Бактерии+ток: в ТПУ вдвое удешевили получение водорода из отходов

ТОМСК, 7 дек – РИА Томск, Елена Тайлашева. Установку по переработке отходов в газ спроектируют для молочной фермы в Томском районе инженеры Томского политеха (ТПУ). Собственного навоза фермерам хватит, чтобы обеспечить энергией все хозяйство. Как политехники в пять раз ускорили образование биогаза, в том числе водорода, и какие проблемы водородной энергетики решит концепция электробиотехнологии – в материале РИА Томск.

Чистая ферма

Отходы жизнедеятельности животных – головная боль для любой крупной фермы: куда девать 30 тонн навоза ежедневно? На поля как удобрение сразу не выкинешь – навоз должен отлежаться в лагунах довольно долгое время, больше года, прежде чем станет безопасным. А это расходы на организацию и содержание лагун, это жалобы местных жителей на неприятные запахи…

"Мы начинаем проектировать промышленную биогазовую установку для молочной фермы в Томском районе, которая решит целый комплекс проблем.  

Во-первых, хозяйство обеспечит себя энергией с собственных отходов, полностью отказавшись от покупного электричества. Во-вторых, избыток газа оно сможет накапливать в автоматической газонаполяющей станции и заправлять им свой транспорт", – рассказывает инженер отделения химической инженерии ТПУ Александр Яговкин.

Это будет первая промышленная биогазовая установка политехников, объемом около 700 кубометров. Ее "младшая сестра" – объемом всего в один куб – уже год функционирует в отдельном здании рядом с 10-м корпусом ТПУ. Сверху, если присмотреться, у него есть мешок – там накапливается вырабатываемый с разных видов отходов газ. Это в зависимости от технологии может быть и метан, и водород.

"Получение из навоза биогаза само по себе не новшество: еще китайцы 4 тысячи лет назад знали, как это делать. Наше ноу-хау – в электрохимической активации этих процессов, позволившей увеличить все показатели в разы", – говорит Яговкин. 

Сейчас в ТПУ организуется профильная лаборатория, которая будет заниматься не просто супермодными сегодня биотехнологиями, а новейшей их отраслью – энергобиотехнологиями.

Активация жизни

Яговкин – ученик известного политеховского химика Виктора Филимонова. Он подчеркивает: "По образованию я химик-органик-синтетик. Любое вещество могу синтезировать. Но впоследствии заинтересовался – как живые организмы проводят синтез с помощью своих ферментных систем? Все процессы, которые я делаю руками, бактерии делают на порядок лучше меня…".

В начале 2000-х Яговкин начал экспериментировать с биотехнологиями. 

"Самая простая биотехнология – это брожение навоза (которое происходит в анаэробных условиях, без доступа кислорода). Проштудировав информацию по этому процессу, я понял, что там в том числе участвует водород – он увеличивает содержание метана, выходящего в газовом брожении. И я начал добавлять водород в бродящий навоз. Сейчас, кстати, этим немцы занимаются", – рассказывает он. 

Водород инженер получал электрохимическим путем – с помощью электролизера: через электролит пропускается ток, на одном электроде выделяется водород, на втором – кислород.

"Все противники водородной энергетики критикуют именно этот процесс – потому что он дорогущий: чтобы таким образом получить водород, затратишь энергии гораздо больше, чем получишь в результате использования водорода. Тем не менее, это самый простой и доступный способ", – поясняет ученый. 

Он вспоминает, что через какое-то время после начала опытов подумал: "А зачем я кормлю водородом бактерии?". И поместил электроды прямо в емкость с навозом…

"Результат получился сногсшибательный: во-первых, у меня больше чем в два раза снизилось энергопотребление, потому что бактерии этот водород начинали "есть" прямо в момент его выделения, не дожидаясь конца реакции. И мне нужно было уже не 2 вольта, а 0,7-1 вольт. Во-вторых, я получил увеличение содержания метана в выходящем биогазе. Биогаз – это смесь метана и СО2.

Так вот, в момент выделения водорода ферменты активируются и конвертируют углекислый газ в метан. Но и это не главное! Оказалось, что при активации низкопотенциальным током бактерии в пять раз быстрее начинают перерабатывать органические отходы. Этот подход защищен патентом РФ", – рассказывает Александр Яговкин.

Ученые несколько раз выходили на администрацию Томской области и предлагали создать автономные безотходные комплексы для удаленных поселений где-нибудь на Севере, где нет газа и электричества. 

"Представляете, классно: ставим такую штуку – и появляется все: и электричество, и топливо. Поселки теплые, машины ездят, отходы на улицах не воняют, а полностью перерабатываются. Уровень жизни резко повышается", – мечтает Яговкин.

"Мучной водород"

По словам Яговкина, их коллектив первым предложил рассматривать электробиотехнологии (то есть электрохимическое воздействие на живые системы) не как частный случай, а как концепцию:

"Это не просто воздействие, а именно активация: воздействуя на ферментные системы живых организмов, мы активируем их жизненные процессы с получением полезных для человека результатов. Начали с метаногенеза, но если использовать другие бактерии – не метаногены, а водородогены, – то в результате можно получать чистый водород.

Получение биоводорода – это совершенно новая область науки, ей буквально 20-30 лет. А мы уже сейчас умеем этот процесс активировать. Чуть меньше половины всех опытов на этой установке – именно по биоводороду", – отмечает Яговкин. 

Он признает, что возникает ряд проблем. Например, биоводород, как и биометан, содержит некоторое количество углекислого и других попутных газов.

"Это сложная биологическая система, она выделяет не только водород. Газы нужно как-то отделить. Например, строить станции очищения. Либо разработчикам, которые идут следом за мной, нужно разрабатывать такие топливные элементы (на водороде), которые просто не реагируют на другие газы", – говорит инженер.

Сейчас его коллектив запускает новую экспериментальную установку, чтобы развивать концепцию электробиотехнологий на другие жизненные формы. Яговкин поясняет:

"В данный момент мы пользуемся модельными смесями – комбикормом, потому что у него постоянный состав. Чтобы запустить процесс, конечно, не нужно каждый раз добавлять навоз – мы сделали это один раз год назад, заселив реактор микрофлорой. Далее экспериментировали с разными органическими отходами – и мукой, и жиром, и протухшими продуктами. Все прекрасно работает! Кстати, биоводородные бактерии больше любят муку. 

Теперь хотим проверить, как наш подход действует на дрожжи, молочнокислые бактерии. Используя электрохимическую активацию, мы можем не просто ускорить процессы (например, брожения), а управлять ими. То есть, теоретически, принципиально менять производства, от фармацевтических до пищевых".