Биотопливо. Основные подходы в конструировании биотоплевных элементов

«Гидротермальные системы обладают электрохимическими характеристиками, позволяющими создавать на их основе микробные топливные элементы с высокими значениями мощности и удельной плотности тока. Разработана концепция «гидротермальных электрохимических источников тока». В настоящее время проводится филогенетический анализ микробных сообществ, развивающихся на аноде in situ», - рассказываетАлександр Слободкин, к.б.н., старший научный сотрудник лаборатории гипертермофильных микробных сообществ ИНМИ РАН.

«Пока можно сказать наверняка: энергетическая эффективность микробиологических топливных элементов при повышенных температурах выше, чем в обычных условиях. Наши полевые эксперименты в гидротермах кальдеры Узон на Камчатке показали возможность развития электрогенных консорциумов термофильных микроорганизмов в виде обрастаний на анодах топливных элементов при температурах от 50 до 70°С. Анализ этих консорциумов сейчас выполняется, но еще не завершен, так что об их микробном биоразнообразии мы пока ничего определенного сообщить не можем», - дополняет коллега г-на Слободкина, к.б.н. Сергей Гаврилов. 
Тот факт, что технику на таких аккумуляторах надо кормить, с одной стороны можно назвать ограничением. С другой стороны, «живые генераторы» будут работать, пока есть органика, то есть по сути это неиссякаемый источник энергии. Бесперебойное питание обеспечивает их непрерывную работу - например, запущенная Брюсом Логаном 5 декабря 2005 года микробиологическая топливная ячейка работает до сих пор. А когда ученым удастся создать роботов, самостоятельно добывающих себе пропитание, человечеству покорятся многие ранее недоступные уголки мира. [3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Подарки от бактерий

 

Как говорилось, при переработке органики бактериями выделяется водород. В микробиологических топливных элементах из этого водорода вытягиваются электроны, которые и дают нам ток. С другой стороны, ученые бьются над вопросом, где достать водород для заправки водородных автомобилей. Ответ – все те же бактерии. За решение этого вопроса взялись Брюс Логан и Хонг Лю совместно со Стивеном Гротом, главой американской компании Ion Power. Они добились двух ключевых моментов: бактерии перерабатывают любую органику, а главное, вчетверо интенсивнее, чем при обычном брожении. Дело в том, что существует «барьер брожения», то есть бактерии перерабатывают углеводы в очень ограниченное количество водорода и множество кислот. Перепрыгнуть барьер и разложить кислоты до углекислого газа и водорода бактериям помогает слабый ток мощностью в 0,25 Вт. Российские ученые тоже осваивают это направление, например, лаборатория гипертермофильных микробных сообществ ИНМИ РАН, но о результатах говорить рано. Помимо дарового водорода бактерии предлагают нам еще несколько способов получить альтернативную энергию.

Так, цианобактерии после генной модификации стали выделять гелевидные органические вещества, годные для производства топлива. Не уничтожая колонию, можно получать урожаи постоянно, правда, только в теплом климате.

Еще ученые обнаружили бактерии, способные перерабатывать каменный уголь в метан. Это способно, во-первых, упростить, во-вторых, сделать более экологичным добычу природных источников энергии.  
Изучая микроорганизмы Geobacter, группа Дерека Лавли обнаружила, что эти бактерии производят так называемую «микробную нанопроволоку». Это электропроводящие структуры с сечением всего 3-5 нанометров, при этом отношение ее диаметра к длине может превышать 1:1000. Пока это уникальное открытие не имеет прикладного значения, но, по мнению профессора Лавли, «микробная нанопроволока» может стать строительным материалом для производства наноустройств [7].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 Основные подходы  в конструировании биотоплевных  элементов

 

Определенные перспективы обещает применение в конструкциях топливных элементов биологических систем – ферментов или микробных клеток. Уровень реализации этого подхода пока исключительно лабораторный. В конструировании биотопливных элементов в настоящее время наметилось несколько подходов:

– превращение водорода в электрохимически активные соединения, эффективно окисляющиеся на электродах. В такой системе микроорганизмы на основе ряда субстратов (углеводы, метан, спирты и пр.) непрерывно генерируют водород, который далее окисляется в элементе «водород-кислород» с образованием электроэнергии;

– генерация электрохимического потенциала на электродах, находящихся непосредственно в культуральной среде: образующиеся в ходе конверсии субстрата продукты обмена могут обладать определенной электрохимической активностью;

– перенос электронов с топлива на электрод катализируют ферменты, в том числе иммобилизованные.

Весьма эффективны биотопливные элементы на основе анаэробных микроорганизмов, способных сбраживать огромное разнообразие соединений. В таком биотопливном элементе функционируют катод и биоанод; последний содержит микробные клетки. Субстрат, играющий роль топлива, перерабатывается микроорганизмом в отсутствии кислорода. Достигнутые мощности энергии на единицу объема топливного элемента пока не велики. Вместе с тем в этих системах возможно применение различных, в том числе доступных и недорогих субстратов, включая промышленные и сельскохозяйственные отходы. Применение изолированных ферментов вместо микробных клеток обещает сделать процессы трансформации энергии химических связей в электрическую более выгодными. Примером таких биотопливных элементов могут служить системы на основе окисления метанола в уксусную кислоту с участием алкагольдегидрогеназы; муравьиной кислоты в углекислоту с участием формиатдегидрогеназы; глюкозы в глюконовую кислоту с участием глюкозооксидазы [2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8 Биоэлектрокатализ

 

Новой областью технологической биоэнергетики и частью инженерной энзимологии является биоэлектрокатализ. Цель данного направления –создание высокоэффективных преобразователей энергии на основе иммобилизованных ферментов. Важнейшей проблемой при этом является сопряжение ферментативной и электрохимической реакций, то есть обеспечение активного транспорта электронов с активного центра фермента на электрод. Исследования недавних лет показали, что этого можно достичь несколькими путями:

– при использовании медиаторов (низкомолекулярных диффузионно подвижных переносчиков, способных акцептировать электроны с электрода и отдавать их активному центру фермента);

– при прямом электрохимическом окислении-восстановлении активных центров фермента, то есть в прямом переносе электронов с активного центра фермента – на электрод (или обратно);

– при использовании ферментов, включенных в матрицу органического полупроводника.

Перенос электронов с участием медиатора можно представить в следующем виде:

S + E → P + E°; Eo + M → E + M°; M° → M + e–,

где E и E° – окисленная и восстановленная формы активного центра фермента; M и M° – окисленная и восстановленная формы медиатора.Примером биоэлектрокаталитической системы с участием медиатора является система «гидрогеназа - метилвиологен–угольный электрод»; в такой системе возможно электрохимическое окисление водорода без перенапряжения, практически в равновесных условиях.

В прямом переносе электронов между активным центром фермента и электродом устанавливается потенциал, близкий к термодинамическому потенциалу кислорода. Этот механизм переноса реализован в реакции электрохимического восстановления кислорода до воды при участии медьсодержащей оксидазы, а также в реакциях электровосстановления водорода с помощью гидрогеназы.

Третий путь переноса электронов базируется на использовании иммобилизованных ферментов, а именно, включенных в матрицу полупроводника. По этому принципу реализованы некоторые электрохимические реакции, в том числе электрохимическое окисление глюкозы при участии глюкозооксидазы.

Разработка электрохимических путей преобразования энергии идет двумя путями: с использованием способности ферментов катализировать окисление различных субстратов, а также на базе создания электрохимических преобразователей с высокими удельными характеристиками [2].

 

Заключение

 

Мир вступает в эру биоэкономики, то есть экономики, основанной на биотехнологиях, использующей возобновляемое сырье для производства энергии и материалов.

В экологии биоэкономика позволяет предотвращать загрязнение окружающей среды, снижать объемы выбросов газов, вызывающих парниковый эффект, и других ядовитых веществ.

Активное использование возобновляемых источников энергии из сельскохозяйственного сырья наблюдается в США, Японии, Бразилии, Китае, Индии, Канаде, странах ЕС.

Международная энергетическая ассоциация (IEA) прогнозирует, что к 2030 г. мировое производство биотоплива увеличится до 150 млн т энергетического эквивалента нефти. Ежегодные темпы прироста производства составят 7-9 %. В результате до 2030 г. доля биотоплива в общем объеме топлива в транспортной сфере достигнет 4-6 % [7].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемых источников

 

1 Бирюков, В.В. Основы промышленной биотехнологии / В.В. Бирюков. – Москва : КолосС, 2004. – 296 с.

2 Волова, Т.Г. Биотехнология / Т. Г. Волова. – Новосибирск : Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук, 1999. – 252 с.

3 Егорова, Т.А. Основы биотехнологии : учеб. пособие для вузов / Т.А. Егорова. – Москва : «Академия», 2006. – 208 с.

4 Елинов, Н.П. Основы биотехнологии / Н.П. Елинов. – Москва : Наука. – 1995. – 601 с.

5 Дебабов, В.Г. Производство электричества микроорганизмами / Микробиология // В.Г. Дебабов. - 2008. - Т.77. №2. - С.149-157.

6 Решетилов А.Н., Биотопливные системы. Возможность реализации новых подходов при объединении биотехнологических и микроэлектронных исследований / Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им.Ю.А.Овчинникова // А.Н. Решетилов, Р.Г. Василов, Т.А. Решетиловаю - 2013. - Т.8. № 4. - С.33 - 41.

7 Биотопливные элементы [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://www.vevivi.ru. – 16.11.14.

8 Биотопливо [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://fuelcell.ucoz.ru. – 16.11.14.