Авторы: Maltsev Y.I., Konovalenko T.V., Barantsova I.A., Maltseva I.A., Maltseva K.I.
Автор перевода: А. О. Смоляков
Источник (англ.): Regulatory Mechanisms in Biosystems, 8(3), 455–460. doi: 10.15421/021770
Maltsev Y.I., Konovalenko T.V., Barantsova I.A., Maltseva I.A., Maltseva K.I. – Перспективы использования водорослей в производстве биотоплива
Развитие промышленности, сельского хозяйства и транспортной отрасли связано с использованием различных источников энергии. Возобновляемые источники энергии, включая биотопливо, являются весьма перспективными в этом отношении. Как показано несколькими перспективными источниками получения биотоплива, отвечающего современным требованиям, могут стать научные исследования биомассы водорослей. После активизации производства биодизеля третьего поколения предполагалось, что водоросли станут наиболее выгодным источником, так как они не только способны накапливать значительные количества липидов, но и могут сократить сельскохозяйственные угодья, участвующие в производстве биотоплива, и улучшить качество воздуха путем связывания CO2. Однако основная проблема связана со стоимостью выращивания биомассы водорослей и ее переработки по сравнению с производством биодизеля из сельскохозяйственных культур. В связи с этим существует несколько направлений повышения эффективности производства биодизеля из биомассы водорослей. Первое направление – повышение содержания липидов в клетках водорослей с помощью генной инженерии. Второе направление связано со стимуляцией повышенного накопления липидов стрессовыми водорослями. Третье направление предполагает поиск новых, перспективных штаммов водорослей, которые будут характеризоваться более высокой скоростью накопления биомассы, более высоким содержанием меток и оптимальными пропорциями накопленных насыщенных и ненасыщенных жирных кислот по сравнению с уже известными штаммами. В последнее время сформировался новый подход в поиске биотехнологически ценных штаммов водорослей на основе предсказаний способности к достаточному накоплению липидов путем выяснения эволюционных связей внутри основных таксономических групп водорослей. Результатом этих исследований стало быстрое снижение затрат на производство биотоплива на основе биомассы водорослей. Все это подчеркивает приоритетность любых исследований, направленных как на совершенствование процесса производства биотоплива из водорослей, так и на поиск новых источников получения биотоплива.
Ключевые слова: биоэнергия; биодизель; водоросли; биомасса водорослей; биотопливо из водорослей
Развитие промышленности, сельского хозяйства и транспортной отрасли неизбежно связано с применением различных источников энергии. В настоящее время традиционными ресурсами являются нефть, газ и уголь, а также альтернативные: солнечное излучение, ветер, энергия морских приливов и рек, тепло недр Земли, ядерная или атомная энергия. В то же время сокращение минеральных ресурсов, в первую очередь топливно-энергетических, все больше стимулирует использование их аналогов. В настоящее время страны с развитой и развивающейся экономикой рассмотрение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) как наиболее перспективного направления. Так, уже в 2010 году доля возобновляемых источников энергии в потреблении первичной энергии в странах ЕС достигла 12,5 %. Согласно директиве ЕС 2009/28, доля возобновляемых источников энергии должна достичь 20 % к 2020 году. Данная стратегия предполагает акцент на преодоление дефицита энергоресурсов путем развития биоэнергетики.
Одна из важных характеристик всех источников энергии является их экологическая безопасность. С учетом современного уровня научных достижений и требований общества к устойчивому развитию экономики таким образом, чтобы не угрожать здоровью населения, значительное внимание уделяется тем источникам энергии, которые характеризуются наиболее безопасным производством и использованием. Одним из таких ресурсов является топливо биологического происхождения. Получение энергии из биоресурсов – одно из направлений экологической биотехнологии, связанное с эффективным использованием фотосинтетической энергии. Именно с помощью биоэнергетики планируется, с одной стороны, активизировать переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, а с другой – повысить энергоэффективность мировой экономики.
Использование биомассы в качестве топлива является одним из немногих реальных механизмов снижения парникового эффекта, так как растительные отходы нейтральны по отношению к балансу углекислого газа в атмосфере: при сжигании выделяется такое же количество СО2, которое поглощалось в процессе роста растений. По сравнению с ископаемым топливом, сжигание биомассы значительно сокращает выбросы СО2, а также значительно уменьшает количество золы после сжигания
Одной из важнейших задач биоэнергетики является поиск источников, из которых можно получать топливо. Значительное число исследований и предлагаемых технологий базируются на получении топлива из растительных источников: масличных, зерновых и сахарных культур (биотопливо первого поколения). Другого источника для производства жиросодержащих отходов сельскохозяйственного производства, переработанных методами пиролиза биомассы с использованием BTL технологий Биомасса в жидкость
(биотопливо второго поколения). Как показал ряд научных исследований, перспективным источником получения биотоплива, отвечающего современным требованиям, может быть биомасса водорослей (биотопливо третьего поколения).
Несмотря на то, что производство биоэтанола и биодизеля играет важную роль в переходе от традиционной экономики, основанной на использовании невозобновляемых ресурсов для экологически безопасной экономики, активное использование биотоплива во многих странах мира может привести к ряду проблем. Основным сдерживающим фактором при производстве биотоплива первого поколения является занятость обширных площадей плодородных земель – ведь вместо возделывания культур на ценных сельскохозяйственных землях эти земли используются для выращивания сырья для производства биотоплива – рапса, сои, сахарного тростника и др.
Именно технология производства биотоплива из водорослей может решить проблемы дефицита источников и сокращения объемов земель, используемых для производства биотоплива. Эффективность получения масла, пригодного для производства биотоплива из кукурузы, составляет 172 литра на гектар в год, пальмового масла 5950 литров на гектар, а из биомассы водорослей 95 000 литров на гектар в год при условии, что оно выращивается в открытых водоёмах. Водоросли могут расти даже в очень суровых условиях: в соленых озерах и пустынях, где выращивание растений не практикуется и даже невозможно. Кроме того, водоросли играют важную роль в накоплении избыточного углекислого газа из воздуха, производят ряд полезных продуктов, которые могут быть использованы в качестве кормовых добавок в рыбных хозяйствах и животноводческих ферм или может рассматриваться как перспективная источник фукоксантина, каротиноиды. Целью данной работы является обсуждение особенностей и проблем использования биомассы водорослей для получения биодизеля.
Любой биологический источник, пригодный для производства биодизеля, оценивается по количеству и составу триглицеридов высших жирных кислот и свободных жирных кислот, которые являются исходным материалом для реакции этерификации в технологическом процессе и источниками метиловых эфиров жирных кислот (компонентов готового биодизеля). Однако качество выпускаемого топлива будет напрямую зависеть от качественного и количественного состава триглицеридов. Таким образом, насыщенные жирные кислоты повышают октановое число и устойчивость биодизеля к деструкции, а ненасыщенные жирные кислоты снижают температуру застывания и застудневания топлива при низких температурах. В то же время, сопутствующие компоненты растительного масла, такие как нерастворимые примеси, жирорастворимые вещества и вода, ухудшают качество и даже могут негативно повлиять на производство и выход биодизеля. Поэтому одной из первоочередных задач при производстве биодизеля третьего поколения является поиск таких штаммов водорослей, в составе которых производимые липиды обеспечивали бы максимальную экономическую рентабельность.
По сравнению с культурами и источниками животного происхождения перспективы использования водорослей в качестве источника липидов для производства биотоплива, питания человека и животных во многом определяются их высокой продуктивностью и широкой экологической устойчивостью. Продуктивность получения масла из биомассы водорослей на единицу задействованной площади во много раз эффективнее, чем у наиболее популярных источников биотоплива первого поколения – сои (201 раз) и пальмового масла (33,5 раза). В тоже время, различные группы в составе водоросли могут разрешить различное биотехнологические проблемы. Так зеленые водоросли могут успешно использоваться для производства биодизеля из-за быстрого роста в фотоавтотрофных условиях, высокого содержания насыщенных и мононенасыщенных жирных кислот, способности вырабатывать большое количество триглицеридов. Диатомовые водоросли могут служить промышленным источником липидов благодаря их хорошему росту в условиях культуры, а также высокопродуктивному накоплению хризоламинарина, липидов (в том числе триглицериды) в условиях дефицита питательных веществ. Желто-зеленые и эустигматофиты водорослей, для которых возможность накопления липидов составляет более 50 % от сухой массы, также были идентифицированы как потенциальные биотехнологические объекты.
Использование различных биологических подходов для выявления перспективных штаммов водорослей для биотехнологии или повышения их продуктивности продолжает расти. Однако однозначное понимание различий между таксонами водорослей является одним из наиболее значимых шагов в селекции коммерчески ценных штаммов, так как именно межвидовые различия будут определять потребности в составе питательной среды, темп роста, количественный и качественный состав липидов и других клеточных включений. Так, Филдс и Коциолек на примере литературных и собственных данных по диатомовым водорослям показали, что в условиях дефицита питательных веществ в среде липидный состав является частично унаследованной эволюционной особенностью и, следовательно, эволюционно-филогенетический подход может быть использован для облегчения селекции видов путем выявления различий в содержании липидов внутри и между филогенетическими кладами. Поэтому одновременное использование морфологических, филогенетических, сравнительно-генетических, генно-инженерных и биохимических методов обеспечит наибольшую эффективность поиска и тестирования биотехнологически перспективных штаммов водорослей для производства биодизеля.
Несмотря на убедительные показатели продуктивности накопления липидов водорослями, ведется работа по повышению их способности накапливать ценные соединения, в первую очередь за счет изменения интенсивности освещения или состава питательных сред при культивировании. Показано, что представители различных групп водорослей по-разному реагируют на истощение питательных веществ.
Основные преимущества использования биомассы водорослей для производства биотоплива приведены ниже:
1) использование биомассы водорослей для производства топлив не представляет угрозы для продовольственной безопасности;
2) водоросли растут в 20-30 раз быстрее наземных растений (некоторые виды могут удваивать биомассу несколько раз в день);
3) 15-100 раз больше масла с гектара, чем альтернативные рапс, соя, кукуруза, ятрофа, пальмовое масло;
4) отсутствием прочной клеточной стенки и почти полное отсутствие лигнина в ряде видов водорослей делает их переработку в жидкие топлива более простой и эффективной, чем переработка биомассы из любого источника высших растений;
5) производство и использование биодизеля третьего поколения не требует изменения законодательства, как в случае с этанолом;
6) водоросли растут в пресной, соленой воде или промышленных сточных водах;
7) водоросли можно выращивать в промышленных условиях в биореакторах или фотобиореакторах, освещенных искусственным источником света, или в открытых водоемах и озерах на землях, непригодных для сельского хозяйства, включая пустыни;
8) фотобиореакторы интегрированы в технологические линии действующих промышленных предприятий (тепловые электростанции, нефтехимические заводы, цементные заводы);
9) водоросли уменьшают выброс углекислого газа – поглощают до 90 % CO2 с выделением кислорода;
10) по сравнению с маслами, полученными из сои и рапса, масло, получаемое водорослями, имеет более высокое содержание насыщенных жирных кислот (пальмитиновой, стеариновой и др.), которые повышают октановое число топлива.
В настоящее время разработаны различные подходы к выращиванию и производству биомассы водорослей, которые может быть использованы для производства биодизеля. Прежде всего, следует учитывать, что биомассу водорослей можно получить при их массовом росте в открытой воде во время цветения. Сбор такой биомассы водорослей помогает очищать водоемы. Однако видовой состав биомассы водорослей не всегда может гарантировать ее высокую ценность для производства биодизеля. В тоже время, позволяет разрешить проблему удаление проростков водорослей во время цветения водоемов и использование биомассы, например, для производства биогаза. Биомасса цианобактерий, интенсивно произрастающая в водоемах Днепра, может быть использована в установках по производству биогаза методами, разработанными учеными Кременчугского национального университета имени Михаила Остроградского. Теплообразующая способность газа, получаемого из биомассы водорослей, совместима с бытовым газом.
Огромное количество биомассы морских водорослей, побережье Японии также используется для производства метана на специальных установках.
Однако для производства биомассы водорослей с высоким содержанием масла и пригодных для производства биотоплива необходимо выращивать водоросли определенных типов или штаммов, характеризующиеся наибольшей эффективностью. При этом используются открытые водоемы или специальные биотехнологические конструкции – биореакторы (фотобиореакторы). Выращивание водорослей в открытой воде является наименее затратным и наиболее приемлемым в странах, где климатические условия позволяют водорослям расти в течение всего года. Существенным недостатком данного способа получения биомассы являются другие микроорганизмы (микроводоросли, грибы, бактерии), попадающие в плененный водоем, которые мешают выходу масла для получения биодизеля. Фотобиореакторы, являющиеся замкнутыми системами, позволяют выращивать биомассу водорослей независимо от климатических условий, обладают высокой степенью защиты от появления нежелательных организмов и позволяют использовать различные методы для повышения темпов роста и продуктивности водорослей. Такие заводы, как правило, дорогостоящие, поэтому их современное развитие направлено на как удешевление биомассы, так и расширение ее функциональных возможностей. Например, с одной стороны, они очищают выбросы различных производств при использовании в фотобиореакторах и, с другой стороны, оказывают дополнительное влияние на насыщение этих выбросов углекислым газом, на их температурные показатели и так далее. Это делает целесообразным размещение таких фотобиореакторов вблизи различных производств, где большое количество углекислого газа образуется при сжигании или, например, брожении, осуществляемом дрожжами.
Разработаны различные варианты плоских трубчатых фотобиореакторов. Для повышения производительности, относительной спектральной световой поток достигается с помощью волоконно-оптических систем, которые позволяют использовать солнечный свет без потерь, фотобиореакторы – обеспечивают глубокое проникновение светового потока в культуру, выращивание водорослей на мембранах с последующим смывом на урожайность культур, но в то же время свести к минимуму затраты воды и сбора затрат и т. д. Разработчики системы представляют перспективные стратегии получения биомассы водорослей, в основе которых лежит сочетание открытых водорослей и фотобиореакторов. Защита от возможного загрязнения биомассы водорослей в прудах обеспечивается высокой скоростью образования водорослей (несколько дней). В пилотном проекте средняя годовая производительность таких комбинированных систем достигали 38 тонн с гектара.
Тем не менее, преобладающей мировой практикой в настоящее время в выращивании водорослей коммерческого назначения является выращивание в открытых водоемах – около 20 000 тонн в год, по сравнению с лишь несколькими сотнями тонн в закрытых фотобиореакторах. Создание наиболее продуктивных растений для выращивания микроводорослей продолжается в разных странах, в том числе в Украине.
После активизации производства биодизеля третьего поколения предполагалось, что водоросли станут наиболее выгодным источником энергии, поскольку они не только способны накапливать значительные количества липидов, но и имеют потенциал для сокращения площади сельскохозяйственных угодий, используемых для производства биотоплива, а также могут улучшить качество воздуха путем секвестрации CO2. Однако серьезной проблемой является стоимость выращивания биомассы водорослей и ее переработки по сравнению с производством биодизеля из сельскохозяйственных культур. В связи с этим существует несколько направлений повышения эффективности производства биодизеля из биомассы водорослей.
Первое направление – это повышение содержание липидов в водорослях клеток с помощью генной инженерии и касается модификации генов, кодирующих ферменты, ответственные за синтез триглицеридов, и направлено на стимулирование дополнительной экспрессии этих генов. Также проводится работа по трансплантации одних и тех же растительных генов в другие модельные объекты (бактерии, дрожжи) с целью получения большей концентрации, чем в исходном организме.
Второе направление связано со стимулированием увеличения накопление липидов путем усиливать водоросли. Наиболее распространенными факторами, используемыми для повышения выработки липидов, являются изменение интенсивности и продолжительности освещения, ограничение содержания питательных веществ (в первую очередь азота и фосфора). Фосфатное голодание зеленой водоросли Scenedesmus sp. вызвано повышение содержания липидов с 20 % до 50 % от сухой массы, в отличие от азотного голодания, которое увеличивало содержание липидов с 25 % только до 30 % от сухой массы.
Основным недостатком первых двух направлений является то, что все исследования основаны на узком наборе известных штаммов водорослей.
Третье направление предполагает поиск новых, перспективных штаммов водорослей, которые будут характеризоваться более высокой скоростью накопления биомассы, более высоким содержанием триглицеридов и оптимальными пропорциями накопленных насыщенных и ненасыщенных жирных кислот по сравнению с уже известными штаммами. В последнее время перспективы использования ряда штаммов, относящихся к родам зеленой водоросли Desmodesmus была показана высокая перспективность. Тестирование новых штаммов показало, что на разных стадиях роста биомасса водорослей существенно отличается по содержанию жирных кислот.
В последнее время сформировался новый подход к поиску биотехнологически ценных штаммов водорослей на основе прогнозирования их способности к достаточному накоплению липидов с помощью выяснения эволюционных связей внутри основных таксономических групп водорослей. Показаны перспективы тестирования возможности использования штаммов диатоммов из заказов Thalassiosirales, Chaetocerotales и Bacillariales для производства биодизеля. Прогнозируется, что значение этого подхода возрастет в связи с постоянным увеличением нуклеотидных последовательностей не только диатомовых, но и других групп водорослей, доступных для анализа, и возможностью фильтрации менее перспективных штаммов, избегая дорогостоящих биохимических экспериментов.
В международной научной практике исследования по поиску новых штаммов для производства биодизеля очень распространены, о чем свидетельствует обилие публикаций в таких специализированных научных журналах, как Algal Research, Photosynthesis Research, International Journal of Hydrogen Energy, Journal of Applied Phycology и др. Между тем многие публикации отражают лишь некоторые результаты, поскольку опытных исследовательских групп не так много.
На современном этапе на коммерческом уровне реализуются следующие направления: израильская компания Seambiotic
разрабатывает технологии, позволяющие промышленное выращивание водорослей с использованием углекислого газа, который выделяется в выбросы электростанций. Корпорация Greenfuel Technologies
(США) предложила технологию выбросов в биотопливо, позволяющую выращивать водоросли путем использование выбросов тепловых электростанций. Японская компания Tokyo Gas
и NEBO
создают систему ферментации биомассы водорослей с использованием бактерий для получения метана, который может быть использован в газовых двигателях. Они уже разработали механизмы, способные перерабатывать до 1 тонны водорослей в сутки с образованием 20 тысяч кубометров метана.
Результатом исследований стало быстрое снижение себестоимости производства биотоплива на основе биомассы водорослей. Если в середине первого десятилетия XXI века стоимость получения 1 тонны биомассы водорослей составляла около $ 4300, то к 2011 году она снизилась до $ 1279, а в 2016 году уже предлагались механизмы снижения стоимости до $ 430/т. Наблюдается значительное снижение стоимости топлива – в 2011 году минимальная цена составляла около $ 2,32/л, затем к 2016 году она снизилась до $ 0,96/л. Все это подчеркивается приоритетность любых исследований, направленных как на совершенствование процесса производства биотоплива из водорослей, так и на поиск новых источников получения биотоплива.
Несомненно, за последние 30 лет существенно изменились исследования по возможности использования водорослей в качестве источников для производства биодизельного топлива и улучшения конкретных технологических особенностей. Если первые анализы и рекомендации основывались на анализе морфологии, физиологии и биохимии отдельных штаммов, то современные подходы все больше смещаются в сторону глубокого скрининга, сравнительной генетики и генной инженерии. Принимая во внимание тот факт, что ни одно из существующих наземных растений не способно конкурировать с водорослями как по эффективности фотосинтеза, лежащего в основе урожая, так и по содержанию масла и запасенной в нем энергии, то, конечно, скрининг биотехнологически перспективных штаммов водорослей для производства биодизеля остается актуальным как никогда.
Развитие водорослей в культуре нейтрализует влияние климатических и сезонных факторов роста, а понимание видовой специфики и продуктивности позволяет получать биомассу круглый год. Лидерами в этой области являются Нидерланды, Германия, ЮАР, а также США и Австралии. Активный поиск ведется также специалистами из Китая и Японии. Ученые работают над оптимизацией параметров биокультиваторов и биореакторов для активного выращивания биомассы водорослей и источников переработки, поиском продуктивных видов и штаммов водорослей. Украина обладает всем необходимым научным и производственным потенциалом для развития. Это подтверждается разработкой технологических решений по повышению эффективности производства и переработки биомассы микроводорослей, а также созданием коллекций микроводорослей и их штаммов.
Очевидно, что дальнейший поиск новых штаммов водорослей, которые могут быть использованы для производства биодизельного топлива должны отличаться от исследования на отдельные штаммы, А должны сконцентрироваться на создание и внедрение системы скрининга, которая будет состоять из научно обоснованных и экономически целесообразных этапов и позволит поэтапное тестирование большой выборки штаммов водорослей, исключая на каждом этапе менее перспективных штаммов.