Biologinės energijos gavimo būdai
1.1 Energija ir gamtiniai rezultatai
Labai paplitęs gamtinių iškasenų naudojimas privedė prie daug industrializuotos visuomenės privalumų. Dideli agrokultūros, namų ir industrinės pramonės nuodingų atliekų kiekiai gauti šalyse kaip vystymosi rezultatas, turi žalingą poveikį tiek gamtai, tiek žmogaus sveikatai. Itai-itai ir Minamata ligos Japonijoje, yra tik du pavyzdžiai oro ir vandens užterštumo poveikio žmogaus sveikatai. Gamtos apsaugos ir žalos atstatymo svarba neturi būti užgožti.
Pastaraisiais metais gamtos užterštumas tapo globaline problema. Industrinės ir socialinės veiklos internacionalizavimas davė pradžią tokiom problemom, kaip pasaulinis atšilimas, dykumų plotų didėjimas ir rugštinės nuosėdos. Šios globalinės problemos yra įsišaknijusios materialiai turtingame gyvenimo stiliuje, kurie yra palaikomi gausaus ir žalingo naudingų iškasenų panaudojimo industrinėse valstybėse. Staigiai kylant pramoninei veiklai Kinijoje, Indijoje ir kitose besivystančiose šalyse rodo, kad tos šalys neišvengiamai turės prisidėti mažinant žalingą poveikį aplinkai. Gyvenimo stiliaus pokyčiai, taip pat pokyčiai svarbiausiose pramonės sistemose reikalingi kad sumažinti žalingą poveikį aplinkai. Medžiagų perdirbimas, taigi ir nuodingų medžiagų gamyba yra pagrindinė koncepcija, kuri turi būtui įdiegta kad sutikti su naujais reikalavimais palaikomo vystymosi, pramoninėse ir besivystančiose šalyse.
Reikalingi mechanizmai, verčiantys įgyvendinti šią koncepciją ir vystyti aplinkai nežalingas technologijas, palaikančias ateities „perdirbimo“ pasaulį. Sistemos, utilizuojančios energijas, gautas iš biomasės yra tipinis energijos perdirbimo pavyzdys. Biotechnologija yra viena iš į ateitį orientuotų technologijų, ir ta, kuri suvaidins didelį vaidmenį biologinės energijos eksploatacijoje. Visa biomasė (augalai, gyvūnai, mikrobai), atsiranda per CO2 cheminį sutirštinimą per fotosintezę. Biomasės utilizavimas yra įtraukiamas į globalinį biosferos karbono ciklą. Bioenergija besivystančiose šalyse, atsiranda iš gyvūnų atliekų, medienos atliekų, agrikultūros liekanų, ir pirmiausia panaudojama veiklai, svarbiai išgyvenimui, tokiai kaip valgio gaminimas ir vandens gavimas. Gyvenimo standartų gerėjimas tose šalyse privers panaudoti tą energiją ne svarbiausioms reikmėms. Taigi labai svarbu kurti technologijas, galinčias efektyviai gaminti bioenergija ir paversti ją į labiau priimtinas enerrgijos formas.
1.2 Fotosintezė ir biomasė
1.2.1 Fotosintetinis efektyvumas
Fotosintezė gali būti aprašyta paprastai taip:
CO2 + H2O + šviesa!’ 6 (CH2O) + O2
Vidutiniškai 114 kilokalorijų laisvos energijos yra sukaupiama augalo biomasėj kiekvienam CO2 gavimui per fotosintezę. Saulės radiacija veikia žemę kasmet atitinkamai 178000 teravatų, tai yra 15000 kartų daugiau, negų kasmetinis globalinis energijos suvartojimas. Bet įmanomas fotosintetinės energijos gavimas apskaičiuotas tik dešimt kartų didesnis už pasaulinį energijos suvartojimą, ir tik nedidelė dalis šios saulės radiavijos yra naudojama fotosintezei. Vidutiniškai dvi trečiosios pasaulinės fotosintetinės energijos kilmės yra sausumos tipo, kai likusi dalis yra gaunama iš planktono vandenynuose, kurie dengia vidutiniškai 70% viso žemės paviršiaus. Kadangi biomasė kyla iš augalų ir jūros dumblių fotosintezės, abu, sausumos kilmės augalai ir planktonas yra tinkamas tikslas moksliniams tyrinėjimams, susijusiems su biomasės energjos gavimu-gamyba.
Bet kokia biologinės energijos gavimo analizė turi įtraukti į save potencialų efektyvumą planuojamo proceso. Nors fotosintezė yra pagrindas saulės radiacijos perdirbime į kaupiamą biomasės energiją, viso šito teorinis pasiekiamas efektyvumas yra ribotas bangos ilgio diapazono, tinkamo fotosintezei, it kvantiniams reikalavimams fotosintezės procesui. Tik šviesa, kurios bangos ilgis nuo 400 iki 700 nm (fotosintetiškai aktyvi radiacija, PAR) gali būti perdirbama augalų, efektyviai leidžiant išgauti tik 45% saulės energijos, perdirbamos fotosintetiškai. Taipogi, vienos CO2 molekulės sugavimas per fotosintezę, priverčia kvantiškai reikalauti dešimt (ir daugiau), ko pasekoje maksimalus perdirbamumas 25% PAR, sugertos fotosintetinės sistemos. Šių apribojimų pagrindas, teoriškai didžiausias efektyvumas saulės energijos perdirbime yra apie 11%. Tačiau praktikoje fotosintetinės energijos dydis, stebėtas darbo aplinkoje, yra toliau dar sumažintas tokių faktorių, kaip mažo energijos sugėrimo dėl atsispindėjimo, oprimalaus saulės radiacijos lygio reikalingumas. Grynas rezultatas viso įmanomo fotosintetinio efektyvumo yra tarp 3 – 6 procentų nuo visos saulės radiacijos.
1.2.2 Biomasės atliekos ir jų perdirbimas
Atliekos ir liekanos dabar sudaro didelė biomasės išteklių dalį. Į juos įeina kietos ir skystos municipalinės veiklos atliekos, trašos, mėšlas, statybinė miško medžiaga ir minkšta medienos masė, miškų ir agrokultūros atliekos. Išskiriant žemo vandens sudedamasias, didžiji dalis šios biomasės negalį būti tiesiogiai perdirbama, ir privalo pereiti tam tikras transformacijos formas, prieš perdirbant jas į kurą. Biologiniai procesai biomasės vertimo į kurus įtraukia etanolo fermentaciją raugalo bakterijomis, ir metano gavyba anaerobinėmis sąlygomis
mikrobų sąjungoje.
Medienos atliekos popieriaus pramonėje ir atliekose iš cukraus industrijos yra pavyzdžiai, kai biomasės gamyba gali būti sutelkta vienoje vietoje. Celiuliozės prigimtis šiuose biomasės medžiagose priverčia jų hidrolizę į gliukozę, reikalingą etanolio fermentacijai. Tačiau tinko energijos balancas procesuose, susijusiuose su šia gavyba gali būti sudėtingas dėl šios energijos reikalavimų celiuliozės hidrolizei ir išvalymui, ir nadingumas turi būti didesnis negu etanolio gamybai reikalinga energija.
Skirtingai nei etanolio fermentacija, anaerobinis metano gavybos įsisavinimas utilizuoja organines medžiagas, turinčias savyje karbohidritų, lipidų ir proteinų. Daug mikrobū rūšių kartu dirba anaerobiniame įsisavinime, kuriame šios polimerinės medžiagos (t.y. karbohidratai, proteinai ir lipidai) yra pirmiausiai suskaidomi į organines rūgštis, tada į vandenilio ir anglies dioksidą, iš kurio metanas yra sintezuojamas metanogenų. Žaliavų įvairovė, kurią sudaro agrikultūros atliekos, municipalinės kietosios altiekos, turgų šiukšlės ir vandens atliekos iš fermentacijos ir maisto industrijos, yra priimtinos kaip šio proceso pagrindas. Atliekos, gautos iš gyvulininkystės yra tinkamos anaerobiniam skaidymui. Tačiau mažu skaidytojai populiariai naudojami ir ūkio, ir kaimo lygmenyse. Didelio mąsto operacijos yra reikalingos apsvarstyti techninį tobulėjimą ir kainų ma-inimą, taigi reikalauja ir mikrobiologinių, ir inžinierinių studijų.