CC BY
234ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ
ENERGY OF BIOMASS
УДК 576.8, 581.13
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОРОСЛЕЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОТОПЛИВА И УДАЛЕНИЯ ИЗБЫТКА УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ИЗ АТМОСФЕРЫ
С.А. Марков
Государственный университет им. Остина Пи, кафедра биологии а/я 4718, Кларксвилл, штат Теннесси, 37044, США тел.: 1 (931) 221-7440, факс: 1 (931) 221-6323, e-mail: markovs@apsu.edu
В обзоре кратко обобщены литературные данные о получении биотоплива (биодизельного топлива и этанола) из микроводорослей с одновременным использованием их для удаления избытка СО2 из атмосферы. Описывается потенциал различных групп водорослей с точки зрения их практического применения для производства биотоплива. Специальный раздел посвящен массовому культивированию водорослей в открытых прудах и фотобиореакторах.
POTENTIAL OF USING MICROALGAE FOR BIOFUEL PRODUCTION AND CO2 REMOVAL FROM ATMOSPHERE
S.A. Markov
Austin Peay State University, Department of Biology Clarksville, Tennessee, 37044, USA Tel.: 1 (931) 221-7440, факс: 1 (931) 221-6323, e-mail: markovs@apsu.edu
The review briefly surveys data on production of biofuels (biodiesel and ethanol) and CO2 mitigation using microalgae available in literature. Different groups of algae described here with a view of their practical application for biofuel production. Particular attention in the review is given to mass cultivation of algae in open ponds and photobioreactors for biofuel generation and CO2 mitigation.
Сергей Арленович Марков
Ученая степень, звание: кандидат биологических наук.
Место работы: Государственный университет им. Остина Пи, штат Теннесси, США, профессор. Основные места работы:
Московский государственный университет, биологический факультет; Королевский Колледж Лондонского университета, Англия;
Институт возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США, Голден, штат Колорадо, США;
Государственный университет им. Маршалла, штат Западная Виргиния, США; Частный университет им ДеРо, штат Индиана, США.
Область научных интересов: получение возобновляемых источников энергии (водород, биодизельное топливо и этанол) из микроорганизмов. Количество публикаций: более 60.
Введение
Запасы ископаемых видов топлива - угля, нефти и газа - не бесконечны. Повышение спроса на эти виды топлива, наблюдающееся в последнее время, рано или поздно приведет к энергетическому кризису. К тому же сжигание ископаемого топлива приводит к выбросу углекислого газа (СО2), накопление которого ведет к глобальному потеплению. Одно из решений этих проблем - использование микроскопических водорослей (микроводорослей). Микроводоросли могут быть источником для получения возобновляемого топлива, включая биодизельное топливо и этанол [1-5]. Более
того, помимо получения топлива водоросли могут служить средством для удаления углекислого газа из атмосферы. К примеру, водоросли в океанах поглощают ежегодно до 2 гигатонн углекислого газа (для сравнения, наземные экосистемы поглощают 1,5 гига-тонны [6]). Эти организмы являются важным резервуаром углерода в биосфере.
Микроводоросли - это микроскопические организмы, сходные с растениями. Подобно растениям, они используют энергию солнечного света, но растут гораздо быстрее - удваивая свою массу в течение нескольких часов. Микроводоросли могут расти практически везде (в воде, в лесу, в горах, на снегу, в
ш
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2 (70) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
83
теплом климате и в Сибири) - для их поддержания требуется немного: вода (даже сточные воды), СО2 и небольшое количество минеральных солей. Таксо-номически эти организмы представляют собой крайне разнообразную группу, включающую в себя как прокариотные безъядерные формы (цианобактерии), так и эукариотные организмы. Микроводоросли использовались человеком с давних времен в качестве пищевых добавок или удобрений [7].
Целью настоящего обзора является обсуждение возможностей получения из водорослей широко используемых в настоящее время видов биотоплива, таких как биодизельное топливо и этанол, с одновременным удалением избытка СО2 из атмосферы.
Микроводоросли
Микроводоросли - это фотосинтетические организмы, которые используют энергию солнечного света для преобразования СО2 и воды в органическое вещество, используемое для построения их клеток и для их энергетических нужд [7-9]. Это органическое вещество, запасаемое в виде масла, крахмала или других соединений, может быть легко преобразовано в биотопливо. Большинство водорослей содержит хлорофилл (и поэтому они зеленого цвета) и фото-синтезирует с выделением молекулярного кислорода. Многие виды водорослей содержат помимо хлорофилла и другие пигменты и выглядят красными или бурыми. Водоросли - одноклеточные или колониальные организмы, но некоторые из них образуют клеточные нити, или филаменты. Хотя большинство водорослей микроскопические и относятся к микроорганизмам, многие из них макроскопические, достигающие 30 м в длину. Последние не являются объектом нашего обзора. Клетки водорослей содержат хлоропласты, клеточные органеллы, в которых происходит процесс фотосинтеза. Биологи расходятся во мнениях, сколько же видов водорослей существует в мире; одни считают, что около 35 тысяч видов, другие - что около 10 миллионов видов. Водоросли разделяются на девять групп, различающихся составом пигментов, запасных веществ, структурой клеток и способами размножения. С точки зрения получения биотоплива представляют интерес только некоторые группы водорослей, такие как зеленые, золотистые, диатомовые, криптофитные, хаптофитные и сине-зеленые водоросли.
Зеленые водоросли (Ch.loroph.yta)
Зеленые водоросли считаются предшественниками зеленых растений. По своему клеточному строению, наличию двух форм хлорофилла и цвету они наиболее напоминают клетки растений. Запасной продукт такой же, как у растений - крахмал. Существует около 8 тысяч видов этих водорослей, некоторые из них относятся к макроскопическим водорослям. В условиях дефицита азота (в условиях стресса) многие виды зеленых водорослей могут накапливать
масло. Зеленые водоросли наиболее изучены, из них Chlorella - одна из наиболее известных зеленых водорослей. Эта водоросль широко используется в качестве добавок в пищу, особенно в странах Азии. Многие представители зеленых водорослей хорошо растут в лабораторных и промышленных условиях. Ряд компаний выращивают Chlorella в качестве добавок в пищу: водоросль содержит до 45% белка и необходимые человеку витамины.
Диатомовые водоросли (Diatomeae) Наиболее широко распространенные водоросли в природе. Существует более 100 тысяч видов этих водорослей. Их легко можно найти как в пресноводных водоемах, так и океанах в виде планктона в любое время года. Наряду с хлорофиллом эти водоросли содержат большое количество пигмента фукок-сантина, определяющего их буровато-золотистый цвет. Многие виды способны к активному движению. Запасные продукты этих водорослей - масла, отлагающиеся в клетке в виде капель, и хризолами-нарин. Основной чертой диатомовых водорослей является наличие в их клеточной стенке (панцире) кремния. В связи с этим культивирование этих водорослей недешево, т. к. кремний относительно дорог. Да и растут они относительно медленно по сравнению с другими видами водорослей.
Золотистые водоросли (Chrisophyta)
Золотистые водоросли по своему пигментному составу и запасным веществам похожи на диатомовые водоросли, с тем различием, что многие виды не содержат кремния в их клеточных стенках. Водоросли эти порой очень причудливой формы, напоминающие под микроскопом чаши или экзотические цветы. Существует до 500 видов этих организмов, встречающихся в основном в пресноводных водоемах. Ничего не известно о культивировании этих водорослей в лабораторных или промышленных условиях.
Криптофитовые водоросли (Cryptophyceae) Эта группа включает около 200 видов морских и пресноводных водорослей. Основные запасные продукты - крахмал, хризоламинарин и масло. Ничего не известно о культивировании этих водорослей. Наиболее широко распространен и богат видами род криптомонас (Cryptomonas).
Хаптофитовые водоросли (Haptophyta)
Эта группа в основном морских водорослей и включает около 300-500 видов. Основные запасаемые вещества - масла и хризоламинарин. Коричневый цвет этих водорослей происходит от пигмента фукоксантина. Многие водоросли из этой группы покрыты пластинами из карбоната кальция. Ничего не известно о лабораторном или промышленном культивировании этих водорослей.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (70) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Сине-зеленые водоросли (Cyanophyta)
Сине-зеленые водоросли - водоросли необычные. По внутреннему строению клеток это бактерии. Они еще называются цианобактерии. Однако наличие хлорофилла и фотосинтеза с выделением кислорода относит эти микроорганизмы к водорослям. Основной запасной продукт - крахмал. Сине-зеленые водоросли хорошо изучены и прекрасно растут в лабораторных и промышленных условиях, хотя и медленно. Ряд компаний в США, Индии, Китае и Пакистане выращивают сине-зеленую водоросль Spirulina для употребления в кормовых целях или в качестве добавок в пищу; водоросль содержит до 70% белка и витамины. Spirulina употреблялась в пищу еще в древнем государстве ацтеков [10], где ее собирали на озерах.
Биодизельное топливо
Биодизельное топливо - это заменитель дизельного топлива, которое получают в настоящее время в основном из растительного или животного масла [11]. Даже из самых оптимистических прогнозов биодизельное топливо из растительного масла не сможет заменить даже небольшую долю дизельного топлива в будущем. К счастью, есть возможность производить биодизельное топливо из масла, полученного из микроводорослей. Исследования, проводившиеся в 70-90 годах в США и финансировавшиеся по Программе «Aquatic Species» Министерством энергетики США, показали, что многие виды водорослей могут аккумулировать необходимое количество масла, которого достаточно для производства биодизельного топлива [12]. Особенно характерно накопление масла у диатомовых и золотистых водорослей. Продуцирование масла у многих видов водорослей превышает выработку масла у наилучших культивируемых растений. Содержание масла в некоторых водорослях может превышать 80% на сухой клеточный вес, а содержание масла порядка 20-50% очень распространено среди микроводорослей [2, 3, 13]. Содержание масла, как правило, увеличивается, когда водоросли растут в условиях стресса, например, если недостаточно азота или других питательных элементов [14]. Водоросли используют масло как запасающий материал. Это виды диатомовых, золотистых и хаптофитовых водорослей, а также некоторые зеленые водоросли (выращенные в определенных условиях). Так, например, содержание масла у видов зеленой водоросли Chlorella порядка 28-55% [2, 15, 16]. Масло из водорослей может быть превращено в биодизель через реакцию трансэсте-рификации, простую химическую реакцию с участием спирта (этанола или метанола), которая катализируется с помощью кислоты или щелочи (такой как гидроксид натрия). В настоящее время предполагаемая стоимость биодизельного топлива из водорослей приблизительно 1,6-2 доллара за американский галлон (3,5 литра) в сравнении с 3,5 доллара за галлон
топлива из пальмового масла. Цена дизельного топлива из нефти в США в 2008 была в пределах 4 долларов за галлон. Теоретический выход масла из водорослей - до 10000 американских галлонов на акр (это в 30-100 раз больше, чем из сои). Более того, только от 6 до 7% общей возделываемой земли необходимо для выращивания водорослей, чтобы заменить 100% дизельного топлива, производимого из нефти [2, 17]. Кроме того, не обязательно использовать возделываемую землю для выращивания микроводорослей (можно использовать так называемую «бросовую землю»), а также им не нужна чистая вода - многие водоросли могут расти и на сточных водах.
Этанол
Этанол - это превосходное топливо для транспорта, используемое вместо бензина или добавляемое к нему. Первый автомобиль Генри Форда, так называемый «Model T Ford», использовал в качестве топлива 100% этанол. Этанол - это бесцветная жидкость с химической формулой C2H5OH. Другое название для этанола - этиловый спирт, или просто спирт. Производство этанола - это биологический процесс, основанный на сбраживании различных сахаров грибками (дрожжами) или бактериями. В США, к примеру, большинство этанола производится с помощью сбраживания сахара, полученного из крахмала кукурузы. Сахар экстрагируется из кукурузы с помощью ферментов и затем превращается дрожжами в этанол и CO2. Спирт отделяют от примесей путем дистилляции. В Бразилии спирт получают непосредственным сбраживанием сахара из сахарного тростника. Этанол также можно получать из нефти, и поэтому биологический спирт часто называют биоэтанолом.
С повышением цен на нефть и растущим спросом на нее этанол в ряде стран становится одним из основных заменителей бензина. В 2005 году Конгресс США принял постановление, требующее весь бензин в США смешивать с этанолом. С 2008 года бензоколонки в США не продают больше чистый бензин, а только его смесь с этанолом. Большинство машин могут использовать смесь бензина и этанола (1:10). Смешивание спирта с бензином повышает содержание кислорода, и поэтому смесь сгорает более полно и с меньшим выделением угарного газа (СО). Чтобы использовать чистый бензин, нужно модифицировать двигатели. В Бразилии большинство машин имеет модифицированные двигатели. Уже с 1977 г. бразильское правительство требовало использовать спирт в автомобилях. Эта страна имеет наиболее успешную в мире программу по использованию спирта в качестве автомобильного топлива. Как результат этой программы, Бразилия избавилась от экспорта нефти из других стран.
В отношении экологии этанол лучше бензина, особенно если будет возможно получать его из водорослей [18]. В сравнении с бензином машины, за-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2 (70) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
правляемые этанолом, выделяют меньше СО и С02. Этанол значительно менее токсичен для человека, чем бензин.
К сожалению, производство спирта из кукурузного крахмала требует значительного потребления энергии в форме природного газа, дизельного топлива или даже угля. Энергия тратится на выращивание кукурузы, транспорт и дистилляцию спирта. В дополнение, производство спирта из кукурузы или других культурных растений приводит к повышению цен на продукты питания. Так, большое количество продуктов в США содержит кукурузный сахарный сироп, и повышение цен на кукурузу привело к повышению продуктовых цен. В последнее время делаются предложения использовать для получения спирта другие, не пищевые субстраты. Так, спирт можно получать из целлюлозы. Целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений, и это самое распространенное органическое вещество на планете. Целлюлоза состоит из молекул сахара, которые могут быть превращены в этанол. К сожалению, современные методы превращения целлюлозы в сахар неэффективны и требуют большого количества энергетических и материальных затрат. И опять водоросли приходят на помощь. Биомасса водорослей может быть использована для производства этанола ферментативным путем с помощью микроорганизмов. Многие микроорганизмы, включая дрожжи и бактерии, способны на это [19]. Разные виды водорослей содержат в виде запасного вещества крахмал. Как указывалось раньше, это виды зеленых и сине-зеленых водорослей. Этот крахмал можно также использовать в качестве субстрата для получения этанола по аналогии с кукурузным крахмалом.
Этанол из водорослей можно также получать одновременно с получением биодизельного топлива. После извлечения масла из водорослей оставшаяся часть биомассы содержит крахмал и другие углеводы, которые можно сбраживать в этанол.
Микроводоросли могут быть также изменены с помощью генетической инженерии для того, чтобы продуцировать этанол [20].
Недавно появилось несколько компаний в США (А^епо1, А^аеа1'^гк и другие), поставивших целью получать этанол из водорослей, используя технологии, описанные выше.
Микроводоросли и углекислый газ
Одним из новых направлений в развитии биотехнологии является использование микроводорослей для удаления СО2 из выхлопных газов тепловых электростанций и других производств (митигация углекислого газа). Выхлопные газы содержат высокий процент углекислого газа (до 20% С02). Типичная тепловая электростанция, работающая на угле, выбрасывает в атмосферу до 13% С02. Таким образом, тепловые электростанции являются одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха С02. Очистка выхлопных газов от СО2 и ис-
пользование альтернативных источников энергии приведет к стабилизации атмосферного содержания СО2 и предотвратит глобальное потепление.
Микроводоросли поглощают С02 в процессе роста, таким образом, они могут быть использованы для удаления С02 из выхлопных газов тепловых электростанций и других производств [21]. В этом смысле на начальных этапах внедрения водорослевой технологии для производства биотоплива средства, получаемые от торговли углеродным кредитом, будут играть существенную роль.
Массовое культивирование водорослей: пруды и фотобиореакторы
Выращивание водорослей
Для того чтобы максимально использовать биологический потенциал микроводорослей для получения топлива, необходимо их эффективно культивировать [22]. Для выращивания водорослей обычно готовится питательная среда, состоящая из воды и минеральных солей. Минеральные соли поставляют водорослям необходимые для их роста элементы, включая азот, фосфор, железо, натрий и калий. Водорослям также нужны так называемые микроэлементы (очень небольшое количество), главным образом металлы, входящие в состав различных ферментов. Разные виды водорослей предпочитают разные по составу питательные среды в зависимости от их нужд; так, диатомовые водоросли нуждаются в кремнии в дополнение к обычной минеральной среде. Кремний необходим этим водорослям для синтеза их клеточной стенки. Изготовление питательной среды для водорослей нередко требует значительного количества времени, хотя минеральные соли для этой среды относительно дешевы.
Тем не менее, если планировать получение биотоплива из водорослей в промышленном масштабе, минеральные соли могут обойтись недешево. Количество необходимых этим организмам элементов можно вычислить, используя приблизительную формулу состава водорослей С^Н^Оцо^^. Исходя из этой формулы, например, на тонну масла из водорослей (при 40% содержания этого масла в клетках) нужно израсходовать примерно 225 кг азота и 15 кг фосфора.
Кроме питательной среды водорослям нужен свет, поставляющий энергию для фотосинтеза. Можно выращивать водоросли на солнечном свету или при искусственном освещении, обеспечиваемом флуоресцентными лампами. Выращивание водорослей в естественных условиях освещения гораздо более экономично, чем при искусственном, хотя может принести другие проблемы, такие как колебание интенсивности света в течение суток или во время смены времен года, наличия темнового периода. В темноте во время дыхания водоросли поглощают запасные вещества (масло или крахмал), необходимые для производства биодизельного топлива или этанола.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (70) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Также при высокой интенсивности света рост водорослей может ингибироваться через процесс, известный как фотоингибирование, связанный с обратимым повреждением некоторых белков аппарата фотосинтеза. Так что водоросли при выращивании часто приходится затемнять. Измерять интенсивность света можно при помощи люксметра, и выражается она в микромолях фотонов на квадратный метр в секунду.
Пруды для выращивания водорослей В настоящее время микроводоросли в промышленном масштабе под открытым небом в основном выращивают в искусственных неглубоких (до 0,3 м) прудах размером до тысячи квадратных метров. Так называемые пруды «беговая дорожка» выглядят с высоты птичьего полета как гоночные дорожки. По дорожке движется каток с лопастями, который перемешивает и движет культуру водорослей. Такие пруды успешно используют для массового культивирования микроводорослей уже с 1950-х годов. Американские компании «ЕагШпБе» и «Суапо1есЬ» в Калифорнии и на Гавайских островах выращивают сине-зеленые водоросли в таких прудах площадью до 500 000 м2 и используют водоросли в качестве пищевых добавок и в фармацевтической промышленности. Другой вид искусственных прудов для выращивания водорослей - это каскадные пруды [23]. Такие пруды строятся под небольшим наклоном (3-5%) в виде ступенек и используются в водоочистительных предприятиях для удаления из сточных вод тяжелых металлов и снабжения воды кислородом. Выращивание водорослей в прудах неэффективно и лимитируется многими факторами, такими как колебания температуры и загрязнение посторонними организмами, а также потери воды во время испарения [24]. К тому же в прудах очень сложно поддерживать высокую концентрацию водорослей.
Фотобиореакторы для выращивания водорослей Проблемы культивирования микроводорослей в прудах привели к развитию новой технологии выращивания, основанной на использовании фотобиоре-акторов [25]. Фотобиореакторы - это приборы для оптимального культивирования и функционирования микроводорослей (или получения биотоплива из микроводорослей). Продуктивность фотобиореакто-ров по выращиванию водорослей в пять раз превышает продуктивность прудов [4]. Фотобиореакторы могут использовать только одну пятую или даже одну десятую земли, необходимой для открытых прудов, для продукции одинакового количества биомассы микроводорослей. Для того, чтобы использовать фотобиореакторы в промышленных масштабах, необходимо, чтобы они обеспечивали наиболее эффективное использование солнечной энергии и позволяли контролировать чистоту культуры микроводорослей и необходимые условия культивирования.
К настоящему времени имеется большое количество работ по дизайну и оптимизации фотобиореакторов для выращивания микроводорослей [26-29]. Фотобио-реактор должен быть простым, недорогим, позволяющим достигать высокой концентрации клеток, энергетически эффективным, который также можно легко увеличить до промышленного образца. Наиболее распространенный тип недорогого фотобиореактора в настоящее время, описанный в литературе, - это трубчатый фотобиореактор, сделанный из прозрачного пластика или полиэтилена. Трубы обычно тонкие, до 30 см диаметром, что позволяет свету легко проникать вглубь клеточной суспензии. Для более эффективного освещения культуру водорослей нужно при этом перемешивать. Перемешивание достигается пробулькиванием фотобиореакторов с помощью смеси воздуха и СО2 или механическим путем. Для того, чтобы использовать такие фотобиореакторы на открытом воздухе, необходимо иметь систему охлаждения в течение летних месяцев или ранней весной. Это может быть тепловой обменник или дождевальная установка.
Значительное число исследований по фотобиоре-акторам лабораторного масштаба было проведено в прошлом [2, 27, 28]. Такие исследования необходимы на ранних этапах разработки фотобиореакторов для производства биотоплива, чтобы выяснить условия культивирования микроводорослей, такие как состав питательной среды, рН, температурные условия и т.д. В настоящее время получили распространение так называемые микрофлуидные биореакторы [30]. Эти фотобиореакторы размером со слайд от микроскопа позволяют исследовать кинетику продуцирования масла или крахмала водорослями в зависимости от разных условий среды. Миниатюрные размеры таких фотобиореакторов позволяют одновременно проводить несколько экспериментов в разных условиях опыта. Лабораторные исследования по фотобиореак-торам демонстрируют возможность выработки биотоплива из микроводорослей на практике.
Были также неоднократные попытки выращивания водорослей в пилотных установках под открытым небом [28, 31]. Несколько типов фотобиореакторов были испытаны для выращивания микроводорослей. Следует упомянуть так называемый окологоризонтальный фотобиореактор для выращивания сине-зеленых водорослей, который был построен под открытым небом на Гавайских островах [32]. Фотобиореактор располагался на поставленной под углом 10% платформе и состоял из 20-метровых пластиковых труб диаметром 3,8 см и общим объемом до 230 литров. Фотобиореактор пробулькивался смесью воздуха и углекислого газа. Так как биореактор располагался под углом, пузырьки углекислого газа медленно поднимались по трубам, эффективно снабжая клетки микроводоросли углекислым газом (углеродом).
Недавно несколько небольших компаний в США (GreenFuel Technologies, Valcent Products, Solix, GreenShift) стали строить пилотные фотобиореакто-ры для выращивания микроводорослей. Общее уст-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2 (70) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
ройство пилотных фотобиореакторов этих компаний можно увидеть в рекламных роликах в интернете, хотя детали их конструкций не были опубликованы в открытой печати.
Фотобиореакторы фирмы GreenFuel Technologies состоят либо из пластиковых трубок, либо из трубчатых полиэтиленовых мешков. Эта компания, основанная в 2001 году, стала пионером использования водорослей в фотобиореакторах для удаления СО2 из выхлопных газов тепловых электростанций. Эта идея была известна давно [33], однако GreenFuel впервые стала применять идею на практике. В 2006 году компания совместно с компанией Arizona Public Service (производящей электричество, сжигая уголь) соединила фотобиореакторы и выхлопные газы тепловой электростанции, содержащие большое количество СО2. GreenFuel собирается также производить биодизельное топливо из водорослей. В настоящее время компания приступила к постройке 91-миллионной (в долларах) фабрике в Европе по производству биотоплива из водорослей.
Фотобиореактор НПО «Биотехника» Photobioreactor of the SIS «Bioengineering»
Компания Уа1сей разработала фотобиореактор, состоящий из 3-метровых трубчатых полиэтиленовых мешков. Мешки соединены друг с другом, что позволяет суспензии водорослей циркулировать, и расположены вертикально один над другим в теплице. Фотобиореактор компании 8оИх также состоит из полиэтиленовых трубок. Эти трубы расположены в углублениях в земле. Тяжелые катки постоянно движутся по поверхности этих мешков, сжимая содержащую водоросли питательную среду и двигая водоросли в одном направлении, таким образом перемешивая водоросли. Перемешивание водорослей необходимо для того, чтобы каждая клетка водорослей в густой суспензии могла получать свет, необходимый для фотосинтеза. В фотобиореакторе компании ОгеепЗЫй водоросли растут (иммобилизованы) на плоской вертикальной мембране из полиэстера, похожей на проволочные плетеные пластины для защиты окон или плоские фильтры от пыли. Волокна
этих мембран увеличивают поверхность фотобиоре-актора и позволяют CO2 свободно проходить через несколько пластин, соединенных вместе. Свет для водорослей поступает по оптическим волокнам и собирается с помощью специальных коллекторов. Описанный выше фотобиоректор использует так называемые иммобилизованные клетки. Многие водоросли существуют в природе в иммобилизованном состоянии на частичках почвы или в симбиозе с другими организмами. Считается, что иммобилизация повышает физиологические функции водорослей.
Все эти описанные выше компании предполагают начать промышленное получение биодизельного топлива и других биотоплив из микроводорослей в фотобиореакторах в ближайшем будущем [1].
Самый большой фотобиореактор сейчас построен в Германии в местечке Клотзе (www.algoomed.de). Этот фотобиореактор состоит из 500 км трубок и производит до 100 т биомассы водорослей в год. Фо-тобиореактор состоит из пластиковых трубок, внутри которых находятся лопасти для перемешивания культуры водорослей. Хотя фотобиореактор поглощает из-за этого много энергии, его собираются использовать для демонстрации технологии поглощения СО2.
Исторически только несколько компаний продавали фотобиореакторы для культивирования микроводорослей. В 80-х годах это было НПО «Биотехника» (СССР), которое продавало трубчатые фотобиореакторы объемом до 10000 литров для культивирования микроводорослей под открытым небом с возможностью производить до 20 тонн биомассы в год. Это были самые большие в мире в то время фотобиореакто-ры (рисунок). К сожалению, НПО «Биотехника» было упразднено во время развала СССР. В настоящее время другая компания Sartorius (раньше известная под именем IGV-Biotech/B. Braun Bio tech International) продает спиральные, сделанные из стеклянных труб фотобиореакторы объемом до 100 литров для культивирования микроводорослей, используя искусственное освещение. Дизайн фотобиореактора этой компании базируется на дизайне спирального фотобиореак-тора из поливинилхлоридной трубки «Biocoil», построенного компанией Biotechna Graesser A.P. Ltd., Лондон, Англия. Watanabe et al. [34] использовал такой фотобиореактор с микроводорослью Spirulina внутри для поглощения CO2 из воздуха (4% CO2), который циркулировал внутри фотобиореактора. Было показано, что водоросли способны удалять 70% CO2 в течение 8-часового периода. Фотобиореакторы этого типа очень удобны для исследования продукции био-топлив из микроводорослей, но не экономичны для использования в промышленных условиях. Sartorius также продает "CultiBag" биореакторы объемом до 600 л. В основе биореактора - полиэтиленовый мешок, расположенный на движущейся платформе, что позволяет перемешивать суспензию водорослей. Биореакторы Sartorius снабжены системой контроля, при помощи которой можно регулировать подачу СО2 или
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (70) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
следить за рН среды культивирования водорослей. В конце 2007 года голландская компания AlgaeLink N.V. начала продажу пилотных и индустриальных фото-биореакторов, контролируемых с помощью компьютера для массового культивирования микроводорослей и производства из них биодизельного топлива. Согласно коммюнике компании, исследователям Al-gaeLink удалось преодолеть технические сложности эффективного культивирования микроводорослей в фотобиореакторах. Их новый аппарат уменьшает повреждение клеток микроводорослей (за счет ослабления гидродинамического стресса), разрешает использовать разнообразные виды микроводорослей при их большей клеточной плотности. Согласно данным компании, их фотобиореакторы производят в шесть раз больше клеточной биомассы, чем другие известные фотобиореакторы. Выход биомассы в фотобиоре-акторах AlgaeLink - до 100 тонн сухого веса микроводорослей в день, и биомасса может быть легко превращена в биодизельное топливо. Согласно мнению экспертов, фотобиореакторы AlgaeLink нерентабельны для массового производства биодизельного топлива, они используют насосы для перемешивания водорослевой суспензии и отделения биомассы. Эти насосы потребляют значительное количество энергии, что может превышать количество энергии, производимое в виде биодизельного топлива. К концу 2008 года стали появляться негативные отзывы в интернете об этой компании, связанные главным образом с задержкой доставки фотобиореакторов к потребителям и их быстрой поломкой.
Заключение
Проведенные в последнее время исследования показали, что фотосинтетические микроводоросли -наиболее обещающий кандидат для производства биотоплива (биодизельного топлива и этанола), т.к. им не требуется чистая вода, плодородная почва, и они могут внести значительный вклад в удаление избытка СО2 из атмосферы. Недавно американская авиакомпания Continental Airlines провела успешный демонстрационный полет Boeing 737-800, используя в качестве топлива смесь (50% на 50%) биодизельного топлива из водорослей и растений. Несколько нефтяных компаний (Chevron, Shell) проводят в настоящее время совместные исследования с учеными ряда государственных институтов и университетов США по получению биотоплива из водорослей. Миллионы долларов выделяются на исследование водорослей правительством США и других стран.
Однако, несмотря на значительные усилия и выделенные средства, эффективное внедрение в промышленном масштабе технологий получения биотоплива из микроводорослей по-прежнему буксует в связи с неспособностью этих организмов генерировать значительные количества биотоплива по удовлетворительным ценам. Технология производства биодизельного топлива и этанола в открытых прудах
или фотобиореакторах пока не готова для внедрения в промышленное производство, а находится на уровне научных разработок.
Существует несколько проблем на пути широкого внедрения этой технологии.
Одна из этих проблем - это медленный рост микроводорослей с наибольшим содержанием масла, а также недостаточно изученная биология, включая генетику, этих видов, что не позволяет генетически улучшить эти микроводоросли [35]. Также недостаточно знаний о кинетике продуцирования масла или крахмала микроводорослями и зависимости этой кинетики от наличия воды, света и питательных веществ, что делает анализ промышленных производств биотоплива из микроводорослей практически невозможным. Конструкция фотобиореакторов и их цена также требуют улучшений. Могут возникнуть и другие проблемы на пути массового внедрения водорослевой технологии для получения биотоплива. Так, например, азот и фосфор - одни из необходимых водорослям элементов. Так же как и растениям, водорослям потребуется большое количество этих элементов в виде азотных и фосфорных удобрений. Производство азотных удобрений в настоящее время потребляет до 50% энергии, расходуемой в современном сельском хозяйстве.
Список литературы
1. Haag A.L. Algae bloom again // Nature. 2007. Vol. 447. P. 520-521.
2. Chisti Y. Biodiesel from microalgae // Biotechnol. Adv. 2007. Vol. 25. P. 294-306.
3. Chisti Y. Biodiesel from microalgae beats bioethanol // Trends in Biotechnology. 2008. Vol. 26. P. 126-131.
4. Schenk P.M., Thomas-Hall S.R., Stephens E., Marx U., Mussgnug J.H., Posten C., Kruse O., Hankamer B. Second generation biofuels: high-efficiency microalgae for biodiesel production // BioEnergy Research. 2008. Vol. 1. P. 20-43.
5. Dismukes G.C., Carrieri D., Bennette N., Ananyev G.M., Posewitz C. Aquatic phototrophs: efficient alternatives to land-based crops for biofuels // Current Opinion in Biotechnology. 2008. Vol. 19. P. 235-240.
6. Moore A. Blooms prospects? // EMBO Reports. 2001. Vol. 21. P. 462-464.
7. Graham L.E., Wilcox L.W. Algae. Upper saddle River. N.J.: Prentice Hall, 2000.
8. Гарибова Л.В., Горбунова Н.П., Горленко М.В. Курс низших растений. М.: Высшая школа, 1981.
9. Madigan M., Martinko J., Dunlap P., Clark D.P. Brock biology of microorganisms. San Francisco: Benjamin Cummings, 2006.
10. Еленкин А.А. Сине-зеленые водоросли СССР. Общая часть. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1936.
11. Fukuda H., Kondo A., Noda H. Biodiesel fuel production by transesterification of oils // J. Biosci. Bioeng. 2001. Vol. 92. P. 405-16.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2 (70) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
12. Sheehan J., Dunahay T., Benemann J., Roessler P. A look back at the U.S. Department of Energy's Aquatic Species Program - biodiesel from algae. Report NREL/TP-580-24190. Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory, 1998.
13. Hu Q., Zhang C., Sommerfeld M. Biodiesel from algae: Lessons learned over the past 60 years and future perspectives // Journal of Phytology. 2006. Vol. 42. P. 12-73.
14. Merzlyak M.N., Chivkunova O.B., Gorelova O.A., Reshetnikova I.V., Solovchenko A.E., Khozin-Goldberg I., Cohen Z. Effect of nitrogen starvation on optical properties, pigments, and arachidonic acid content of the unicellular green alga Parietochloris Incisa // J. Phytology. 2007. Vol. 43. P. 833-843.
15. Scragg A.H., Morrison J., Shales S.W. The use of a fuel containing Chlorella vulgaris in a diesel engine // Enzyme and Microbial Technology. 2003. Vol. 33. P. 884-889.
16. Miao X., Wu Q. Biodiesel production from heterotrophic microalgal oil // Bioresource Technology. 2006. Vol. 97. P. 841-846.
17. Huntley M.E., Redalje D.J. CO2 mitigation and renewable oil from photosynthetic microbes: a new appraisal // Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change. 2007. Vol. 12. P. 1381-2386.
18. Demain A.L., Newcomb M., Wu J.H.D. Cellulase, Clostridia, and Ethanol // MMBR. 2005. Vol. 69, No. 1. P. 24-154.
19. Lin Y., Tanaka S. Ethanol fermentation from biomass resources: current state and prospects // Applied Microbiology and Biotechnology. Vol. 69, No. 6. P. 627-642.
20. Deng M., Coleman J.R. Ethanol synthesis by genetic engineering in Cyanobacteria // Applied and Environmental Microbiology. 1999. Vol. 65, No. 2. P. 523-528.
21. Maeda K., Owada M., Kimura N., Karube I. CO2 fixation from the flue gas on coal-fired thermal power plant by microalgae // Energy Conversion Management. 1995. Vol. 36. P. 717-720.
22. Lee Y.-K., Ding S.-Y., Low C.-S., Chang Y.-C., Forday W.L., Chew P.-C. Design and performance of an atype tubular photobioreactor for mass cultivation of microalgae // J. Applied Phytology, 1995. Vol. 7. P. 47-51.
23. Дилов Х. Микроводоросли. Массовое культивирование и приложение. София: Изд-во Болгарской Академии Наук, 1985.
24. Tredici M., Biagiolini S., Chini Zitteli G., Mon-taini E., Favilli F., Mannelli D., Materassi R. Fully-controllable, high surface-to-volume ratio photobioreac-tors for the production of specialty chemicals from oxygenic phototrophs // Proc. 6th European Congress on Biotechnology, Elsevier Science, 1994. P. 1011-1016.
25. Pulz O., Gerbsch N., Buchholz R. Light energy supply in plate-type and light diffusing optical bioreac-tors // J. Appl. Phytology. 1995. Vol. 7. P. 145-149.
26. Markov S.A. Bioreactors for hydrogen production / O R. Zaborsky (ed.) // Biohydrogen, 1998. P. 393-390.
27. Janssen M., Tramper J., Mur L.R., Wijffels R.H. Enclosed outdoor photobioreactors: light regime, pho-tosynthetic efficiency, scale-up and future prospects // Biotechnology and Bioengineering. 2003. Vol. 81. P. 193-210.
28. Carvalho A.P., Meireles L.A., Malcata F.X. Mi-croalgal reactors: A review of enclosed system designs and performances // Biotechnology Progress. 2006. 22. P. 1490-1506.
29. Ugwu C.U., Aoyagi H., Uchiyama H. Photobioreactors for mass cultivation of algae // Bioresourse technology. 2008. Vol. 99. P. 4021-4028.
30. Schreyer H.B., Miller S.E., Rodgers S. MicroBio-reactor system simulates large bioreactor process at submilliliter volumes // Genetic Engineering and Biotechnology News. 2007. Vol. 27. P. 1-4.
31. Tredici M.R., Materassi R. From open ponds to vertical alveolar panels: the Italian experience in the development of reactors for the mass cultivation of photo-trophic microorganisms // J. Appl. Phycol. 1992. Vol. 4. P. 221-231.
32. Szyper J.P., Yoza B.A., Benemann J.R., Tredici M., Zaborsky O.R. Internal gas exchange photobioreactor / O.R. Zaborsky (ed.) // Biohydrogen. 1998. P. 441-446.
33. Hall D O, Markov S.A., Watanabe Y., Rao K.K. The potential application of cyanobacterial photosynthesis for clean technologies // Photosynthesis Research. 1995. Vol. 46. P. 159-167.
34. Watanabe Y., de la Noue J., Hall D.O. Photosyn-thetic performance of a helical photobioreactor incorporating the cyanobacterium Spirulina platensis // Biotech-nol. Bioeng. 2005. Vol. 47. P. 261-269.
35. Hu Q., Sommerfeld M., Jarvis E., Ghirardi M., Posewitz M., Seibert M., Darzins Al. Microbial triacyl-glycerols as feedstocks for biofuel production: perspectives and advances // The Plant Journal. 2008. Vol. 54. P. 621-639.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (70) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
