Получение энергии от живых существ у многих вызывает примитивные ассоциации — с лошадью, везущей груз, или хомячком, крутящим через свое колесо небольшую динамо-машину. Кто-то еще вспомнит школьный опыт с воткнутыми в апельсин электродами, образующими эдакую «живую батарейку»… Однако гораздо эффективнее в этом плане труд куда более меньших наших «братьев» — бактерий!
«Мусорная проблема» в масштабах планеты гораздо существеннее, чем может показаться обывателю, несмотря на то, что она не столь явная, как иные экологические ужасы, о которых любят рассказывать в разного рода «скандалах-сенсациях-расследованиях». 26 миллионов тонн в год – это только Москва и только бытовой мусор! И даже если мы будем все прилежно сортировать и затем перерабатывать, количество органических отходов от этого не уменьшится, поскольку они составляют около 70% всей производимой человечеством дряни. И чем более развита экономика страны – тем больше органических бытовых отходов. Никакой переработкой эту ужасающую массу не победить. А ведь помимо бытовых отходов, существуют огромные объемы отходов промышленных – сточные воды, отходы пищевых производств. В них тоже заметное количество органики.
Перспективное направление борьбы с органическими отходами, заваливающими планету – это микробиология. То, что не доедают люди – доедят микробы Сам принцип известен давным-давно. Однако сегодня проблема состоит в его эффективном использовании, над чем и продолжают работать ученые. «Скормить» микробам в банке недоеденный гамбургер – легко! Но этого мало. Нужна технология, которая позволит бактериям быстро и продуктивно перерабатывать тысячи и миллионы тонн мусора без лишних затрат, без дорогостоящих конструкций и катализаторов, своей стоимостью сводящих на нет итоговый коэффициент полезного действия этого процесса. Увы, большинство технологий, использующих бактерии для перерработки мусора сегодня, либо невыгодны, либо малопродуктивны, либо плохо поддаются масштабированию.
К примеру, одна из достаточно известных и хорошо отработанных технологий переработки отходов с помощью бактерий – это знакомый многим зарубежным фермерам метод выработки биогаза. Навоз скота перегнивает с использованием микробов, выделяющих при этом метан, который собирается в огромном мешке-пузыре. Система работает и производит газ, пригодный для отопления той же фермы через электроэнергию, порождаемую газотурбинным генератором, либо непосредственно при сжигании. Но такой комплекс чисто технологически нельзя масштабировать. Для фермы или поселка годится, для большого города – уже нет. Плюс в городских отходах, в отличие от навоза, много токсичных компонентов. Эти токсичные вещества точно так же оказываются в газовой фазе, как и полезный метан, и итоговый «микс» получается сильно загрязненным.
Впрочем, наука не стоит на месте – одна из перспективнейших технологий, которые сейчас интересуют ученых всего мира (включая, вероятно, и пресловутых британских) – это использование так называемых «электрообразующих бактерий», которые являются одними из лучших пожирателей отходов, попутно производя во время этого малоприятного с человеческой точки зрения процесса электричество. На поверхности мембраны клетки такой бактерии находится белок цитохром, на котором образуется электрический заряд. В процессе метаболизма бактерия «сбрасывает» электрон на поверхность своей клетки и порождает следующий – и так раз за разом. Микроорганизмы с такими свойствами (например, геобактер) известны достаточно давно, но практического применения их электрические способности не находили.
Что же делают микробиологи? Об этом «Компьютерре» рассказал Андрей Шестаков, научный сотрудник кафедры микробиологии биологического факультета МГУ и руководитель лаборатории микробной биотехнологии:
«Мы берем электрод-анод, покрываем его поверхность клетками электрообразующих микроорганизмов, помещаем вместо водорода в питательную среду, которую нам нужно переработать (мусор, «раствор мусора» – для простоты обойдёмся без деталей), и во время метаболизма этих клеток мы от каждой из них будем получать электроны и протоны.
Далее же все, как в обычном топливном элементе – клетка отдает электрон и протон, протоны отправляются через протонообменную мембрану в катодную камеру ко второму электроду этой батареи, добавляя кислород из воздуха «на выхлопе» мы получаем воду, а электричество снимаем на внешнюю цепь. Это называется «Микробный Топливный Элемент», МТЭ, Microbial Fuel Cell. »
Не лишним будет вспомнить, как устроен и функционирует классический водородно-кислородный топливный элемент. Два электрода, анод и катод (допустим, угольные и покрытые катализатором – платиной), находятся в некой ёмкости, разделенной на две части протонообменной мембраной. На анод мы подаем водород из внешнего источника, который диссоциирует на платине и отдает электроны и протоны. Мембрана не пропускает электроны, но способна пропускать протоны, которые движутся к другому электроду – катоду. К катоду мы подаем также из внешнего источника кислород (или просто воздух), и на нем получаются отходы реакции – чистая вода. Электричество же снимается с катода и анода и используется по назначению. С различными вариациями такая конструкция используется и в электромобилях, и даже в портативных гаджетах для зарядки смартфонов вдали от розетки (такие, например, производит шведская фирма Powertrekk).
В небольшой емкости в питательной среде находится анод с микробами. От катода его отделяет протонообменная мембрана, сделанная из нафиона – под таким фирменным названием этот материал производит компания BASF, не так давно известная всем своими аудиокассетами.
Вот оно – электричество, реально созданное живыми микробами! В лабораторном прототипе от него горит один-единственный светодиод через импульсный преобразователь, ибо светодиоду требуются для зажигания 2-3 вольта – меньше, чем выдает МТЭ.
Хотя к лаборатории микробной биотехнологии МГУ в глубоком подвале приходится довольно долго добираться пыльными и дикими коридорами, она вовсе не является вместилищем допотопного советского научного оборудования, как это происходит с подавляющей частью отечественной науки сегодня, а неплохо оснащена современной импортной техникой.
Прототип биореакторной ячейки
Как и любой топливный или гальванический элемент, МТЭ выдает небольшое напряжение – около одного вольта. Ток же напрямую зависит от его габаритов – чем крупнее, тем выше. Поэтому в промышленных масштабах предполагаются достаточно крупногабаритные установки, соединенные последовательно в батареи.
По словам Шестакова, разработки в этой области начались около полувека назад:
«Микробные генераторы» начали всерьез изучать в НАСА в шестидесятые годы, не сколько как технологию получения энергии, сколько как эффективный принцип переработки отходов жизнедеятельности в замкнутом пространстве космического корабля (уже тогда, насколько это возможно, пытались оградить космос от мусора, беззастенчиво продолжая загаживать Землю…!) Но технология родилась и после этого фактически много лет пребывала в коматозном состоянии, мало кому нужная в реальности. Однако 4-5 лет назад она получила второе дыхание – поскольку в ней возникла существенная нужда в свете миллионов тонн мусора, заваливающих нашу планету, а также в свете развития разнообразных сопутствующих технологий, предположительно позволяющих сделать микробные топливные элементы не лабораторной экзотикой «настольного формата», а реальными индустриальными системами, позволяющими перерабатывать существенные объемы органических отходов.
Сегодня российские разработки в области МТЭ являются плодом совместных усилий биологического факультета МГУ и компании «М-Пауэр Ворлд» — резидента Сколково, получившей грант на такие исследования и отдавшей микробиологические разработки на аутсорс профильным специалистам, то есть — нам. Наша система уже функционирует и дает реальный ток – задача текущих исследований подобрать максимально эффективное сочетание бактерий и условия, в которых бы МТК можно было бы успешно масштабировать в промышленных условиях и начать применять в индустрии переработки и рециклинга мусора. »
О том, чтобы станции на МТЭ встали в один ряд с уже зарекомендовавшими себя традиционными источниками энергии, пока речи нет. Сейчас у ученых на первом месте стоит задача эффективно переработать биоотходы, а не получить энергию. Просто «так уж вышло», что именно электрообразующие бактерии и являются наиболее «прожорливыми», а значит – эффективными. И электричество, производимое ими в процессе работы – фактически побочный продукт. Его нужно забирать у бактерий и «сжигать», производя какую-то полезную работу для того, чтобы максимально интенсивно шел биопроцесс. По расчетам выходит, что его будет достаточно для того, чтобы мусороперерабатывающие заводы на основе микробных топливных элементов обходились без внешних источников энергии.
Впрочем, в лаборатории Шестакова ведут не только «мусорное» направление, но и другое — чисто энергетическое. Биогенератор несколько иного типа называется «биореакторная топливная ячейка» — он построен на других принципах, нежели МТЭ, но общая идеология получения тока от живых организмов, разумеется, сохраняется. И вот он уже направлен в первую очередь на производство энергии, как таковой.
Что интересно, если микробными топливными элементами, как средствами уничтожения мусора, сейчас в мире занимаются многие ученые, то топливными ячейками – только в России. Так что не удивляйтесь, если когда-нибудь провода от вашей домашней розетки будут вести не к привычным турбинам ГЭС, а к мусорному биореактору.
Источник: the-day-x.ru.
Рейтинг публикации:
|
