикс, Лингбя.

У других есть факультативный анаэробиоз, такой как хеморетрофоры: Klebsiella, Citrobacter, Erwinia, Bacillus, Propionibacterium и фототрофы жанров Rhodospirillum, Rhodopsuedomonas.

Биотическая фиксация азота свободноживущими микроорганизмами

Азотфиксирующие микроорганизмы, которые живут в почве в свободной форме (асимбиотические), являются в основном архебактериями и бактериями..

Существует несколько видов бактерий и цианобактерий, которые могут преобразовывать атмосферный азот, N2, в аммиаке, NH3. По химической реакции:

N2+8H++8е-+16 АТФ → 2 NH3+H2+16 ADP + 16Pi

Эта реакция требует опосредования ферментативной системы нитрогеназы и кофактора, витамина B12. Кроме того, этот механизм фиксации азота потребляет много энергии, является эндотермическим и требует 226 ккал / моль N2; то есть он несет большие метаболические затраты, поэтому его необходимо соединить с системой, производящей энергию.

Энергия, необходимая для реакции N-фиксации2

Энергия для этого процесса получается из АТФ, который происходит от окислительного фосфорилирования, связанного с цепью переноса электронов (которая использует кислород в качестве конечного акцептора электронов).

Процесс восстановления молекулярного азота до аммиака также восстанавливает водород в протонной форме H+ к молекулярному водороду H2.

Многие системы нитрогеназы связаны с системой рециркуляции водорода, опосредованной ферментом гидрогеназой. Азотфиксирующие цианобактерии, сочетающие фотосинтез с азотфиксацией.

Ферментативный комплекс нитрогеназы и кислорода

Ферментативный комплекс нитрогеназы состоит из двух компонентов: компонента I, динитрогеназы с молибденом и железом в качестве кофакторов (которое мы будем называть Mo-Fe-белок), и компонента II, динитрогеназы-редуктазы с железом в качестве кофактора (Fe-белок).

Электроны, участвующие в реакции, передаются сначала компоненту II, а затем компоненту I, где происходит восстановление азота.

Для осуществления переноса электрона от II к I требуется, чтобы белок Fe связывался с Mg-ATP в двух активных центрах. Этот союз генерирует конформационные изменения в Fe-белке. Избыток кислорода может привести к другому конформационному изменению неблагоприятного белка Fe, поскольку он отменяет акцепторную емкость электронов.

Вот почему ферментативный комплекс нитрогеназы очень чувствителен к присутствию кислорода выше допустимых концентраций и что у некоторых бактерий развиваются микроаэрофильные формы жизни или факультативный анаэробиоз.

Среди свободно живущих азотфиксирующих бактерий можно упомянуть химиофразы, принадлежащие к родам. Clostridium, Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Methanosarcina, и фототрофы жанров Хроматий, Thiopedia, Ectothiordospira, среди других.

Биотическая фиксация азота микроорганизмами симбиотической жизни с растениями

Существуют другие азотфиксирующие микроорганизмы, способные устанавливать симбиотические ассоциации с растениями, особенно с бобовыми и травами, либо в форме эктосимбиоза (где микроорганизм находится за пределами растения), либо эндосимбиоза (где микроорганизм живет внутри клеток или в межклеточных пространствах растения).

Большая часть азота, фиксированного в земных экосистемах, происходит из симбиотических ассоциаций бактерий родов. Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Azorhizobium, Allorhizoium и Mesorhizobium, с бобовыми растениями.

Существует три интересных типа азотфиксирующих симбиозов: ассоциативный ризоценоз, системы с цианобактериями в качестве симбионтов и мутуалистический эндоризобиоз.

Rizocenosis

При ассоциативном симбиозе ризоценоза в корнях растений не образуются специализированные структуры..

Примеры этого типа симбиоза установлены между растениями кукурузы (Зеа кукуруза) и сахарный тростник (Saccharum officinarum) с Gluconacetobacter, Azoarcus, Azospirillum и Herbaspirillum.

При ризоценозе азотфиксирующие бактерии используют радикальный экссудат растения в качестве питательной среды и колонизируют межклеточные пространства коры головного мозга..

Цианобактериальные симбионты

В системах, где задействованы цианобактерии, эти микроорганизмы разработали специальные механизмы для сосуществования аноксической азотфиксации и их кислородного фотосинтеза..

Например, в Gleothece и Synechococcus, они временно отделяются: они выполняют дневной фотосинтез и фиксацию ночного азота.

В других случаях происходит пространственное разделение обоих процессов: азот фиксируется в группах дифференцированных клеток (гетероцисты), где не происходит фотосинтеза..

Изучены азотфиксирующие симбиотические ассоциации цианобактерий рода Nostoc с несосудистыми растениями (antóceras), как в полостях Nothocerus endiviaefolius, с печеночной Gakstroemia magellanica и Chyloscyphus обволутус в эктосимбиоз отдельно, с бриофитами (образует лишайники у ризоидов мхов) и с покрытосеменными высшими растениями, например с 65 многолетними травами рода Gunnnera.

Например, наблюдалась азотфиксирующая симбиотическая ассоциация цианобактерий Anabaena с мохообразным, несосудистым растением, листьями мелкого папоротника Azolla anabaenae.

Читайте также:  Бурый жир. Бурая жировая ткань. Липиды плазмы крови. Липопротеины. ЛПНП. ЛПВП. ЛПОНП.

Endorrizobiosis

  • В качестве примеров эндорризобиоза можно упомянуть ассоциацию под названием актинорриза, которая устанавливается между Frankia и некоторые древесные растения, такие как казуарина (Казуарина Каннингхамиана) и ольха (Alnus glutinosa) и ассоциация Rhizobium-бобовые культуры.
  • Большинство видов семьи Leguminosae, формировать симбиотические ассоциации с бактерии Ризобий и этот микроорганизмимеет эволюционную специализацию по производству азота для растений.
  • В корнях растений, связанных с Rhizobium, появляются так называемые радикальные узелки, где происходит фиксация азота.
  • В бобовых Sesbania и Aechynomene, дополнительно стебли образуются в стеблях.

Между симбиотом и хозяином происходит обмен химическими сигналами.

Было обнаружено, что растения выделяют определенные типы флавоноидов, которые вызывают экспрессию генов nod в Rhizobium, которые производят факторы нодуляции.

Факторы нодуляции вызывают изменения в радикальных волосках, образование канала инфекции и деление клеток в коренной коре, которые способствуют образованию клубеньков..

Некоторые примеры азотфиксирующего симбиоза между высшими растениями и микроорганизмами показаны в следующей таблице..

Азотфиксация. Топливо из биомассы — новый источник энергии.

Micorrizobiosis

Кроме того, в большинстве экосистем есть микоризные азотфиксирующие грибы, относящиеся к типу Glomeromycota, Basidiomycota и Ascomycota..

Микоризные грибы могут жить в эктосимбиозе, образуя стручок гиф вокруг тонких корней некоторых растений и распространяя дополнительные гифы через почву. Также во многих тропических районах растения-хозяева микоризы при эндосимбиозах, чьи гифы проникают в корневые клетки..

Возможно, что грибок формирует микоризу с несколькими растениями одновременно, и в этом случае между ними устанавливаются взаимосвязи; или что грибок микоризы паразитирует на растении, которое не выполняет фотосинтез, микогетеротроф, как у растений рода подъельник. Также несколько грибов могут установить симбиоз с одним растением одновременно.

ссылки

  1. Иномура, К., Bragg, J. and Follows, M. (2017). Количественный анализ прямых и косвенных затрат азотфиксации. Журнал ISME. 11: 166-175.
  2. Masson-Bovin, C. and Sachs, J. (2018). Симбиотическая фиксация азота ризобиями — корни истории успеха. Биология растений 44: 7-15. doi: 10.1016 / j.pbi.2017.12.001
  3. Менге, Д.Н.Л., Левин, С.А. и Хедин Л.О. (2009). Факультативные и обязательные стратегии фиксации азота и их последствия для экосистемы. Американский натуралист. 174 (4) дои: 10.1086 / 605377
  4. Ньютон, W.E. (2000). Фиксация азота в перспективе. В кн .: Педроса Ф.О. Редактор. Фиксация азота от молекул к продуктивности сельскохозяйственных культур. Нидерланды: Kluwer Academic Publishers. 03,08.
  5. Pankievicz; В.С.С., делать Амарал; F.P., Santos, K.D.N., Agtuca B., Xu Y., Schultes, M.J. (2015). Надежная биологическая азотфиксация в модельной травяно-бактериальной ассоциации. Завод Журнал. 81: 907-919. doi: 10.1111 / tpj.12777.
  6. Видер, W.R., Кливленд, C.C., Лоуренс, Д. и Бонау, G.B. (2015). Влияние структурной неопределенности модели на проекции углеродного цикла: биологическая фиксация азота как пример. Письма об экологических исследованиях. 10 (4): 1-9. doi: 10.1088 / 1748-9326 / 10/4/044016

Биология том 2 — руководство по общей биологии — 2004

Биомасса в виде угля, нефти, древесины, торфа и сухого навоза является традиционным топливом. Запасы некоторых из этих источников постепенно истощаются, и они становятся все дороже.

В связи с этим разрабатываются новые методы использования живых организмов и биологических процессов в качестве источника топлива. Искусственный фотосинтез, который станет возможным еще не скоро, позволит получать водород из воды и использовать его как топливо.

Другой перспективный подход направлен на преобразование энергии, запасенной в биомассе, в другие формы, которые можно использовать как топливо.

В число искомых материалов, которые исследуются в настоящее время, входят отходы, такие как навоз, отстой сточных вод, домашние отходы, пищевые отбросы, макулатура, отбросы сельскохозяйственных культур, верхушки сахарного тростника и меласса.

Можно также использовать различные сельскохозяйственные культуры (такие как кукуруза, сахарный тростник, сахарная свекла) и водные растения (такие как бурые водоросли и водяной гиацинт). В настоящее время преимущественно используются два процесса, а именно — образование биогаза (метана) бактериями и образование этилового спирта дрожжами. Оба процесса являются анаэробными.

12.14.1. Биогаз

Азотфиксация. Топливо из биомассы — новый источник энергии.

Биогаз содержит 54—74% метана. Оставшаяся часть содержит главным образом углекислый газ, а также следовые количества азота, водорода и других газов. (Природный газ содержит около 80% метана.) В процессе ферментации участвует целый ряд микроорганизмов, включая группу бактерий метаногенов, например Methanobacterium, которые образуют метан из углекислого газа и водорода. Эти бактерии относятся к архебактериям, древнейшей группе организмов, имеющей тесное родство с истинными бактериями. Субстратом для ферментации служит широкий спектр отходов или продуктов растительного происхождения (см. выше). В США использовали водяной гиацинт — растение, обладающее мощным жизненным потенциалом и засоряющее каналы и водные пути. Процесс идеально подходит для мелкомасштабного производства, где полученное топливо тут же используется, например в Индии и Китае (рис. 12.23).

Азотфиксация. Топливо из биомассы — новый источник энергии.

Рис. 12.23. Устройство для получения биогаза в Индии. Навоз животных помещают в чан, где он разлагается и выделяет газ метан.

Из навоза, полученного от одной коровы за год, можно получить такое количество метана, которое эквивалентно приблизительно 227 л бензина.

К примеру, количество газа, получаемого из 0,5 кг навоза, достаточно для приготовления еды на целую семью в течение дня. В Китае построено около 18 млн. таких преобразователей семейного масштаба.

Газ обычно используется для приготовления пищи, освещения, заправки тракторов или автомобилей и запуска электрических генераторов.

В более крупном масштабе газ можно получать как побочный продукт из отходов или сточных вод из очистителей фабрик, занимающихся, например, производством сахара.

Газ можно использовать для запуска электрических генераторов при очистке сточных вод и на заводах по переработке мусора. В Англии мусор мог бы быть основным источником метана, причем из килограмма мусора можно было бы получать до 20 л газа.

В настоящее время газ собирают из мест захоронения отходов, погружая трубы в спрессованный мусор и откачивая оттуда газ.

Принимая во внимание растущий дефицит мест захоронения отходов и неудобства, которые они вызывают, стоит приложить усилия для развития процессов, связанных с ферментацией таких материалов, как бумага и картон, даже если получаемое при этом топливо будет не дешевле, чем обычные виды топлива.

Экономическая ситуация обычно более благоприятна в развивающихся странах, которые лишены своих собственных резервов природного топлива и в которых сокращаются запасы леса. В ферментере могут быть использованы также сточные воды и сухой навоз.

Топливная ценность ферментированного навоза в шесть раз выше, чем просто высушенного.

ПредыдущаяСодержаниеСледующая

Биомасса как источник энергии

Пост опубликован: 7 января, 2021

Биомасса использовалась как источник энергии с самого начала человечества. Сбор дров, хвороста или соломы для отопления с целью «производства» тепловой энергии использовался столетия назад.

Современное использование биомассы в энергетических целях, в основном ориентировано на получение материала из специально созданных плантаций видов с лучшими энергетическими параметрами и использование любых отходов лесной или сельскохозяйственной промышленности.

Биомасса является наименее капиталоемким источником зеленой энергии. Она формируется постоянно повсюду на Земле и является практически самосуществующим процессом.

Леса, луга, океаны — это места, где постоянно «производится» биомасса.

Чтобы использовать ее в энергетических целях, необходимо провести определенные мероприятия, направленные на интенсификацию производства: удобрение, орошение или защиту от вредителей.

Мировые ресурсы биомассы оцениваются в 44 * 1010 ЭДж, но используется только 1/6 этой величины. В настоящее время доля энергии, получаемой из биомассы, составляет 15% мирового потребления. Эта доля больше в развивающихся странах, где она составляет 38% от общего производства энергии.

В мире большая часть электроэнергии из биомассы вырабатывается в Скандинавии, Австрии и Англии, где ежегодно получают около 100 ТВтч энергии.Производство биомассы во многих странах становится важной отраслью сельского хозяйства — оно позволяет управлять отходами.

Что относится к биомассе

Азотфиксация. Топливо из биомассы — новый источник энергии.

Согласно определению, биомасса — это твердые или жидкие вещества растительного или животного происхождения, которые поддаются биологическому разложению, полученные из продуктов, отходов и остатков сельскохозяйственного и лесного производства, от промышленности, перерабатывающей их продукты, а также доля других биоразлагаемых отходов.

Следующие формы биомассы используются в энергетических целях:

  • сельскохозяйственные отходы — солома зерновых, кукурузная солома, сено, отходы масличных и бобовых культур;
  • отходы лесной промышленности — древесина, отходы деревопереработки, кора, опилки, щепа и их переработанные формы (гранулы);
  • урожайность энергетических плантаций — ива корзиночная, мальва Вирджиния, тополя, некоторые виды трав, топинамбур, мискантус, тростник и другие;
  • органические отходы — отстой сточных вод, жидкий навоз, макулатура;
  • биотопливо — растительные масла, биоэтанол, биодизель;
  • биогаз — из жидкого навоза, осадков сточных вод, свалок.

Биомасса — условия эксплуатации

Основным параметром, определяющим эффективность производства энергии из биомассы, является доступность ее ресурсов.

По данным, в ЕС потенциал биомассы, которая может быть использована в энергетических целях, с учетом только остатков лесного производства, составляет до 70 миллионов м3. Еще одним важным источником биомассы являются упомянутые энергетические плантации.

Ежегодно с квадратного метра энергетических плантаций можно получить от 15 до 45 кВтч энергии. Эти растения можно выращивать на бедных и деградированных почвах.

Читайте также:  Операция при повреждении двенадцатиперстной кишки.

Биомасса — технологии и применение

Азотфиксация. Топливо из биомассы — новый источник энергии.

Биомассу можно использовать в энергетике тремя основными способами:

  1. прямое сжигание в котлах (солома, дрова, гранулы, щепа)
  2. совместное сжигание с традиционными энергоносителями (мазут, уголь, газ)
  3. сжигание продуктов переработки биомассы — ферментации или этерификации (биогаз, биодизель, метанол, этанол)

Энергетические ресурсы биомассы можно разделить на две группы:

  • твердофазные энергоносители, пригодные для сжигания, пиролиза и парокислородной газификации в смесь оксида и диоксида углерода, водорода и метана. Этот газ можно преобразовать в электричество и тепло по соответствующим технологиям.
  • компоненты биомассы превращаются в жидкое топливо и биогаз, который представляет собой смесь 60% об. метан и 40% CO2.

Технологии переработки биомассы

  1. Пиролиз — это наиболее распространенный метод получения энергии из биомассы (90% мирового производства энергии из биомассы приходится на использование этой технологии), который используется как для получения тепла, так и электроэнергии.

    Котельные установки для сжигания подходят для переработки различных видов биомассы, в основном древесины, щепы, опилок и соломы.  Процесс, проводимый при температуре выше 600 С и без доступа воздуха, на выходе которого получается жидкое биотопливо.

    Лучшим сырьем для процесса пиролиза является древесина, но поскольку эта технология находится только в начале своего развития, можно предположить, что любой тип биомассы может быть преобразован в процессе пиролиза.

  2. Газификация — это процесс термохимического преобразования, который отличается от сжигания тем, что продуктом процесса является не тепло, а газ, который после сгорания обеспечивает желаемую тепловую энергию. Газ также можно использовать в специальных турбинах для производства электроэнергии.

    Преимущество газификации — высокая эффективность процесса, достигающая 50%.

  3. Когенерация — это процесс одновременной выработки тепла и электроэнергии. В системах когенерации достигаются меньшие выбросы загрязняющих веществ.

  4. Биохимические процессы — некоторые формы биомассы, содержащие большое количество воды, используются в процессе ферментации, где продуктом разложения биомассы является спирт, используемый для производства биотоплива. Также используются процессы ферментации метана, продуктом которого является биогаз (смесь метана и углекислого газа). В энергетических целях в процессе ферментации используются навоз животных, отходы пищевой промышленности, бытовые отходы на свалках и отстой сточных вод.

Эффективность биомассы

Теплотворная способность биомассы в два раза ниже, чем у угля, предполагается, что 1Mg каменного угля равен 2Mg сухой биомассы в энергетическом выражении.

Теплотворная способность соломы или древесины колеблется в пределах 10-14 МДж / кг, а каменного угля — 25 МДж / кг [9]. Прямое сжигание биомассы в паровых котлах достигает КПД около 70%.

Дальнейшее преобразование в электричество в паровом цикле имеет КПД 20%.

ПОИСК

    Топливо из биомассы -новый источник энергии [c.82]

    Запасы природных источников энерпш нефти, газа, угля и торфа ощутимо истощаются.

Рост потребности в энергии, с одной стороны, и уменьшение ресурсов ископаемого топлива — с другой, побуждают ученых всех стран активнее вести поиск новых источников энергии.

Одним из возможных путей решения энергетической проблемы на длительный период является превращение возобновляющихся источников органического вещества, таких, как отходы и биомасса, в продукты, которые могут быть использованы в качестве топлива. [c.203]

    Ни для кого уже не является секретом, что ископаемое топливо (хотя и добываемое в настояш,ее время с большим избытком), а также другие не восполняемые ресурсы, в один прекрасный день станут крайне ограниченными. И совершенно естественно, что данное обстоятельство уже сейчас заставляет искать новые, более дешевые и лучше сохраняемые источники энергии и питания, которые могли бы восполняться биотехнологическим путем. В этой ситуации страны с климатом, позволяюш,им ежегодно производить большие количества биомассы, будут находиться в более выгодных условиях по сравнению со странами с менее благоприятными климатическими условиями. В частности, тропические области земного шара в этом отношении имеют суш,ественное преимуш,ество над другими регионами. [c.13]

    Биомасса в виде угля, нефти, древесины, торфа и сухого навоза является традиционным топливом. Запасы некоторых из этих источников постепенно истощаются, и они становятся все дороже. В связи с этим разрабатываются новые методы использования живых организмов и биологических процессов в качестве источника топлива.

Искусственный фотосинтез, который станет возможным еще не скоро, позволит получать водород из воды и использовать его как топливо. Другой перспективный подход направлен на преобразование энергии, запасенной в биомассе, в другие формы, которые можно использовать как топливо. В число искомых материалов. [c.

82]

    Столь неоптимистические прогнозы ясно указывают на необходимость расширения знаний, которые могут послужит созданию новых энергетических технологий. Химические и электрохимические системы относятся к числу наиболее компактных и эффективных средств сохранения энергии.

Можно с уверенностью предсказать, что среди новых источников энергии важнейшими станут низкосортные химические топлива, например уголь с высоким содержанием серы, горючие сланцы, смоляные пески, торф, бурый уголь и биомасса.

Ни для одного из перечисленных видов сырья пока не разработано такой технологии, которая была бы экономична и отвечала строгим требованиям защиты окружающей среды.

Химикам предстоит выполнить колоссальную работу по созданию новых катализаторов, разработке новых процессов, новых топлив, новых методов извлечения, более эффективных режимов горения, улучшенных способов контроля за промышленными выбросами, по повышению чувствительности методов контроля за состоянием окружающей среды и многое другое.

Необходимо направить усилия на использование биомассы, так как это позволит сократить количество сжигаемого ископаемого тогишва и тем самым будет способствовать решению проблемы роста содержания углекислого газа в атмосфере. Всестороннему исследованию должны быть подвергнуты проблемы, связанные с использованием солнечной энергии. Мы должны разработать искусственные фо-тосинтетические и электрокаталитические методы, полностью исключающие [c.75]

    Глюкоза и другие моносахариды, получаемые в результате гйдролиза природных полисахаридов (целлюлозы, гемицеллюлоз, крахмала) являются важнейшими компонентами питания человека, животных и микроорганизмов и служат дешевым источником сахаров для удовлетворения постоянно возрастающей потребности в сырье пищевой, микробиологической, медицинской и химической отраслей промышленности Из глюкозы с помощью разнообразных химических, ферментативных и микробиологических процессов получают белковые и ферментные препараты, фруктозу и другие сахаристые вещества, аминокислоты, органические соединения разных классов, в том числе кислоты, спирты, антибиотики, важнейшие мономеры и т д Очевидно, что развитие химической и биохимической технологии приведет к значительному расширению ассортимента полезных продуктов С проблемой гидролиза полисахаридов тесно связана разработка новых подходов к биоконверсии энергии, поскольку гидролитическая стадия играет важную роль в получении газообразного топлива (биогаза) из растительной биомассы Особенно важной представляется возможность получения из глюкозы этанола с целью его использования в качестве топлива (или добавки к традиционному жидкому топливу) для двигателей внутреннего сгорания [c.4]
Смотреть главы в:

Биология Том2 Изд3 -> Топливо из биомассы — новый источник энергии

Биомасса

© 2022 chem21.info Реклама на сайте

Биоэнергетика: возрождение

26 февраля 2020

Биоэнергетикой называют получение энергии из биологического топлива. Такое топливо может быть различным: производные древесины (щепа, опилки и так далее), брикеты из соломы, лузги, торфа, бумаги, а также биогаз и жидкое биологическое топливо.

Биоэнергетика вовсе не является новаторским изобретением сегодняшнего дня. Подобные виды топлива использовались человечеством с древнейших времен.

Но со временем биотопливо было вытеснено ископаемыми видами топлива: газом, каменным углем, нефтью.

Однако, ископаемые запасы подходят к концу, и история энергетики делает очередной виток, возвращаясь к биологическим вариантам, которые имеют существенный плюс: являются возобновляемыми источниками энергии.

Виды биотоплива

Биоэнергетика использует три основных видов биотоплива: жидкое, твердое и газообразное. Жидкое биотопливо используется в двигателях внутреннего сгорания так же, как и традиционные для ДВС виды топлива (солярка и так далее), разница лишь в происхождении.

Твердое биотопливо применяется в различных обогревательных котлах, в том числе и таких, которые вырабатывают наряду с тепловой энергией электрическую.

Еще недавно мы знали немного вариантов твердого биотоплива – дрова, торф, брикеты из навоза (подобные брикеты издревле использовались там, где ощущался явственный недостаток лесов, к примеру, в засушливых районах, пустынях, а также районах Крайнего Севера).

Газообразное биотопливо используется как для получения тепловой, так и электрической энергии.

Особенно актуально оно там, где требуются горючие газы (например, для газовых плит, газовых отопительных котлов и так далее).

В последнее время получение газообразного биотоплива приобрело значение в индивидуальных загородных хозяйствах – для обеспечения домов теплом и газом для плит, в редких случаях – для получения электроэнергии.

Перспективы биоэнергетики

Развитие лесной биоэнергетики в Республике Беларусь (увеличьте)

В настоящее время биоэнергетика активно развивается, так как в этой отрасли используются возобновляемые ресурсы для получения энергии различных видов (тепловой и электрической).

Особое внимание уделяется получению различных видов биотоплива из отходов биологического происхождения: опилок, соломы, шелухи, коры, лузги, навоза и так далее.

Кроме того, в мире активно производятся жидкие виды биотоплива (например, биоэтанол и другие), которые призваны заменить традиционный бензин и солярку в двигателях внутреннего сгорания.

Для владельцев загородных домов особенно интересно производство биогаза из различных бытовых отходов путем анаэробного сбраживания в специальных емкостях с бактериями. Обычное хозяйство, использующее для производства биогаза только собственные отходы, может получить достаточно продукта для обеспечения газом кухни.

Если же в загородном хозяйстве имеется животноводческое или растениеводческое производство, то полученного биогаза хватает и для отопления в отопительный сезон. При этом обеспечивается определенная автономия от внешних поставщиков энергии, а также существенно удешевляется содержание загородного дома и хозяйства.

В Интернете предлагаются различные варианты и схемы для сооружения установки по производству биогаза собственными руками, ко многим прилагается пошаговое видео, используя которое можно построить нужное устройство желаемой мощности.

В целом отношение к биоэнергетике в мире на данный момент неоднозначно.

Все дело в том, что для промышленного производства биотоплива требуются либо продукты питания (к примеру, биоэтанол производится из кукурузы), либо занятие посевных площадей специальными культурами, что тоже снижает долю производства продуктов питания, либо приводит к вырубке лесов (например, в ряде мест были вырублены тропические леса для посадки пальм, пригодных для производства биотоплива).

С другой стороны, при производстве биотоплива в оборот вовлекаются «бросовые» или неиспользуемые земли, создаются новые рабочие места, повышается безопасность продуктов питания.

Поэтому различные научные учреждения (например, московский институт биоэнергетики) заняты оптимизацией имеющихся вариантов биотоплива и разработок новых методов его получения.

Основной упор делается на производство биогаза из биологических отходов, а также на производство биотоплива из водорослей. Кроме того, в МГУ им. М.В.Ломоносова в Москве был разработан стандарт, касающийся энергетики биоотходов.

Биоэнергетика в России

В настоящее время Россия является одним из мировых лидеров по производству биотоплива различных видов. Пока в основном производится и экспортируется твердое биотопливо, но уже строятся биогазовые электростанции различной мощности (в том числе и до 10 МВт), которые способны производить как электрическую, так и тепловую энергию.

Расширяется промышленное производство бытовых биогазовых установок, предназначенных для обслуживания одного хозяйства. Подобные установки активно внедряются, и уже существуют хозяйства, которые не только обеспечивают себя электрической и тепловой энергией, но даже продают государству избыток выработанной электроэнергии.

Биоэнергетика стремительно набирает обороты, наряду с другими альтернативными методами получения энергии.

  • С.Варган
  • Перспективы развития биоэнергетики в России:
  • Топливо из рапса:

Использование энергии биомассы

Материал растений и животных, включая их отходы и остатки, называется биомассой.

Биомасса — самый старый источник энергии со времен овладения людьми огня.  Это органический материал на основе углерода, который реагирует с кислородом при горении и с естественным превращением веществ с выделением тепла, образуя так называемую  энергию биомассы.

Такая энергия в виде тепла, особенно при температуре >400°C, может быть использована для производства работ и электроэнергии. Кроме того исходный материал может быть преобразован химическими и биологическими процессами для получения биотоплива, т. е. биомассы, переработанной в более удобную форму, в частности жидкого топлива для транспорта.

Рассмотрим насколько энергия биомассы экологична и важна.

Биоэнергия в веществах

Начальная энергия кислородной системы биомассы улавливается из солнечного излучения при фотосинтезе. При сжигании энергия биотоплива рассеивается, но остатки материала доступны для переработки в естественных экологических или сельскохозяйственных процессах.

Таким образом, использование промышленного биотоплива, если оно тщательно увязано с естественными экологическими циклами, может быть экологически чистым и устойчивым. Такие  системы называются агропромышленными, из которых наиболее развитыми являются отрасли сахарного тростника и лесопродукции.

Сейчас появляется все больше примеров коммерческих продуктов для производства энергии и материалов из сельскохозяйственных культур как средства диверсификации и интеграции сельского хозяйства. Примером может служить этанол топливо которое изготавливается  из сельскохозяйственного сырья.

Масса сухого вещества биологического материала, циркулирующего в биосфере, составляет около 25 × 1010 т/год, включая около 10 × 1010 т/год углерода.

Связанная энергия, улавливаемая при фотосинтезе, составляет 2 × 1021 Дж/год ( 0,7 ×1014 Вт). Из этого около 0,5% по весу составляет биомасса в качестве сельскохозяйственных культур для человека в качестве еды. Производство биомассы варьируется в зависимости от местных условий и примерно в два раза больше на единицу площади поверхности на суше, чем на море.

Биомасса является основным источником около 10% (50 ЭДж/год) потребления энергии человечеством, что аналогично глобальному использованию ископаемого газа.

Считается, что основная традиционная энергия биомассы  заложена в дровах для приготовления пищи и отопления жилищ, преимущественно в развивающихся странах, но и в том числе значительные количества в сельских районах развитых стран.

Энергия биомассы в процентном соотношении составляет:

  • ~10% в качестве топлива для производства электроэнергии;
  •  ~10% для бытового получения тепла в том числе теплоэлектроцентрали – ТЭЦ;
  •  ~10% для компонента биотоплива  как моторного топлива, уровень которого стремительно растет как в абсолютном, так и процентном соотношении.

Некоторые страны отличаются большим использованием биоэнергии, в том числе  — Бразилия (31%), Швеция (23%) и Австрия (18%).

Биомасса считается возобновляемым источником энергии при правильном использовании.

Однако, эта энергия вызывает беспокойство для местной экологии и глобального контроля климата.  Потребление дров, и особенно коммерческая вырубка лесов с сжиганием, значительно опережают рост деревьев во все возрастающих районах мира.

Углерод в биомассе получается путем фотосинтеза из CO2 в атмосфере. Когда биомасса сжигается, переваривается или разлагается естественным путем, выделяемый CO2 из самой биомассы рециркулируется в эту атмосферу.

В стабильных экосистемах биомасса растет со скоростью, с которой она разлагается. Следовательно, энергия, получаемая из биомассы, сама по себе «углеродно нейтральна».

Однако топливо, используемое сегодня в сельскохозяйственной и лесной технике, и при производстве удобрений преобладают ископаемые виды топлива, которые сами по себе не являются «углеродно-нейтральными».

Поэтому биоэнергия, полученная без или в незначительных количествах ископаемого топлива, контрастирует с энергией из ископаемого топлива, из которого в атмосферу Земли добавляется дополнительный CO2.

Таким образом, использование возобновляемых источников биоэнергии вместо ископаемого топлива является важным компонентом среднесрочной и долгосрочной политики по сокращению выбросов парниковых газов.

Накопление энергии солнечной энергии в виде биомассы и биотоплива имеет фундаментальное значение. Все многочисленные процессы направлены на производство удобного и доступного топлива для полного спектра конечных применений, включая жидкое топливо для транспорта.

Тепловая энергия, доступная при сжигании биотоплива  составляет около 8 МДж/кг (несушеная ‘зеленая’ древесина) и 15 МДж/кг (сухая древесина), примерно до 40 МДж/кг (жиры и масла) и, для сравнения, 56 МДж/кг для метана.

Бытовое и промышленное биотопливо

Каждая деятельность, связанная с биомассой, производит широкий спектр продуктов и услуг.

Например, там, где сахар производится из тростника, многие коммерческие продукты могут быть получены из оставшегося волокна.

Если волокно сгорает, то любое избыточное технологическое тепло может быть использовано для выработки электроэнергии. Промывки и золу можно возвращать в почву в качестве удобрения.

Производство электричества из тепловой энергии биомассы, этанола из крахмальных культур, метана из суспензии животных является достаточно затратным.

Производство биотоплива, вероятно, будет наиболее экономичным, если в процессе производства используются уже концентрированные материалы, вероятно, в качестве побочного продукта.

 Эти материалы должны быть доступны по низкой цене или в качестве дополнительного дохода в процессе обработки и удаления отходов.

Таким образом, должен быть запас биомассы, уже проходящий вблизи предполагаемого места производства, точно так же, как гидроэнергетика зависит от естественного потока воды, уже сосредоточенного в водосборе.

  • Примерами могут служить отходы из вольеров для животных, обрезки с лесопилок, коммунальные сточные воды,  солома из зерновых.
  • Примеры биотоплива включают газообразный метан, жидкий этанол, метиловые эфиры, масла и твердый древесный уголь. Термин «биоэнергетика» иногда используется для обозначения
  • биомассы и биотоплива вместе.

Чрезвычайно важно определить и количественно оценить эти потоки энергии биомассы  в местной экономике, прежде чем указывать вероятные объемы производства. Если только концентрированная биомасса еще не существует в ранее созданных системах, то стоимость роста биомассы и/или  сбор часто бывает слишком большим и слишком сложным для получения экономической выгоды.

Негативные последствия производства топлива из биомассы

  1. Негативные и неоправданные последствия экстенсивного производства топлива из биомассы в больших масштабах включают вырубку лесов, эрозию почв и уничтожение жизненно важных продовольственных культур топливными культурами.

  2. Биотопливо-это органические материалы, поэтому всегда есть альтернатива использования этих материалов в качестве химического сырья или конструкционных материалов.

  3. Например, пальмовое масло является важным компонентом мыла; многие пластмассовые и фармацевтические товары изготавливаются из натуральных продуктов; и большая часть строительных плит изготавливается из растительных волокон, изготовленных в виде композитных материалов.

Плохо контролируемая энергия биомассы, безусловно, может привести к нежелательному загрязнению, особенно в результате сжигания при относительно низкой температуре, влажного топлива и отсутствия подачи кислорода для сжигания. Современные процессы производства биомассы требуют значительной осторожности и опыта.

Использование устойчивой биоэнергетики и других возобновляемых источников энергии вместо ископаемого топлива снижает выбросы ископаемого углекислого газа и, таким образом, уменьшает воздействие изменения климата. Признание этого является ключевым аспектом политики в области изменения климата.

Нужны социальные, экономические и экологические мероприятия, касающиеся того, чтобы биоэнергетика вносила позитивный, а не негативный вклад в устойчивое развитие.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector