Книга: Популярно о микробиологии

Глава 26 Микробы вытесняют бензин

Глава 26

Микробы вытесняют бензин

Человеку нужна энергия для всего, чем он занимается, вплоть до самого факта его существования. Повышение жизненного уровня, дальнейшее развитие промышленности и сельского хозяйства требуют все больше и больше энергии. Только за последние 100 лет мощности установок по ее получению возросли в 1000 раз. Остается надеяться, что в дальнейшем энергетические потребности человечества будут возрастать не так стремительно. Предварительный прогноз на ближайшие 20 лет предполагает двукратное увеличение потребности в энергии. Между тем расчеты показывают, что уже в ближайшие годы традиционных энергоресурсов, таких как уголь, нефть и газ, окажется недостаточно для удовлетворения растущих потребностей человечества. Так возникла еще одна проблема нашего времени — энергетическая.

Возьмем для примера автомобильный транспорт. Используемая им энергия составляет около половины всего ее количества, потребляемого в настоящее время человечеством.

Подумайте только: во всем мире сейчас существует 800 млн автомобилей, и по расчетам, к 2035 г. их число увеличится до 3 млрд! И вся эта прорва двигателей внутреннего сгорания поглощает массу энергии. Причем поглощает нерационально. Но дело не только в этом. Автомобильный транспорт использует продукты крекинга нефти — бензин, керосин, дизельное топливо — уникальные вещества, которые, конечно, выгоднее использовать не в качестве горючего. Еще Д. И. Менделеев говорил, что жечь каменный уголь или нефть — то же самое, что топить ассигнациями. Помимо этого, сжигание бензина и других видов топлива в двигателях внутреннего сгорания приводит к серьезному загрязнению воздуха выхлопными газами. Но несмотря на это запретить использование автотранспорта не под силу никакому правительству, и нехватка топлива, по выражению одного из комментаторов, — это нехватка навсегда. Нужны новые виды горючего, новые источники энергии.

Суть охватившего нашу планету кризиса заключается в том, что до сих пор человечество использует в основном невозобновляемые источники энергии, такие как каменный уголь, нефть и газ, запасы которых не бесконечны.

Конечно, они еще долго будут служить людям. Но уже сегодня во многих странах пытаются найти возобновляемые источники энергии, и таким поиском заняты ученые многих специальностей. По их расчетам, уже к 2100 г. в США альтернативные источники энергии будут удовлетворять 90 % всех потребностей страны. Среди проектов, призванных разрешить энергетическую проблему, есть использование солнечной и геотермальной энергии, энергии ветра, волн, приливов и даже добыча на Луне энергоресурсов в виде изотопа гелия-3, используемого в качестве топлива для термоядерных электростанций. Здесь следует заметить, что внедрение тех или иных научных достижений зависит не только от их значимости и завершенности, но и от уровня технико-экономических возможностей той или иной страны. Сейчас трудно сказать, какой из проектов окажется более перспективным. Остановимся на микробиологических подходах к решению энергетической проблемы.

В главе 9 были рассмотрены микробиологические способы получения спирта, который затем используется дрожжами для биосинтеза белка. Однако этот же спирт можно использовать в качестве топлива для автомобильного транспорта. Хотя этиловый спирт по теплотворной способности уступает бензину, зато он превосходный антидетонатор, что позволяет получать в двигателях внутреннего сгорания б?льшую степень сжатия рабочей смеси и таким образом добиваться более высокого коэффициента полезного действия. Кроме того, бензин — это смесь различных углеводородов с температурой кипения от 38 до 185 °C, а спирт, как и любое индивидуальное химическое вещество, имеет строго определенную температуру кипения, что способствует стабильности работы двигателей.

Хотя спирт и кажется более дорогим продуктом, чем нефть, тем не менее цены на нефть растут, а на спирт падают благодаря разработке новых технологий с использованием дешевого сырья. Причем в некоторых случаях уже сейчас выгоднее на месте производить «дорогой» спирт, чем возить за тридевять земель «дешевую» нефть. Так и поступила Бразилия, закупив лицензию на получение спирта из растительного сырья. В 1977 г. в этой стране было произведено микробиологическим путем 1,5 млрд литров этилового спирта. К 1985 г. его производство возросло до 4–6 млрд литров. Сейчас в Бразилии около 300 фабрик по созданию биотоплива, которого в 2006 г. выработали 8 млрд литров и намерены увеличить его производство до 26 млрд литров.

Вслед за Бразилией, по праву считающейся лидером по производству биоэтанола, другие страны всерьез занялись этим направлением в энергетике. В США в 2009 г. вступила в строй одна из нескольких фабрик по производству этанола производительностью в 25 млн галлонов. Создаются новые научные центры, идут активные поиски новых источников растительного сырья. Так, British Petroleum 1 февраля 2007 г. объявила о создании Института биоэнергетики (Energy Bioscience Institute) стоимостью $500 млн. В США в штате Флорида строится экспериментальный завод по производству этанола из… кожуры апельсинов — отходов промышленного производства апельсинового сока. В Испании разработали методику получения биоэтанола из… оливковых косточек, которые составляют четверть массы оливок и при производстве в несколько миллионов тонн в год могут быть использованы как дешевый дополнительный источник сырья для производства биотоплива.

Здесь следует заметить, что использование растительных отходов более перспективно, чем применение для тех же целей зерна, так как не оказывает влияния на рост цен на продовольствие. Эксперты предполагают, что из 300 строящихся в США фабрик по производству биотоплива 225 будут работать на растительных отходах и только 75 — на кукурузном зерне. В России в городе Тулун Иркутской области построят завод по производству биобутанола. Сырьем будут служить отходы древесины.

Перспективы использования биотоплива уже оценили инвесторы. Один из самых богатых людей на Земле Билл Гейтс вкладывает значительные средства в развитие биотопливной энергетики. Даже нефтяные компании стали инвестировать деньги в эту новую отрасль. Упомянутая нами British Petroleum и компания DuPont заключили соглашение о производстве бутанола (это такой же спирт, как этанол, но с четырьмя атомами углерода вместо двух), который выделяет при сжигании больше энергии, и его получение из той же биомассы предпочтительнее. Нефтегазовый гигант ExxonMobil совместно с фирмой Synthetic Genomics, Inc., возглавляемой уже известным нам Крейгом Вентером, предполагает вложить около $1 млрд в проект по получению углеводородов из генно-модифицированных водорослей.

Однако микроорганизмы не только могут сбраживать сахар в спирт, как они это делают в виноделии, но и способны синтезировать его из неорганических соединений, в частности из  CO — окиси углерода. Она образуется в больших количествах при производстве стали, и ее превращают в этанол с помощью микроорганизмов. По расчетам фирмы Lanza Tech (Новая Зеландия), таким способом можно ежегодно получать около 50 млрд галлонов этанола.

Интересен и другой способ получения спирта из… использованных автомобильных покрышек. Их нагревают при высокой температуре (1900 °F) без доступа воздуха и получают водород и окись углерода. Образующиеся газы поступают в биореактор, где с помощью микроорганизмов превращаются в этанол. Завод, строящийся на основе этой технологии, будет производить 100 млн галлонов спирта в год.

Судя по темпам роста производства этанола, уже через несколько лет он может заменить от 20 до 30 % автомобильного топлива. К 2025 г. США планируют заменить этанолом около 75 % импортируемой нефти.

Рассуждая о биотопливе, нельзя не вспомнить, что еще Г. Форд в 20-х гг. прошлого столетия называл спирт «горючим будущего». Кажется, это светлое будущее уже наступило. Однако у него есть свои темные стороны. Хотя углеводов для микробиологического синтеза спирта пока хватает, начинает давать о себе знать недостаток кислорода — необходимого компонента для получения энергии как из нефти и бензина, так и из спирта.

И действительно, в больших городах эта проблема в прямом смысле хватает людей за горло. В часы пик там просто нечем дышать. А наиболее предприимчивые дельцы того и гляди начнут, а кое-где уже начали торговать «на вынос и распивочно» пинтами и галлонами чистого воздуха.

Почему возник дефицит кислорода? Его естественный баланс, существующий и поддерживаемый в природе, в нашу промышленную эпоху дополнился новой и мощной статьей расхода свободного кислорода, идущего на многочисленные окислительные процессы, связанные с производственной деятельностью человека. Особенно много кислорода расходуется на сжигание угля, нефти и газа, и столь интенсивный расход, к сожалению, не компенсируется никакими другими процессами его получения.

Таким образом, хотя использование спирта в качестве горючего и основано на применении легко возобновляемых источников энергии, оно связано с серьезной экологической проблемой нехватки кислорода. Возможным ее решением является строительство атомных электростанций, которые не нуждаются ни в использовании традиционных энергоресурсов, ни в большом количестве кислорода. Однако получение атомной энергии связано с использованием урана, тория и других радиоактивных элементов, запасы которых, к сожалению, имеют предел, и, следовательно, такой способ может лишь отдалить наступление энергетического кризиса.

Неслучайно Ф. Жолио-Кюри, крупнейший французский ученый, посвятивший свою жизнь проблемам ядерной энергии, сам уповал на совершенно другой путь решения энергетической проблемы.

Следует заметить, что несмотря на освоение человеком различных источников энергии все они имеют общее «солнечное» происхождение. Так, каменный уголь представляет собой окаменевшие растительные остатки, т. е. ассимилированную когда-то солнечную энергию. На ней, по сути, работают мощные гидроэлектростанции. Энергия, которую мы ежедневно получаем с пищей, аналогичного происхождения. Словом, Солнце — праматерь всех известных видов энергии и, что самое интересное, само по себе является постоянно возобновляемым ее источником.

Солнечная энергия, приходящаяся на единицу освещаемой поверхности, в среднем по земному шару составляет 5,4 кВт ? ч/м² ежедневно. Это означает, что с поверхности площадью всего в 80 квадратных километров можно было бы получить столько же энергии, сколько человечество получает, используя все свои установки для ее производства. Возникает недоуменный вопрос: откуда же дефицит энергии при таком обилии? Буквально купаясь в океане энергии и постоянно испытывая все возрастающую нужду в ней, человечество напоминает мифического Тантала, стоящего по грудь в воде и несмотря на это обреченного на неутолимую жажду.

Действительно, океан солнечной энергии, омывающий Землю, огромен. Но это рассеянная энергия, и при попытках сконцентрировать ее она как бы уходит сквозь пальцы, если под ними подразумевать улавливающие и преобразующие устройства. Переход солнечной энергии в тепловую с последующим ее преобразованием в механическую и, наконец, механической в электрическую связан с большими потерями на каждой стадии, что обуславливает низкий КПД энергоустановок. Кстати, это чревато и серьезными экологическими проблемами. Ведь энергия, выделяющаяся в виде тепла в процессе перехода из одного ее вида в другой, способствует тепловому заражению атмосферы, что в конце концов может привести к перегреву всей системы Земли и вызвать множество предсказуемых и непредсказуемых негативных последствий.

Каким же образом миновать все эти многочисленные переходы и получить электрическую энергию непосредственно из солнечной? Примером такого устройства является фотоэлемент.

Что он собой представляет? Это тонкая пластинка, к которой припаяны электрические контакты, и когда она освещена, на них появляется разность потенциалов. Если соединить достаточное количество таких пластинок, то можно привести в действие любой электрический прибор. Батарея фотоэлементов с достаточно большой мощностью могла бы обеспечить, как мы уже писали выше, все энергетические потребности человечества. Вот вам и решение проблемы.

Однако до этого еще далеко. Прежде всего, стоимость фотоэлементов пока еще очень велика, поэтому по сравнению с традиционными способами один киловатт электроэнергии, полученный с их помощью, обходится значительно дороже.

Вот почему пока еще мы вынуждены улавливать рассеянную солнечную энергию зелеными листьями растений, выращивая их на огромных площадях. Этот процесс усвоения энергии, протекающий с участием специфического вещества хлорофилла, называется фотосинтезом. Его суть упрощенно заключается в образовании углеводов и может быть выражена следующим уравнением:

С помощью изотопного анализа было показано, что в процессе фотосинтеза происходит расщепление молекулы воды на водород и гидроксил. Однако известно, что этот процесс требует значительных затрат энергии. Откуда же она берется? Поглощая кванты солнечного света, молекула хлорофилла переходит в возбужденное состояние и затем «отдает» электрон. В результате образуется активированный водород, который, соединяясь с молекулой углекислого газа, образует молекулу углевода.

Таким образом, упрощенно можно представить процесс фотосинтеза как перенос водорода от молекулы воды к молекуле углекислого газа с образованием углеводов. В определенных условиях и при участии специального фермента — гидрогеназы — из активированного водорода может быть получен молекулярный водород, а не углеводы. Накопленный таким образом водород можно использовать как топливо (по энергоемкости этот химический элемент в пересчете на единицу веса превосходит нефть в 3,3 раза). Если бы такой процесс удалось осуществить с помощью солнечной энергии, то мы бы приобрели практически неограниченные запасы универсального топлива.

По существу, «водородный» путь использования солнечной энергии может быть представлен двумя реакциями:

1) 2H₂O ^{солнечная энергия, хлорофилл}? 2H₂ + О₂;

2) 2H₂ + O₂ ? 2H₂O + энергия.

В первой реакции солнечная энергия используется для получения водорода, а во второй энергия, выделяющаяся при его сгорании, может быть реализована в виде топлива с последующим превращением в другие виды энергии. Из приведенных уравнений видно, что такой путь ее получения не нуждается в дополнительном кислороде, так как этот химический элемент, необходимый для сжигания водорода, образуется как побочный продукт получения водорода. Кроме того, водородная энергетика обладает огромным преимуществом с точки зрения экологии, поскольку единственным продуктом сгорания водорода является… вода! Именно полученную в результате такого процесса воду пили американские космонавты во время полета на Луну.

«Но при чем здесь микроорганизмы?» — спросите вы. Дело в том, что в клеточных мембранах бактерий обнаружен пурпурный пигмент, способный так же, как и хлорофилл, улавливать солнечную энергию.

Этот пигмент — бактериохлорофилл — удивительное вещество сродни хлорофиллу. Об этом говорит и его название. Поскольку он является частью микробной биомассы, бактериохлорофилл легко накопить в довольно больших количествах. Процесс его выделения не представляет больших трудностей. Однако даже выделенный в «мягких», как принято говорить, условиях, нативный бактериохлорофилл может осуществлять интересующий нас процесс непродолжительное время. Оторванный от своей «матери-бактерии», он, подобно мифическому Антею в железных объятиях Геракла, довольно быстро теряет силы под действием различных повреждающих факторов. Следовательно, необходимо не только получить и выделить этот важный продукт бактериального биосинтеза, но и как-то стабилизировать, задержать его разложение. Надо сказать, что опыт такого рода работ в микробиологии уже имеется. Есть даже такое понятие, как иммобилизация. И приложимо оно ко многим сторонам микробиологической технологии. Так, есть иммобилизованные ферменты, иммобилизованные субклеточные частицы и даже иммобилизованные микробные клетки.

Попытаемся очень схематично объяснить суть процесса иммобилизации и возникающей при этом стабильности. Выделенная для иммобилизации структура обычно имеет одно или несколько слабых мест, с которых начинается процесс распада, деструкции.

Если эти места каким-то образом защитить, то стабильность, естественно, повысится. В этом суть одного из направлений иммобилизации: прикрыв активные участки структуры каким-нибудь инертным веществом, мы в целом сохраняем ее от губительного воздействия нежелательных деструктивных факторов, будь то какие-то активные химические вещества или в простейшем случае кислород. Естественно, что при этом защита, или экранизация не должна затрагивать функциональные группы стабилизируемой структуры, фермента или даже целой клетки.

Не вдаваясь в детали процесса иммобилизации и особенностей иммобилизованных структур, скажем только, что их стабильность возрастает в десятки раз, а время полужизни, т. е. время, в течение которого биохимическая активность таких структур уменьшается на 50 %, достигает значительных величин, измеряемых месяцами или даже годами.

Такая модифицированная система обладает большой стабильностью и вместе с фотосинтетическим аппаратом может служить источником получения фотоводорода.

Дальнейшее использование водорода практически не отличается от применения традиционных видов топлива и связано с переходом химической энергии в тепловую, тепловой — в механическую и механической — в электрическую. Такой многостадийный путь приводит к довольно низкому КПД высокоэффективного топлива.

Нельзя ли каким-либо образом миновать промежуточные стадии и осуществить прямое превращение химической энергии водорода в электрическую? Собственно говоря, одностадийный переход химической энергии в другие ее виды постоянно осуществляется на наших глазах (и с достаточно высоким КПД!) биохимической «машиной» клетки в результате проведения последовательных скоординированных реакций, протекающих с участием большого числа ферментов.

Попытки осуществить этот процесс в технических устройствах привели к созданию топливных элементов — устройств, в которых осуществляется прямое преобразование химической энергии в электрическую. В топливном элементе отсутствует промежуточная стадия преобразования химической энергии в тепловую, и поэтому его КПД может достигать 65–70 %.

Топливные элементы отличаются безотходностью, автономностью и компактностью. Кроме того, их преимуществом являются бесшумность и возможность использования различных видов топлива, таких как водород, метан, легкие углеводороды, метанол, этанол и др. С помощью топливных элементов можно создавать установки различной мощности, изменяя число рабочих модулей. Однако они имеют ряд технических несовершенств, что сдерживает их применение несмотря на огромные преимущества перед другими способами получения электрической энергии.

Одной и, может быть, самой существенной трудностью, стоящей на пути внедрения топливных элементов, является создание микропористого материала, способного обеспечить межфазовый контакт между газом, жидкостью и твердым телом, в зоне которого, собственно, и происходит обмен электронов, или так называемое холодное горение.

Создание таких структур — довольно трудное дело, но и, уже созданные, они зачастую теряют свои свойства в процессе эксплуатации. Кстати, именно этим объясняется короткое время их функционирования.

Между тем подобные структуры имеются в микробной, как, впрочем, и в любой другой живой клетке. Возникает простая мысль использовать их при конструировании топливных элементов. Эти биологические структуры — биологические мембраны обладают одновременно и гидрофильными, и гидрофобными свойствами. В них не происходит замокания гидрофобных участков в процессе эксплуатации, что обеспечивает надежность и длительность их функционирования.

Пока что трудно предугадать, что предпочтут конструкторы топливных элементов: создавать новые эффективные способы получения гидрофобно-гидрофильных структур или стабилизировать «старые», созданные природой.

Но по какому бы пути ни пошло развитие топливных элементов — техническому или биотехнологическому, для их работы нужно сырье, и здесь первое слово принадлежит микробиологии, так как с ее помощью можно легко производить горючее для топливных элементов, например метан, метанол, этанол и, конечно, водород.

Кстати сказать, последний можно получать с помощью некоторых микроорганизмов, используя в качестве сырья глюкозу. Пока это экономически невыгодно. Но возможны и новые подходы к получению сахаров, что позволит сделать производство водорода таким способом рентабельным. Так, американский патент 4 480 035 предлагает использовать отходы древесины для получения обогащенных глюкозой сред, на которых можно вырастить водородообразующие микроорганизмы Citrobacter freundii или Enterobacter aerogenes, производящие до 60 % водорода.

Не следует считать, что работы над топливными элементами находятся на уровне патентных заявок. Французские исследователи создали водородный топливный элемент, который станет частью гибридной системы питания сотовых телефонов. По размерам он не больше зажигалки. Компания Sony продемонстрировала гибридный топливный элемент, обеспечивающий энергией мобильное видео в течение 14 часов. Компания Sharp представила новый топливный элемент, работающий на метаноле, мощность которого в семь (!) раз выше ранее разработанных аналогов, а габариты сопоставимы с литиевыми батареями.

Топливные элементы могут быть использованы не только для таких маломощных устройств, как перечисленные выше. Уже проходят технические испытания автомобили и автобусы, работающие на топливных элементах. В 2008 г. в США состоялся автопробег автомобилей, использующих в качестве топлива водород. Более того, «первые ласточки» уже появились и в небе. В октябре 2008 г. немецкое Агентство по аэронавтике объявило о проведении испытаний самолета с топливными элементами. Разумеется, речь идет не о замене турбовинтовых двигателей, но как минимум электроснабжение систем управления авиалайнера будет обеспечиваться топливными элементами.

Описанные нами возможности и успехи микробиологии в решении энергетических проблем находятся в различных фазах научной разработки и реализации. Помимо дальнейшего совершенствования этих устройств понадобятся еще значительные усилия, чтобы соединить их в единую технологическую схему для получения и использования энергии.

И кто знает, не здесь ли, на стыке стабилизированных биоструктур и водородной энергетики, будет найдено решение энергетических проблем, стоящих перед человечеством?