STUDIUL POSIBILITĂŢILOR 

DE OBŢINERE A ENERGIEI PRIN BIOCONVERSIE

Prof. Gălăţan Daniela,

Colegiul Tehnic Regele Ferdinand I Timişoara

            Printre posibilităţile de conversie cu eficienţă mare se numără şi procesele de bioconversie care cuprind captarea, stocarea, conversia, transferarea şi folosirea energiei solare în celule, la nivelul mecanismelor moleculare şi submoleculare.

            Principalele surse de obţinere a energiei neconvenţionale sunt: biomasa, aplicaţiile tehnice ale procesului de fotosinteză, alte procese energogeneratoare (biogazul, bioluminiscenţa, fenomenul de termogeneză).

1.      Biomasa

Sursa de energie biologică pe planeta noastră este energia luminoasă radiată de soare. Dintre organismele vii, numai plantele verzi capabile de fotosinteză pot capta şi transforma această energie pe care o înmagazinează sub formă de energie chimică.

Randamentul energetic la suprafaţa solului, adică raportul dintre energia acumulată şi energia solară totală, este de numai 2 – 3%, aceasta însemnând totuşi o producţie echivalentă cu 80 miliarde tone de substanţă organică anual ( exprimată în glucoză ), care înmagazinează aproape 1 milion de miliarde kWh energie chimică.

Altfel spus, pe planeta noastră se produc anual 150 miliarde tone biomasă uscată, din care, dacă s-ar utiliza numai 5% s-ar asigura spre exemplu, necesarul S.U.A. în petrol şi metan.

Aceste câteva sumare date ne pot da o idee asupra contribuţiei fotosintezei în procesul de captare a energiei solare.

Implicaţiile fotosintezei în bioconversie, aşa cum apar din cercetările de până acum, pot fi grupate în trei direcţii principale şi anume:

-          sinteza unor compuşi chimici cu capacitate energetică mare;

-          sursă de hidrogen;

-          sursă de energie electrică.

1.1  Stocare de energie chimică prin obţinerea de biomasă sporită

Biomasa este una din cela mai simple şi mai practice alternative energetice, dar este necesar un efort considerabil pentru atingerea întregului său potenţial.

Planeta noastră se bucură de o masă vegetală abundentă formată prin conversia fotosintetică a energiei solare.Acest imens potenţial energetic reprezentat de biomasă este departe de a fi neexploatat.

Procesul de fotosinteză se întâlneşte la plantele superioare şi inferioare care conţin clorofilă.

Procesul de fotosinteză are la bază două materii prime foarte abundente în natură, apa şi bioxidul de carbon, iar ca energie se foloseşte partea vizibilă din razele solare. Pigmenţii captează fotonii luminoşi şi are loc un transfer de electroni de la un reducător slab – apa – a cărei moleculă este scindată – către un reducător puternic – feredoxina, capabilă de a reduce bioxidul de carbon la hidraţi de carbon. Aceste recţii sunt însoţite de o degajare de oxigen şi de o sărăcire a celulei în CO₂. Bilanţul fotoconversiei se poate exprima printr-o ecuaţie simplă:

6 H₂O + 6 CO₂ + fotoni = C₅H₁₂O₆ + 6 O₂

În condiţii optime de câmp, eficienţa fotosintezei este de 3 – 5%. Aceste valori sunt atinse de plante pentru o perioadă scurtă de timp, media anuală situându-se între 1 şi 3%.

Valorile eficienţei fotosintezei diferă de la o zonă la zonă, ea fiind de 0,5 – 1,3% pentru vegetaţia din zona temperată, în timp ce la tropice se înregistrează o eficienţă de 0,5 -2,5%.

Numeroase cercetări au avut ca obiectiv culturile „energetice”, cuprinzând biomasa ligno – celulozică provenită din domeniul forestier şi agricol, plantele alcooligene, plantele pentru hidrocarburi şi masa acvatică.

Costul „energiei verzi” rămâne relativ ridicat, dar acest inconvenient se va estompa progresiv odată cu creşterea preţurilor produselor petroliere.

1.2  Prelucrarea biomasei în scopuri energetice

Avantajul esenţial al bioconversiei rămâne costul redus al biomasei, în schimb instalaţiile energetice  bazate pe un astfel de combustibil sunt deosebit de costisitoare.

De aceea se ridică problema folosirii unor procedee şi tehnici pentru a transforma această materie primă ieftină în gaz, hidrocarburi sau alte produse combustibile.Utilizate de mult, fiind în acelaşi timp obiectul unor continue îmbunătăţiri, procesele biologice de producere a alcoolului reprezintă unul din  modurile de punere în evidenţă a capacităţii energetice a plantelor, mai ales a acelora cu un conţinut superior în glucide.

Plrnind de la plantele „alcooligene” se obţine etanol prin fermentaţie alcoolică a unor părţi din plantă bogată în glucide, uşor hodrolizabile, cum ar fi amidonul sau zaharoza.

Procesul de obţinere a alcoolului din biomasă vor căpăta o extindere din ce în ce mai mare, alcoolul impunându-se din ce în ce mai mult în economia combustibililor.

Celuloza, ca cel mai răspândit compus organic, din natură, pe lângă faptul că poate fi exploatată ca sursă de hrană şi energie, poate constitui o sursă de substanţe pentru industria chimică. Dezvoltarea tehnologiilor de transformare a celulozei în glucoză, bazate mai ales pe enzimele şi extrasele enzimatice din fungi, a completat seria procedeelor folosite pentru producerea alcoolului din biomasă.

Cunoscute sunt fenomenele de fermentare anaerobă a materiei organice. Procesul are loc la temperaturi între 35 şi 55⁰ C, se datoreşte activităţii bacteriilor anaerobe de transformare a moleculelor complexe în aldehide şi metan, acesta din urmă în proporţie de 80%.

Ca un comentariu final în legătură cu sursele naturale de combustibil se poate arăta că necesităţile de 2 milioane de barili/zi de ţiţei pot fi satisfăcute de producţia de trestie de zahăr de pe 60 milioane acri sau se foloseşte şi celuloza de pe 30 milioane acri.

2. Aplicaţii tehnice ale procesului de fotosinteză

Pornind de la cunoştinţele acumulate în legătură cu actul primar de conversie a energiei solare, care are loc în cadrul procesului de fotosinteză, cercetătorii au folosit acest lucru pentru a demonstra că prin iluminarea cloroplastelor intacte extrase din plantele verzi se obşine aşa numita „conducţie de electroni” şi apare efectul Hall. Plasând cloroplastele în câmp magnetic şi iluminându-le apar doi purtători diferiţi, unul pozitiv şi altul negativ, fiecare cu durată de viaţă diferită şi cu direcţii de mişcare diferite.

2.1 Frunza artificială

Aceste rezultate au determinat pe cercetători să gândească la instalaţii capabile de a produce fototransferul de electroni.

Principiul acestei „frunze artificiale” este cel al unei pile electrice, impactul fotonilor pe particulele de clorofilă produce eliberare de electroni care sunt captaţi de o substanţă captatoare.

Dispozitivul constă dintr-un vas de sticlă şi metal prevăzut cu două compartimente, în fiecare din ele cu câte un electrod de platină. Unul din compartimente conţine un produs donator de electroni, celălalt un produs acceptor. Cele două compartimente sunt separate printr-o membrană îmbibată în clorofilă. Îndată ce instalaţia este luminată, electronii traversează membrana obţinându-se curent electric.

Cel mai bun rezultat înregistrat cu o astfel de instalaţie a fost un curent de 23 milionimi de amper şi de 0,4 V. Ţinând seama de fluxul de lumină eliberat, randamentul conversiei este de 0,0025%, mult inferior performanţelor clorofilei în mediul ei obişnuit.

2.2 Celule fotovoltaice cu clorofilă

Cercetarea efectelor fotovoltaice ale clorofilei „a” a permis înţelegerea proprietăţilor ei semiconductoare. Studiile mai vechi asupra efectelor fotoconductivităţii electrice în clorofila „a” au arătat că aceasta este un slab fotoconductor.

S-a constatat că clorofila „a” în contact cu un semiconductor ca ZnO este destul de eficientă în procesul de transfer de electroni. Semnul şi mărimea fotopotenţialului depinde de pH-ul mediului şi de prezenţa donatorilor şi a acceptorilor de electroni. Se pare că aici intervin anumite reacţii fotochimice.

De asemenea s-a observat că fotoconductivitatea electrică a clorofilei „a” creşte în prezenţa vaporilor de apă. Această clorofilă „a” microcristalină a fost folosită pentru crearea unor celule „sandviş” cu clorofilă, element de conversie a energiei luminoase în energie electrică.

Fabricarea celulelor sandviş, metal – clorofilă – metal, implică trei etape.

Pe un disc de cuarţ ci diametrul de circa 5 mm, bine curăţat şi uscat, este depus prin vaporizare în vacuum un înveliş semitransparent de metal. Discul, astfel acoperit, este scos din vacuum înainte de electrodepozitarea pe suprafaţa lui a clorofilei „a” microcristalină.

Clorofila folosită în acest procedeu se extrage din spanac proaspăt prin metoda Strain şi Svec şi este cristalizată prin metoda Jacob.

2.3 Biorodopsina

O altă direcţie interesantă de studiu a fost aceea a cercetării altor tipuri de pigmenţi care să permită apariţia unor fenomene electrice.

Studiile întreprinse de cercetătorii americani au dus la constatarea că anumite bacterii izolate din lacurile sărate posedă o albumină cu proprietăţi asemănătoare rodopsinei optice care îndeplineşte funcţia de fotoreceptor. Pornind de la această constatare s-a emis ipoteza posibilităţii transformării energiei luminoase în energie electrică pe baza unor substanţe extrase din bacterii. Rodopsina este cel mai simplu transmiţător de sarcini electrice la bacterii. În acelaşi timp este şi primul generator bioenergetic cunoscut de ştiinţă, în care este condiţionat de transferul de protoni.

Bazându-se pe aceste constatări, cercetătorii ruşi au întreprins experienţe care au avut ca scop punerea în evidenţă a curentului electric cu element convertor biorodopsina.

Într-un vas separat în două printr-o membrană impregnată cu bacteriodopsină, fiecare compartiment conţinând un mediu lichid, sunt cufundaţi doi electrozi în legătură cu un voltmetru.

Rolul electrogeneratorului îl joacă aşa-numitele „plăcuţe” organite celulare ale bacteriei. Ele se obţin în stare pură din bacteriile care trăiesc de obicei în soluţii concentrate de sare, trecute în apă cu salinitate scăzuta sau nulă. În felul acesta, prin osmoză, apa intră în bacteriile care crapă, punând în libertate organitele ce conţin biorodopsină.

Pentru a obţine diferenţa de potenţial, aceste „plăcuţe” se depun printr-un anumit procedeu, numai pe o parte a membranei care separă cele două compartimente ale cuvei. Prin declanşarea lămpii care trimite lumină pe mambrana impregnată cu bacteriorodopsină se obţine un curent electric. Intensitatea curentului obţinut este proporţională cu intensitatea luminii folosite.

Bineînţeles, aceste studii sunt încă în faza teoretică, cercetătorii ruşi preocupându-se de explicarea proprietăţilor biofizice ale bacteriorodopsinei, de mecanismul molecular de formare a câmpurilor electrice în membranele bacteriene, precum şi de selectarea, creşterea şi izolarea unor bacterii posesoare a unei asemenea albumine.

3. Alte procese biologice energogeneratoare

3.1  Biogazul

Pornind de la cunoştinţele teoretice referitoare la procesele de fermantaţie care au loc sub influenţa bacteriilor şi ciupercilor, s-a căutat să se folosească tehnologii bazate ăe aceste procese care să ducă în final la obţinerea de combustibili. Unul din cele mai cunoscute procedee este cel de obţinere a metanului prin fermentarea anaerobă a unor substraturi, în special deşeuri menajere şi agricole. Producerea de metan pe cale biologică are la bază un proces de fermentare anaerobă realizat de o microfloră asociată metanogenă şi nemetanogenă.

Tehnologia nu pare prea compicată cu singura condiţie de a se asigura o strictă anaerobioză. Se cunosc rezultatele fermentării anaerobe, la întuneric şi la temperatura  de 30 – 40 grade C, a câtorva categorii de substraturi. Astfel, dintr-un kologram de substanţă uscată de paie de grâu s-au obţinut 175 l gaz combustibil, de la dejecţiile animale 195 l, de la fân 286 l, iar dintr-un kilogram de gunoi de grajd 313 l.

Aproximativ  55 – 65 % din gazele astfel obţinute reprezintă metan.

Instalaţiile „de conversie biogaz” sunt destul de simple şi se bazează pe principiul fermentării anaerobe a resturilor organice amestecate cu apă. Ele comportă două părţi principale: un fermentator în care sunt introduse materiile prime şi apa şi un colector de gaz. Reziduurile, având încă un conţinut bogat în azot, sunt folosite ca îngraşaminte în agricultură.

3.2  Bioluminiscenţa

Fenomenul de bioluminiscenţă este întâlnit şi la plante, dar mai ales animalele sunt cele care pot genera continuu sau intermitent energie luminoasă.

Pentru om ar reprezenta o cucerire deosebită cunoaşterea mecanismelor prin care circa 96 – 98% din energia chimică potenţială a organismelor luminiscente se poate transforma în energie luminoasă.

Cunoaşterea fenomenului poate reprezenta pentru economia energetică o importanţă deosebită, în cazul producerii luminii obţinându-se avantaje practice deosebite.

În această direcţie poate fi citat R. Dubois care în 1900 la Expoziţia Internaţională de la Paris a prezentat o lampă a cărei lumină proveneade la o cultură de fotobacterii. La lumina unei asemenea lămpi se putea citi şi chiar fotografia.

Fenomenul de bioluminiscenţă se întâlneşte la diferite specii din regnul vegetal şi animal aflate pe o treaptă inferioară de evoluţie ca: bacterii, ciuperci, muşchi, protozoare, celenterate, moluşte, antropode şi chiar peşti, manifestându-se cu o intensitate variabilă de la un organism la altul.

Fenomenul de bioluminiscenţă la bacterii este încadrat în categoria fenomenelor de chemoluminiscenţă.

Acest proces are la bază reacţii chimice oxido – reducătoare catalizate de o enzimă, luciferaza.

Dacă o moleculă capătă exces de energie, atunci într-unul din atomii ei se poate produce deplasarea unui electron de la un nivel mai scăzut  la un nivel mai ridicat. Substratul oxidabil este liciferina, iar acceptorul de electroni este oxigenul liber, energia necesară fiind luată din reacţia chimică de oxidare. Când electronul respectiv se întoarce la nivelul de bază, el emite o cuantă de energie luminoasă.

Schema reacţiilor chimice producătoare de lumină este:

NADH + H⁺ FMN + o enzimă  = FMNH²+ NAD

FMNH₂  + RCHO + O₂ + luciferaza = lumina

La ciuperci, mecanismul este aproximativ asemănător, complexul de enzime care intervine în procesul luminiscenţei fiind reprezentat printr-o enzimă solubilă şi luciferaza.

În regnul animal, fenomenele de luminiscenţă au la bază mecanisme foarte diferite, influenţate atât de structura proprie cât şi de mediul de viaţă. Folosirea bioluminiscenţei de către om, ca sursă de iluminare, paresă fie extraordinar de rentabilă, deoarece energia consumată în cadrul acestui fenomen trece aproape în întregime în lumină, spre deosebire de un bec electric care transformă în lumină doar 11 – 13 % din energia cheltuită.

În acest sens, se pare că cele mai interesante sunt bacteriile care puse într-un balon de sticlă asigură iluminarea convenabilă a unei camere cu condiţia ca numărul lor în cultură să ajungă la câteva miliarde.

3.3  Fenomenul de termogeneză

Aşa cum arată Feodorov – degajarea de căldură, ca fenomen general la microorganisme este variabil sub raport cantitativ şi condiţionat de utilizarea incompletă a energiei rezultate din oxidarea substanţelor organice în procesul respiraţiei.

Reacţiile chimice care însoţesc procesele vitale pot fi exergonice ( producătoare de energie ) sau endergonice ( absorb energia ). Majoritatea recţiilor de oxidare a unor molecule de substrat, ca glucoza, sunt producătoare de energie, în timp ce reacţiile care implică sinteza unor produşi protoplasmatici precum şi a rezervelor materiale de energie, cer energie.

În cazul cuplării reacţiilor de sinteză cu cele de degradare, o parte din energie devine disponibilă şi apare sub formă de căldură, care este refolosită în cazul ciupercilor, acestea fiind lipsite de mecanisme potrivite de a o utiliza. În timpul ultimilor ani au fost descoperiţi anumiţi esteri fosfaţi care pot juca un rol important în transferul de energie.

Problema care se ridică în cazul fenomenelor de termogeneză microbiană este de a cunoaşte şi a putea interveni în raportul între reacţiile de degradare şi reacţiile de sinteză, consumatoare de energie. Eficienţa procesului depinde de substartul utilizat şi de natura recţiilor cuplate.

Pornind de la această sumară prezentare, vom aminti câteva cazuri în care fenomenul de termogeneză se manifestă în mod natural având ca factor iniţial, generator, microorganisme, în special ciuperci şi bacterii. Şi, ca în multe situaţii, observarea atentă a acestor fenomene naturale şi elucidarea mecanismelor care stau la baza producerii lor, vor da posibilitatea omului să modeleze procese şi tehnologii, care să aibă ca rezultat final, conversia energiei chimice în energie termică.

Sunt foarte cunoscute cazurile din depozitele de cereale sau de făină, unde în condiţii de umiditate ceva mai ridicată, se dezvoltă microorganisme, care prin ciclul lor vital de respiraţie, produc fermentarea substratului cu degajare de căldură, care poate să ridice temperatura stratului până la 60 – 80 ⁰C.De asemenea, în stivele de paie cu un grad ridicat de umiditate ( peste 30%) au loc fenomene de autoaprindere

Procesele de natură biologică sunt deosebit de importante, deoarece ele intensifică şi mai mult procesele fiziologice prin aceea că la activitatea fermenţilor din fân se mai adaugă şi cea a fermenţilor produşi de microorganisme. Sub influenţa acestor fermenţi se produc o serie de transformări chimice, grăsimile se scindează, dau naştere la acizi graşi nesaturaţi care se autooxidează activ – proces care are loc cu degajare de căldură. Totodată, în urma procesului de fermentare rezultă gaze uşor inflamabile, ca hidrogenul şi metanul, precum şi alcool metilic şi acid acetic, acestea din urmă, la rândul lor, fiind substraturi propice pentru dezvoltarea unor microorganisme producătoare de metan.

Nu am continuat descrierea fenomenului de autoaprindere la fân deoarece la temperatura de aproximativ 100⁰C intervenţia microorganismelor încetează, acesta fiind pragul termic al vieţii microorganismelor responsabile ale autoaprinderilor. Dar prin activitatea lor apar substanţe care interacţionând în condiţiile unor astfel de temperaturi produc fenomenul de autoaprindere.

Exemple în acest sens ni le oferă focurile spontane din mină, care îşi găsesc în mod principal şi obligatoriu explicaţia în activitatea de degradare a lemnului de către bacterii şi ciuperci.

Căldura degajată prin descompunerea bacteriană a lemnului este estimată la 100 calorii mici produse de 1 g miceliu uscat şi 100 – 400 calorii mici produs de 1 g bacterii.

Aceste câteva exemple, enunţate numai, fără a intra în detalierea şi explicarea proceselor care au loc, ne dau o idee asupra rolului pe care microorganismele îl au în fenomenele de termogeneză.

Sunt cunoscute câteva cazuri în care activitatea de termogeneză a microorganismelor a fost folosită – ca de exemplu pentru încălzirea serelor cu ajutorul unor culturi de microorganisme în lăzi cu deşeuri organice.

Bibliografie

1.F.T Tănăsescu – Conversia energiei, Ed. Tehnică, Bucureşti 1986

2.I. Popescu, E. Turcu – Energia, încotro?, Ed. Scrisul Românesc,1978

3. INTERNET