Основы биотехнологии

С биохим. точки зрения, метановое брожение-это процесс анаэробного дыхания, в ходе которого е с орг. в-ва переносятся на H2CO3, кот. восстанавлив. до CH4. Особенностью метанообраз. бактерий явл. их способность активно развиваться в симбиозе с др. груп. бактерий, обеспечивающими их условиями и субстратами для образ. СН4. Установки для биометаногенеза с учётом их V и производительности делят на категории: *Реакторы для небольших с/х ферм, где объем перераб. отходов до 20м3; *Для крупных ферм (50-500 м3); *Для перераб. стоков спиртов и сахарной промышленности (500-10000 м3);*Для перераб. тв. мусора городских свалок(1-20*10 6 м3).

Эти Реакторы наз. метанотенки. Могут работать в режиме полного перемеш., вытеснения, как анаэробные фильтры, а также в режиме контактных процессов.

Простейшая конструкция метанотенка - яма в грунте с фиксированным объёмом газа. Метанотенк - герметич. емкость, частично погруж. в землю для теплоизоляции, снабжён. устройствами для дозир. подачи и подогрева сырья, а также газгольдера (ёмкость для сбора газа). Max выделение СН4 наблюдается в системах со слабым перемешиванием. Поэтому оно должно обеспечить гомогенизацию орг массы. t и ско-рость процесса зависит от вида микроб. сообщества. В процессе сбраживания орг. мас-сы на 1 этапе в рез-те образования орг кислот, рН снижается. При резком сдвиге рН в кислую сторону возможно ингибирование метаногенов, поэтому процесс ведут при контролир. значениях рН (~7). Снижение рН явл. сигналом, свидетельствующим о том, что процесс деструкции органики с образованием к-ты закончен и в аппарат можно подавать новую часть отходов.

Процессы, протекающие при CH4-брожении эндотермичны и требуют подвода тепла извне. Для этих целей сжигают часть образуемого биогаза. В зависимости от t-процесса до 30% от V получаемого ↑ идет на обогрев. Скорость поступления сырья на переработку или время удержания сырья в аппарате - важные контролир. параметры. Чем интенсивней процесс брожения, тем выше скорость загрузки и меньше время удержа-ния. Скорость подачи субстрата должна быть = скорости роста бактер. ассоциаций. Конц. субстрата должна быть не более 2%.

Теоретич. метанообразующие бактерии до 90% исп. углерода превращают в CH4 и только 10% включают в биомассу. Энергетика процесса зависит от типа сбраживаемой органики. Если субстратом явл. легкоутилизируемая глюкоза, то теоретич. выход по энергиям = выше 90%, а весовой выход газа = 27%. Практический энергетич. выход составляет от 20 до 50%, а выход газа 80-50% соответственно.

Образующиеся в процессе брожения ж или тв шлак вывозится на поля и используется как удобрение. Такое применение обусловлено условиями метанового брожения, при кот. патогенные МО почти полностью погибают.

Получение водорода

Н2 легко транспортируется и накапливается в разных фазовых состояниях. В газообр. состоянии не токсичен, имеет высокую теплопроводность и малую вязкость. Главное достоинство - чистота (т. К. единств. побочный продукт - вода). Поэтому крупное произ-во Н2 требует поиска экономич., экологич. путей его получения с использованием таких источн. первичной энергии как: энергия деления тажелых элементов, энергия теромояд. синтеза и солнца. Перспективным явл. получение Н2 с исп. солнца, в т. ч. из Н2О (дешевый, доступный субстрат).

Получение Н2 возможно в результате электролиза воды и термохимич. разложения воды с исп. отходящего тепла атомных станций. Вода подвергается прямому фоторазложению под действием солнца. H2O + hv = H2 + ½ O2

Второй способ - фотохимическое разложение воды. В основе него лежат р-ции, в кот. участвуют фотосенсибилизатор (А) и нечувствительное к свету соединение:

А + В + Н2О + hv =AH2 + BO AH2 = A + H2 BO = ½ O2 + B

Пример: система с рибофлавином в качестве фотосенсибилизатора и роль восстановителя играет триэтаноламин.

Возможно получение Н2 разложением воды с участием биокаталитич. агентов. Хлоропласты в присутствии искуственного донора е и экстракта, содержащего фермент гидрогеназу способны продуцировать Н2. Донор электронов - перидоксин. Фермент гидрогеназа был выделен из бактерий остридий (анаэробы), поэтому р-цию проводят в атмосфере N2 при строгом отсутствии О2. Ре-ция протекает с образованием Н2, при этом вода как субстрат фотолиза присутствует в избытке. Источник энергии – hν (неограничен). Потом были выделены более стабильные и высокоактивные гидрогеназы из водородокисляющих бактерий. Созданы различные системы биофотолиза воды с использованием гидрогеназ в кач-ве катализатора. Эти системы независимо от приро-ды, должны иметь в составе 2 элемента: 1) электроннотранспортную систему фотосин-теза, включает систему разложения воды; 2) kt образования Н2 (гидрогеназа, Ме плати-на). Примеры таких систем: 1) входят в систему хлоропласты, перидоксины и гидроге-назы; 2) хлоропласты, гидрогеназы, медиатор; 3) исп. фотосинтетические водоросли; 4) исп. бактериальные иммобилизированные клетки. Следующее разрабатываемое нап-равление - получение Н2 на основе микробных популяций хемо- и фотосинтезирующих орг-мов. С наиб. скоростью способен выделить Н2 пурпурные бактерии, и в кач-ве субстратов они исп. различные орг. соед., кот. они разлагают на H2CO3 и Н2. Пример: при разложении 1г лактата, эти бактерии образуют до 1000 л Н2.