Михаил Бухар - Популярно о микробиологии
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 бóльшую 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.
