Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
Science (1983). 219, no. 4585.
Scient. Am. (1982). 247.
Scott C. D, (ed.) (1982). Fourth Symposium in Biotechnology in Energy
Production and Conservation, Biotechnol. Bioeng. Symp., 12.
Senior P. J., Windass J. (1980). The ICI Single Cell Protein Process,
Biotechnol. Lett., 2, 205-210.
Wiseman A. (ed.) (1983). Principles of Biotechnology, Surrey University
Press/ /Chapman and Hall, New York.
Глава 2
Энергия и биотехнология
Д. Холл, Дж. Кумбс, И. Хиггинс
2.1. Введение
В этой главе мы обсудим роль биотехнологии в производстве
высококачественного топлива ("premium fuels") из биологического сырья.
Начнем с того, что термин "биомасса", который многими микробиологами
понимается в относительно узком смысле, сегодня при описании самых общих
принципов производства разнообразных видов высококачественного топлива и
веществ специального назначения из растений, выращенных непосредственно
для этих целей, или из биологических отходов, образующихся, например, в
сельском хозяйстве или пищевой промышленности, используется в более
широком смысле. В основе как запасания энергии (фотосинтез), так и
переработки сырья (биомассы) в более ценное топливо (путем ферментации)
лежат биологические процессы. Особое внимание сегодня уделяется
разработке более изощренных генетических методов: считается, что они
сыграют важную роль как при выведении улучшенных сортов растений с более
высокой урожайностью, так и новых форм микроорганизмов для осуществления
процессов конверсии. Кроме того, вполне возможно создание комбинированных
искусственных систем, включающих отдельные компоненты животных и
растений. Таким путем можно получить газообразный водород, связанный С
или NH3.
Как видно из рис. 2.1, получение топлива по схеме "биомасса -
биотехнология" основывается на сочетании фотосинтеза, животноводства,
кормопроизводства и ферментации с использованием наиболее подходящих
организмов. Все это должно быть совмещено с инженерным обеспечением сбора
урожая, его перевозки, обработки и получения конечного продукта.
Единственным поставщиком энергии в такой системе является солнечный свет
(этап фотосинтеза). Соответственно все другие потребности должны быть
удовлетворены за счет комбинированных источников энергии (ископаемого
топлива, электроэнергии или части самой биомассы). Следовательно,
определяющим фактором является отношение количества солнечной энергии,
запасенной в конечном продукте, к энергии, затраченной на его
3*
36
Глава 2
производство. Очевидно, что в практической жизни вопросы экономии играют
главную роль, однако в большинстве современных программ по использованию
энергии биомассы им отводится второстепенное значение. На первом плане
стоят задачи самообеспечения, обмена продукцией с другими странами,
увеличения занятости в сельской местности или использования излишков
сельскохозяйственных продуктов. В результате правительствам приходится
субсидировать программы по производству энергии из биомассы, однако эти
вложения не имеют особого смысла, если весь процесс не дает
энергетического выигрыша.
Солнечная энергии
Рис. 2.1. Взаимосвязи между биомассой и биотехнологией.
К сожалению, сегодня многие системы дают относительно небольшой
энергетический "доход", а иногда энергия в них даже теряется.
Следовательно, с биотехнологических позиций более всего нуждаются в
усовершенствовании процессы, связанные именно с производством энергии.
Прежде всего нужно увеличить "урожай энергии" с гектара посевов и
уменьшить одновременно затраты на сельское хозяйство. Далее, необходимы
энергетически более эффективные способы переработки, особенно
лигноцеллюлозы. Наконец, мы должны научиться получать продукцию в более
концентрированной форме для уменьшения энергетических затрат при
переработке.
Таким образом, упор в этой области будет делаться на энергетическую
сторону процессов производства биомассы и конверсии при фотосинтезе,
животноводстве и ферментаций.
Энергия и биотехнология
37
2.2. Получение биомассы: технология,
основанная на солнечной энергии
Солнце является неиссякаемым источником энергии. Каждый год на
поверхность Земли поступает 3-2024 Дж энергии, в то время как запасы
нефти, природного газа, угля, урана по оценкам эквивалентны 2,5-1022 Дж
(8-10й т в "угольном эквиваленте"), Понятно, что менее чем за неделю
Земля получает от Солнца такое же количество энергии, какое содержится во
всех невозобновляемых ее запасах. Проведем иное сравнение: если бы только
0,1% поверхности Земли занимали коллекторы, использующие солнечную
энергию с коэффициентом полезного действия около 10%, то были бы
удовлетворены все текущие потребности в энергии в мире за год (3-1020
Дж).
Однако у солнечной энергии есть два недостатка: она по-
ступает неравномерно и диффузно. Поэтому необходимо, во-первых,
разработать какие-то системы накопления, так чтобы энергия была доступна
по потребности, а во-вторых, создать коллекторы большой площади. Оба этих
