ЭНЕРГИЯ 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 ма
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.