CC BY
178
УДК 628.35
П. Е. Баланов, И. В. Смотраева, О. Б. Иванченко, Р. Э. Хабибуллин
БИОТЕХНОЛОГИЯ И БИОЭНЕРГЕТИКА В РЕШЕНИИ ВОПРОСОВ ЭКОЛОГИИ
Ключевые слова: биотехнология, биоэнергетика, микроорганизмы, тепловыделение, экология, биоэлектричество.
В статье обсуждается возможность использования тепловой и электрической энергии, вырабатываемой живыми организмами. В качестве источника энергии рассматриваются дрожжи и другие микроорганизмы. Описан материальный и энергетический баланс в процессе брожения, предложена и обоснована формула расчёта тепловыделения при брожении. Представлена схема ионообмена микробной клетки с окружающей средой. Описаны примеры эффективного использования микроорганизмов для решения экологических проблем.
Keywords: biotechnology, bioenergy, microorganisms, heat, ecology, bioelectricity.
The article discusses the use of thermal and electrical energy produced by living organisms. The yeasts and other microorganisms are discussed as an energy source. Material and energy balance of the fermentation process is described, as well as formula for the calculating of heat produced during fermentation. A diagram of the ion exchange of microbial cells and environment is presented. Examples of the effective use of microorganisms to solve environmental problems are discussed.
Введение
В течение жизни все живые организмы используют энергию, которая образуется в результате биохимического окисления органических веществ. Все механические, транспортные процессы, рост и размножение, образование спор и капсул у микроорганизмов, выработка токсинов являются энергозависимыми процессами и осуществляются при наличии в клетке энергии.
В большинстве случаев из всего количества энергии, выделившейся из субстрата в ходе дыхательных процессов, на метаболические нужды самих микроорганизмов используется примерно лишь четвертая часть, а 75 - 90% синтезируемой энергии выделяется в виде тепла в окружающую среду. Выделением тепла при дыхании микроорганизмов обусловливаются процессы самосогревания влажного сена и хлопка, навоза, торфа, зерновых масс, муки.
Повышение температуры среды происходит в биотехнологических производствах при культивировании микроорганизмов, как в аэробных, так и анаэробных условиях. Наиболее ярко этот факт проявляется в аэробных процессах. Динамика удельного тепловыделения в процессе поверхностного культивирования плесневых грибов для получения ферментных препаратов показывает ее неравномерность. Суммарное выделение тепла в течение всего цикла составляет 4,0-4,2мДж на 1 кг питательной среды. Если весь процесс выращивания составляет 36-48ч и его можно разделить на три периода, то максимум приходится на середину второго периода, который наступает после 10-12 часов культивирования. Во время второго периода, который идет 1418ч, происходит максимальный рост мицелия, клетки потребляют основное количество питательных веществ, энергично дышат и выделяют большое количество тепла, которое необходимо отводить[1]. Количество тепла, выделяемое на этой стадии, определяет воздухообмен в ростовой камере. Показано, что воздух, проходя над культурой, нагревается на 2-3°С, поэтому температура подаваемого в камеру воздуха должна быть на 2-3°С ниже, чем в начале
процесса выращивания культуры. Для того, чтобы рассчитать интенсивность воздухообмена, используют график тепловыделения во время всего процесса выращивания микроорганизма, чтобы учесть специфику динамики тепловыделения в зависимости от состава среды и вида культивируемых микроорганизмов [2].
Процессы выделения тепла в окружающую среду известны не только в мире микроорганизмов, но и широко распространены среди высших организмов, например, выделение тепла при хранении и дыхании овощей и фруктов.
В настоящее время проблемы энергоэффективности и ресурсосбережения предприятиями рассматриваются на стыке экономики и экологии. Выделение тепловой энергии в окружающую среду не только отрицательно влияет на нее, но и неблагоприятно с точки зрения экономии ресурсов производства. Поэтому решение проблемы эффективного использования тепловой энергии, получаемой в ходе технологического процесса и утилизации отходов производства, а также учет зависимости эффективности процесса очистки от температуры положительно отражается как на экономических, так и экологических аспектах природопользования[3,4].
В связи с этим представляется актуальным оценить принципиальную возможность и перспективы использования тепла живых организмов в технологическом процессе и повышения таким способом автономности и экологической безопасности биотехнологических и пищевых производств.
Биологическое тепло
Рассмотрим эти перспективы на примере производства пива и безалкогольных напитков. Пивоварение -производство, в котором степень использования сырья для получения готового продукта составляет примерно 75%, остальное составляет вторичные сырьевые ресурсы (ВСР) или переходит в технологические отходы.
Ко вторичным сырьевым ресурсам и отходам, требующим утилизации или удаления, относятся: загрязненные сточные воды, содержащие моющие и
дезинфицирующие вещества, пивная и хмелевая дробина, осадок взвесей горячего сусла (белковый шлам), остаточные пивные дрожжи, кизельгуровый шлам, остатки этикеток, бой стекла. Вопросы утилизации и эффективного использования дробины и сточных вод в качестве ВСР находятся в центре внимания исследователей [5,6].
При спиртовом брожении в сусле протекают сопряженные биологические, биохимические, физико-химические процессы, связанные с ферментативной трансформацией питательных веществ сусла в различные метаболиты, расходуемые на брожение и рост биомассы дрожжей. Основным биохимическим процессом при производстве пива является спиртовое брожение, которое в общем виде можно представить в следующем виде: СаН12Оа^2 С2Н5ОН +2СО2 Эта реакция сопровождается выделением энергии, которая как расходуется на нужды клетки, так и выделяться в виде тепла. Энергетический баланс брожения можно представить в следующем виде:
Глюкоза + 2НАД+ + 2АДФ + 2Фн = 2 НАДН + 2ПВК + 2АТФ + 2Н2О + 2Н+
Пути превращения пировиноградной кислоты в анаэробных условиях у разных микроорганизмов различные, но на накопление АТФ уже не влияют. Таким образом, при брожении получается 2 молекулы АТФ, энергоёмкость которых составляет 61 кДж/моль.
По результатам практических замеров при сжигании веществ в калориметрической бомбе общая разность энергии исходных продуктов и продуктов спиртового брожения оценивается величиной 230 кДж/моль[7]. Результаты проведенных термодинамических расчётов у отечественных авторов близки к теоретическим, а именно 210 кДж/моль [8]. Разница этих энергий (энтальпий образования) составляет: 230 кДж/моль - 61 кДж/моль = 169 кДж/моль. Это и есть то количество теплоты, которое выделяется при брожении углеводов клетками дрожжей.
Применительно к пивоварению эта величина приближенно указывает на количество тепловой энергии, выделяющейся при брожении сусла в нормальных условиях, т.е. без учёта теплоты поступающего субстрата (сусла) и теплопритоков из окружающей среды.
Для энергетических расчётов в условиях пивоварения эти данные могут использоваться с учётом физико-химических свойств сусла, идущего на брожение (плотность, экстрактивность); относительной плотности сбраживаемого сусла; ряда технологических показателей (степени сбраживания сусла), а также констант (например, теплового эффекта процесса сбраживания глюкозы, составляющего 929,5кДж1кг).
Итоговая формула расчета тепла при сбраживании сусла будет иметь вид:
О = 92,78с120/20 ^ООд Э, где О - тепловыделение при брожении сусла, кДж; 92,78 - коэффициент пересчёта;
20/20
а - относительная плотность сусла, определяемая по таблице; V - объём сбраживаемого сусла, м3; ООд - действительная степень сбраживания, %; Э -экстрактивность сусла, %.
Подробные расчеты для получения итоговой формулы вычисления тепловыделения дрожжей при сбраживании сусла с определенными показателями были представлены в работе [9].
Биологическое электричество
Другой важной стороной исследовательской работы, направленной на понимание энергетических процессов, происходящих в живой клетке, является формулирование, расчёт и практическое применение электрической составляющей биологических систем.
Начало изучения биоэлектрических процессов было положено в первой половине XIX века итальянским исследователем Луиджи Гальвани. Его эксперименты с земноводными показали, что биологические объекты взаимодействуют с электрическими системами, и судя по всему, тесно взаимосвязаны. Он сделал несколько поспешный вывод о наличии некоторого «животного электричества». Несколько позже его соотечественник Алессандро Вольта доказал, что животная ткань является скорее прибором, регистрирующим наличие электрического тока, а не его источником [10].
Большой вклад в понимание биоэнергетики внёс немецкий физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон. Он успешно систематизировал имеющиеся знания и являлся автором прототипов биоизмерительных приборов, усовершенствованными моделями которых пользовались до середины XX века. Дюбуа-Реймон ввел понятие биопотенциала - энергетической характеристики взаимодействия зарядов, находящихся в живой ткани, например, клетках или иных структурах. Этот потенциал отражает интенсивность биоэлектрической активности.
В то время пришло понимание, что биологические объекты способны не только регистрировать наличие электрического тока, но и генерировать его.
Механизм возникновения биопотенциала был раскрыт и научно обоснован выдающимся немецким ученым Юлиусом Бернштейном в начале XX века. Понимание природы этого явления позволило существенно продвинуться в понимании явления биоэлектричества и создало базу для возникновения нового направления в науке - нейрофизиологии.
Важной частью для понимания происхождения электричества в живых системах является контакт двух разнородных по составу систем, например жидкостей, содержащих разнополярные ионы. Большую работу в этом направлении проделал нобелевский лауреат, немецкий химик Вальтер Нернст. Благодаря его работам над теориями электродвижущих сил в растворах с локальным изменением концентрации и других изысканиях[11] стало понятно основополагающее действие разности потенциалов в электрических явлениях в протоплазме и биологических мембранах.
Для возникновения биопотенциала необходимо наличие в системе ионов с разной активностью. Чем большей будет эта разница, тем больший потенциал может возникнуть. Для пространственного разделения различных ионов, природа (а впоследствии и человек) создала полупроницаемые мембраны, они позволяют локализовать различные электроактивные компоненты и не даёт им смешиваться. В сущности, наличие подобных мембран и позволяет протекать электрохимическим процессам достаточно эффективно [12]. Более наглядно механизм возникновения биопотенциала представлен на рисунке 1.
r а
........IТП ■
Г*
гагст а* г ст * а а а ova
г а а ►............
О О О О О
г а *
а
а
а
Рис. 1 - Возникновение разности потенциалов в пограничном слое полупроницаемой мембраны: А - система до достижения динамического равновесия; Б - система, достигшая динамического равновесия;
1 - положительно заряженные ионы;
2 - отрицательно заряженные ионы;
3 - полупроницаемая мембрана
В нашем примере положительно заряженные ионы имеют меньший размер и могут проникать через поры полупроницаемой мембраны, отрицательно заряженные не могут, так как крупнее размеров пор. Ионы с положительным зарядом проникают на противоположную сторону проницаемой для них перегородки, но свободно диффундировать в пространстве не могут, так как их удерживают силы притяжения ионов с отрицательным зарядом. В определённый момент наступает динамическое равновесие этой системы, когда отток и приток положительно заряженных ионов уравновешивается (состояние Б). При этом организуется система, когда на противоположных сторонах мембраны накапливаются разнонаправлено заряженные компоненты. Их наличие и есть биоэлектрический потенциал. Соответственно, чем он больше, тем интереснее для нас, с точки зрения энергетики системы, он будет.
Теоретически этот потенциал, можно рассчитывать с помощью уравнения Нернста [12]:
£0 _ , ared n-F аох '
где Eo - стандартный электродный потенциал, В; R - универсальная газовая постоянная (R= 8,31 Джмоль-1-К-1); Т - абсолютная температура; F - число Фарадея (96485,35 Кл • моль-1); n - число молей электронов, которые участвуют в процессе; aox и ared - активности окисленной и восстановленной форм вещества.
Закономерность, установленная Нернстом, позволяет определить зависимость электродвижущей силы от концентрации ионов в динамической системе и влияние различных физических и химических факторов на разность потенциалов. Становится возможным оценить максимальную возможность системы для генерации электрической энергии. Следует понимать, что эта формула (2) верна при определении биопотенциала относительно простых систем, тогда как в реальных биологических объектах весьма сложно учесть их качественный и количественный состав, а часто он неизвестен. Тем не менее, для теоретического осмысления природы и механизмов биоэлектричества она весьма полезна.
На протяжении XX века активно совершенствовались методы, позволяющие на практике подтвердить теоретические положения, связанные с генерацией и использованием биоэлектричества. Эти наработки создают хорошую теоретическую базу для использования их в области биотехнологии. Кроме тепловой энергии, с помощью микроорганизмов возможно получать и электрическую энергию. И хотя электрокинетический потенциал одной клетки микроорганизма крайне мал, количество этих потенциальных единиц измеряется миллиардами, а в масштабах промышленной биотехнологии триллионами.
Хороший потенциал для развития имеют работы по созданию микробных топливных элементов МТЭ (Microbialfuelcell), принцип работы которых заключается в переносе электронов от одного электрода (анода) к другому (катоду) за счёт отщепления свободных электронов субстрата индивидуальными микроорганизмами или их симбиотиче-скими группами.
Теоретически они могут перерабатывать почти любое органическое вещество, в том числе из состава промышленных и коммунальных сточных вод [13], однако химический состав и свойства субстрата будут играть решающую роль в эффективности работы МТЭ.
Ведущиеся исследования носят как теоретический, так и прикладной характер. Например, отечественные исследователи В.К.Ильин с соавторами предложили использование специальных биореакторов, генерирующих биоэлектричество для нужд космонавтики [14], где особенно важно бережное использование всех ресурсов.
Важнейшей задачей для успешного конструирования и использования МТЭ является подбор электрогенерирующих микроорганизмов, например Shewanella и Geobacter [15]. Они способны восстанавливать соединения металлов и образовывать плёнку на электродах, что является залогом беспрепятственного прохода электричества. Интересной особенностью некоторых микроорганизмов является способность образовывать так называемые нанопро-вода. Это тонкие цепи, имеющие белковую природу, с помощью которых бактерии контактируют с электродом и передают электроны на анод. Если прямой контакт микробной клетки и электрода невозможен, используются вещества - переносчики электронов
(медиаторы) - тионин, метилвиологен, феррицианид и др. [16].
Таким образом, работы теоретического и экспериментального плана по определению возможностей использования биологического тепла и электроэнергии, равно как и опытно-конструкторские работы в этом направлении, позволят приблизиться к решению проблемы повышения устойчивости и экологической безопасности биотехнологических и пищевых производств.
Литература
1. Биотехнология: Учебное пособие для вузов в 8кн./ Под ред. Н.С.Егорова, В.Д.Самуилова. Кн.5:Производство белковых веществ / В.А.Быков, М.Н.Манаков, В.И.Панфилов и др.-М.:Высш.шк.,1987.-С.122.
2. И.М.Грачева. Технология ферментных препаратов. М.: Изд-во Пищ. пр-ть,1975.- С.125-128.
3. Кирсанов В.В. Влияние температуры в аэротенках на эффективность биоочистки основных ингредиентов промышленных сточных вод химического предприятия // Вестник Казанского технологического университета.-2013.- № 24.-С.89-91.
4. Хабибуллин Р.Э., Шарифуллин В.Н. Исследование процесса анаэробного сбраживания куриного помета и инженерная методика технологического расчета биореактора // Вестник Казанского технологического университета 2010.- №9 -С.639-647
5. Волкова А. А, Иванченко О.Б., Баланов П.Е. Влияние ферментных препаратов на увеличение аминного азота в ферментативном гидролизате пивной дробины // Пиво и напитки.-2010.- №6.-С. 13-15.
6. Иванченко О.Б., Портнова Т.М. Образование и характеристика сточных вод пивоваренного предприятия // Индустрия напитков.-2006, Ш.С.30-34
7. Кунце В. Технология солода и пива.- СПб.: Профессия.-2009.-1136с.
8. Кретович В. Л. Основы биохимии растений, 4 изд., М.: Изд-во Высшая школа.-1964.-350с.
9. Баланов П.Е., Иванченко О.Б.Синтез теплоты дрожжевыми клетками при сбраживании пивного сусла.2013.-№ 2.[Электронный ре-сурс]:http://www.processes.ihbt.ifmo.ru. - С. 7.
10. Дягилев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов -М. Просвещение, 1986г., 255с.
11. Храмов Ю.А. Физики: Биографический справочник / Под ред. А.И. Ахиезера.- Изд. 2-е, испр. и дополн.-М.:Наука.-1983.- 400с.
12. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А.Основы теоретической электрохимии.М., 1978. - 239 с.
13. Василов Р.Г., Решетилов А.Н., Шестаков А.И.Биотопливные элементы // Природа.-2013.-№12.-С.65-70.
14. Ильин В.К, Смирнов И.А., Солдатов П.Э., Воейкова Т.А., Коршунов Д.В., Чумаков П.Е., Сафронова С.А., Тюрин-Кузьмин А.Ю.Проблемы и перспективы получения биоэлектричества в условиях космического полёта// Научные чтения памяти К.Э.Циолковского: Материалы конференции 2010 г. http://readings.gmik.ru/lecture/2010-issledovanie-elektrogennih-svoystv-assotsiatsiy-i-monokul-tur -anaerobnih-bakteriy.
15. Lovley DR, Ueki T, Zhang T, Malvankar NS, Shrestha PM, Flanagan KA, Aklujkar M, Butler JE, Giloteaux L, Rotaru AE, Holmes DE, Franks AE, Orellana R, Risso C, Nevin KP. Geobacter: The microbe electric's physiology, ecology, and practical applications //Adv.Microb.Physiol. 2011.-№59.-Р.1-100.
16. Букач О.В., Мякинькова Л.Л. Микробные топливные элементы: состояние исследования и практическое применение (обзор).// Инноватика и экспертиза. В.2. -2013.-С.51-59.
© П. Е. Баланов - к.т.н., доцент кафедры пищевой биотехнологии продуктов из растительного сырья Университет ИТМО, balanov@yandex.ru; И. В. Смотраева - к.т.н., доцент той же кафедры, irinasmotraeva@yandex.ru; О. Б. Иванченко - к.б.н., доцент кафедры химии и биотехнологии Санкт-Петербургского государственного торгово-экономического университета, obivanchenko@yandexl.ru; Р. Э. Хабибуллин - к.т.н., доцент кафедры Технологии мясных и молочных продуктов КНИТУ, hrustik@yandex.ru.
© P. Balanov - candidate of technical sciences, assistant professor of the ITMO University, balanov@yandex.ru; I. Smotraeva- candidate of technical sciences assistant professor of the ITMO University, irinasmotraeva@yandex.ru; O. Ivanchenko - candidate of biological sciences, associate professorof the Department of chemistry and biotechnology of Federal state educational University of higher professional education «Saint Petersburg State University of Trade and Economics», obivanchenko@yandexl.ru; R. khabibullin -candidate of technical sciences, associate professor of the Department of meat and milk products technology of KNRTU, hrustik@yandex.ru.
