CC BY
67
3. Popov V.D., Akhmedov M.Sh., Papushin E.A. Dosushivanie sena s ispol'zovaniem solnechnoi energii [Complete hay drying with solar energy]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2002. No. 73: 173-178. (In Russian)
4. Ricce C., Rojas M.L., Miano A.C., Siche R., Augusto P.E.D. Ultrasound pre-treatment enhances the carrot drying and rehydration. Food Res. Int., 2016. No.89 (Pt1), pp. 701-708. DOI: 10.1016/j.foodres.2016.09.030
5. Infrakrasnaya sushka [Infrared drying] Available at: https://infrared-heaters.ru/blog/infrakrasnaya-sushka-chto-eto/ (accessed 18.11.2021). (In Russian)
6. Zavaliy A.A., Rutenko V.S. Energosberegayushchie ustroistva infrakrasnoi sushki sel'skokhozyaistvennoi produktsii [Energy saving devices for infrared drying of agricultural products]. Izvestiya OGAU. 2015. No. 5(55): 79-82 (In Russian)
7. Infrakrasnaya sushka produktov pitaniya [Infrared food drying]. Available at: https://electro-nagrev.ru/primenenie/infrakrasnaya_sushka/produktov/ (accessed 18.03.2021). (In Russian)
8. Valge A.M. Ispol'zovanie sistem Excel i Mathcad pri provedenii issledovanij po mekhanizatsii sel'skokhozyajstvennogo proizvodstva (Metodicheskoe posobie) [Application of Excel and Mathcad in research related to mechanisation of agricultural production/ Guidance manual]. SPb.: GNU SZNIIMESKH Rossel'khozakademii, 2013: 200.
УДК 574.589
УГЛЕВОДЫ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОТОПЛИВА:
ОБЗОР
1 2
B.Ф. Долганюк , канд. техн. наук, Е. А. Буденкова ,
1 2* 2
C. А. Сухих ' , канд. техн. наук А. П. Андреева , канд. биол. наук
1 2
О. О. Бабич ' , д-р техн. наук,
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кемеровский государственный университет» Кемерово, Россия
2Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта» Калининград, Россия
Макроводоросли - это многоклеточные организмы, которые развиваются как высшие растения; их размеры могут превышать несколько метров. Микроводоросли имеют небольшой размер - от 0,2-2 мкм (пикопланктон) до нитчатых форм размером 100 мкм и выше. «Водоросли» - это термин, который охватывает организмы с большими различиями по форме, морфологии, размеру и среде обитания. Биомасса микроводорослей является
перспективным сырьем для производства биотоплива. Преимущества микроводорослей -высокая эффективность фотосинтеза, высокие темпы роста и то, что некоторые виды могут жить в соленой или морской воде и сточных водах пищевой и агропромышленной отраслей. Сегодня основной интерес в исследованиях направлен на выращивание микроводорослей с целью получения липидов для производства биотоплива. Однако, существует несколько других биологических или термохимических преобразований, в которых биомасса микроводорослей может использоваться в качестве субстрата. Между тем, высокое содержание белка или низкое содержание углеводов большинства видов микроводорослей может быть ограничением для их возможного использования в этих технологиях. Более того, в большинстве случаев при реализации технологий конверсии биомассы углеводы являются основным субстратом для производства биотоплива. Тем не менее, составом биомассы микроводорослей можно манипулировать за счет таких методов как голодание или другие стрессовые условия окружающей среды, которые вызывают размножение микроводорослей и накопление углеводов. В данной статье проводится общий обзор методов, которые можно использовать для увеличения содержания углеводов в биомассе микроводорослей; обсуждаются технологии преобразования углеводов биомассы, связанные с производством биотоплива.
Ключевые слова: микроводоросли, углеводы, биотопливо, биомасса, условия культивирования.
Для цитирования: Долганюк В.Ф.,Сухих С.А., Бабич О.О.,Буденкова Е.А., Андреева Е.А. Углеводы микроводорослей для производства биотоплива: обзор // АгроЭкоИнженерия. 2021. № 2 (107). С.20-25
MICROALGAE CARBOHYDRATES FOR BIOFUEL PRODUCTION: A REVIEW
1 • 12 V.F. Dolganiuk , Cand. Sc. (Engineering), O.O. Babich ' , DSc (Engineering),
о
^ 4 ......12 ^ , ^ ^ . . ч E.A.Budenkova, A.P. Andreeva, Cand. Sc.
S.A. Sukhikh1,2, Cand. Sc. (Engineering), , . 14
(Biological)
1Kemerovo State University, Kemerovo, Russia
9
Immanuel Kant Baltic Federal University, Kaliningrad, Russia
Macroalgae are multicellular organisms that develop like higher plants; their size can exceed several meters. Microalgae are of small size - from 0.2-2 |im (picoplankton) to filamentous forms of 100 |im and more. The term "algae" encompasses organisms with significant differences in shape, morphology, size, and habitat. Microalgae biomass is a promising raw material for biofuel production. The advantages of microalgae are the highly efficient photosynthesis, high growth rates, and the fact that some species can live in salt or seawater and wastewater from the food and agricultural industries. Today, the main research interest focuses on microalgae cultivation to obtain lipids for biofuel production. However, there are several other biological or thermochemical transformations in which microalgal biomass can be used as a substrate. But the high protein or low carbohydrate content of most microalgae species can be a limitation to their possible use in these transformations. Moreover, carbohydrates are the primary substrate for biofuel production in most applications of biomass
conversion technologies. The microalgae biomass composition can be manipulated through such methods as the lack of nutrients (starvation) or other stressful environmental conditions that cause microalgae to multiply and accumulate carbohydrates. This article provides a general overview of methods that can be used to increase the carbohydrate content of microalgae biomass. Also, biomass carbohydrate conversion technologies associated with biofuel production are discussed.
Keywords: microalgae, carbohydrates, biofuel, biomass, cultivation conditions.
For citation: Dolganiuk V.F., Sukhikh S.A., Babich O.O., Budenkova E.A. Microalgae carbohydrates for biofuel production: a review. AgroEkoInzheneriya. 2021. No. 2(107): 20-25 (In Russian)
Введение
Микроводоросли привлекают внимание как новое сырье для производства биотоплива [1]. Биомасса микроводорослей имеет ряд преимуществ перед земными энергетическими культурами для производства биотоплива; микроводоросли считаются наиболее эффективными организмов в отношении преобразования солнечной энергии. Более того, водоросли не конкурируют с продовольственными культурами для пахотных земель, так как их можно выращивать на обедненных непахотных землях. Дополнительно водоросли можно использовать для очистки сточных вод, такие как агропромышленные и бытовые сточные воды.
Для преобразования органических веществ в сточных водах, используют виды микроводорослей с миксотрофным ростом (т.е. способностью расти в фотоавтотропном и геторотрофном режимах роста). В частности, считается, что миксотрофный метаболизм наиболее выгоден по сравнению с другими метаболизмами, потому что темпы роста микроводорослей значительно выше по сравнению с к фототрофным [2].
Текущие исследования микроводорослей сосредоточены на технологиях культивирования для оптимизации содержания липидов в биомассе микроводорослей. Однако в качестве альтернативы можно использовать биомассу водорослей в качестве сырья для производства других видов биотоплива с помощью биотехнологических технологий и технологии термохимической конверсии [3].
Биомасса микроводорослей содержит разное количество основных органических групп (углеводов, белков, липидов). Большинство богатых энергией соединений - липиды (37,6 кДж / г), за которыми следуют белки (16,7 кДж / г) и углеводы (15,7 кДж / г). Хотя у углеводов меньше всего энергоемкость по сравнению с другими соединениями биомассы, они являются предпочтительным или основным субстратом для нескольких значительных производств биотоплива (такого как биоэтанол, биобутанол, биоводород и др.) путем биотехнологической конверсии технологии.
Состав биомассы микроводорослей можно изменять с помощью нескольких приемов выращивания. Эти методы выращивания в основном связаны с факторами охраны окружающей среды, которыми можно управлять, такими как питательные вещества, свет, температура и т.д., и которые, как известно, влияют на рост микроводорослей и состав их биомассы.
Целью работы являлось изучение тенденций накопления углеводов микроводорослями для производства биотоплива.
Материалы и методы
Объектом исследования были научные публикации и патенты российских и зарубежных авторов на производство углеводов микроводорослями.
Основным методом было обобщение. В частности, были проанализированы статистические и экономические данные по производство углеводов микроводорослями с последующей переработкой в биотопливо, научные принципы использования различных условий культивирования и факторов окружающей среды на процесс наращивания биомассы микроводорослей и накопление в них углеводов.
Результаты и обсуждение
Водоросли делятся на две основные категории по размеру; макро- и микроводоросли. Макроводоросли - это многоклеточные организмы, которые развиваются, как высшие растения, и их размеры могут превышать несколько метров. Напротив, микроводоросли имеют небольшой размер от 0,2-2 мкм (пикопланктон) до нитчатых формы размером 100 мкм и выше. Другими словами, «микроводоросли» - это термин, который охватывает организмы с сильными различиями по форме, морфологии, размеру и среде обитания.
Фотосинтезирующие микроорганизмы, такие как эукариотические микроводоросли и цианобактерии улавливают солнечную энергию и превращают ее в химическую энергию через ряд сложных реакций (фотосинтез). Есть два основных типа фотосинтеза: реакции на свету и в темноте. В световой реакции солнечная энергия поглощается пигментами и используются для разделения воды на протоны, электроны и кислород. Электроны и протоны далее используются для выработки энергоносителей (НАДФН и АТФ), которые поддерживают метаболические потребности организма. В темновых реакциях, углекислый газ восстанавливается до углеводов по циклу Кальвина, используя энергию, полученную НАДФН и АТФ [4].
Цикл Кальвина, первый шаг - усвоение углекислого газа, который катализируется рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазой оксигеназы. Углекислый газ используется для карбоксилирования пятиуглеродного соединения (рибулоза1,5-бисфосфат) на два трехуглеродных соединения (3-фосфоглицерат), один из которых используется в качестве субстрата для формирования углеводов, в то время как другой используется для выполнения следующего цикла. Углеводы образуются внутри хлоропласта и в цитозоле (в случае прокариот углеводы синтезируются в цитозоле).
Производство углеводов служит двум основным целям для микроводорослей; они действуют как структурные компоненты в клеточных стенках, и как компоненты, хранящиеся внутри клетки. Углеводы, как запасные соединения, обеспечивают энергию, необходимую для процессов метаболизма организмов и позволяют, при необходимости, временное выжить в темноте. В общем, запасные составы, такие как белки, липиды и углеводы, позволяют микроводорослям, приспособиться к росту и меняющимся условиям окружающей среды [5, 6].
Накопление углеводов зависит от вида микроводорослей; цианобактерии синтезируют гликоген (а-1,4-связанный глюкан), красные водоросли синтезируют флоридовый крахмал (гибридный крахмала и гликогена), а зеленые водоросли синтезируют амилопектин-подобные полисахариды (крахмал). Больше всего накапливается глюкозы, рамнозы, ксилозы и маннозы.
В биомассе микроводорослей отсутствуют гемицеллюлоза и лигнин, и у некоторых видов также отсутствует целлюлоза, или у них нет клеточных стенок [5, 7]. Более того, их полимеры легко трансформируются, что делает их пригодными для технологии биологического преобразования биомассы, устраняющие или ограничивающие необходимость предварительной
обработки по сравнению с обычным лигниноцеллюлозным сырьем. Содержание углеводов в биомассе зависит от вида микроводорослей, от условий выращивания и окружающей среды [6].
Несколько видов микроводорослей, например, Porphyridium cruentum (40-57%), Chlorella sp. (33-64%) и др. имеют высокое содержание углеводов [8]. Тем не менее, для максимального увеличения производства биотоплива, высокое содержание углеводов должно быть в сочетании со способностью видов водорослей иметь высокое производство биомассы. Следовательно, виды микроводорослей, которые имеют высокие темпы роста или несколько других преимуществ могут использоваться для получения больших количеств углеводов [9]. Выводы
Как описывалось выше, условия выращивания и окружающей среды существенно влияют на состав биомассы. Чаще всего на содержание углеводов влияет голодание / ограничение питательных веществ, солевой стресс, интенсивность света и температура. Кроме того, метаболический режим (автотрофный, гетеротрофный и миксотрофный) влияют на состав биомассы [10].
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований 19-316-60001\19 от 22.08.2019.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Correa D.O., Duarte M.E.R., Noseda M.D. Biomass production and harvesting of Desmodesmus subspicatus cultivated in flat plate photobioreactor using chitosan as flocculant agent. J ApplPhycol 2018, vol. 31: 857-866. doi: 10.1007/sl0811-018-1586-z.
2. Gerchman Y., Vasker B., Tavasi M., Mishael Y., Kinel-Tahan Y., Yehoshua Y. Effective harvesting of microalgae: comparison of different polymeric flocculants. Bioresour Technol 2017, vol. 228: 141-146. doi: 10.1016/j.biortech.2016.12.040.
3. Gupta S.K., Kumar N.M., Guldhe A., Ansari F.A.. Rawat I., Nasr M., Bux, F. Wastewater to biofuels: comprehensive evaluation of various flocculants on biochemical composition and yield of microalgae. EcolEng 2018, vol. 117: 62-68. doi: 10.1016/j.ecoleng.2018.04.005.
4. Krayesky-Self S., Phung D., Schmidt W., Sauvage T., Butler L., Fredericq S. First report of endolithic members of Rhodosorus marinus (Stylonematales, Rhodophyta) growing inside rhodoliths offshore Louisiana, Northwestern Gulf of Mexico. Front Mar Sci 2020, vol.7: 1-8. https://doi.org/10.3389/fmars.2020.00007.
5. Li T., Xu J., Wu H., Jiang P., Chen Z., Xiang W. Growth and biochemical composition of Porphyridium purpureum SCS-02 under different nitrogen concentrations. Mar Drugs 2019, vol. 17: E124. doi: 10.3390/md17020124.
6. Rojo-Cebreros A.H., Ibarra-Castro L., Martinez-Brown J.M., Velasco-Blanco G., Martinez-Tellez M.A, Medina-Jasso M.A., Nieves-Soto M., Quintana-Zavala D. Potential of Nannochloropsis in beta glucan production. In: Jan M., Kazik P. (eds). Nannochloropsis: biology. Biotechnological Potential and Challenges. New York: Nova Sciences Publishers Inc. 2017: 181225.
7. Santizo-Taan R., Bautista-Teruel M., Maquirang J.R.H. Enriched Ulva pertusa as partial replacement of the combined fish and soybean meals in juvenile abalone Haliotis asinina (Linnaeus) diet. J Appl Phycol 2020, vol. 32: 741-749. https://doi.org/10.1007/s10811-019-01977-5.
8. Sero E.T., Siziba N., Bunhu T., Shoko R., Jonathan E. Biophotonics for improving algal photobioreactor performance: a review. Int J Energy Res 2020. Vo. 44, Issue 7: 5071-5092. https://doi.org/10.1002/er.5059
9. Toor M., Kumar S.S., Malyan S.K., Bishnoi N.R., Mathimani T., Rajendran K., Pugazhendhi A. An overview on bioethanol production from lignocellulosic feedstocks. Chemosphere 2019, vol. 242:125080.
10. Yamin W.A., Shaleh S.R.M., Ching F.F., Othman R., Manjaji-Matsumoto, M., Mustafa, S., Shigeharu S., Kandasamy G. Harvesting Chaetoceros gracilis by flocculation using chitosan. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 2019, vol. 236: 012123.
УДК: 620.92+620.98
ПОТЕНЦИАЛ АГРОВОЛЬТАИЧЕСКИХ СИСТЕМ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
1 2 Н. Р. Костик , А. В. Бобыль , д-р физ.-мат. наук
1 СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, Россия
о
ФТИ им. А.Ф.Иоффе, Санкт-Петербург, Россия
С развитием технологий возобновляемой энергетики появляются возможности более эффективного использования уже имеющихся ресурсов. Цель данной работы - рассмотреть возможность внедрения агровольтаических систем в Российской Федерации путем моделирования климатических условий эксплуатации в различных регионах страны. Агровольтаика - это технология совместного использования земельных ресурсов для размещения фотоэлектрических преобразователей солнечного света и сельскохозяйственных посевов. В ходе исследования был проведен анализ влияния агровольтаических систем различной конфигурации высокой плотности размещения и частичной плотности размещения солнечных элементов над посевами сельскохозяйственных культур. В результате исследования было выявлено, что при частичной плотности размещения урожайность капусты соответствовала, а в некоторых случаях превосходила урожайность растений, выращенных под открытым небом. Аналогичное исследование для сортов перца и томата продемонстрировало положительное влияние затенения на создание благоприятных условий для растений в засушливых регионах. Благодаря затенению, создаваемому солнечными элементами, удается снизить дневную температуру на 1,2 + 0,3°С, повысить ночную температуруна 0,5 + 0,4°С, а
