научная статья по теме БИОТОПЛИВО ИЗ ВОДОРОСЛЕЙ: ТЕХНОЛОГИИ, ПРОДУКТИВНОСТЬ, ПЕРСПЕКТИВЫ Энергетика

Текст научной статьи на тему «БИОТОПЛИВО ИЗ ВОДОРОСЛЕЙ: ТЕХНОЛОГИИ, ПРОДУКТИВНОСТЬ, ПЕРСПЕКТИВЫ»

биотопливо из водорослей:

технологии, продуктивность, перспективы

Кандидат биологических наук Н. И. ЧЕРНОВА, кандидат физико-математических наук С. В. КИСЕЛЁВА (МГУ им. М.В. Ломоносова, географический факультет)

Микроводоросли как источник сырья для биоэнергетики. Среди возобновляемых источников энергии биомасса всегда находила наиболее широкое применение. В последние десятилетия наблюдается значительный и устойчивый рост масштабов применения биомассы в энергетике, расширение спектра способов её преобразования. Поэтому актуальной задачей стал поиск новых видов биомассы, новых технологий её переработки и - особенно - технологий комплексного использования. Из интересных и перспективных направлений назовём биотехнологии энергетического применения микроводорослей.

Традиционно водоросли относят к растениям. Микроводоросли (МКВ), как следует из названия, - это микроскопические фотосинтезирующие организмы, обитающие как в морских и пресноводных,так и в почвенных экосистемах. Однако в воде живут также водные семенные растения (ряска, элодея, рдест и др.), высшие споровые растения(мхи,папоротникообразные)и типичные водоросли. К первым двум группам растений применим термин "макрофиты", то есть большие растения. К макрофитам 2 относят и некоторые типичные водорос-§ ли (харовые, бурые, красные), а иногда и =1 нитчатые водоросли больших размеров | (колебания размеров составляют 1.5 см -2 20 см - 60 м). Размеры микроводорослей ® колеблются от 1 мкм (некоторые диато-| меи), что соизмеримо с бактериальными £ клетками. Наука о водорослях называется § альгология или фикология, её рассматрива-1 ют как самостоятельный раздел ботаники. 1 Водоросли - как группа организмов раз-£ личного происхождения - объединены сле-| дующими признаками: наличие хлорофил-р ла и фотоавтотрофного питания, обитание в водной среде или во влажных условиях (в почве, сырых местах и т. п.). У водорослей, кроме того, отсутствует чёткая диффе-

ренциация тела (называемого слоевищем, или талломом) на органы и выраженная проводящая система. Таллом бывает одноклеточным и многоклеточным. Некоторые водоросли способны к гетеротрофии (питанию готовой органикой), как осмо-трофной (питание поверхностью клетки, например жгутиконосцы), так и путём заглатывания через клеточный рот(эвглено-вые, динофитовые). Среди одноклеточных существуют колониальные формы, когда отдельные клетки тесно связаны между собой через плазмодесмы или погружены в общую слизь. С точки зрения систематики, к водорослям относят различное число (в зависимости от классификации) отделов эукариот, многие из которых не связаны общим происхождением. Кроме того, к водорослям часто причисляют синезелёные водоросли, или цианобактерии, являющиеся прокариотами.

Интерес к выращиванию микроводорослей и их использованию имеет давнюю историю. Некоторые области их применения, способы культивирования, возможности сокращения энергозатрат при выращивании были рассмотрены нами в публикациях журнала в 2005 г1. В частности, мы писали о кормовых, пищевых, косметических и фармацевтических продуктах из микроводорослей. На слуху в то время была в основном синезелёная водоросль спирулина/артроспи-ра. К 2010 г. мировое производство микроводорослей составляло уже более 10 000 т в год, основная масса которого приходилась на США, Китай, Индию, Японию, Германию, Австралию, Израиль и Тайвань. Спирулина

1 Рустамов Н.А., Зайцев С.И., Чернова Н.И. Биомасса - источник энергии // Энергия: экономика, техника, экология. 2005. № 6; Чернова Н.И., Киселева С.В., Зайцев С.И. Удивительные микроводоросли // Энергия: экономика, техника, экология. 2005. № 11.

24

© Н. И. Чернова, С. В. Киселёва

по-прежнему удерживает первенство, однако помимо неё и хлореллы список перспективных микроводорослей пополнили Dunaliella salina, Aphanizomenon flos-aquae, Haematococcus pluvialis, Crypthecodinium cohnii, Shizochytrium др., нашедшие применение в пищевом и кормовом производстве, косметике, фармацевтической промышленности и др.2 В России имеются лишь единичные примеры полупромышленного культивирования микроводорослей и цианобактерий для производства биологически активных добавок к пище и кормам.

Возникновение интереса к микроводорослям как сырью для производства топлива связано с энергетическим кризисом 70-х годов ХХ века, хотя ещё в 50-е годы была показана принципиальная возможность выращивания микроводорослей в массовой культуре в производственных масштабах. Крупные промышленные установки были созданы в Германии, Японии, Чехословакии, СССР, Польше, Болгарии, Франции, Мексике и ряде других стран3. Несмотря на высокую научную результативность исследований, в 80-е - начале 90-х гг. стало очевидно, что применение микроводорослевых систем как источника биомассы для энергетических целей является малоэффективным в силу дороговизны по сравнению с ископаемыми видами топлива. Поэтому в тот период, как сказано выше, в области водорослевых технологий безусловное лидерство получили исследования, связанные с неэнергетическими приложениями.

Однако ситуация изменилась в конце 1990-х гг. в связи с востребованностью жидких моторных биотоплив, развитием биотехнологий, поисками новых сырьевых ресурсов для биоэнергетики и т.д. В настоящее время можно говорить об очередной серьёзной смене приоритетов в использовании водорослей: в последние два десятилетия значительно вырос объём научных исследований и количество осуществляемых проектов в области водорослевой биоэнергетики. Биоэнергетический потенциал водорослей привлекает огромное внима-

2 Brennan L, Owende Ph. Biofuels from microaigae -a review of technologies for production, processing and extraction of biofuels and co-products // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, V. 14, P. 557-577.

3 Пиневич В.В., Верзилин Н.Н., Михайлов А.А. Изучение Spirulina platensis - нового объекта для высокоинтенсивного культивирования // Физиология растений, 1970. Т. 17, Вып. 5, С. 1037-1046; Goldman J.C. Outdoor algal mass cultures. Applications // Water Res., 1979, V.13, № 1, P. 1-19.

ние производителей биотоплива, инвестирующих значительные средства в исследовательские программы. И это не случайно: биомасса МКВ имеет ряд привлекательных свойств и удовлетворяет большинству требований, предъявляемых к растительному энергетическому сырью:

• изъятие культивируемой биомассы микроводорослей для нужд энергетики не нарушает естественную консервацию органического вещества в биосфере; при этом плантации микроводорослей служат эффективным краткосрочным стоком антропогенного СО2, конвертируя его в энергию высокой плотности;

• водоросли являются фотоавтотрофа-ми: для их роста и развития нужен солнечный свет, Со2 и вода с небольшим количеством минеральных солей;

• продуктивность микроводорослей по биомассе и маслу на порядки превышает продуктивность наземных, в том числе масличных растений (табл. 1, 2);

• для выращивания водорослей не нужны пахотные земли, плантации можно размещать на поверхности водоёмов или на непригодных для земледелия почвах (засо-лённых, пустынных и др.), причём площадь выращивания микроводорослей значительно меньше - по сравнению, например, с ка-нолой (рапсом) в 20-100 раз (табл. 1);

• водоросли требуют намного меньше воды, чем традиционные зерновые культуры, их можно выращивать и в солёной воде, и на сточных водах, ослабляя давление на ресурсы чистой воды;

• один из возможных путей сокращения стоимости биотоплива из микроводорослей - одновременное получение из них ценных сопутствующих продуктов для химической, фармацевтической, медицинской, пищевой и кормовой промышленности (бета-каротин, астаксантин, фикоциа-нин, хлорофилл, глицерин и т.д.), а также * использование при их культивировании от- 8 ходов других производств; £

• при существующих в мире технологиях I становится возможным крупномасштабное § выращивание биомассы микроводорослей я-круглогодично не только в условиях тропи- 1 ческого и субтропического климата, но и в £ умеренных климатических условиях, даже | при отрицательных зимних температурах; !

• микроводоросли не являются традици- 1 онным пищевым и кормовым сырьём; £

• биоразнообразие микроводорослей (из- £ вестно более 40 000 видов, из которых р лишь несколько процентов находится в коллекциях живых культур, и только у нескольких сотен штаммов определён биохи-

Таблица 1

Продуктивность некоторых перспективных видов водорослей (показаны значения продуктивности, полученные в конкретных условиях эксперимента)

Виды водорослей

as о "а Е и

¡й-гз Jg

щ in Ч о a ад Е

м!

Ь« ¡С

Q- Ш (В

та Щ tS

-S in

"ш is

о ts

3; a

О ^

.та

!та :3 И с:

таЗ:3 S

5 S а

g та

■a та

1П С

■4

о та и ts

ч ¿с

о о о &

■с .у in а о ¿ч-ц я 3

аз 3

Содержание липидов, %

16-40 22-38 14-20 4-22 6-44 5-45 20-30 22-38 33-38 40-59 до 80

f \

Таблица 2

Сравнение рапса и микроводоросли Haematococcus pluvialis как энергоисточников

Площадь, не-

Продуктив- Энерго- Продуктив- Энерго- обходимая для

Культура ность содержание ность по содержание производства

биомассы, общее, маслу, по маслу, 300 • 1018

т/га/год ГДж/га/год т/га/год ГДж/га/год Дж/год энергии, Гга

Рапс(Германия,

семена) 3.1 75.6 1.2 44.7 6.7

Рапс (Финляндия,

семена) 1.6 39.0 0.65 24.2 12.4

Озимый рапс

(Россия, семена) 1.0-2.5 24.0-61.0 0.3-0.75 11.1-28.0 10.7-20.7

ИаетаОсоссиэ

р!иу'1аНэ

(в среднем) 38.2 763 13.8 422 0.71

ИаетаОсоссиэ

р!иу'1аНэ

(максимально) 91.8 1836 33.2 1014 0.3

Источники: Huntley M., Redalje D. CO2 mitigation and renewable oil from photosyntetic microbes: a new appraisal // Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change. 2007. Vol. 12. P. 573-608; Чернова Н.И., Киселева С.В., Коробкова Т.П., Зайцев С.И. Микроводоросли в качестве сырья для получения биотоплива // Альтернативная энергетика и экология. 2008. № 9.

5 V_У

§ мический состав, продукционные и иные § характеристики) даёт практически неис-и- черпаемый источник для селекционной ра-| боты, генных исследований и обеспечивает ® возможность получения высокоэнергетиче-1 ских культур.

§ В связи с послед

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком