Биотопливо. Основные подходы в конструировании биотоплевных элементов

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Химико-биологический факультет

Кафедра микробиологии

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Промышленная микробиология и биотехнология»

 

Биотопливо. Основные подходы в конструировании биотоплевных элементов

 

 

 

 

 

 

Руководитель работы

канд. биол. наук, доцент кафедры микробиологии

______________Е.А. Дроздова

«__»_________________ 2014 г.

Исполнитель

студент группы 11Био(б)МБ

____________О.В. Григорьева

«__»_________________2014 г.

 

 

 

 

 

 

 

Оренбург 2014

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Все ищут новые альтернативные источники энергии. Специалисты считают перспективными экологически безопасные, неиссякаемые и дешевые микробные топливные элементы. Принцип их работы основан на способности бактерий к перевариванию органики. В результате разложения сахаров до спиртов и кислот освобождаются электроны, которые можно использовать.

Биоэнергетика — новое научное и прикладное направление в сфере альтернативной энергетики, занимающееся получением энергии на основе принципов живой природы.

В современной биоэнергетике идея получения электричества с использованием механизмов живой природы весьма популярна и реализуется, в частности, путем разработки экологически безопасных, неиссякаемых и недорогих биологических топливных элементов. В таких электрохимических устройствах химическая энергия превращается в электрическую с помощью биокатализаторов [1]. Ими могут быть ферменты (ферментные топливные элементы) или органеллы и целые клетки (микробные топливные элементы), в которых энергия трансформируется за счет метаболической активности микроорганизмов. Широкое внедрение таких элементов позволит значительно снизить потребление органического топлива, не уменьшая при этом уровень энергопотребления [8].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 История

 

Идея получения электричества от бактерий родилась еще в 19 веке, а в 1931 году Барни Кохан создал первые микробиологические ячейки, дававшие ток в 2 мА. Но первые эффективные биотопливные элементы появились только в начале этого тысячелетия. Стюарта Вилкинсона из Университета Южной Флориды, пожалуй, можно назвать вдохновителем этого течения, ведь он создал первого робота, успешно работающего на сахаре. 

Позднее, в 2002 году, основываясь на достижениях Вилкинсона, Крис Мелхуиш, Тони Пайп и Иоанис Иеропулос из лаборатории автономных интеллектуальных систем университета Западной Англии в Бристоле разработали батарею EcoBot-I, работающую изначально на чистом сахаре (поскольку он растворялся без остатка) и вырабатывающую всего несколько нановатт и 15 мА. К 2004 году ученые перевели устройство EcoBot-II на гнилые фрукты и мертвых мух. Такие топливные элементы по эффективности и цене сильно уступали щелочным батарейкам, зато могли работать неограниченно долго, пока были мухи и фрукты. В 2007 году появился EcoBot-III, который уже генерировал несколько милливатт. Сегодня ученые продолжают совершенствовать свое изобретение.

Неэффективными микробиологические источники энергии в первую очередь делала реакция металлических электродов с продуктами ферментации. Прорывом в этом вопросе можно назвать 2003 год. Уве Шредер и его коллеги из Университета им. Эрнста Морица Арндта в городе Грейфсвальд повысили количество вырабатываемого электричества в десять раз – их бактерия, которая питалась сахаром, производила ток в 150 мА. Добиться этого немецким ученым помогло покрытие платинового анода электропроводящим полимером (полианилином). Такая пленка изолировала металл от продуктов брожения. Каждые 20 минут электрические импульсы очищали оболочку, благодаря чему источник энергии работал несколько часов.

В 2006 году Вилли Верстрет и его коллеги из бельгийского университета Гента добились тока в 255 мА от переработки сточных вод. Вообще переработка отходов стала немаловажным дополнительным стимулом для ученых в этой сфере [5].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Микробные биотопливные элементы

 

Первые публикации о возможном использовании микроорганизмов для генерирования электричества появились еще в начале ХХ в. [1, 2]. Однако 90 % работ в этой области относится к последним 10 - 15 годам, когда стали очевидными уникальные перспективы таких биотопливных элементов [3, 6]. Но для их практического применения надо решить ряд взаимосвязанных технологических задач, требующих специфического подхода (микробиологического, электрохимического, молекулярно-биологического, экологического, геологического и др.).

Перспективная сфера приложения микробных биотопливных элементов — утилизация органических отходов с выработкой электричества. Интенсивный рост численности населения и увеличение производственных мощностей в течение XX в. привели к значительному накоплению локальных антропогенных отходов, в том числе и органических, большую часть которых можно использовать как источник энергии. Так, отходы сельского хозяйства и деревоперерабатывающей промышленности, пищевые и др. могут обеспечивать энергией потребителей в населённых пунктах, сельскохозяйственных и промышленных зонах за счет небольших установок по переработке. Это позволит решить проблему избыточного накопления органических отходов и снизить зависимость потребителей от традиционных источников энергии.

Работа по созданию систем микробной переработки отходов была направлена на разработку топливного элемента, который позволяет получать электроэнергию из после спиртовой барды. Этот отход часто сливают на поля фильтрации (в среднем на 1 л произведенного спирта приходится до 10 л барды), что негативным образом сказывается на состоянии окружающей среды. Было выделено сообщество микроорганизмов (бактерии Eubacterium aggregans, Enterococcus gilvus, Advenella faeciporci, Oscillibacter sp., Lactococcus lactis и др.), которое при переработке сточных вод от предприятий, производящих спирт, восстанавливало нерастворимые акцепторы электронов — Fe2O3.

В разработанном лабораторном прототипе микробного элемента использовались микроорганизмы, наиболее эффективно перерабатывающие барду и генерирующие электроэнергии. В процессе роста они избирательно покрывали поверхность анодного электрода. Для культивирования отобранного микробного сообщества была создана уникальная конструкция. Максимальная мощность этого микробного элемента, стабильно работающего более 50 дней, составила более 0.5 мВт/300 мл среды культивирования [4].

Такая технология в будущем может иметь значительные перспективы. В июне 2012 г. международный научный химический журнал посвятил специальный выпуск технологии биологических топливных элементов. Главным образом, это вызвано перспективами использования микробных биотопливных элементов в очистке сточных вод от сравнительно безопасных пищевых до токсичных и даже радионуклидов и в переработке различных типов отходов с получением возобновляемой энергии.

Микробные электролизные элементы, схожие с топливными, используются для получения важных химических веществ (например, водорода). В них на аноде микроорганизмы (Geobacter, Shewanella и др.) окисляют органические вещества, что уменьшает мощность, необходимую для получения на катоде водорода. Такая система годится и для переработки сточных вод в анодной камере. Катодный процесс может быть химическим или катализироваться микроорганизмами [7].

Микробиологические топливные элементы подразделяют на микробные и ферментные, соответственно в качестве катализаторов в них применяют либо целые микроорганизмы, либо ферментные препараты. Часто ученые используют бактерию Escherichia coli, или попросту кишечную палочку. «Большой процент используемых микроорганизмов составляют Geobacter (анаэробные железобактерии)», - считает Келли Нэвин (Массачусетский университет). Некоторые разработчики полагают, что сам вид бактерий вообще не важен, поэтому можно использовать естественную микрофлору. «Мы используем любые бактерии, присутствующие в сточных водах. Мы создаем для них наилучшие условия для переваривания органики и производства электронов», - рассказывает Тамар Ашлаги-Амири. 
Если в топливном элементе одновременно присутствует много микроорганизмов, то природа сама разберется и поможет конструктору. Например, в своих опытах Вилли Верстрет использовал одновременно несколько видов бактерий. В процессе работы энергетической установки между микробами шла настоящая война. В результате в колонии численный перевес перешел к бактериям вида Brevibacillus agri, оказавшимся самыми продуктивными в генерации электричества.

Профессор Дерек Лавли из Массачусетского университета установил, что бактерии под названием «пили» (семейство Geobacter) с бугристой поверхностной структурой в восемь раз эффективнее при передаче электронов и производстве электричества, чем бактерии с гладкой поверхностью, используемые ранее. Топливные ячейка на бактериях пили попала на восьмое место в списке «The Times» 50 лучших изобретений 2009 года. Коллега Дерека Лавли, Келли Нэвин утверждает: «Это изобретение – рекордсмен по мощности и его эффективность может быть доведена до 100 %».

В качестве топлива могут использовать углеводы, органические кислоты и спирты, а также многие органические отходы. Последний фактор позволяет убить двух зайцев: решить энергетическую и экологическую проблемы. Так, например, Тамар Ашлаги-Амири главной целью разработок микробиологических топливных элементов его компанией называет «переработку промышленных сточных вод», а выработку при этом электричества считает «дополнительным полезным эффектом» [7]. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Попытки воплотить в жизнь

 
          Все эти научные поиски не имели бы смысла, если бы на практике так и не были испробованы.

Широкая вариация размеров микробиологических топливных ячеек позволяет использовать их для самых разных устройств. Например, в опытах Брюса Логана из университета Пенсильвании размеры топливных элементов колебались от 1,5 микролитров до нескольких литров. Первый масштабный, трехметровый опытный образец был протестирован в 2008 году на пивоварне Фостера в Ятале (Австралия) Юргом Келлером и Корнелом Раби. Полученная в результате продуктивность была весьма мала, а катод зарос пленкой из микроорганизмов. В настоящее время ученые решают выявленные проблемы.

Специалисты признают несколько факторов, препятствующих перенесению биологических генераторов электричества из лаборатории в жизнь: высокая стоимость материала электродов и все еще малый ток на выходе. Однако Брюс Логан надеется: «Научный прогресс и постоянный поиск дешевых, но эффективных материалов и конструкций приведет к коммерциализации биологических топливных элементов уже в ближайшие годы». В подтверждение его слов Тамар Ашлаги-Амири, представитель компании «Emefcy» (Израиль), заявляет, что его фирма планирует сделать свои разработки коммерческими и продаваемыми уже в 2011 году [3, 8].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Органическая батарейка

 

Рассмотрим немножко подробнее работу органической батарейки.  
Колония бактерий, живущая на аноде, расщепляет углеводы до углекислого газа (СО2), протонов (Н+) и электронов. В природе в аэробных условиях бактерии используют кислород или нитраты в качестве акцепторов электронов, так что окончательным продуктом реакции становится вода. В микробиологической топливной установке условия анаэробные, поэтому бактерии вынуждены передавать электроны доступному акцептору, то есть аноду.

Далее электроны текут по электрической цепи через нагрузку к катоду. В это же время протоны из анодной камеры через катионную мембрану попадают в катодную камеру, содержащую кислород. На катоде из кислорода и протонов восстанавливается вода. По описанной схеме можно собрать «живой генератор» даже у себя дома. Возможно, он будет малоэффективен, зато даровое топливо в виде бытовых отходов для него наверняка найдется. 
К материалу анода предъявляются два требования, ограничивающие его выбор: он должен хорошо проводить, но вместе с тем не взаимодействовать с продуктами брожения и бактериями (не отравлять их). Углеродные аноды обеспечивают отличную адгезию бактерий на своей поверхности, но им не хватает электопроводности. В связи с чем Брюс Логан полагает самым многообещающим вариантом металлический сердечник в графитовой оболочке. 

Принципиально различных вариантов катода два. Первый, самый привычный - из проводящего материала, который не расходуется и выступает как катализатор. Второй гораздо интереснее – это просто кислород, содержащийся в воздухе или воде. 
Для увеличения производительности реакции с кислородом, как правило, используют платиновый катализатор. Многие ученые пытаются найти эффективный катализатор из неблагородных металлов, что уменьшило бы стоимость биоэлектричества [4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Микробные ограничения

 

Основой микробных топливных установок являются живые организмы, а это накладывает определенные требования. «Чтобы бактерии оставались живыми, их необходимо периодически подкармливать, а для электрохимических реакций необходимо поддерживать влажную среду. Микробиологические топливные ячейки работают при комнатной температуре и нейтральном pH», - говорит Иоанис Иеропулос. 
Работа в теплых, комфортных условиях весьма сужает область применения биологических топливных элементов в жизни. Расширить границы пытаются российские ученые. Так сотрудники лаборатории гипертермофильных микробных сообществ ИНМИ РАН (Москва) регулярно совершают экспедиции, чаще всего на Камчатку, для поиска и изучения термофилов в природных термальных экосистемах. Термофилы – это такие микроорганизмы, которые способны активно развиваться в таких непригодных для жизни условиях, как крайне высокие температуры и скопления отравляющего угарного газа, что характерно для нефтяных месторождений, гейзеров, горячих источников вулканических зон. Многие термофилы растут анаэробно (без кислорода) и используют для дыхания разные газы, в том числе угарный, а также могут восстанавливать железо, серу и некоторые другие материалы. В лаборатории гипертермофильных микробных сообществ уже есть модельные термофильные топливные элементы, а последняя экспедиция наших ученых по поиску электрогенных микроорганизмов состоялась в сентябре 2009 года в кальдеру Узон (Камчатка). Ее результаты весьма обнадеживают.

«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.