Escribe un artículo sobre la aplicación de la biotecnología en el campo de las nuevas energías. Los expertos pueden darte algunos consejos~.
La nueva energía limpia se conoce como energía verde. Su principal característica es que no causa contaminación ambiental después de su combustión o uso y favorece el mantenimiento del equilibrio ecológico. El desarrollo de nuevas energías limpias es la dirección de desarrollo de la futura construcción de la industria energética. Aquí nos centramos en los resultados de la investigación aplicada a la biotecnología, especialmente la tecnología microbiana, en el desarrollo de nuevas energías limpias.
1. Desarrollar nuevas pilas de combustible
Las pilas de combustible utilizan combustibles gaseosos (como hidrógeno, metano, etc.) para reaccionar directamente con el oxígeno para generar energía eléctrica. Bajo en contaminación. Formas prometedoras de utilizar la energía. Las pilas de combustible tradicionales utilizan hidrógeno como combustible, y el hidrógeno es difícil de producir y almacenar, lo que hace que el coste de las pilas de combustible siga siendo elevado. Investigadores de la Universidad de Pensilvania, en Estados Unidos, han diseñado una nueva batería que utiliza metano y otros hidrocarburos como combustible. , y su coste es mucho menor que el de una pila de combustible convencional alimentada por hidrógeno. Los investigadores han intentado utilizar hidrocarburos relacionados baratos como combustible, pero los "residuos" de las reacciones químicas pueden acumularse fácilmente en el electrodo positivo de la batería de níquel y provocar un circuito abierto. El uso de una mezcla de cobre y cerámica para fabricar el electrodo positivo de la batería resuelve el problema. de "residuos" Problema de acumulación. La pila de combustible recientemente desarrollada puede utilizar cinco tipos de hidrocarburos, incluidos metano, etano, tolueno, buteno y butano, como fuente de combustible. Puede producir metano y otros hidrocarburos mediante fermentación microbiana, convirtiéndose en un método rico y extenso para desarrollar nuevas pilas de combustible. Fuente de materias primas. En la actualidad, la eficiencia de conversión de energía de este nuevo tipo de pila de combustible es todavía baja y necesita más investigación y mejora.
2. Desarrollar bioenergía para uso tanto militar como civil
Tanto las armas militares, como la mayoría de los equipos móviles, como los vehículos civiles, como los vehículos, utilizan gasolina y diésel como combustible. es más ideal utilizar hidrógeno como combustible. Sus características son: (1) limpio y no contamina el medio ambiente (2) alta eficiencia térmica, aproximadamente tres veces mayor que la de la gasolina (3) tiene potencial de producción biológica de hidrógeno; Por ello, el uso pleno de la biotecnología para producir hidrógeno será prometedor. Por ejemplo, se utiliza Rhodopseudomonas sp como bacteria productora y el almidón como materia prima para producir hidrógeno y se consiguen buenos resultados. Por cada gramo de almidón consumido se puede producir 1 ml de hidrógeno. Mezclar hidrógeno con una pequeña cantidad de otros combustibles puede reemplazar la gasolina y el diésel. El etanol también es un biocombustible limpio que tiene una amplia gama de usos y puede usarse para reemplazar la gasolina y el diésel. La "levadura de ingeniería" construida utilizando tecnología genética en Japón, Canadá y otros países utiliza su actividad enzimática de alto rendimiento para descomponer enzimáticamente la celulosa para producir etanol; también hay "Escherichia coli diseñada" que puede convertir eficazmente la glucosa en etanol; El etanol se puede utilizar en lugar de gasolina o diésel para proporcionar una gran cantidad de biocombustible para equipos móviles en cualquier momento. De hecho, no sólo existen bacterias o “bacterias diseñadas” que producen hidrógeno y etanol, sino que también ciertas algas u otros microorganismos tienen la capacidad de producir hidrógeno o etanol. Investigadores de la Universidad de California, EE.UU., y otros investigadores han descubierto que un alga verde (organismo eucariota) llamada Chlamydomonasreinhadtii tiene la capacidad de producir continuamente grandes cantidades de hidrógeno. La clave es controlar su entorno de crecimiento y eliminar el azufre de la solución nutritiva de crecimiento. En este caso, las algas detienen la fotosíntesis y no producen oxígeno. En condiciones anaeróbicas, las algas deben producir vitaminas adenoides trifosfato. Se utiliza para utilizar la energía almacenada para lograr su propósito final de producir hidrógeno. En general, la producción de hidrógeno de este tipo de algas naturales es muy baja, por lo que, por un lado, se controlan los factores clave necesarios para su crecimiento o los obstáculos a su crecimiento, y por otro, se utiliza tecnología genética molecular; modificar las características de las algas para mejorar su capacidad de producción de hidrógeno. Se puede observar que existe potencial para aprovechar al máximo diversos organismos para desarrollar bioenergía limpia para usos tanto militares como civiles.
3. Las algas microverdes son la forma más barata de obtener energía de hidrógeno.
Las vías de producción de hidrógeno microbiano y de algas verdes se han mencionado anteriormente. Aquí enfatizamos las perspectivas de que las algas microverdes produzcan hidrógeno. Los científicos predicen que cuando se agoten el petróleo y el gas natural, el hidrógeno puede ser una fuente de energía ideal. La clave es encontrar una manera de producir hidrógeno a bajo precio. Algunos expertos creen que utilizar la capacidad de producción de hidrógeno de las algas verdes comunes de los estanques puede ser la opción más práctica: económica, práctica y ampliamente distribuida. Las algas verdes, una microplanta inferior, se reproduce rápidamente y se distribuyen por todo el mundo. Tiene la capacidad de producir hidrógeno en condiciones de agua y luz solar. Bajo control artificial, se puede obligar a las algas verdes a producir hidrógeno según sea necesario. Un informe de investigación experimental señala que un litro de líquido de cultivo de algas verdes puede producir 3 ml de hidrógeno por hora, y es necesario mejorar aún más la eficiencia de la producción de hidrógeno.
Preste atención a dos puntos: (1) El uso de tecnología de ingeniería genética para mejorar este sistema de producción de hidrógeno puede aumentar la producción de hidrógeno 10 veces o más (2) la aplicación de tecnología de inmovilización celular puede mejorar la capacidad de producción continua de hidrógeno de las microalgas verdes; Para hacer realidad el plan de desarrollo de la "energía limpia del hidrógeno" en Alemania, Canadá, Japón y otros países, están estableciendo activamente "granjas de algas productoras de hidrógeno" y haciendo grandes esfuerzos para lograr la producción a gran escala de energía del hidrógeno. Canadá ha construido una fábrica que produce 10 toneladas de hidrógeno líquido por día; Japón ha incluido la producción eficiente de hidrógeno a partir de algas y bacterias fotosintéticas productoras de hidrógeno como foco de investigación y desarrollará "hidrógeno graso" similar al helado para su uso en motores de cohetes. para aumentar el empuje de lanzamiento de cohetes. Estados Unidos espera utilizar la energía del hidrógeno como una de las principales fuentes de energía en el país para 2030. Parece que se desarrollará enormemente la producción de energía de hidrógeno mediante microalgas verdes y microorganismos fotosintéticos.
Cuarto. Aprovechar al máximo los desechos orgánicos o las aguas residuales orgánicas como materia prima para producir energía de hidrógeno.
Investigadores de la Universidad de Kitasato en Japón han logrado buenos resultados utilizando desechos domésticos para producir hidrógeno. El rendimiento es bastante alto y puede utilizarse para producir hidrógeno. El hidrógeno no solo se utiliza directamente como energía limpia, sino que también proporciona materias primas de alta calidad para el desarrollo de pilas de combustible, lo que es más económico y práctico y tiene posibles ventajas de desarrollo. Los investigadores eligieron una bacteria anaeróbica, una cepa de "Clostridium" AM21B, la mezclaron con restos de comida, espinas de pescado y otros desechos domésticos molidos con agua y la fermentaron a 37°C para producir hidrógeno. Los resultados experimentales mostraron que cada 1 kilogramo de agua. los residuos domésticos pueden producir 49 litros de hidrógeno; los residuos domésticos restantes después de la producción de hidrógeno son blandos e inodoros, y pueden reciclarse para producir fertilizantes orgánicos, como abono para tierras de cultivo. Se dice que para reciclar los desechos domésticos utilizados para producir hidrógeno, los investigadores japoneses también han desarrollado un nuevo tipo de "equipo de fermentación" que es más propicio para mejorar la eficiencia de la producción de hidrógeno a partir de desechos domésticos. Investigadores de la Universidad Harbin Jianzhu en mi país han establecido una tecnología para producir hidrógeno a partir de aguas residuales orgánicas utilizando lodos activados anaeróbicos como materia prima mediante fermentación microbiana. Tiene varias características: (1) El método de fermentación no utiliza cepas bacterianas puras; (2) No se utiliza tecnología de inmovilización celular para producir hidrógeno de manera sostenible (3) El proceso del sistema de producción de hidrógeno es estable; el hidrógeno obtenido es alto; (5) El rendimiento de la producción de hidrógeno es decenas de veces mayor que el de pequeños experimentos extranjeros similares. En la actualidad, ha entrado en producción continua de hidrógeno a escala piloto, con una cantidad de hasta 5,7 metros cúbicos de hidrógeno por metro cúbico y una pureza del 99%. Se espera que entre en producción industrial y proporcione una vía biológica viable para el desarrollo de la energía del hidrógeno.
5. Desarrollar nuevas energías utilizando el gas residual CO2 como materia prima.
El CO2, que proviene de una amplia gama de fuentes, no es sólo uno de los gases de efecto invernadero importantes, sino también un Materia prima química Cuando la liberación y absorción de CO2 no alcanzan un equilibrio dinámico, inevitablemente tendrá consecuencias adversas para el medio ambiente ecológico. Por esta razón, el estudio de cómo el CO2, como tipo de gas residual, puede transformarse y aprovecharse como recurso es de gran importancia. Entre ellos, su conversión en energía es un tema de investigación digno de mención. Se pueden utilizar al menos métodos químicos y biológicos para convertir el CO2 en energía.
(1) Método químico para utilizar catalizadores: utilice zeolita catalizadora de alta eficiencia, aproximadamente el 99 % de las partículas de aluminio activado adsorben rodio y manganeso en la superficie, según la proporción de CO2 a oxígeno es 1: 4, 300 ℃, 1 condiciones de presión atmosférica Al menos el 90 % del CO2 se puede convertir en metano y, a 10 atmósferas, la tasa de conversión puede alcanzar el 100 %. Por supuesto, también está la cuestión de reducir el coste del hidrógeno y el rodio. El metano obtenido no sólo proporciona energía y materias primas químicas, sino que también aporta beneficios para mitigar el efecto invernadero, incluido el CO2.
(2) Utilización biológica de las algas: Como se mencionó anteriormente, las algas, especialmente las Micromonocystis, ya sean procarióticas o eucariotas, son la forma más eficiente de absorber CO2 para que la fotosíntesis produzca nueva energía verde de manera efectiva. Durante el proceso de proliferación de una gran cantidad de microalgas, el CO2 se utiliza por completo y la materia orgánica se sintetiza en condiciones de luz para almacenar energía solar. La biomasa de las algas puede considerarse como un enorme "banco de almacenamiento de energía". producir combustible sólido o seco a partir de él, si es posible, el Reino Unido puede utilizarlo para generar energía a partir de diversos tipos de algas, incluidas las algas marinas, y también puede utilizarse como materia prima para producir metano y otras energías mediante la inmovilización de microalgas. También es aconsejable utilizar células para la producción continua de hidrógeno. Precisamente debido a las funciones específicas que desempeñan las distintas algas, son a la vez "bancos de almacenamiento de energía" y "bancos de suministro de energía" de los que se puede obtener la energía limpia necesaria. Por ello, algunos expertos predicen que el uso de CO2 para producir bioenergía, especialmente energía de hidrógeno, será un suministro energético prometedor e ideal en este siglo.
6. La fermentación microbiana para producir etanol tiene un gran potencial.
El etanol, comúnmente conocido como alcohol, se utiliza en la medicina y la industria química. Es un tipo de energía limpia y no contaminante. desarrollarse en el futuro y también es una importante energía renovable, con las características de combustible completo, alta eficiencia y no contaminación.
Úselo para diluir gasolina y preparar "gasolina con etanol" para reemplazar la gasolina con plomo, y la eficiencia se puede aumentar en aproximadamente un 15%. Según los informes, cientos de miles de automóviles en Brasil han sido modificados para utilizar "gasolina etanol" o alcohol como combustible, lo que reduce en gran medida la contaminación del aire. Ahora que el etanol ha demostrado su superioridad cuando se utiliza como combustible para automóviles, ¿cuál es la mejor manera de producirlo? Entre ellos, el método más económico y práctico para producir etanol tiene dos aspectos que merecen una seria consideración: uno es utilizar paja agrícola desechada como materia prima para producir etanol combustible y el otro es cultivar algas verdes para producir etanol; En cuanto al primero, la paja es un desperdicio de cosechas a gran escala en el mundo. Mi país produce 650 millones de toneladas de paja cada año, que se quema directamente para contaminar el medio ambiente, si incluso una parte de esta paja se utiliza para producir etanol combustible. Será algo que beneficie al país y a la gente y conduzca a la protección del medio ambiente ecológico. Si se utiliza etanol como aditivo de la gasolina para reemplazar el aditivo con plomo que se utiliza actualmente, el metil terc-butil éter (MTBE), será muy beneficioso y tendrá un gran potencial comercial, ya sea para transformar la gasolina para mejorar la eficiencia o proteger el medio ambiente. . Hace dos años, la cantidad de etanol utilizado como combustible en los Estados Unidos alcanzó entre 4,13 y 5,86 millones de toneladas, lo que representa entre el 83% y el 87% del consumo de etanol en los Estados Unidos. En la actualidad, la producción y el mercado de etanol combustible de mi país. ambos están en blanco. Sin embargo, el etanol tiene sus ventajas como componente oxigenado eficaz de la gasolina. En los Estados Unidos, el 8% del componente oxigenado de la gasolina oxigenada es etanol y ahora el único sustituto del MTBE es el etanol. Los informes indican que al menos 10.000 sitios de agua subterránea en California están contaminados por fugas de MTBE, y el 14% de los pozos de agua potable en los Estados Unidos están contaminados. El MTBE es un carcinógeno para los animales y también es potencialmente dañino para la salud humana. Por un lado, el gobierno prohíbe el uso de aditivos MTBE en la gasolina, por otro, desarrolla activamente la producción de etanol como sustituto. California, un estado de Estados Unidos, necesitará 35.000 barriles de etanol por día en los próximos dos años (nota: 1 barril estadounidense = 31,5 galones), y la demanda será de 95.000 barriles en cinco años. Con este fin, los productores de etanol estadounidenses ya están ampliando su capacidad de producción de etanol; sin duda, la prohibición del MTBE traerá oportunidades comerciales ilimitadas a la industria del etanol. De esto también se puede ver que aprovechar las oportunidades comerciales del desarrollo del etanol combustible es necesario para desarrollar nuevas energías verdes. En nuestro país, si tenemos las condiciones, la capacidad y la tecnología, es totalmente posible aprovechar al máximo varios tipos de paja desechada para lograr la conversión de recursos o energía. Si sólo se utilizan 100 millones de toneladas de 650 millones de toneladas de paja para producir etanol combustible cada año, la producción de etanol puede alcanzar los 20 millones de toneladas. Según la evaluación económica de los expertos pertinentes, el costo de producir etanol a partir de paja como materia prima es menor que el de utilizar la fermentación de granos para producir etanol y es mayor que el costo de producir gasolina en una refinería, pero es más competitivo que el costo de producir etanol a partir de paja como materia prima; Aditivo para gasolina MTBE. Aunque la producción de etanol combustible a partir de paja tiene ciertas características y ventajas, es necesario explorar más a fondo su tecnología de producción y su eficacia. La producción de etanol mediante algas verdes es muy diferente de la producción de etanol mediante fermentación microbiana tradicional. Las algas verdes son un tipo de organismos eucariotas autótrofos, entre los que se encuentra la chlorella unicelular que tiene un gran potencial para desarrollar nuevas fuentes de energía. Un equipo de investigación de una empresa japonesa obtuvo del agua de mar superficial una nueva especie de alga llamada Tit-1, que es similar a la chlorella (aproximadamente 10 μm de diámetro; durante el día, como las plantas comunes, convierte el CO2 en almidón en condiciones de luz). y lo almacena también puede convertir el almidón en etanol en condiciones de poca luz o anaeróbicas. Tiene sus propias características: no causará contaminación ambiental, puede absorber CO2 en la atmósfera, reducir en gran medida el efecto invernadero y obtener productos de etanol. Esta combinación orgánica de producción de etanol autótrofa y heterótrofa es un ejemplo típico y tiene ventajas únicas.
En definitiva, no importa qué forma de combustible o energía se obtenga de los seis aspectos mencionados anteriormente, como tipo de biocombustible o bioenergía limpia y que no contamina el medio ambiente, existe "energía verde". conocido como la dirección de desarrollo de la construcción energética del futuro. El progreso de la civilización moderna y la supervivencia y el desarrollo de los seres humanos requieren urgentemente nuevas energías limpias y un entorno ecológico libre de contaminación. Están estrechamente vinculados entre sí. Se puede esperar que en el siglo XXI, con las necesidades de diversas construcciones y el progreso científico y tecnológico, se desarrolle aún más la energía verde.