Молекулярлы деңгейдегі фотосинтез

Жоғарыда фотосинтез туралы жалпы ұғым берілген. Бұл тарауда физикалық бөлігі нақтыланады. Авторлар бұл кітапта биология мен хтмиядан мағлұмат қосуды мақсат етпейді, өйткені бұндай кітап үшін физикалық деңгей де жарамды. Сонымен қатар, фотоинтез туралы арнайы кітаптарды толығырақ айтылған.

 

Жарықтық энергияның және реакциялық орталықтың жинақталуы. Фотосинтетикалық активті сәулелену пигмент молекулаларымен жұтылады,олардың ішінде көп тарағаны а типті хлорофилл; кейбір өзге пигменттердің құрылысы мен формасы ұқсас. Хлорофилдің молекуласы гидрофобты құйрықтан және гидрофильді сақинадан құралған. Құйрық - көмірсутектің ұзын тізбегі, ұзындығы бойынша сақинаның диметрінен 4 есе ұзы. Құйрық тилакоидты мембрананың ішкі бетін ұстап тұруға арналған, ал сақина хлоропласттың жартылай сұйық ортасымен әрекеттеседі.

Фотондар өте жақсын орналасқан пигмент молекуласыен жұтылады. Жасушада пигменттің 200-400 молекуласына бір үлкен реакционды орталық келеді. Үлкен немесе кіші көлемдік пигмент молекуласының ансамблі әр түрлі өсімдіктерде, балдырларды және фотосинтездеуші бактерияларды болады.

Фотондар ішкі немесе сыртқы жарықжинаушы молекулалармен жұтылуы мүмкін, ал қорытындылайтын экситон реакциялық орталыққа түседі.

 

Ал орталықтың құрамына қорытынды пигмент молекуласы және де бірнеше ірі арнайы молекула кіреді, оларда химиялық реакция жүреді.

 

Жарықтық реакциялар. PS1және PS2 фотожүйелерінің арасында жүретін физикалық поцесстер. жарықжинаушы жүйе өзінің энергиясын реакциялық орталыққа жібереді, ол жерде орталық болып саналатын а хлорофилл молекуласы орналасқан. RS2 үшін бұл молекула P680 және PS1-P700. Бұл екі молекула спектрің қызыл ауданында жұтылады.

Реакциялық орталықта донорлық және акцепторлық молекулалар орналасқан(бұл атаулар физикалық жартылайөткізгіштерден алынған). Фотон жұтылуының әрбір актісінде каналданған экситон реактивті орталықта белгілі бір донордан ауытқиды және оны акцептордың энергетикалық деңгейіне көтереді. A^- және D⁺ радикалдарынң нәтижесінде химиялық реакциялар жүзеге асады, олар циклдық болып табылады, соның нәтижесінде D⁺жаңа электрон алады, ал A^- қозған электрон береді және же процесс тағы да қайталанады. Сәйкесінше, доноры және акцепторы бар химиялық реакцияларекі күйде жүреді: бірінішісінде D⁺ D-ға айналады, екіншісінде A^- A⁺-ға айналады. Шын мәнінде бұл реакциялар өте күрделі және әлі де толық анықталмаған.

1. D⁺ D₂ PS2-нің қоздырыоған күйі арқылы жүзеге асады. Бұл өте күшті қышқыл. Бар мәліметтерге сай D⁺ - а хлорофил молекуласы немесе тилакоидты мембранадағы молекулалы жұп. O₂молекуласы жасушалық жүйенің барлық мембранасынан өтіп, өссімдікті тастап кетеді. Протон H⁺тилакоидты мембранамен ұсталынады.

2. PS2 фотоныныңжұтылуы. Донор D₂электрондыбосаталы, ал A₂схемада әдетте Q болыпбелгіленеді.

3. PS2мен PS1 арасындағыбайланыс; ATP құрылуы.Энергиядағы айырмашылық энергоаккумуляторлайтын зат арқылы жүреді. ATP молекуласыныңэнергияшығыны 0,34эВ құрайды.

4. PS1 фотоныныңжұтылуы. LH жүйеде фотон берілуінің нәтижесі-а хлорофилл

5. NADPH пайда болуы.A^- жасауға жұмсалған электрон әрі қарай NADPH пайдаболуынажүреді. NADPH- никотинамидадениндинуклеотидросфат.

Қараңғылықреакциялары (Кальвинциклы). NADPH пайда болуымен негізгі қозғалтқыш қосылады, ол CO₂ –қалыптасуы үшін қажет. Ұқсас реакцилар фотохимиямен емес, қарапайым химиямен түсіндіріледі және қараңғы да ғана емес жарық жұтылуы кезінде де жүзеге асады. Фотосинтездеуші бактерияда PS1 жүйесі жалғыз фотожүйе болып саналады.

Көптеген өсімдіктерде Кальвин циклының алғашқы өнімі көміртектің үш атомы бар болып табылады. Кейбір тропикалық өсімдіктердің химиялық циклі бар.

Көмірсудың бір атомына фиксацияланатын фотон саны. Өсімдіктердің жарықты жұту кезіндегі алғашқы шарты ол фотондардың сұрыпталуы және белгілі бір уақытта энергияның жинақталуы. Әрбір фотожүйе бір фотонмен жіберіледі. Егер бір жүйенің молекуласы іске қосылса, онда экситонның басқа молекуларға берілуі жүреді.

Энергетикалық күй. Қарапайымданған реакцияда энергетикалық күйдің айылмашылығы 4,8эВ құрайды. PS2мен PS1 арасындағы әрбір төрт циклда 1,2эВ энергия жұмсалады.

Фотосинтездің эффективтілігі. Бұл өлшемді әр түрлі етіп өлшеуге болады.Пигмент молекуласының ішкі антеннесына түсетін фотон энергиясының минимумы 1,77эВ тең.

Фотосинтездің максималды эффективтілігіне баға беру мына түрде болады: 4,8/14,4=33%

Фотонның заттармен әрекеттесуін сараптау үшін 1 эйнштейн энергия қолданылады.

Жасанды биосинтез

Төменде болашақта фотосинтезді қолданудың келешегі жайында жазылған.

Биомасса мен өсімдіктердің физиологиясы. Селекция мен жаңа түрлердің шығуы ортаның сәйкес шарттарына байланысты. Мысал ретінде, нәтижесі бар C₄-өсімдіктерінің жоғары сәулелену интенсивтілігі шарттарында неге C₃- өсімдіктеріне қарағанда продуктивті болатынын көрсетуге болады(§10.6 қарас.). Биомассаны қайта өңдеудегі энергияның шығуы өскендіктен (11 бөлім) бағытталған ізденіс тек дәнді дақылдар мен өсімдіктерді жинау бағытында емес, сонымен бірге өсімдіктің отындық қасиетінің өсуі облысында болатыны анық. Фотосинтез көмегімен жасанды көміртегі құрамдас құрылымдар, әр түрлі материалдар мен тамақ өнімдері өндірістік шарттарда алынады.

Сутегі өндірісі. Фотосинтетикалық цикл процесінде пайда болатын үш протон, жеке жағдайда газ құрамдас сутегі ретінде алынуы мүмкін. H⁺ионы (электронды қосып алады) PS1 жүйесінің A₁¯акцепторы арқылы қайта құрылады. Осы реакция табиғи шарттарда кейбір табиғи ферменттермен (гидрогеназдар) жүреді, және ол табиғатта, мысалы bacterio-rhodopsin бактериясымен болады, қалдың тамақтың бөлінуімен жүретін адам организміндегі метаболизммен бірге жүреді. Әдетте, O₂болғанда гидрогеназдар әрекет жасамайды, H₂ бөлінсе де аз концентрацияда болады. Cонда да, химиялық реакциялар арқылы сутегінің айтарлықтай мөлшерін алудың келешегі, экономикалық тұрғыдан алғанда мәнді болып есептеледі.

Электрэнергиясының фотохимиялық өндірісі. Фотосинтез процесі PS1 мен PS2 молекулярлы қозудың арқасында қозғалысқа келеді. Молекулярлы құрылымның ішінде жүретін бұл электрондық қозуды, сәулелену әсерінен болатын кеңістіктік зарядтардың бөлінуімен фотоэлектрондық құрылғылардың электронды-кемтіктік аналогы деп есептеуге болмайды. Алайда, бұл молекулярлы экситондарда электрлік тізбектің сыртында токты туғыза алатын энергиясы бар. Дәстүрлі фотоэлектрлік жүйемен салыстырғандағы бұл фотосинтездейтін жүйенің артықшылығы, сәйкес келетін орта химиялық реагенттер ерітінділері ретінде, үлкен мөлшерде өндіріледі, ал электрлік жүйелер олардың қуаттайтын энергиясы бола алады. Фотохимия облысындағы зерттеулер қазіргі уақытта үлкен қызығушылықты тудыруда.

 

 

Биоотын 11 тарау

11.1 Кіріспе

Жануарлар мен өсімдіктер құралатын зат биомасса деп аталады. Биомассаның негізі көміртегі байланыстары болып табылады. Олар оттегімен байланысқан кезде немесе табиғи метабализм нәтижесінде жылу шығарады. Химиялық және биохимиялық процестер нәтижесінде биомасса газ текті метан, сұйық метанол, қатты ағаш көмірі сияқты отындарға түрлене алады. Жүйенің бастапқы энергиясы биомасса –оттегі болады (ол 10-шы тарауда көрсетілген). Оттегі –күн сәулесінен алынған энергиясынан фотосинтез процессі арқылы алынады (бұл күн энергиясының табиғи түрленуі болып табылады). Жану кезінде биоотыннан шыққан энергия шашырайды, бірақ жану өнімдері табиғи экологиялық немесе ауылшаруашылық процесстер арқылы биоотынға қайта өндірілуі мүмкін (1тарау 11.1 сурет). Сонда табиғи экологиялық циклдармен байланысқан өндірістік биоотынды қолдану қоршаған ортаға зиянсыз және үздіксіз энергияны өндіруді қамтамасыз ете алады. Мұндай жүйелер агроөндірістік жүйелер деп аталады. Агроөндірістік жүйелер үшін көп табыс әкелгендер ол: қант қамысын және ағаш өндіру. Құрғақ массамен санаған кезде биосферадағы биологиялық материалдар жылына 250*10 9 т/жыл жылдамдықпен өндіріледі. Сонымен қатар жылына 100*109т көміртегі байланыстырылады. Фотосинтез кезінде тұтынылатын энергия мөлшері 2*1021 Дж/жыл немесе 0,7*1014Вт. Биомассаның толық мөлшерінің тек 0,5%-ы ғана тамақ ретінде қолданылады.

 

Биомассаның құрылуы жергілікті шарттарға байланысты өзгереді және оның өндірілуінің мөлшері аудан бірлігінде суға қарағанда жерде екі есе үлкен. Биоотынды ағаш, қый (шымтезек) немесе ботва (бәлек) ретінде қолдану 1-ші реттік маңызын алады. Үй шаруашылығында орташа есеппен алғанда әлемдегі адамдардың 50 % -ы ағашты отын ретінде пайдаланады және одан өндірілген энергия мөлшері 300ГВт-қа тең.

Бірақ биомасса жаңғыртылатын болып табылса, онда оның пайдалану және өндіру мөлшерін теңестіру қажет. Адам үшін ағашты пайдаланудың оны өндірумен салыстырғандағы көп болуы опатты(гибельно). Биомассаны немесе биоотынды энергия аккумуляторы ретінде пайдалану терең фундоментальдік мағынаға ие. Бұл тарауда көрсетілген түгел процесстердің негізгі мақсаты- түрлі қолданыстарға ие және көліктің сұйық отыны ретінде қолданыла алатын отын түрлерін өндіруді дамыту. Жағу кезінде алынатын таза салыстырмалы энергия мөлшері 10МДж/кг-нан(ылғалды ағаш) 40МДж/кг-ға дейін (майлар, мұнай тәріздес заттар) және метан үшін 55МДж/кг-ға тең болады. Кептірілген негізде болатын көмірсутек биомассасының жану жылуы орташа есеппен 20МДж/кг-ды құрайды. Биомассаны өндіруге негізделген жүйелердің дамуы тек белгілі прицептердің сақталуына негізделген.

1.Биомассаны өндірудің әр түрі өндірілген заттың үлкен спекторын бере алады. Мысалға, қант қамысын өндіруде оның қалдықтарынан (патока мен волокно) коммерциялық бағасы бар масса өндіруге болады. Талшықты жаққан кезде электрэнергиясын өндіруге қолданыла алатын жылу бөлінеді. Күлді топыраққа тыңайтқыш ретінде қайтаруға болады және т.б.

2.Кейбір технологияларда кейбір отын түрлерінен (биомассадан алынатын) өндірілген энергия мөлшері өндіруге кеткен энергия мөлшерінен аз болады. Бұл өсімдік крахмалынан алынатын этил спиртіне байланысты. Бұндай технологияның экономикаға жаман әсер ететіні түсінікті.

3.Биомассаны комплексті өндірудің агрономиялық комплекске тигізетін ортақ экономикалық эффектісін бағалау қиын. Рекомендация шекараларын нақты елестету керек. Өзін-өзі қамту мен ұлттық бюджеттің көбеюін ажырату керек.

4.Биоотынды өндіру тек бірқалыпты толықтырылып отырылатын арзан шикізат қорлары болған кезде ғана экономикалық тиімді. Мысалға гидроэнергетика, онда энергияны өндіру табиғи процесстермен жинақталатын су қорларына пропорционал.Биоэнергетикадағы мысал ретінде қалалық қоқыс, фермалардағы тезек, ағаш өндіруден қалған қалдықтарды келтіруге болады.

Ресурс өнімдеуші технологияларды енгізу кезінде мемлекеттік немесе аудандық деңгейде өндірілетін шикізат қорларының мөлшерін білу қажет. Егер шикізат қорлары аз немесе мүлдем болмаса онда шикізат әкелу немесе сақтау тым қымбат болуы мүмкін.

5.Биомассадан өндірілетін отынды өндірудің интенсивтілігінен мынандай қауіптер туады: ормандар жойылады, топырақ эрозияланады.

6.Биоотын- органикалық қосылыстардың өнімі және соңғысын қолданудың альтернативасы үнемі болады. Мысалға пальма майы сабын компоненттерінің бірі болып табылады.

11.2 Биоотын классификациясы

Отын ретінде биомасса ылғал және көміртегі мөлшерімен сипатталады. Егер m-материалдың толық массасы, ал m0-ылғалсыздандырылған кездегі массасы болса, онда құрғақтылыққа байланысты ылғал мөлшері формуласымен және ылғалдылыққа байланысты формуласымен анықталады. Биомасса метериалында ылғал жасушаішілік және жасушааралық су ретінде болады, сондықтан биомассаны кептіру міндетті болуы мүмкін. Түсім(урожай) жинау кезінде өсімдік биомассасының ылғалдылығы 50%-ға дейін жетеді, ал балдырларда 90%-ға дейін жетеді (су қоймаларында өсірілетін балдырлар).

Егер материал ылғалдығы 10% -тен 15%-ке дейін болса және қоршаған ортамен тепе-тендікте болса, онда материал құрғақ болып саналады. Көміртек отындардың энергия жаңғыртылу мөлшері бойынша классификацияланады.

Биомассаның CO2 мен H2O-ге айналуы процессінде 1 моль көміртегіне 450кДж пайдалы энергия өндіріледі (R=1 болған кезде) және (38МДж 12кг көміртегі үшін). Бұл нақты сандар емес, бұдан басқа тағы энергия өндіру болады.

 

Сондағы қантта (R=1) 12г көміртегіне 450кДж жану жылуы болады. Толық өнделетін материал мысалы: метан CH4 (R=2) әр 12г материалға 900кДж жану жылуын өндіреді (немесе 16г метан). Биоотындағы ылғалдың болуы үлкен шығынға әкеледі, өйткені жану кезінде суды буландыру үшін 2,3МДж/кг энергия керек. Биомассаның тығыздығы да өте маңызды. Мысалы биологиялық материалдардың тығыздығы көміртегіне қарағанда 3-4 есе аз. Сондықтан бұндай материалды жеткізу және өндеу үшін өте көп күш жұмсалады және ол өте қымбат болып шығады.

Астында энергетикалық процестердің типтері көрсетілген (биомассаны өндіруіне байланысты).

І.Термохимиялық

1.Жылуды алу үшін тура жағу. Көбінесе құрғақ гомогенді отын қолданылады.

2.Пиролиз. Биомассаны ауасыз қыздыру немесе жартылай ауасыз биомассаның бір бөлігін жағу. Өндірілетін заттар көп түрлілер болады. Мұнда булар, газдар, сұйықтар, майлар, ағаш көмірі кіреді.

Өндірілген заттың құрамы температуралық шарттардан өндірілуге жіберілген шикізат түріне және өндіріс түріне байланысты. Кейбір кезде ылғалдың болуы міндетті. Егер пиролиздің өнімі жаңғыш газ болса, онда бұл процесс газофикация деп аталады.

3. Қалған термохимиялық процесстер. Шикізатты дайындаудың және процессті өткізудің түрлі нұсқаулары болуы мүмкін. Бұндай процесстер өндірістік масштабтарда өнімнің химиялық құрамына және реакцияға қатаң бақылау жүргізеді. Целюлоза мен қрахмалдың қантқа айналу процесстерінің маңыздылығы зор.

ІІ.Биохимиялық процесстер.

4.Спирттік ферментация. Этил спирті бензиннің орнына қолданыла алатын ұшқыш сұйық отын, ал микроорганизмдердің ферментациясы процессінде өндіріледі. Көбінесе этил спиртін өндіру үшін қолданылатын шикізат түрі қант.

5.Анаэробтық қайта өндеу. Оттегі жоқ кездегі кейбір микроорганизмдердің көміртегі бар элементтерден энергияны алу процессі жүрген кезде CO2 мен СH4 өндіреді. Бұл процесс ферментациялық болып табылады, бірақ оны ашыту (сбраживание) деп атайды, өйткені бұл процесс ас қорыту трактінде өтетін процесске өте ұқсас. Процесс нәтижесінде пайда болатын кезде CO2 мен СH4 және қалған газдар қосындысы биогаз деп аталады.

6.Биофотолиз.Фотолиз- күн сәулесінің әсерінен судың оттегі мен сутегіне бөлінуі. Егер сутегінің отын ретінде ауамен қосылған сутегі жанып кетсе, онда О2 мен Н2-нің рекомбинация процессі болады.Кейбір биологиялық организмдер продуция процессін жүргізеді немесе белгілі бір шарттардың орындалуынан кейін биофотолиз процессі арқылы сутегі продуцирование процессінен өткізіеді.Бұндай нәтижеге тірі организмдердің қатысынсыз, лабораториялық эксперименттік нәтижесін және химиялық реакциялар көмегімен жетуге болады.

ІІІ.Агрохимиялық.

7.Отындарды экстракциялау.

Кейбір кездерде сұйық немесе қатты отын түрлері тура тірі немесе жаңа кептірілген өсімдіктерден алынады. Тірі өсімдіктердің шырын жапырағы немесе бұтағын кесіп жинайды, ол жаңа кесілген өсімдіктердің сокін пресс арқылы шығарады.

Мұндай процесс арқылы каучук алынады. Каучуконостарға жақын, ұқсас герея өсімдігі каучуконостарға қарағанда көмірсутектерді аз молекулалық массамен өндіреді, және олар бензиннің орнына қолданылуы мүмкін.

 

11.3 Энергетикалық мақсаттар үшін биомассаның өндірісі.

Бұдан бұрын айтылған фотосинтез теориясы биомассаны алумен тура байланысты. Фотосинтездің эффектілігі мен өндіріс рентабельностін жоғарлату үшін көп назар аударылады(параграф 10.2 және 10.6).

Энергетикалық фермалар. Бұл термин отынды өндіруді білдіре тұра үлкен мағынада қолданылады (ауылшаруашылығы өндірісі, орман шаруашылығы, аквомәдениет бұдан басқа органикалық қалдықтар өндірілетін шаруашылық салалары). 11.1 кестеде шексіз көп шаруашылық мысалдарынан бірнешесі көрсетілген. Шикізатты өндеудің негізгі мақсаты энергияны өндіру болуы мүмкін, бірақ ең тиімді жолдың бірі бұл энергиямен қатар биоотынды өндіру. Мысал ретінде энергетикалық фермаларды алуға болады.ондай фермалар қант қамысын өсіру мен өндеумен айналасады. Өндіріс қант қамысы қалдықтарын жағудан өте тәуелді, өйткені ол энергия технологиялық тізбекті энергиямен қамтуға кетеді.

 

 

Өндірісте мехонизацияны қолдансақ, онда қосалқы өнім алуға жол береді (қосалқы өнім: патока, химикаттар, этил спирті, құрылыс материалдары, электрэнергиясы). Этил спиртін және электрэнергиясын өсімдіктерді өсіруге және тасымалдауға қолданыла алатынын атап ету керек.

Ауыл шаруашылығы өнімдерінің артықшылықтары мен кемшіліктері.

Артықшылықтары: Кемшіліктері:

 

Өте үлкен потенциалдық қорлары бар.

Топырақ эрозиясына әкеледі.

 

Өнім түрлері көп. Тамақ өндірісімен бәсекелеседі.

 

Қолданыстың көп түрі бар. Гендік инженерияны қолдану жаңа қадағаланбайтын организм-

дердің пайда болуына әкеледі.

Түгел агроөнеркәсіп пен орман шаруашылығына байланысты Биомассаны фабрикаларға транс-

портының прегрузкасына әкеледі.

 

Интеграциялық ауылшаруашылығын қолдайды. Қоршаған ортаның ластануына әкелуі мүмкін.

 

Жанама(побочные) өнімдерін

қолданады.

 

Қоршаған ортаның жағдайын

қалдықтарды утелизациядан

өткізу арқылы жақсарту.

 

Су мен ауаның ластану мөлшерінің

комплексті тиімді өндеуден

өткізу арқылы азаюы.

 

Ауылшаруашылығын дамытады.

Өнімдерге байланысты үнемдеу

жоғарылайды.

 

Дамушы мемлекеттердегі өте

үлкен потенциал.

 

Агроөндірістің дамуы.

 

Ең маңызды проблемалардың бірі энергия өндірудің тамақ өндірумен бәсекелесте болуы.

 

Мысалға: АҚШ-тың егін өсіретін фермалары әлемдік нан өндірісінің 10%-ын қамтамасыз етеді. Ал оның 1/3 бөлігінің экспорты кейбір мемлекеттердің дефициттерін жабады. Аса көп мөлшердегі биомассаны өндіру әлемдік тамақ нарығына кері әсер тигізуі мүмкін.

Екінші маңызды проблема-ол энергетикалық өсімдіктерді интенсификациялық өндеу топырақ эрозиясына әкеледі. Бұл проблемаларды шешудің тек қана бір жолы бар- адамға, энергетикалық биомассаға және ауыл шаруашылығына керек өсімдіктер мөлшерін өндіру.

Географиялық орналасу.Энергетикалық фермаларды салуға ең көп потенциалмен тропикалық мемлекеттер иеленуі түсінікті, әсіресе топырақ құнарлығы жақсы мемлекеттерде.

11.2 кестеде кейбір мемлекеттер үшін биомассаны өндірудің потенциалдары көрсетілген. Бұл бағыттың дамушы мемлекеттер үшін көп пайда әкелетіні түсінікті.

 

Өнім (урожай) алу. Метерологиялық шарттар, агротехникалық комплекс, қолданылған тыңайтқыштар және т.б. информация көмегімен ғана өнім (урожай) мөлшерін білуге болады. Өнім мөлшеріне қарай биомасса түрлерін салыстыру қиынға соғады, өйткені ол биомассаны өсіру уақытына байланысты.

 

 

Ауылшаруашылығының өнімдерінің кейбір түрлерін жыл сайын өсіреді және кейбір мезгіліне бірнеше рет жинауы мүмкін (шөп), басқаларын бірнеше жылда бір рет егеді, бірақ жыл сайын жинайды (мысалға: қант қамысы).

Ағаштардың кейбіреулері көп жыл өседі, бірақ оларды толығымен кесіп жойып тастайды. Қалғандары қөптеп өседі сондықтан оларды бірнеше жылда бір рет кесіп, өндеу мүмкін (мысалға: эвкалипттің кейбір түрлері).

11.3 кестесінде ауылшаруашылығы өнімдерінің жану жылуы мен өнім (урожай) мөлшеріне байланысты максимал биоотындық потенциалы көрсетілген.

Энергетикалық зерттеу (анализ). Өнімді (урожай) өсірумен өндеу үшін күн сәулесінің энергиясы қажет, ауылшаруашылық көліктеріне отынды алу үшін, сол көліктерді жасау, тыңайтқыштарды салу үшін қолданылатын энергия формалары қажет және т.б. Екінші түрі (формасы)-бұл брутто энергиясы болып табылады. Бұл түгел энергия түрлерінің біріктірілген және ауыл шаруашылығы өндірісі үшін керек күн энергиясынан айырмашылығы бар. Энергетикалық зеттеудің техникасын түсіндіру үшін ең жақсы мысал ретінде (11.4 кесте) өсімдік өнімдерінен алынатын этил спиртін алуға болады.

Мұнда 1кг этил спиртіне тән энергия шығындары көрсетілген, сондағы брутто энергиясының жалпылама көрсеткіші 7 сызықта (строка), ал нетто энергиясы 8 сызықта көрсетілген. Көрсетілген мысалдардың көбінде соңғы өнімді (30МДж) жағудан алынатын энергия (нетто-энергиясы) өндіруге кеткен энергиядан (брутто-энергиясы) аз болады. Бұдан ондай технологияларды қолдану мүлдем пайдасыз деген пікір құрастырылуы мүмкін.

Бірақ өндіру кезіндегі максимал шығындар қыздыру процессі мен шикізат өндеу процессімен байланысты екіндігін ескеру керек (3-5 сызық). Өндірістің қалдықтарын қайта өндеу нәтижесінде алынатын қосымша энергия шығындарды жартылай немесе толық өтеуге болады (мысалы: қант қамысының жомы (жмых), ағаш қалдықтары, жарма өсімдіктерінің сабаны). Бұл жағдайда өндірісті энергиямен қамту күн энергиясын қолданудан қымбат болмайды. 10 сызықта (строка) 3-5 сызықтағы қолданылатын энергияны өтеу (компенсация) арқылы артық энергияны алу мүмкіншілігі көрсетілген.

Энергетикалық зерттеу мен оған байланысты экономикалық факторлар және агроөндірістік әдіс арқылы биомассаны алу және өндеу мысалдағыға қарағанда қиынға соғады.

Энергетикалық зеттеу – энергия тұтынатын және энергия өндіретін жүйелер шығындарын табу үшін қолданылатын пайдалы инструмент, өйткені ол техникалық және технологиялық процесстердің бас аспектілерін бөліп шығарады. Бірақ проблема ол ғана емес. Мысалға 11.4 кестеде көрсетілгендей қант қамысынан алынатын этил спиртін өндіру барынша ақталған болып табылады. Бірақ қорытынды таңдау экономикалық факторларда негізделген, олардың арасында ең маңыздылары отынмен қамтудың сыртқы нарықтан тәуелсіздігі және баламалы өнімдердің (мысалы: тамақ) қорын сақтау.

11.4 Биоотынды жылу алу үшін жағу.

Жағылатын биомассаның жылуы көмегімен тамақ дайындалады, үйлер жылумен қамтылады және өсімдіктерді өндеуде қолданылатын көптеген технологиялық процесстер орындалады. Оны түрлі техниканың жұмыс істеуіне қолданылатын электрэнергияны өндіруге қолданылады.

Дамушы мемлекеттердің көбінде биомассаны жағу отындағы мұқтаждықтын үлкен бөлігін өтеу үшін қолданылады. Бұл ағашпен жылытылатын пештерді қолданудан және биомассаның көп мөлшерін энергияны өндіру үшін қолдану салдарынан болып табылады. Ал дамыған мемлекеттерде ситуация басқаша онда қазып алынатын отын түрлерін және атом энергетикасын қолдану бірінші орында болады.

Тамақ дайындау және үйді жылыту (жылумен қамту). Әлем халқының жартысына жуыға ағашты және биоотынның кейбір түрлерін тамақ дайындау және үй жылыту үшін қолданады. Бір адамға шаққанда тәулігіне отынның тұтыну мөлшері 0,5-1кг құрғақ биомасса болады (ол 10-20МДж/тәу немесе 150Вт). Егер бұл санды 2*109-сіне көбейтсек (1980 жылдағы адам саны), онда 300ГВт энергия шығады. 150Вт-ті тек қана тамақ дайындауға тұтыну тиімсіз көрінеді. Бұл ашық от алауын қолдануға байланысты. Мұндай құралдардың ПӘК-і тек 5%. Қалғаны қазан мен алаудың өлшемдерінің әр түрлілігіне және алауды желмен әкетуіне байланысты. Энергияның көп мөлшері қазанның нық жабылуынан жылудың булану арқылы кетуі және шикі отынды қолданғандықтан шығындалады. Оттан түтіннің (толық жанбаған көміртегі) шығуы – толық емес жанудың нәтижесі. Толық жанған ағаштардың өнімдері тек CO2 мен Н2О-дан құралған. Түтін адам денсаулығына зиянды екенін және жану жылдамдығы реттелмейтіндігін айта кету керек.

Тамақ дайындаудың әсерін, тиімділігін мына фактролардың орындалуы арқылы жоғарлатуға болады.

1.Тамақтын биомасса түрлерін және оны дайындау тәсілдерін қолдану. Мысалы тамақты буда пісіру.

2.Жақсы қазан, кәстрөлдерді және жақсартылған қондырғыларды шығындарды азайту үшін қолдану.

3.Жанғыш газдардың жанып бітуін тездету (интенсификация).

4.Қыздырғыштарды қолданудың жақсы тәсілдерін таңдау.

Мұндай факторларды қолданудың әсерінен тура тамақ дайындау үшін қолданылатын энергия мөлшері 20%-ға жетеді.

 

 

Ал пештерге арнайы вентилятор арқылы ауаны жіберсе олардың пайдалы әсері 50%-ға дейін өседі. Ас үй плиталарының ғылыми негізделген түрлері көп, бірақ оларды сататын нарық барлық жерде жоқ.

11.4 суретте ағаш плиталарының екі түрі көрсетілген. Олар ағашты тамақ дайындаған кезде максимал пайдалану үшін шығарылған. Екі түрі де дамушы мемлекеттердің халқы үшін тиімді және арзан.

11.4а суреттегі плитада отынның жану процессі толығымен сол жақта орналасқан топкада болады. Темір есік (суретте штрихталған) тек отынды салу үшін ашылады. Ауа есіктің асты жағында орналасқан саңылау арқылы өтеді (суретте ол жабылған). Бұл тамақ дайындау тәсіліне байланысты жануды реттейді. Ыстық газдар комфорканың саңылауларына батырылған қазандар астында орналасқан тар саңылау арқылы келеді. Бұл кезеңде қосымша саңылаулар арқылы келетін ауа көмегімен жанғыш газдар толық жанады және жанудан кейін плитаның оң жағында орналасқан труба арқылы шығады. Конструкция тамақтың ластануын тоқтатады және ауа ауысуын (воздухообмен) жақсартады.

 

11.4 б суреттегі плита қарапайым және арзан. Бірақ ондай плитаның жұмысын басқару қиынға соғады және ол басқаларына қарағанда әмбебаптігі (уневермальный) аз. Соған қарамастан оның аз массалы болуы қазандыққа көп жылу беруге мұрша береді. От жылуын жоғары әсерлікпен қазаңға береді. Бұндай плита ағаш көмірін жағуға жақсы бейімделген (ондай отыннан түтін мөлшері минимал болады).

Техникалық дақылдарды(культура) кептіру (копра, какао, кофе,шай). Оларды сақтау үшін әдетте ағаш немесе өндіруден қалған қалдықтарды жағу немесе өндірістен шыққан жылудың артық мөлшерін қолданады. Материалды кептіру үшін оны тікелей газдар ағынына салады, бірақ тамақтың сапасы төмендеуі мүмкін.

Қалдықтарды жағу – Биоотынды қолданудың рационалды тәсілі. Эффективті пештердегі жағудан температурасы 1000оС болатын, пайдаланылған (выхлопные) газдар пайда болады, және олардың температурасын кейбір кездерде реттеу үшін суық су ағынын жібереді (СО2+Н2О+артық ауа). Биомассаның қалдықтарының утелизациясынан әрдайым алынатын ұтылым олардың мөлшерінің керек мұқтаждықтан үлкен болуынан.

Жылу және электрэнергия өндіру. Өндірісті қамтамасыз ететін буды түрлі биомассаның қалдықтарын қазан топкаларында жағудан алады. Электрэнергиясын өндіру үшін ең пайдалы болып жоғары температуралық жылу саналады. Бұл энергияны алу кезіндегі төмен температуралық жылудың тоқтаусыз шығарылуына әкеледі (сброс). Сонда да бу қазандарының қымбат екенін айта кету керек. Электрэнергиясын алудың эффективтілігі өте төмен, өйткені электрэнергияға жылудың тек бір бөлігі ғана өндіріледі.

Ағаш ресурстары. Ағашты жаңғыртылған энергия көзі деп, оның калпына келу жылдамдығының жойылу жылдамдылығынан көп болған кезде ғана санай алатынымызды қайта айта кетеміз. Ресурстардың қалпына келуі табиғи ормандарда және жасанды плантацияларда болады (мұнда ағаш өсу жылдамырақ). Әлемдік ағаш қорлары тек жағуға ғана кетпейді бұдан басқа құрылыс материалдарын жасау, қағазды өндіру және басқа өндірістің қажеттіліктеріне шығындалады. Бұдан басқа санитарлық кесу (рубка) кезінде ағаштардың көп мөлшері жағылады. Көптеген мемлекеттерде(мысалы: Судан, Кения, Непал) ағаштардың отын өндіру үшін шығыны, олардың өсімінен көп, сондықтан ағаш ресурстары таусылып жатыр. Бұдан басқа мемлекеттердің ағашты отын ретінде қолданатын тұрғындар саны жылына 2-3%-ға өседі. Сондықтан тамақ дайындау үшін керек отынның мұқтаждығы пайда болады. Бұл проблеманы шешу үшін тек ормандарды интенсификациялау ғана емес, бұдан басқа тамақ дайындауға жоғары эффективті тәсіл табу керек.

11.5 Пиролиз (құрғақ айдау (перегонка)).

Пиролиз – химиялық қосылыстарды немесе отынды алу үшін шикізатты қыздыру немесе жартылай жағуға негізделген процесс. Бастапқы шикізат ретінде ағаш, биомасса қалдықтары, қалалық қоқыс және көмір қолданылады. Пиролиздің өнімдері – бұл газдар, сұйық конденсат мысалы: шайыр(смола) мен майлар, қатты қалдықтар:ағаш көмір және күл. Ағаш көмірді өндірудің дәстірлі процесі болып пиролиз табылады (газдар мен буларды жинаусыз). Газофикация – бұл максимал газды түрдегі отынды алу үшін негізделген пиролиз түрі.Пиролизді жүргізу нұсқаулары 11.5 суретте көрсетілген. Ең қалаулы болып вертикаль қондырғылар саналады олар отынмен үстінен толтырылады. Өндірілетін газ тектес отын бастапқы биомассаға қарағанда қолдану және тасымалдау қолайлы. Биомассаны ішінара жағуға арналған және отыннан максимал газ алуға негізделген қондырғылар газогенераторлар деп аталады. Оларда өтетін процесстер пиролиздіктерге байланысты. Пиролиздің ПӘК-і өндірілген отынның жану жылуының, өндіруге кеткен жану жылуына қатынасымен анықталады. Олардың ПӘК-і 80-90% аралығында болады.

 

Мысалға ағашта жұмыс істейтін газогенератор бастапқы энергияның 80%-ын жанғыш газдарға түрлендіре алады (көбінесе Н2 мен СО) және ол газдар бензин қозғалтқыштарда жұмыс істей алады. Бұл процессті электр энергиясын өндіруде қолданған кезде олардың тиімділігі бу қазандарына қарағанда жоғары болады. Бұндай қондырғылар шығын масштабы электрэнергетикаға потенциалды жарамды (150кВт-тан кем).

Биомассаның пиролизі кезіндегі химиялық процесстер көбінесе синтетикалық газдарды алу үшін, көмірді айдау және кокспен майларды алу үшін қолданылатын процесстерге ұқсас. Мысалға табиғи газ (СН4) қолданылғанға дейін Еуропада аса көп мөлшерде светильный газ (Н2+СО) қолданылған. Ол газдар шектелген ауа мөлшері бар жердегі судың ыдырауынан пайда болады.

 

 

Пиролиз процессі жақсы өтуі үшін белгілі шарттар орындалуы керек. Әкелінетін материалды алдымен жанбайтын қоспаларды азайту үшін реттейді, кептіреді, ұнтақтайды (кептіру кезінде материал аса кеппеуі керек). Өндірілетін өнімдердің қатынасы мен температураға әсер ететін критикалық параметр ауа мен отынның қатынасы болып табылады. Блоктың жұмысын ең оңай реттеу үшін тиімді температура 600ос болып табылады.Одан жоғары температураларда (600ос-1000ос) блоктын жұмысын реттеу қиынға соғады, бірақ өндірілетін газдардағы сутек мөлшері көп болады. 600ос-тан кем температурадағы айдаудың 4 стадиясын белгілеуге болады.

1.100-120ос-газогенераторға салынатын материал түсірілгенде ылғалсыздандырылады.

2.275ос-шығатын газдар негізінде N2, СО және СО2- ден тұрады; және уксус қышқылы мен метан пайда болады.

3.280-350ос-экзотермиялық реакция басталады. Олардың нәтижесінде химиялық элементтердің күрделі қоспалары бөлінеді (ол элементтер нетондар, альдегидтер, фенолдар, эфирлер).

4.350ос-тен жоғары –ұшқыш қосылыстардың түгел типтері бөлінеді. СО-ның құрылуымен бірге Н2-нің өндірілуі көбейеді, көміртегінің бөлігі ағаш көмірі ретінде сақталады (ол көмір күлмен араласқан).

Шайыр және пиролигендік қышқылдар деп аталатын конденсациялық сұйықтықтар түрлі химиялық өнімдерді алу үшін қолданыла алады (мысалға: метанол, сұйық отын).

11,6 кестеде детализация көрсетілген.

 

Пиролиз нәтижесінде алынған отын түрлері бастапқы биомассаның суммалық жану энергисынан аз, бірақ қолдануының уневерсальдугі жоғары. Кейбір өнімдер бастапқы энергия тығыздықтарынан жоғары энергия тығыздықтарымен сипатталады (мысалға: СН4-тің тығыздығы 55МДж/кг). «уневерсальность» термині жануды басқарудың жақсылығын, тасымалдаудың оңайлығын, тұтынушыларының қондырғыларының спекторының ұлғаюы, қоршаған ортаның аз ластануын білдіреді.

Қатты қалдық (максимал масалық үлесі 25-35%). Заманауи 600ос температурада жұмыс істейтін ағаш көмірін алуға арналған қондырғылар құрғақ биомассаның 25-30%-ын өнімге өндіреді. Дәстүрлі пештер ағаш көмір өндірудегі 10% шамасндағы шығарылыммен қамтылған (выходом). Ағаш көмірі 75-85% көміртегінен құралады және егер оған арнайы жылусыйымдылығын көтеру үшін шарттар қойылмаса (химиялық таза ағаш көмірі үшін сияқты), онда оның жану жылуы 30МДж/кг-ға тең. Сонда егер ағаш көмірін ағаштан өндірсе, онда бастапқы химиялық энергияның 15-50%-ы сақталады. Ағаш көмірі отын ретінде басқарылатын тазалықпен болуы керек. Химиялық таза ағаш көмірі лабараториялық практика мен қатар өндірісте де қолданылады. Ол жоғары сапалы болат өндірісінде қолданылатын кокстелген көмірден жақсырақ.

Сұйықтар (конденсацияланған булану, максимал массалық үлесі шамамен 30%). Сұйықтар тұтқырлы фенолды шайырлар, ағынды сұйықтар, пиролизденген қышқылдар, негізінде уксус қышқылына метанол (максимум 2%) және ацетонға бөлінеді. Сұйықтар сепарация процессінен өткізілуі мүмкін немесе қосылыстармен бірге жану жылуы 22МДж/кг-ға тең өнделмеген отын ретінде қолданыла алады. 1 кг құрғақ биомасса үшін максимал шығатын сұйық мөлшері 400л-ге тең.

Газдар (газогенераторда алынатын, максимал массалық үлесі шамамен 80%). Пиролиз нәтижесінде бөлінетін газдардың азотпен коспасы ағаш газы, синтетикалық газ, генераторлық газ,немесе сұйық газ деп аталады. Ауадағы жану жылуы 5МДж/кг-ға тең (кәдімгі шарттар кезінде 4-8МДж/кг). Газдар негізінен N2, Н2 және СО, аз мөлшерде СН4 және СО2-ден тұрады. Оларды қысымы атмосфералық қысымға жақын қысымда газгольдерде сақтауға болады. Жоғарыда көрсетілгендей ол газдар сығылмайды. Таза және біртекті газды алған кезде ағаштан пиролизбен алғаннан гөр,і ылғал ағаш көмірден газофикация процессімен алған тиімді. Бұл өндеу кезінде (ағаш пен ағаш көмірін) шайырлардың көп бөлігінің алынуына байланысты.

11.6 Басқа термохимиялық процесстер.

Жоғарыда биомассаны жағу мен пиролиз процессінен өткізу көрсетілген (алдын ала тазалаудан өткізілген). Бірақ ол спирттік ферментация, екінші ретті және жақсартылған отынға керек бастапқы материалды алу үшін химиялық өндеуден өтуі мүмкін.

Мында химиялық өндеудің ең маңызды түрлері көрсетілген:

Гидрогенизация.Ұсақталған,ыдыратылған және аса пісірілген (переваренная) биомассаны, мысалы көң (навоз), 5МПа(50атм) қысымда 600ос температураға дейін қыздырады. Сонда алынатын жанғыш газдар, негізінде метан және этан, жағу кезінде 1кг құрғақ шикізаттан 6МДж энергия алады.

СО мен буды қолданғандағы гидрогенизация. Процесс біріншісіне ұқсас, бірақ қыздыру 5МПа қысымда СО мен су буы атмосферасында 400ос-ге дейін жүргізіледі. Реакция өнімдерінен синтетикалық мұнай алынады, және ол отын ретінде колданыла алады. Бұндай реакциялар катализатор көмегімен жүргізіледі:

 

Соңғы реакция көмірсулардың мұнай тәріздес көмірсутекке айналуын көрсетеді. Бұл процесстегі энергия айналуының пайдалы әсері 65%-ға тең.

Қышқылдармен ферменттердің әсерінен өтетін гидролиз. Құрғақ өсімдіктердің негізгі бөлігі болып табылатын целюлоза (30-50%-ға дейін), ол гидролизге қиын ұшырайды, сондықтан микроорганизмдердің ащуыда баяулайды (см 11.7). Ащи алатын қанттың целюлозаға айналуы күкірт қышқылында қыздыруда немесе кейбір микроорганиздердің целюлоза ферменті әсерінен болады. Алынған өнімдерді қара малдың жемі ретінде қолдануға болады.

Кокос жаңғақтарының майларының эфирлерге өнделуі. Бұл биоотынды алу үшін қолданылатын тәсілдердің бірі болып табылады. Кокос жаңғақтарының ақ целюлозасы (мякоть) (копра) шамамен валдарда сығылатын майлардан 50%-ға тұрады. Тек Филипиндағы бұл майлардың өндірісі 106т/жылына болады. Кокос майы қозғалтқыштарда дизель отыны ретінде қолданылады. Бірақ ол жанған кезде улы газ бөледі және +23ос-тен төмен температурада қатып қалады. Майға көлемге байланысты 20% метил және этил спиртін қосқан кезде, ұшқыш эфир мен глицеральді алуға болады. Эфирлер мұнайға қарағанда жақсы дизель отыны болып табылады, ал глицерол-қымбат екінші текті өнім болып табылады. Этил спиртін қантты ащытумен алады, ал метил спирті ағаш қалдықтарынан газофикация процессімен алынады. Алынатын эфирлердің жану жылуы 38МДж/кг-ға тең, ол өңделген майлардан жоғары және бензинге жақын (46МДж/кг). Басқа өсімдік майлары сондай ұқсас тәсілдермен өнделеді.

Отын ретіндегі метил спирті. Метил спирті(метанол) –330ос-тегі және 15МПа-дағы Н2 мен СОнің арасындағы өтетін каталитикалық процесс нәтижесінде пайда болатын улы газ.

 

Бұл газдар-синтетикалық газдардың компоненттері болып табылады, олар биомассаның газофикациясының нәтижесінде алынады. Метанолды 23МДж/кг жану жылуымен бензиннің орнына қолдануға болады.

 

11.7 Спирттік ферментация (айдау).

Спиртті өндіру әдістері. Этил спирті (этанол) С2Н5ОН табиғи шарттарда қышқыл ортада микроорганизмдер мен қанттан құралады (рН- 4-тен 5-ке дейін). Ферментацияның бұндай түрін түгел Әлем ішуге жарамды (питьевой) спирт алу үшін қолданады. Ең көп қолданатын микроорганизмдер-ашытқы Saccharomyces cerevsiae. Олар-10%-дан жоғары спирт концентрациясында жойылады, сондықтан онда айдау немесе фракциондау процессі қолданылады (11.6 сурет). Айдау (дистиляция)дан кейін тұрақты температурада қайнайтын қоспа пайда болады: 95%-ы этанол 5%-ы су. Өндірісте ылғалсыздандырылған этанол бензол типті ыдыратушы мен бірге айдаудан өткізіп алынады. Ащу кезінде энергияның тек 0,5%-ы шығындалады, ал қалған шығындар айдауға байланысты. Керек жылу энергиясын биомасса қалдықтарын жағу арқылы алуға болады.

 

Астында этанолды өндірудің күрделенуіне байланысты өндіру түрлері көрсетілген.

1.Қант қамысынан. Сахарозаны қант қамысының шырынынан алады, ал қалған патоканы спиртті өндіру үшін қолданады (11.3 сурет). Патоканың өзі 55%-ға қанттан тұрады. Егер патока нарықта қолданбаса онда оны спиртке айнылдыру үнемді болады.

Сахарозаның этанолға айналуының негізгі реакциясы.

 

Ферментация реакциялары басқа қанттар үшін өте ұқсас (мысалға: глюкоза).

2.Қант қызылшасынан.Басында ащу үшін керек қантты алады, бірақ қызылшадан жылуды алу үшін керек қалдықтар мөлшері өзгермейді. Сондықтан этанол қымбаттайды.

3.Өсімдік крахмалынан.

Мысалға дақылдардан немесе маниоктан; крахмалды қант сияқты гидролизге ұшыратуға болады. Бұл өсімдіктердің негізгі аккумуляциясы көміртегі болып табылады. Ол массалары жоғары екі заттан құралған амилоза мен амилопектин. Бұл үлкен молекулалар анық сызықты және көміртегі байланыстарымен қосылған (глюкоза қалдықтарынан құралған). Олар солод ферменттерімен ыдыратыла алады. Ферменттер көптеген дәнді дақылдарда бар (мысалы:ячмен). Бұндай әдістер вискиді,кукурузалық арақты немесе маниок тамырларынан спиртті өндіргенде қолданылады. Крахмалдағы күшті көміртек байланытарын оларды күшті қышқылдармен өндегенде (рНжуықтағанда 1,5) ыдыратыла алады (процесс 0,2МПа қысымда жүргізіледі). Бірақ бұл процессте қант шығарылымы азаяды, ол процесстің өзі ашытумен салыстырғанда қымбаттайды. Ашытудың керекті екінші текті өнімі болып қалдықтар,жемтік (отходы) саналады. Олар қара мал үшін жем ретінде қолданылады.

4.Целюлозадан. Түгел құрғақ биомассаның 40%-ын алады (содержит) иемделеді және потенциалды жаңғыртылған энергия көзі болып табылады. Глюкоза молекулалары полимерлік байланыстарынме иеленеді. Бұл полисахарид- ең көп тараған полимерлердің бірі. Ол ағаштектес өсімдіктердің шықты каркасын жасайды. Целюлозадағы глюкоза молекулаларының байланыстары крахмалдағы байланыстарға қарағанда жаман гидролизденеді. Өсімдіктердегі целюлоза оның гидролизденуіне қарсы әрекет ететін лигнинмен (бұл полимердің болуы өсімдіктің ағаштануына әкеледі) тығыз байланысты. Крахмалға ұқсас целюлоза да қышқыл ортада гидролизденеді, бірақ бұл процесс өте қымбат және энергияны қажет етеді. Грибоктарды қолдану нәтижесінде гидролиз процессі арзандайды және энергиясыйымдылығы азаяды. Бірақ бұл процесстің үлкен қатерлігі бар, ол процестің өте ұзақ болуы.Өндірістік прцесстің негізінде ұнтақталған ағашты немесе ескі газеттерді қолдануға жатады. Ағашты механикалық сындыру (разрушение) ең қиын және ең қымбат процесстің стадиясы, ол көп энергиясын қажет етеді.

Этанолды отын ретінде қолдану.Сұйық отындар қолдануының оңайлығына және жанудың жақсы реттелуіне байланысты. Ал кәдімгі қозғатқышқа байланысуы керект Шамасы, 95% -ды этанол тура қолданыла алады. Ал кәдімгі қызғалтқышқа 1:10 қатынасындағы 100%-дық этанолды құюға болады (мысалы: ылғалсыздандырылған). Судың бензинмен араласпайтынын және судың бактардың қабырғаларында табылуын айта кету керек. Бірақ бұны ылғалсыздандырылған спирті және құю үшін арналған бактарда жасатқызбау керек.

Ылғалсыздандырылған этанол -117 +78oc аралығындағы температурада сұйықтын жану температурасы 423ос. Оның қозғалтқышта қолдану үшін арнайы корбюраторды қолдану қажет.Сондықтан оны қозғалтқышта қолданудың алдында ылғалсыздандырылған этанолмен (20% мөлшерінде) араластырады. Бұл қоспа газохол деп аталады. Қазіргі кезде газохол Бразилияда кәдімгі отын ретінде қолданылады (онда этанол қант қамысы мен маниоктан өндіріледі), оны АҚШ-та да қолданады (этанол кукурузадан өндіріледі).

Этанолдың маңызды қасиеті бұл-оның соққалы жүктемеден жарылыссіз өтуі, сондықтан ол қорғасын тетроэтил қоспаларына қарағанда тиімді (тетроэтил атмосфераның ластануына әкеледі). Этанолдың қасиеттері қозғалтқыштың қуатын бензинге қарағанда 20% -ға көбейтеді. Этанолдың массалық тығыздығы және жылулық қасиеттері бензинге қарағанда төмен, сондықтан оның жану жылуы (20МДж/м3) бензинге қарағанда (39МДж/м3) 40%-ға төмен.(11.5кестеден қарау). Бірақ этанолдың жақсы жануы бұл жану жылуының кемдігін (недостаток) жабады. Қозғалтқышта газохол мен бензин бірдей мөлшерде қолданылады (тәжірибемен дәлелденген).

Этанолдың бағасы жергілікті шарттарға және баламалы энергиясының бағасына тығыз байланысты.

 

Этанолды техникалық дақылдардан (культуры) өндіру. 11.7 кестеде техникалық дақылдардың өнімділігіне байланысты этанолды өндірудің кейбір мысалдары көрсетілген. Өнеркәсіп өндірісі энергетикалық, экономикалық және басқа көптеген факторлардан тәуелді.

11.8 Биогазды анаэробтық ашыту арқылы алу.

Кіріспе. Табиғи процесстерде (условие) биомассаның ыдырауы, сондай-ақ жануарлар қыйы, ыдыратушы организмдер, саңырауқұлақтар, бактериялар әсерінен гумуста элементар бөлшектерге ыдырайды. Бұл процесс үшін ылғал климат (сырость), жылу және жарықтың болмауы жағымды. Процесстің соңғы стадиясында толық ыдырау аэробты немесе анаэробты болып классификацияланатын түрлі бактериялардың әсерінен жүреді. Аэробты бактериялар оттегі бар ортада дамиды, олардың қатысуымен биомассаның көміртегі СО2-ге дейін қышқылданады. Көмірсулардың ыдырауы арқылы өмір сүретін анаэробты бактериялар көміртегі аз, тұйықталған жүйелерде сыртқы ортадан дамиды. Соңында олардың әсері нәтижесінде көміртегі толық қышқылданған СО2-мен қайта құрылған (востановленный) СН4 арасында бөлінеді. Азот қосылыстары сияқты қоректік заттар топырақ тыңайтқыш гумус түрінде сақталады. Микроорганизмдердің биомассаны ыдырату реакциясы ферментация процестеріне кіреді. Бірақ анаэробты процесстерде өтетін раекциялар «ашу» деп аталады.

 

Биогаз-максимал метанның шығарымын қамтамасыз ететін биогазгенераторларда пайда болатын СН4 пен СО2 қоспасы (басқа әдебиеттерде метатэнк деп аталады). Биогазды жаққандағы алынатын энергия құрғақ материалдың бастапқы энергиясының 60-тан 90%-ға дейін жетуі мүмкін. Бірақ газ 95%-ы су болатын сұйық массадан алынады, сондықтан шығынды практикада анықтау қиынға соғады. Процесстің ең маңызды лайықтығы (достоинство) бұл оның қалдықтарының ішінде бастапқы материалға қарағанда аз мөлшерде зиянды организмдер болады. Бірақ анаэробты ыдыраудан түгел паразиттер мен патогенді микроорганизмдер жойылмайды.

Биогазды алу қолайлы биогазогенератор бар қалдықтар ағынында жұмыс істесе, онда ол экономикалық ақталған және артықшылықты болады. Мұндай ағындардың мысалы ретінде: канализациялық суағар, шошқа фермаларын келтіруге болады. Бұндай ағындар экономикалық тиімді. Өйткені қалдықтарды алдын ала жинау және оларды әкелу процессін қадағалау керек емес. Ондай ағындарда қанша қалдық бар екенін және оның саған қаншаға жететінін білесін, сондықтан саған тек оларды биогазға өндіру керек.

Биогазды түрлі масштабтардағы қондырғыларда алуға болады. Олар агроөндірістік комплекстер үшін өте пайдалы. Өйткені ондай өндірістерде толық экологиялық циклда жұмыс жасау керек. Мұндай комплекстерде қыйды анаэробты ашытады, содан кейін ашық бассейінде аэробты өндейді. Биогазды жарықтандыру, механизмдерді жұмыс істеткізу, транспорт, электрогенератор және жылыту үшін қолданады.

Негізгі процесстер және энергетика. Анаэробтық ашытуды көрсететін негізгі теңдеу былай жазылады:

 

Целюлоза үшін бұл теңдеу былай жазылады:

 

Кейбір органикалық қосылыстар мысалы лигнин және түгел бейорганикалық құраушылар ашытылмайды. Олар бұл процессте инертті масса ретінде болады және жүйені ластайтын күлді өндіреді. Бірақ айтылғандай биогазогенераторды толтыратын масса 95%-ға судан тұрады. Бұл реакциялар сәл экзотермиялық, олардың өтуі нәтижесінде 1кг құрғақ ашытылатын биомасса үшін 1.5МДж энергия немесе 25 кДж/моль С6Н10О5 өндіріледі. Бұл ашытылатын массаны керек температураға дейін қыздыру үшін жетпейді.

Егер ашытылатын материалды кептіріп жақсақ, онда оның жану жылуы 16МДж/кг-ға тең болады. Ашыту процессі кезінде жану жылуының тек 10%-ы ғана жойылады. Сонда конверсияның ПӘК-і 90% болады. Бұдан басқа ылғалдылығы жоғары материал ашыту процессіне қосылса, онда ол процесс жануы жақсы басқарылатын жоғары сапалы газтектес отын береді. Сол кездегі ылғалдылықтын 95%-ын жойғанда құрғақ қалдықтың әр 1 кг-мы үшін 40МДж-ға дейін энергия қажет. Практикада ашытуды соңына дейін сирек жеткізеді, өйткені ол процесс көп уақыт алады. Әдетте бастапқы өнімнің 60%-ын ашытады. 1м3 су үшін 5кг құрғақ биомасса шы&#