Биотопливные элементы и биоэлектрокатализе

Перспективным методом превращения химической энергии топлива в электрическую энергию является создание топливных элементов, представляющих собой электрохимические генераторы тока. В основе процесса – происходящее на электродах электрохимические генераторы тока. В основе процесса – происходящее на электродах электрохимическое окисление топлива и восстановление окислителя (кислорода), при этом генерируется электрохимический потенциал, соответствующий свободный энергии процесса окисления водорода до воды:

2Н₂⟶2Н⁺+4 е^-; О₂+4Н⁺+4е^-⟶2Н₂О;

Степень преобразования химической энергии в электрическую в топливных элементах высока – до 80%. Определенные перспективы обещают применение а конструкциях топливных элементов биологических систем – ферментов или микробных клеток.

Весьма эффективны биотопливные элементы на основе анаэробных микроорганизмов, способных сбраживать огромное разнообразие соединений. В таком биотопливном элементе функционируют катод и биоанод, содержащий микробные клетки. Субстрат, выполняющий роль топлива, перерабатываются микроорганизмами в отсутствие кислорода. В этих системах возможно применение различных, в том числе доступных и недорогих, субстратов, включая промышленные и сельскохозяйственные отходы.

Перенос электронов с топлива на электрод возможен с помощью иммобилизованных ферментов. Применение иммобилизованных ферментов вместо микробных клеток обещает сделать процессы трансформации энергии химических связей в электрическую энергию более выгодными. Примерами могут служить системы на основе окисления метанола в уксусную кислоту с участием алкогольдегирогеназы; муравьиной кислоты в углекислоту с участием формиатдегидрогиназы, глюкозы в глюконовую кислоту с участием глюкозооксидазы.

Главное:

- Один из путей решения глобальной проблемы биотрансформации продуктов фотоминтеза – получение этанола из растительной массы с помощью микробов.

- Биометаногенез или метановое брожение – давно известный процесс превращения биомассы в энергетически ценный продукт (метан).

- В производстве биогаза важны не отдельные чистые виды микроорганизмов, а их консорции. Они обладают более высокой способностью к биодеградации, чем отдельные виды и штаммы микроорганизмов. Именно состав микроорганизмов в консорции определяет эффективность разложения тих или иных видов сырья.

- Процессы биометаногенеза применяются в промышленности для получения биогаза - заменителя природного газа. Метаногенный консорциум, применяемый в промышленности, несмотря на сложность своего состава, обладает достаточно надежной авторегуляцией, позволяющей эффективно использовать его при получении биогаза.

- Активация микробиологической деятельности нефтяного пласта достигается введением в пласт аэрированной воды и небольшого количества минеральных солей азота и фосфора в определенном режиме. Образующиеся в пласте продукты микробного метаболизма: газы, органические кислоты и другие соединения – способствуют увеличению подвижности нефти и ее вытеснению из вмещающих пород.

- Бензин, керосин и другие углеводороды пока получают чаще всего из нефти, однако в перспективе возможно использование некоторых микроорганизмов и водорослей, способных синтезировать значительное количества углеводородов в клетке.

- Сера в угле присутствует как в виде пирита, так и виде сложных ароматических соединений. В связи с использованием в промышленности тонкоизмельченного угля возникла возможность удалить серу как экологически вредную примесь путем окисления сульфида железа бактериями. После измельчения руда обрабатывается водным раствором, содержащим культуру тиобацилл. Клетки окисляют железо и серу и переводят их в подвижное (растворимое) состояние.

- Перспективные и разрабатываемые направления – это получение водорода на основе растущих микробных популяций хемосинтезирующих микроорганизмов. Среди хемосинтезирующих микроорганизмов в качестве продуцентов водорода привлекаю внимание виды, способные расти на достаточно доступных и дешевых субстратах.

- Перспективным подходом для превращения химической энергии топлива в электрическую является создание так называемых топливных элементов – электрохимических генераторов тока. В основе процесса лежит происходящее на электродах электрохимическое окисление топлива и восстановление окислителя (кислорода). При этом генерируется электрохимический потенциал, соответствующий свободный энергии процесса окисления водорода до воды.

- Новой областью технологической биоэнергетики и частью инженерной энзимологии является биоэлектрокатализ. Цель этого 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. Недавние исследования показали, что этого можно достичь несколькими путями.

Контрольные вопросы

1. Сущность биотехнологической энергетики.

2. Основные виды сырья для получения спирта.

3. Микроорганизмы, используемые для конверсии этанола.

4. Промышленное получение спирта.

5. Биометаногенез.

6. Сырье для производства биогаза:

7. Метаногенез – I фаза.

8. Метаногенез II фаза.

9. Промышленное получение биогаза.

10. Метанотенки.

11. Использование газа.

12.Использование твердого остатка.

13.Повышение нефтеотдачи

14. Десульфуризация углей

15. Жидкие углеводороды

16. Биологическое получение водорода

17. Биотопливные элементы и биоэлектрокатализе.

Поиск по сайту: