Las algas como alimento y como combustible

Las algas se encuentran entre los de más rápido crecimiento de los seres vivos, que no podía dejar de provocar el interés en su uso, como en el de alimentos, y directamente para fines energéticos, como los biocombustibles. Activas de la investigación y el cultivo de las algas van a partir de la década de 1960 en el mundo y en rusia. Artículo que habla sobre la realidad y las perspectivas de los alimentos y la energía, el uso de las algas, económicos y aspectos ambientales de la producción de водорослевого de biocombustibles.

Las algas en el sistema de organismos vivos

Comenzando la conversación sobre las algas y su valor para la generación de energía, por no hablar de que toda la energía en la Tierra, excepto la mareomotriz y la geotérmica, de forma directa o трансформированной la energía de la luz solar.

El calentamiento por el Sol de la superficie terrestre provoca el movimiento del aire, lo que crea un energía. A su vez, el viento en la superficie de los océanos crea una onda de energía. El calentamiento por el Sol de la superficie del agua conduce a la evaporación de agua y crea el ciclo del agua en la naturaleza, sin la cual no sería la energía del agua en movimiento.





Por último, sin el Sol no serían posibles de la vida, el crecimiento de la biomasa y la bioenergía. Además, el petróleo, el gas, el carbón, la turba — todo esto es sólo la biomasa, en diferentes grados, riñón embrionario humano transformado, y también la derivada de la energía solar.

En cuanto a las algas, este grupo de organismos vivos crea, sin exagerar, el fundamento de la vida en la Tierra, directamente con energía solar para el crecimiento.

Las algas (lat. Zinc) en обиходном la comprensión es una planta relacionada con el agua en el hábitat, que, sin embargo, no siempre es así. Algas — muy irregular conjunto. No todas las algas viven en el agua, al igual que no todas las plantas de agua llevan a las algas.

Los organismos vivos se clasifican de diferentes maneras. Aprobada en la actualidad, la clasificación incluye dos grandes unidades (taxón) o dos del imperio de los organismos vivientes:

1. Virus — доклеточные organismos.

2. Las células de los organismos. Las células de los organismos se dividen en dos principales taxones menos de alto orden (надцарства o de dominio):

1. Prokarioty — organismos sin el consentimiento expreso limitado por la membrana celular núcleo.

2. Эукариоты — organismos con núcleo celular.

Prokarioty incluyen los dos reinos de organismos археи o las bacterias y las bacterias o эубактерии. Эукариоты más amplio grupo de organismos vivos, incluyendo los ya conocidos del reino de los hongos, plantas y animales.

Organismos, combinadas con el concepto de "algas", se encuentran casi en todas las etapas de la taxonomía de la escalera celular de los organismos, desde las bacterias hasta las plantas (tabla. 1)—, y que incluyen dos grupos principales: прокариотические algas en un reino en el dominio de procariotas, que incluye подцарства (otra clasificación de los departamentos) azul-verdes y прохлорофитовых de algas, estas algas — podtsarstvo en el reino de las plantas, que comprende los departamentos.





Es interesante que la posición taxonómica прокариотических de algas azul-verdes controvertida cuestión. Микробиологи roger Стениер y cornelis van Ниль que hayan formulado la teoría de la división de los organismos vivos en dos mundiales de dominio — prokarioty y эукариоты, propusieron considerar los términos "procariotas" y "la bacteria" equivalentes. A partir de este momento cianobacterias se clasifican de dos maneras — como las bacterias (cyanobacteria) y como las plantas, siendo фотосинтезирующими organismos. Además, todos los celulares de los organismos vivientes se puede dividir en unicelulares (protozoos, los inferiores, protists) y multicelulares (superiores) y construir una clasificación en base a ello, destacando los más simples en su reino. Entre las algas hay unicelulares y multicelulares, así como coloniales organismos que conforman el sistema de células interconectadas.





Las dimensiones de las algas varían en un amplio rango de 0,5–1 micras (10-6 m), algunas cianobacterias hasta decenas de metros en algunos vegetales formas de algas. Las algas viven en el mar y en agua dulce, así como en la tierra.

Una característica común de las plantas verdes y las algas, incluyendo прокариотических, es la capacidad de la fotosíntesis o de la transformación de la energía electromagnética de la luz solar en energía de los enlaces químicos de las sustancias orgánicas, a la luz gracias a la presencia de фотосинтезирующих pigmentos — хлорофиллу cerca de las plantas, бактериохлорофилла y бактериородопсина el procariotas.

La reacción de la fotosíntesis es la transformación de dióxido de carbono y agua en glucosa y oxígeno se ve así:





Para las plantas verdes y las algas de la fotosíntesis es la fuente de alimentación y crecimiento. A su vez, es фотосинтезирующим de los organismos se debe la aparición y la persistencia de la apta para la respiración de la atmósfera.

Фотосинтезирующие de organismos que pertenecen a la categoría de автотрофных que utilizan para la alimentación inorgánico de la sustancia, convertir de ellos en la orgánica. El resto de los organismos vivos, incluidos los animales y el hombre, — гетеротрофные, incapaces de sintetizar materia orgánica de la inorgánica. Para ellos, a su vez, автотрофы proporcionen la base forrajera y son la fuente de la existencia física. Por lo tanto, las algas son organismos vivos, por un lado, la obligación de su existencia directamente al Sol, por la otra, son la base de todo el resto de la vida orgánica en la Tierra.

En este sentido, es necesario considerar los principales indicadores cuantitativos — el volumen y el crecimiento de la biomasa de las plantas y de las algas. La biomasa de la Tierra en su conjunto se estima en 1,3 billones de toneladas, de las cuales en фитомассу (plantas) tiene más de 1,2 billones de toneladas, más del 95% de la biomasa (tabla. 2).





Tenga en cuenta que si en las categorías de biomasa a examinar a la persona y a la población de la Tierra, ella con una población de alrededor de 7 millones de personas será de aproximadamente 300 millones de toneladas, alrededor de 1/3000 o 0,03% de la biomasa y de alrededor de 1 % de toda la зоомассы.





Si esta tasa de crecimiento anual de la biomasa representa el 17% del total de su magnitud o cerca de 220 millones de toneladas, incluyendo oceánica de biomasa de más de 87 mil millones de toneladas.

Las más altas tasas de reproducción y, en consecuencia, el crecimiento de la biomasa, son característicos de diminutos organismos, entre los que se cuenta y la mayor parte de las algas. En particular, sólo la biomasa de fitoplancton (flotantes de algas marinas en los océanos del mundo se estima (en el queso peso) en 1,5 millones de toneladas, y su crecimiento anual es de 550 millones de toneladas. En otras palabras, el año de la masa de algas es capaz de crecer en 350 veces. Según algunas estimaciones, en las algas representan 2/3 de toda la biomasa de la Tierra. Precisa mismo los cálculos en este caso, difícilmente puede haber.





Con la mayor velocidad se multiplican más pequeñas que las algas unicelulares o microalgas — el intervalo de tiempo entre las divisiones de las células en condiciones favorables, pueden reducirse a 20 minutos e incluso menos. En este caso, sólo durante el día, de una célula, en teoría, podría dar aproximadamente 5 × 1021 descendientes. Cuando la masa de una célula es de aproximadamente 665 фемтограмм (6,65 × 10-16 kg o 6,65 × 10-13 g) de su peso total durante el día supere el 100 toneladas, y el valor, la igualdad de toda la actual de la biomasa de la Tierra, se alcanza a 12 horas más tarde. Incluso en la real, y no las condiciones ideales de la alta velocidad de reproducción de las algas que cubren la superficie de los cuerpos de agua, bien conocida, y en el cultivo en estanque микроводоросль espirulina (Spirulina), como muestra la práctica, dobla su biomasa de cada двапять días.

Las algas como alimento y como combustible

Gracias a tan enorme potencial de la reproducción — financiada por casi exclusivamente de energía solar y el agua, sin el consumo de sustancias orgánicas! — las microalgas hace algunas décadas han sido objeto de atención y de investigación de la posibilidad de su uso como alimentos y de la energía del producto.

La perspectiva de cultivo de algas con una recopilación de decenas y cientos de toneladas de biomasa con 1 hectárea de la superficie del agua — a veces e incluso órdenes de magnitud mayor que la productividad de cualquier famoso de la cultura agrícola, y sin costos significativos — no podía no parecer muy tentador.

El original es comestible el uso de algas, tiene una larga historia. En particular, se sabe que los aztecas, los incas y los pueblos de la europa central y del este de áfrica que viven en las zonas del lago chad y el gran valle del rift, bebieron de la pelotilla de la secada de espirulina.

En este sentido, a partir de la década de 1960 en el mundo aparece un interés a las algas (en su mayor parte, a спирулине), principalmente como alimento para animales y para el hombre. Se ha detectado también una serie de propiedades de las algas, en relación con el fortalecimiento de la inmunidad, la prevención y el tratamiento de una serie de enfermedades, el aumento de la productividad del ganado y de los cultivos.

En la segunda mitad de la década de 1970 espirulina en polvo o en cápsulas apareció en los mercados alimentarios mundiales, donde se презентовалась como un nuevo producto natural de energía natural complemento alimenticio con alto contenido en proteínas, es decir, el "alimento del futuro".





En estados unidos la empresa de cultivo de microalgas en estanques artificiales, trabajan de manera experimental, se han creado en 1977. Los primeros estanques aparecieron en el desierto en el condado de Imperial valley (Imperial Valley) en el sureste del estado de california. Donde las condiciones son favorables gracias a la combinación de un ambiente cálido y solar de tiempo con la posibilidad de que el agua del río colorado.

En paralelo el cultivo de algas se ha ocupado de japón, más adelante en el proceso de extraccin de la empresa en la india, china, tailandia, taiwán y méxico.

Durante la década de 1980 y la primera mitad de la década de 1990 la producción de microalgas en el mundo ha crecido hasta 1000 toneladas. A finales de la década de 2000 mundiales de la producción de microalgas, incluyendo спирулину, хлореллу (chlorella), дуналиеллу (dunaliella), хематококкус (haematoccocus), alcanzaron los 10 mil toneladas de peso en seco.

Casi al mismo tiempo, en el periodo de 1980 a 1990, los años en la urss y rusia comenzaron la investigación y el cultivo de la espirulina en los objetivos alimenticios, para uso como alimenticios, como en la comida de la persona, y en el forraje para el ganado y aves de corral.

En estos trabajos participaron activamente también el personal de laboratorio de investigación y desarrollo de fuentes de energía renovables (НИЛВИЭ) geográfica de la facultad de la universidad estatal de moscú el nombre de M. S. izquierdo. Se ha instalado el efecto positivo del uso de la espirulina, en particular, como suplementos alimenticios para las aves. En la actualidad, en rusia existen algunos pequeños de producción de espirulina.

En cuanto a las posibilidades directamente de la energía el uso de algas para la producción de biocombustibles, lo activas de estudios en esta dirección también se empezaron a 1960-1970 de los noventa. Líderes en estas investigaciones acero, en particular, el instituto Francés del petróleo (Institut francais du petrole, IFP) y el laboratorio nacional de energía renovable (National Renewable Energy Laboratory, NREL) del departamento de energía de los estados unidos (Department of Energy, DoE).





NREL, en 1978, inició un programa de investigación de las posibilidades de obtener combustible a partir de microalgas Aquatic Species Program (literalmente Programa de especies acuáticas o de la flora de agua). Se terminó el año 1996, cuando se descubrió que los biocombustibles a partir de algas es demasiado caro en comparación con los hidrocarburos fósiles, sin embargo, en 2010 se anunció la reanudación de la investigación en relación con la volatilidad de los precios del petróleo y el aumento de los requisitos de la seguridad energética, la sostenibilidad ecológica y a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero.

En los últimos años, los biocombustibles a partir de algas reciben y utilizan de manera experimental.

En paralelo a la investigación en esta dirección se celebraron en la urss, en particular en НИЛВИЭ. En particular, en 1989-2002 años el laboratorio de investigar биопродуктивности y de las posibilidades del uso de microalgas como fuente de energía, para obtener el biogás y los biocombustibles líquidos, en la base experimental del polígono de la Marina гидрофизического instituto an) en la costa sur de crimea de el poblado katsiveli. El personal de laboratorio fue diseñado y construido el sistema de "Биосоляр", diseñado para el cultivo de microalgas — фотосинтезирующие bloques o биогенераторы, con la colocación en el mar y en tierra, con un total de varios cientos de metros cuadrados.





Como el objeto de un experimento, se ha seleccionado микроводоросль espirulina платенсис (Spirulina platensis), conocida también como артоспира (Arthospira platensis). Una de las características del experimento fue la gradual adaptación de la especie (en condiciones naturales espirulina vive en agua dulce tropicales y subtropicales de los embalses) al agua salada del mar Negro. Los experimentos han demostrado suficientemente alta productividad anual de la salida de la biomasa por unidad, водорослевой la plantación de una superficie de 70 m2 alcanzaba una tonelada. Экстраполируя es de más de 140 toneladas de 1 hectárea, aunque el logro de este resultado en grandes superficies en las condiciones rusas — la tarea individual.

Además, las materias primas para la producción de biocombustibles — lípidos (grasas), cuyo contenido en diferentes tipos diferentes. La espirulina tiene una alta proporción de proteínas de aproximadamente el 60 % de la materia seca de la masa, que, entre otras cosas, hace de ella un valioso alimento. Al mismo tiempo, el contenido de lípidos es apenas un 7 %. Para la comparación, en las semillas de colza y girasol, los lípidos representan el 30-60 % de la masa, en las semillas de soja y de maíz, el 15-25 % o más, en el fruto de la palma aceitera — 45-70 %. Precisamente estos cultivos se utilizan en la actualidad como la principal materia prima para la producción de biocombustibles. Por lo tanto, se trabaja con микроводорослями, tienen el más alto contenido de lípidos, mientras que llevaba y en nuestro país (incluyendo НИЛВИЭ), y en el mundo principalmente un carácter experimental.





Las algas como fuente de energía – ventajas y desventajas

Así, las microalgas muy высокопродуктивны. La cosecha de una hectárea, en teoría, podría mensualmente alcanzar toneladas, e incluso decenas de toneladas de peso en seco, que a veces e incluso órdenes de magnitud mayor que la de los cultivos tradicionales. El contenido de lípidos en el número de especies, tales como ботриококкус brownie (Botryococcus braunii), дуналиелла (Dunaliella), наннохлорис (Nannochloris), стихококкус (Stichococcus) en condiciones óptimas puede alcanzar hasta un 80 %. De esta manera, es posible la salida de los biocombustibles en decenas y hasta cientos de veces más utilizados en la actualidad, el aceite de semillas de cultivos (tabla. 3).





En este caso se puede evitar el conflicto con alimentación orientada al uso de las tierras agrícolas. Las plantaciones de microalgas pueden encontrarse en las ciencias naturales y embalses, en posturas y no utilizados tierras y marinos, ocupando mucha menor de la plaza.

Por último, el cultivo de los cultivos tradicionales en la tierra, conlleva un mayor volumen de emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes. En el fondo de este cultivo de algas se ve ambientalmente seguro, además, contribuye al aumento de la absorción de dióxido de carbono y oxígeno en la atmósfera que crea un doble efecto positivo — la obtención de alimentos y combustibles, acompañado del no a la contaminación, y con el fin de purificar el ambiente. El problema, como siempre, es que las condiciones reales, como regla general, lejos de ser óptimo y teóricamente posibles.

En el marco de la antes mencionada programa de ASP en los estados unidos de microalgas con alto contenido de lípidos культивировались en estanques abiertos en el estado de nuevo méxico (suroeste del país). El promedio de la productividad fue de 20 g/m2-día (que corresponde a 73 toneladas por hectárea por año), y en algunos períodos de hasta 70 g/m2-día.

Sin embargo, se ha aclarado que no se puede durante mucho tiempo mantener монокультуру de microalgas en un sistema abierto, donde inevitablemente están presentes y otros organismos. Además, la alta productividad de las algas es posible cuando hay una fertilización con nitrógeno, en ausencia de ésta se cae. En este caso se ve la similitud con los tradicionales сельхозкультурами, también requieren de fertilizantes nitrogenados. Al mismo tiempo, en ausencia de nitrógeno, el contenido de grasa en las células de las algas por encima. Así, la tarea simultánea de crecimiento биопродуктивности y el contenido de lípidos, que condicionan la eficiencia energética de la cultura, se vuelve insoluble, y se requiere la búsqueda de optimizar la relación entre ambos.

Investigadores japoneses del instituto de Investigación de tecnologías innovadoras de la Tierra (Research Institute of Innovative Technology for the Earth (RITE), que trabajaban sobre esta misma tarea en 1991 a 1999 años, han llegado a similares resultados.

En los años 1997-2001 gran proyecto de investigación en la misma dirección llevó a cabo en las islas de hawai, con микроводорослью хематококкус плювиалис (Haematococcus pluvialis), que en la primera etapa, cultivado en el interior de las фотобиореакторах, en el segundo se coloca en las condiciones de las masas de agua abiertas. El promedio de la productividad de biomasa cultivados algas fue de 38 toneladas con 1 ha de máxima exceda de 90 toneladas, la salida de los biocombustibles, respectivamente, fue de 11,4–27,5 toneladas desde el 1 de hectáreas, que es varias veces más alto que el de los más productivos de cultivos de semillas oleaginosas en la tierra.

Al mismo tiempo, cuando se cultiva en condiciones de exposición y биопродуктивность, y el contenido de lípidos son sustancialmente inferiores, y el cultivo en interior биореакторе lleva significativa a un costo más elevado.

En la traducción de la energía equivalente resulta que para obtener 1 l de biodiesel a partir de microalgas se requiere el consumo de energía, equivalentes a entre 0,56 0,81 litros de combustible (en un promedio de alrededor de 0,7 l), incluyendo energía, nutrientes y otros. En este caso, además del aspecto económico, presente y ambiental — ya que la energía que fluye en el cultivo de algas, se extrae de las fuentes no renovables y el medio ambiente no es, es decir, el efecto medioambiental de la producción de biodiesel, en gran medida, se deprecia. Además, existe un efecto ecológico negativo asociado con el ácido nítrico, la fertilización y del lado de la demanda de las plantaciones de algas, es decir, la misma, como en el tradicional producción agrícola. Además, se trata de un costo sin tener en cuenta la inversión, mano de obra, otros costos relacionados, en particular, con el transporte de combustible.

Los cálculos de los costos de obtención de biodiesel a partir de microalgas dan radicalmente diferentes resultados, en muy alta medida, dependen de la especie y el modo de producción, las algas, las condiciones ambientales y otros factores. En particular, se calcula que los participantes en el programa ASP, el precio de 1 l "водорослевого" biodiesel fue de 26-86 centavos ($ 39-127 por barril), en hawai el proyecto, alrededor de 40 centavos de dólar ($ 56 por barril), y los investigadores de la columbia Británica (canadá) dan significativamente más altas cifras en $ 2,5 y $ 7 por 1 hp

Según nuestros cálculos, el costo de inversión en mejoras para el 1 de hectáreas de plantaciones de algas en un entorno al aire libre, incluyendo la instalación de культиваторов, maquinaria para la preparación de alimentos, mezcla, secado y filtrado de la biomasa y el otro será de alrededor de $ 50 mil

De costes operativos en gran medida dependen de las condiciones locales, que van desde el clima hasta el nivel de remuneración. Se puede estimar en $ 50 a 100 mil en el año, pero en las condiciones de rusia, que puede ser varias veces superior, en particular, debido a la considerablemente mayor en comparación con субтропиками y los trópicos el consumo de energía y de un corto período de crecimiento en el cultivo en condiciones de exposición.

Es bastante aceptables las condiciones de cultivo de algas como alimentos y medicamentos, aditivos, pero como fuente de combustible son demasiado caros.

Cuando los datos de los costos, incluso en el caso de la recolección con 1 ha de de 30 toneladas de biomasa al año, cada tonelada de pasar en $ 1600 y 3200 ($ 1,6–3,2 a 1 kg), incluso sin tener en cuenta la inversión inicial y los costos de obtención de la realidad de los biocombustibles. Esto es similar a las cifras citadas investigadores canadienses.





Las perspectivas de водорослевой de energía

El interés a las algas como fuente de biocombustibles es normal con los precios de petróleo a $ 100 por barril y más, como sucedió en la segunda mitad de la década de 2000. En la actualidad, la situación no tan favorable, y difícilmente puede predecir, ¿cambia ella en la mejor de las energías renovables lado en el futuro previsible.

Actualmente está en marcha y continuará la búsqueda de formas de reducir los costos en la producción de bioenergía a partir de algas. Entre otras cosas, incluye la búsqueda, selección y mejora de los cultivos de algas con alto contenido de lípidos, más productivas y viables-lecciones de honduras.

Como el mismo producto alimenticio (que también se puede considerar una fuente de energía), las algas ya se utilizan y tienen evidentes de la perspectiva. Probablemente, como en el caso de la turba, en el futuro, es aconsejable el uso integrado de cultivo de algas con la creación de una amplia gama de alimentos, los medicamentos, los productos energéticos en la salida. Para rusia, esto también podría ser uno de los objetivos de mediano y largo plazo de la innovación al crecimiento y la creación de alta tecnología de la economía en la guerra de la propiedad intelectual y la base productiva. publicado

 

Fuente: www.c-o-k.ru/articles/vodorosli-i-energetika