Попытаемся очень схематично объяснить суть процесса иммобилизации и возникающей при этом стабильности. Выделенная для иммобилизации структура обычно имеет одно или несколько слабых мест, с которых начинается процесс распада, деструкции.
Если эти места каким-то образом защитить, то стабильность, естественно, повысится. В этом суть одного из направлений иммобилизации: прикрыв активные участки структуры каким-нибудь инертным веществом, мы в целом сохраняем ее от губительного воздействия нежелательных деструктивных факторов, будь то какие-то активные химические вещества или в простейшем случае кислород. Естественно, что при этом защита, или экранизация не должна затрагивать функциональные группы стабилизируемой структуры, фермента или даже целой клетки.
Не вдаваясь в детали процесса иммобилизации и особенностей иммобилизованных структур, скажем только, что их стабильность возрастает в десятки раз, а время полужизни, т. е. время, в течение которого биохимическая активность таких структур уменьшается на 50 %, достигает значительных величин, измеряемых месяцами или даже годами.
Такая модифицированная система обладает большой стабильностью и вместе с фотосинтетическим аппаратом может служить источником получения фотоводорода.
Дальнейшее использование водорода практически не отличается от применения традиционных видов топлива и связано с переходом химической энергии в тепловую, тепловой — в механическую и механической — в электрическую. Такой многостадийный путь приводит к довольно низкому КПД высокоэффективного топлива.
Нельзя ли каким-либо образом миновать промежуточные стадии и осуществить прямое превращение химической энергии водорода в электрическую? Собственно говоря, одностадийный переход химической энергии в другие ее виды постоянно осуществляется на наших глазах (и с достаточно высоким КПД!) биохимической «машиной» клетки в результате проведения последовательных скоординированных реакций, протекающих с участием большого числа ферментов.
Попытки осуществить этот процесс в технических устройствах привели к созданию топливных элементов — устройств, в которых осуществляется прямое преобразование химической энергии в электрическую. В топливном элементе отсутствует промежуточная стадия преобразования химической энергии в тепловую, и поэтому его КПД может достигать 65–70 %.
Топливные элементы отличаются безотходностью, автономностью и компактностью. Кроме того, их преимуществом являются бесшумность и возможность использования различных видов топлива, таких как водород, метан, легкие углеводороды, метанол, этанол и др. С помощью топливных элементов можно создавать установки различной мощности, изменяя число рабочих модулей. Однако они имеют ряд технических несовершенств, что сдерживает их применение несмотря на огромные преимущества перед другими способами получения электрической энергии.
Одной и, может быть, самой существенной трудностью, стоящей на пути внедрения топливных элементов, является создание микропористого материала, способного обеспечить межфазовый контакт между газом, жидкостью и твердым телом, в зоне которого, собственно, и происходит обмен электронов, или так называемое холодное горение.
Создание таких структур — довольно трудное дело, но и, уже созданные, они зачастую теряют свои свойства в процессе эксплуатации. Кстати, именно этим объясняется короткое время их функционирования.
Между тем подобные структуры имеются в микробной, как, впрочем, и в любой другой живой клетке. Возникает простая мысль использовать их при конструировании топливных элементов. Эти биологические структуры — биологические мембраны обладают одновременно и гидрофильными, и гидрофобными свойствами. В них не происходит замокания гидрофобных участков в процессе эксплуатации, что обеспечивает надежность и длительность их функционирования.
Пока что трудно предугадать, что предпочтут конструкторы топливных элементов: создавать новые эффективные способы получения гидрофобно-гидрофильных структур или стабилизировать «старые», созданные природой.
Но по какому бы пути ни пошло развитие топливных элементов — техническому или биотехнологическому, для их работы нужно сырье, и здесь первое слово принадлежит микробиологии, так как с ее помощью можно легко производить горючее для топливных элементов, например метан, метанол, этанол и, конечно, водород.
Кстати сказать, последний можно получать с помощью некоторых микроорганизмов, используя в качестве сырья глюкозу. Пока это экономически невыгодно. Но возможны и новые подходы к получению сахаров, что позволит сделать производство водорода таким способом рентабельным. Так, американский патент 4 480 035 предлагает использовать отходы древесины для получения обогащенных глюкозой сред, на которых можно вырастить водородообразующие микроорганизмы Citrobacter freundii или Enterobacter aerogenes, производящие до 60 % водорода.
Не следует считать, что работы над топливными элементами находятся на уровне патентных заявок. Французские исследователи создали водородный топливный элемент, который станет частью гибридной системы питания сотовых телефонов. По размерам он не больше зажигалки. Компания Sony продемонстрировала гибридный топливный элемент, обеспечивающий энергией мобильное видео в течение 14 часов. Компания Sharp представила новый топливный элемент, работающий на метаноле, мощность которого в семь (!) раз выше ранее разработанных аналогов, а габариты сопоставимы с литиевыми батареями.
Топливные элементы могут быть использованы не только для таких маломощных устройств, как перечисленные выше. Уже проходят технические испытания автомобили и автобусы, работающие на топливных элементах. В 2008 г. в США состоялся автопробег автомобилей, использующих в качестве топлива водород. Более того, «первые ласточки» уже появились и в небе. В октябре 2008 г. немецкое Агентство по аэронавтике объявило о проведении испытаний самолета с топливными элементами. Разумеется, речь идет не о замене турбовинтовых двигателей, но как минимум электроснабжение систем управления авиалайнера будет обеспечиваться топливными элементами.
Описанные нами возможности и успехи микробиологии в решении энергетических проблем находятся в различных фазах научной разработки и реализации. Помимо дальнейшего совершенствования этих устройств понадобятся еще значительные усилия, чтобы соединить их в единую технологическую схему для получения и использования энергии.
И кто знает, не здесь ли, на стыке стабилизированных биоструктур и водородной энергетики, будет найдено решение энергетических проблем, стоящих перед человечеством?
Глава 27
Микробиология — основа новейших технологий
Всякая наука черпает свои права на существование в возможности так или иначе оказаться полезной человечеству в качестве науки прикладной.
В. Оствальд
Прошло уже достаточно времени с тех пор, как человек начал последовательно и настойчиво исследовать природу. Каждое новое крупное открытие знаменует собой новую эпоху и вооружает человека новыми возможностями для еще более полного подчинения природы его нуждам.
