Новейшие российские технологии: интегрированные мембранные биореакторные системы для получения горючих газов

проф. Тепляков Владимир Васильевич, д.х.н.

Истощение невозобновляемых источников энергии (нефть, газ, торф, горючие сланцы) требует поиска дешевых и доступных топливных ресурсов на основе возобновляемого сырья: отходов пищевой, целлюлозно-бумажной, текстильной и др. видов промышленности. Наиболее перспективным из восполняемых ресурсов можно считать биомассу в виде древесины, отходов сельского хозяйства и микроводорослей.

Киотские соглашения 1997 года по ограничению антропогенной доли эмиссии СО₂ в атмосферу с целью снижения парникового эффекта ставят задачу полной утилизации СО₂  как для развития существующих, так и разрабатываемых технологий. Из всех известных видов переработки и уничтожения органических отходов антропогенного происхождения, единственным, полностью возвращающим переработанный материал в виде пригодных к применению веществ, признается биологический способ утилизации.  Главное преимущество использования растительной биомассы как сырья – возможность применения биотехнологий для получения энергии, то есть таких технологий, которые не нарушают экологического состояния окружающей среды. Отходы и побочные продукты такой технологии, являясь компонентами биосферных циклов, тоже могут служить сырьем, что ведет к полностью безотходным технологиям будущего.

Факторами, сдерживающими широкое применение технологий переработки биомассы непосредственно в топливные газы, являются высокая стоимость предварительной обработки исходного сырья и извлечения горючих компонентов из получаемых газовых смесей. Многие страны, обладающие большим ресурсом зеленой биомассы (Индия, Бразилия) или упорядоченным механизмом сбора и сортировки бытовых пищевых отходов (Норвегия, Германия, Нидерланды), производят биогаз в промышленных масштабах для получения электроэнергии. Содержание углекислого газа в биогазе может достигать 40-60%, что существенно снижает его теплотворную способность. Применение классических технологий обработки и газоразделения делает процесс экономически невыгодным даже при наличии дешевой биомассы, поэтому чаще всего биогаз сжигается для получения энергии как низкокалорийное топливо.

Для изучения этой проблемы в лабораторных условиях нами была проведена имитиация природного цикла углерода «СО₂ + свет + вода à органические вещества à CО₂ + СН₄ + Н₂ (энергия)». Для этого была разработана схема непрерывного получения горючих газов с помощью микроорганизмов в трехблочном биореакторе, работающем на солнечной энергии и  интегрированным с активными мембранными системами (мембранными контакторами (МК)), не требующими предварительной компрессии газовой смеси.

Мембранная биоректорная система представляет собой три последовательно соединенных биореактора: фототрофный фотосинтеза («кислородный»), метантенк («биогазовый») и анаэробный фототрофный (водородный), каждый из которых по газовой фазе соединен с отдельными мембранными контакторами.

 В первом («кислородном») блоке происходит наращивание биомассы зеленых бактерий за счет энергии солнца (фотосинтеза), которая впоследствии служит субстратом для метаногенного сообщества, с выделением кислорода и поглощением углекислого газа. Определено, что исходная газовая смесь, подаваемая в биореактор, должна содержать не более 10 об.% СО₂. Это может быть, например, загрязненный воздух городов и производств (дымовые газы).

  Непрерывный поток отбираемой фототрофной биомассы направляется на деоксигенацию (удаление кислорода), после чего поступает в метантенк. Выходящая из биореактора обогащенная кислородом воздушная смесь с остаточным содержанием диоксида углерода направляется на доочистку, после чего полностью очищенный воздух (до 23% О₂) выпускается в атмосферу. Извлеченный углекислый газ подается обратно для поглощения микроводорослями.

Выращенная биомасса непрерывно поступает в метантенк, где перерабатывается метаногенным сообществом в биогаз, включающей в себя (в зависимости от состава исходного субстрата) СО₂ ~ 20-40% об, СН₄ ~ 80-20%, Н₂ ~ 1 %, примеси Н₂S, NH₃, N₂ и др.  Биогазовую смесь направляли в мембранные контакторы, где происходило разделение основных компонентов на технически чистые метан и СО₂.

В представленной схеме мембранного реактора остаточная биомасса метантенка фильтруется, сухой остаток представляет собой с/х удобрение, а культуральная жидкость, представляющая собой водный раствор низкомолекулярных органических веществ, направляется в фототрофный анаэробный водородный биореактор с бактериями Rhodobacter capsulata  В10. Для более полного извлечения водорода из реактора необходимо непрерывно барботировать клетки инертными к ним метаном или аргоном, что приводит к получению на выходе из биореактора трехкомпонентных газовых смесей (Н₂+СО₂+СН₄ или Н₂+СО₂+Ar). Эти смеси разделяются на три компонента в селективном мембранном вентиле (СМВ), и углекислый газ из всех трех систем разделения направляется в первый («кислородный») биореактор. Таким образом, при такой переработке, наряду с постоянным поглощением СО₂ из атмосферы или других источников, совершенно не производится его выброса в атмосферу.

В докладе приводится подробное описание и дизайн активных мембранных систем. Экспериментально показано, что такие системы, использующие выскопроницаемые непористые мембраны, способны проявлять избирательность разделения на порядки превышающие параметры, известные для стандартных полимерных мембран. МК и СМВ могут работать как в проточном режиме, так и в режиме рецикла.

Извлеченный из всех трех газовых смесей углекислый газ может быть использован двояко – как для подачи в реактор фотосинтеза (обеспечивая полностью замкнутый контур СО₂), так и непосредственно для фотосинтеза растений при подаче его в теплицу (в сельской местности).

Накопленные к настоящему времени знания в этой области и технологические возможности позволяют предложить локальные источники энергии, обеспечивающие, например, локальное производство энергии мощностью до 5 кВт/сутки. При такой мощности сама биоэнергетическая станция займет площадь  < 10 м², и может быть успешно вписана в окружающий ландшафт. Вырабатываемой энергии достаточно для обеспечения проживания одной семьи в сельской местности. Отметим, что станция работает по замкнутому циклу по углекислому газу (без эмиссии СО₂ в атмосферу). Последнее обеспечивается новейшими разработками в области газоразделительных мембран и мембранных систем. В целом, междисциплинарная область биоэнергетики таит в себе огромный потенциал для плодотворных исследований и новых практических применений.