CC BY
132
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОТОПЛИВА ИЗ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ1
© Пилигаев А.В.*, Самойлова Ю.В.*, Сорокина К.Н.*
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, г. Новосибирск Новосибирский национальный исследовательский государственный университет, г. Новосибирск
Биомассу микроводорослей рассматривают как перспективный источник сырья для замены ископаемых углеводородов, используемых в производстве моторного топлива. Микроводоросли обладают высокой скоростью роста, а также превосходят по своей продуктивности по маслу традиционные сельскохозяйственные культуры, но при этом не требуют использования высококачественных сельскохозяйственных земель для выращивания. Микроводоросли можно выращивать с использованием солёных, морских или сточных вод пищевых производств и дымовых газов при естественном освещении. Однако, реализация крупномасштабных производств биотоплива на основе микроводорослей пока сдерживается низкой экономической эффективностью из-за высоких издержек по сравнению с производством моторного топлива из традиционного сырья. Тем не менее, с дальнейшим развитием биотехнологии текущая ситуация может измениться. В настоящей статье проведён обзор современного состояния и перспектив развития производства биотоплива третьего поколения, основанного на использовании биомассы микроводорослей, а также рассмотрены основные аспекты его коммерциализации.
Ключевые слова: микроводоросли, биотопливо, биотехнология, ли-пиды.
Введение
В настоящее время в мире широкое внимание привлечено к производству биотоплива третьего поколения [1]. Его получение основано на использовании в качестве сырья биомассы микроводорослей, которая по своим основным качественным показателям значительно превосходит другие сырьевые биоресурсы. Теоретические расчеты показывают, что продуктивность микроводорослей по маслу (липидам) в 100 раз превышает аналогичные пока-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований РФФИ (проект 14-08-31589 мол_а).
* Младший научный сотрудник Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН.
* Младший научный сотрудник Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН.
" Старший научный сотрудник Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет.
затели ряда сельскохозяйственных культур, таких как рапс, соя и масличная пальма [2, 3]. В среднем, липиды микроводорослей обладают энергетической ценностью - около 35800 кДж/кг, что составляет 80 % от аналогичного показателя для сырой нефти [4]. Кроме того, биомасса микроводорослей может служить источником не только липидов, но и множества других высокоценных веществ: полиненасыщенных кислот - ю-3 и ю-6, пигментов, сахаров, витаминов и антибиотиков [5], которые находят широкое применение в пищевой, медицинской и сельскохозяйственной промышленности.
Состояние исследований в мире
Микроводоросли являются объектом интенсивных исследований во многих странах мира, лидерами в данной области являются страны ЕС и США. Интерес к подобным разработкам подтверждается инвестициями со стороны крупных нефтяных компаний, например, Exxon Mobil, BP, Chevron и др. [6] в научные исследования применения микроводорослей для решения актуальных задач биоэнергетики. Основные усилия исследователей сосредоточены на следующих ключевых направлениях:
- проведение поисковых исследований с целью выявления перспективных штаммов микроводорослей для промышленного использования;
- исследование метаболических особенностей перспективных штаммов микроводорослей для определения условий максимальной продукции биомассы и липидов;
- разработка способов выращивания микроводорослей и технологий переработки получаемого сырья, в том числе обеспечивающих: высокую продуктивность по биомассе и липидам, отсутствие сторонней микрофлоры, а также минимизацию потерь при отделении биомассы от культуральной среды.
В данной статье проведён обзор современного состояния, перспектив развития и основных проблем коммерциализации производства моторного топлива из микроводорослей.
Ключевые факторы реализации технологии производства биомассы микроводорослей
Выбор штамма
В мире существует свыше 50 000 видов микроводорослей, которые широко распространены не только в водной, но и наземной среде обитания. При этом далеко не все виды микроводорослей могут быть использованы в качестве сырья для производства биомассы, применимой для получения биотоплива. Основными критериями для использования штамма микроводоросли на производстве являются: скорость роста, продуктивность по биомассе, содержание липидов и их жирнокислотный состав. Известно, что некоторые виды микроводорослей могут содержать значительное количество
липидов, например, микроводоросль Botryoccocus braunii запасает в своих клетках до 84 % липидов от сухого веса клетки, включая углеводороды [7], но они при этом, как правило, обладают низкой продуктивностью [8]. Микроводоросли, относящиеся к родам Chlorella, Dunaliella, Nannochloris, Nan-nochloropsis, Neochloris, Porphyridium и Scenedesmus, содержат 20-50 % липидов по массе, но обладают высокой продуктивностью, что делает целесообразным их применение в производстве биодизельного топлива. Важным критерием для получения биотоплива высокого качества, в частности биодизеля, удовлетворяющего стандартам EN 14214:2003 и ASTM D6751, является низкое содержание полиненасыщенных связей в жирнокислотных остатках триглицеридов масла микроводорослей. Биотопливо, содержащее компоненты с большим количеством насыщенных связей, является более стойким к окислению, а при его сгорании не происходит полимеризация глицеридов, что повышает надежность двигателей [9]. Таким образом, поиск и выделение новых штаммов микроводорослей с высокими продуктив-ностями биомассы и липидов высокого качества, играют важную роль в развитии технологии получения биотоплива из них.
Одним из решений проблемы улучшения свойств штаммов микроводорослей может стать их генетическая и метаболическая инженерия [10, 11, 12, 13]. В настоящее время применяются современные методы генетической инженерии, которые позволяют модифицировать метаболизм клетки в отношении повышения накопления липидов, улучшив таким образом продуктивность и технологические свойства штаммов микроводорослей [14]. Например, в работах [12, 15, 16] путём генетической модификации была показана возможность изменения профиля липидов микроводорослей, что сделало их более подходящими для производства биодизельного топлива. Однако, на сегодняшний момент данная область еще недостаточно исследована, в частности, расшифрованы геномы лишь нескольких микроводорослей [17, 18, 19], что пока осложняет развитие их генетической и метаболической инженерии.
Масштабирование процесса получения биомассы микроводорослей
Другим важным критерием для успешной коммерциализации технологии является возможность масштабирования процесса культивирования микроводорослей. Выбор способа выращивания отдельных штаммов определяется объемом необходимых капитальных вложений на создание системы культивирования и операционными затратами на обеспечение технологического процесса [20]. Культивирование микроводорослей осуществляют в фотобиореакторах различных конструкций, в том числе панельных, тубу-лярных, эйрлифтных, в пластиковых пакетах [21], а также в открытых водоёмах или прудах [22]. Несмотря на то, что культивирование в фотобиореак-торах является более затратным, чем в открытых водоёмах, у таких биоус-
тановок есть ряд преимуществ в поддержании многих факторов, обеспечивающих успешное культивирование, в том числе чистоты культуры, эффективного перемешивания культуральной среды и большей освещенности [20]. Открытые водоемы в целом удобны в эксплуатации, но в то же время обладают низкой скоростью диффузии СО2, что приводит к снижению скорости роста культуры микроводорослей. Кроме того, в открытых прудах и водоёмах сохраняется вероятность загрязнения культуры чужеродным биологическим материалом (другими видами микроводорослей, грибами и бактериями), что сказывается на качестве получаемого сырья [23]. Такие недостатки, несомненно, являются препятствиями к успешной коммерциализации технологии получения биотоплива из микроводорослей, которые исследователям придётся преодолеть в будущем.
Для снижения издержек при выращивании особый интерес представляет культивирование микроводорослей с использованием дымовых и отработанных газов ТЭЦ, а также сточных вод пищевых производств [24, 25, 26]. В этой связи необходимо разрабатывать и выделять штаммы микроводорослей, обладающих повышенной способностью к поглощению СО2, устойчивостью к оксидам серы и азота, содержащихся в дымовых газах, Также штаммы должны обладать выраженными антагонистическими свойствами по отношению к чужеродной альгофлоре, бактериям, грибам, дрожжам для культивирования на сточных водах.
Несмотря на ряд нерешенных проблем, в настоящее время в мире существует ряд коммерческих проектов, связанных с получением биотоплива на основе микроводорослей, в том числе в США, Европе, Индии и Китае. В основном усилия таких компаний сосредоточены на получении масла микроводорослей с помощью фотосинтетического пути. Некоторые из компаний разрабатывают технологии для прямого получения биотоплива из углекислого газа и воды. Например, компания Algenol Biofuels (США) разрабатывает прямое получение биоэтанола из углекислого газа с помощью генетически модифицированных микроводорослей. Также подобный подход для производства других видов биотоплива использует компания Joule Unlimited, Inc (США). Компания Solazyme, Inc. (США), в отличие от фотосинтетического пути, использует недорогие сахара растительного происхождения, для получения высококачественных масел из микроводорослей.
На настоящий момент в России разработки в области получения биотоплива из микроводорослей пока реализованы только в лабораторном масштабе. В основном это связано с ориентацией отечественной промышленности на использование природных и ископаемых ресурсов. Однако, запасы углеводородов в нашей стране не безграничны и не повсеместны. Кроме того, нельзя не принимать во внимание общемировые тенденции и значительный опыт развитых стран в области альтернативной энергетики. Разработка технологий получения альтернативных источников энергии, в том числе из биомассы микроводорослей - это инновационная отрасль, дающая
толчок развитию целого кластера новых технологий и, несомненно, имеет перспективы развития и в России.
К настоящему времени в Институте катализа СО РАН было проведено исследование свойств штаммов микроводорослей, выделенных из почв западной Сибири, а также культивирование некоторых из них в пилотном фо-тобиореакторе объемом 110 л [27]. Проведено исследование накопления биомассы, динамики изменения содержания липидов и их жирнокислотного состава. Выявлен штамм, который обладал необходимыми характеристиками для культивирования в пилотном фотобиореакторе, в том числе максимальной продуктивностью по липидам - 0,081 г/л (23 % от сухого веса клетки), высоким содержанием насыщенных и мононенасыщенных жирных кислот при росте на минимальных средах. Данное исследование позволило определить оптимальные условия для получения липидов, предназначенных для их дальнейшей переработки в биотопливо, при культивировании микроводорослей рода Chlorella в пилотном масштабе в фотобиореакторе.
Заключение
Таким образом, в настоящий момент существует ряд препятствий на пути к успешной коммерциализации процесса получения биотоплива из микроводорослей. В числе главных из них - недостаточная продуктивность штаммов по биомассе при масштабировании процесса, высокая стоимость производства, и, как следствие, необходимость снижения энергетических затрат. Создание рентабельных производств биотоплива из микроводорослей в краткосрочной перспективе, вероятно, не будет достигнуто. Тем не менее, интерес к коммерческому производству биотоплива из микроводорослей сохраняется, предполагая теоретическую возможность экономически оправданного производства. Для достижения этого необходимы глубокие и целенаправленные исследования биологии микроводорослей. В том числе важны исследования по проектированию эффективных систем культивирования и переработки биомассы микроводорослей, при этом генетическая и метаболическая инженерия могут стать важными инструментами в руках учёных для реализации подобных технологий.
Список литературы:
1. Сорокина К.Н., Яковлев В.А., Пилигаев А.В., Кукушкин Р.Г., Пель-тек С.Е., Колчанов Н.А., Пармон В.Н. Потенциал применения микроводорослей в качестве сырья для биоэнергетики // Катализ в промышленности. -2012. - № 2. - С. 63-72.
2. Chisti Y. Biodiesel from microalgae // Biotechnology Advances. - 2007. -Т. 25, № 3. - C. 294-306.
3. Mata T.M., Martins A.A., Caetano N.S. Microalgae for biodiesel production and other applications: A review // Renewable & Sustainable Energy Reviews. - 2010. - Т. 14, № 1. - C. 217-232.
4. Chisti Y. Raceways-based Production of Algal Crude Oil // Microalgal Biotechnology: Potential and Production. - Berlin. 2012. - C. 113-146.
5. Singh J., Cu S. Commercialization potential of microalgae for biofuels production // Renewable & Sustainable Energy Reviews. - 2010. - T. 14, № 9. -C. 2596-2610.
6. Mascarelli A.L. Gold rush for algae // Nature. - 2009. - T. 460. - C. 460-461.
7. Brown A.C., Knights B.A. Hydrocarbon content and its relationship to physiological state in the green alga Botryococcus braunii // Phytochemistry. -1969. - T. 8, № 3. - C. 543-547.
8. Schenk P.M., Thomas-Hall S.R., Stephens E., Marx U.C., Mussgnug J.H., Posten C., Kruse O., Hankamer B. Second Generation Biofuels: High-Efficiency Microalgae for Biodiesel Production // Bioenergy Research. - 2008. - T. 1-1. - C. 20-43.
9. Francisco E.C., Neves D.B., Jacob-Lopes E., Franco T.T. Microalgae as feedstock for biodiesel production: Carbon dioxide sequestration, lipid production and biofuel quality // Journal of Chemical Technology and Biotechnology. -2010. - T. 85, № 3. - C. 395-403.
10. Gust D., Kramer D., Moore A., Moore T.A., Vermaas W. Engineered and Artificial Photosynthesis: Human Ingenuity Enters the Game // MRS Bulletin. -2008. - T. 33, № 04. - C. 383-387.
11. Stephenson P.G, Moore Cm Fau - Terry M.J., Terry Mj Fau - Zubkov M.V, Zubkov Mv Fau - Bibby T.S., Bibby T.S. Improving photosynthesis for algal biofuels: toward a green revolution // Trends in biotechnology. - 2011. -T. 29, № 12. - C. 615-623.
12. Radakovits R., Eduafo Pm Fau - Posewitz M.C., Posewitz M.C. Genetic engineering of fatty acid chain length in Phaeodactylum tricornutum // Metabolic Engineering. - 2011. - T. 13, № 1. - C. 89-95.
13. Rosenberg J.N., Oyler G.A., Wilkinson L., Betenbaugh M.J. A green light for engineered algae: redirecting metabolism to fuel a biotechnology revolution // Current Opinion in Biotechnology. - 2008. - T. 19. - № 5. - C. 430-436.
14. Waltz E. Biotech's green gold? // Nature Biotechnology. - 2009. - T. 27, № 1. - C. 15-18.
15. Yu W.-L., Ansari W., Schoepp N., Hannon M., Mayfield S., Burkart M. Modifications of the metabolic pathways of lipid and triacylglycerol production in microalgae // Microbial Cell Factories. - 2011. - T. 10, № 1. - C. 91.
16. Zhu Shunni W.Z., Shang Changhua, Zhou Weizheng, Yang Kang, Yuan Zhenhong. Lipid Biosynthesis and Metabolic Regulation in Microalgae // Progress in Chemistry. - 2011. - T. 23, № 10. - C. 2169-2176.
17. Lu J., Sheahan C., Fu P. Metabolic engineering of algae for fourth generation biofuels production // Energy & Environmental Science. - 2011. - T. 4, № 7. - C. 2451-2466.
18. Finazzi G, Moreau H., Bowler C. Genomic insights into photosynthesis in eukaryotic phytoplankton // Trends in Plant Science. - 2010. - T. 15, № 10. -C. 565-572.
19. Khozin-Goldberg I., Cohen Z. Unraveling algal lipid metabolism: Recent advances in gene identification // Biochimie. - 2011. - Т. 93, № 1. - С. 91-100.
20. Zijffers J.-W.F., Salim S., Janssen M., Tramper J., Wijffels R.H. Capturing sunlight into a photobioreactor: Ray tracing simulations of the propagation of light from capture to distribution into the reactor // Chemical Engineering Journal. -2008. - Т. 145, № 2. - C. 316-327.
21. Wang B., Lan C.Q., Horsman M. Closed photobioreactors for production of microalgal biomasses // Biotechnology Advances. - 2012. - Т. 30, № 4. -C. 904-912.
22. Christenson L., Sims R. Production and harvesting of microalgae for wastewater treatment, biofuels, and bioproducts // Biotechnology Advances. -2011. - Т. 29, № 6. - C. 686-702.
23. Ugwu C.U., Aoyagi H., Uchiyama H. Photobioreactors for mass cultivation of algae // Bioresource Technology. - 2008. - Т. 99, № 10. - C. 4021-4028.
24. Douskova I., Doucha J Fau - Livansky K., Livansky K Fau - Machat J., Machat J Fau - Novak P., Novak P Fau - Umysova D., Umysova D Fau - Zachleder V, Zachleder V Fau - Vitova M., Vitova M. Simultaneous flue gas biore-mediation and reduction of microalgal biomass production costs // Applied Microbiology and Biotechnology. - 2009. - Т. 82, № 1. - С. 179-185.
25. Ono E., Cuello J.L. Feasibility Assessment of Microalgal Carbon Dioxide Sequestration Technology with Photobioreactor and Solar Collector // Biosystems Engineering. - 2006. - Т. 95, № 4. - C. 597-606.
26. Hsueh H.T., Chu H Fau - Yu S.T., Yu S.T. A batch study on the biofixation of carbon dioxide in the absorbed solution from a chemical wet scrubber by hot spring and marine algae // Chemosphere. - 2007. - Т. 66, № 5. - С. 878-886.
27. Пилигаев А.В., Брянская А.В., Сорокина К.Н., Демидов Е.А., Кукушкин Р.Г., Колчанов Н.А., Пармон В.Н., Пельтек С.Е. Исследование биоразнообразия микроводорослей Западной Сибири для применения в процессах получения биотоплива третьего поколения // Вавиловский журнал генетики и селекции. - 2013. - Т. 17, № 2. - С. 359-367.
CHANGING FLOWERS COLOURS BY MEANS OF GENETIC METHODS
© Taipova R.M.*
Bashkir State University, Ufa
Flowers play important role in people's life from ancient times. Some kinds of flowers are used as food while others are in use in medicine. But the most important role of the flowers is the esthetic enjoyment. Flowers have ability to cause
* Студент кафедры Биохимии и биотехнологии.
