Альгай як їжа і як паливо

Algae є одним з найшвидших зростаючих живих організмів, які не могли б не використовувати інтерес до їх використання, як для їжі, так і безпосередньо енергетичних цілей - як біопаливо. Активні дослідження та вирощування водоростей відбувалися з 1960-х років як у світі, так і в Росії. У статті розглянуто актуальність та перспективи використання харчової та енергетичної енергії водоростей, економіко-екологічних аспектів виробництва біопалива алга.

Алга в системі живих організмів

Коли ми починаємо говорити про водоростей і його енергетичне значення, ми повинні згадати, що всі енергії на Землі, крім tidal і геотермічної енергії, є прямим або трансформованим енергіям сонячних променів.

Нагрів сонця поверхні землі викликає повітря для переміщення, що створює енергію вітру. У свою чергу вітер на поверхні океану створює енергію хвилі. Опалення водної поверхні Сонце веде до випаровування води і створює водний цикл в природі, без якого не буде енергії рухомої води.

999 р.



Без сонця, життя, біомаса та біоенергетика неможливі. Крім того, масло, газ, вугілля, торф – все це біомаса, для різних ступенів трансформується, а також отримано від сонячної енергії.

Що стосується водоростей, ця група живих організмів створює, без перебільшення, фундамент життя на Землі, безпосередньо за допомогою сонячної енергії для зростання.

Алга (латин Альгай) в загальному розумінні рослини, пов'язані з водним середовищем, які, однак, не завжди справа. Algae є дуже неоднорідним агрегатом. Не всі водоростей живуть тільки в воді, а не всі акватичні рослини класифікуються як водоростей.

Живі організми класифікуються різними способами. Поточна класифікація включає дві основні підрозділи (датони) або дві імперії живих організмів:

1,1 км Віруси – прецептурні організми.

2. Клітинні організми. Клітинні організми діляться на дві основні податкові засоби нижнього порядку (домен або домен):

1,1 км Прокаріот – це організми без яскраво вираженої мембранної нуклеї клітин.

2,2 км Eukaryotes – це організми з ядрою клітин.

До складу прокаріотів входять два царства організмів – архаї або археології та бактерії або екубактерії. Eukaryotes є більшою групою живих організмів, включаючи вже відомі царства грибів, рослин і тварин.

Організми, що об’єднані поняттям «алгай» знаходяться практично на всіх стадіях таксономічних сходів клітинних організмів – від бактерій до рослин (стол 1) – і включають в себе дві основні групи: прокаріотичні водорості – царство в прокаріотському домені, в тому числі субдоксами (за іншою класифікацією – відділи) синьо-зелених і прохлорофитичних водоростей; реальний водоростей – підкам’янка в рослинному королівстві, в тому числі низку відомств.





Цікаво, що податково-економічна позиція прокаріотичного синьо-зеленого водоростей залишається спірним питанням. Мікробіологи Роджер Сен'є і Cornelis Van Niel, які сформульовано теорію поділу живих організмів на два глобальні домени - прокаріоти і еукаріоти, запропоновані розглянути умови «прокароте» і «бактеріум» еквівалент. З цієї точки на синьо-зеленому водорості класифікуються двома способами – як бактеріями (cyanobacteria) і як рослинами, будучи фотосинтетичними організмами. Крім того, всі клітинні живі організми можна розділити на одноклітинну (просту, нижню, протисту) і багатоклітинну (вищу) і побудувати класифікацію на цій основі, відрізняючи протозою в окремому царстві. Серед водоростей є як одноклітинні, так і багатоклітинні, так і колоніальні організми, які утворюють систему з'єднаних клітин.





Розмір водорості варіюється в широкому діапазоні - від 0,5-1 мкм (10-6 м) в кількості ціанобактерії до десяти метрів в деяких рослинних формах водоростей. Проживати як в морських, так і в ґрунті.

Загальна властивість зелених рослин і водоростей, в тому числі прокаріотична, є можливість фотосинтезу або перетворення електромагнітної енергії сонячного світла в енергію хімічних зв'язків органічних речовин, що проводяться в світлі через наявність фотосинтетичних пігментів - хлорофілу в рослинах, бактеріофахлорофілі і бактеридопсину в прокаріотах.

Реакція фотосинтезу – перетворення вуглекислого газу і води в глюкозу і киснем – виглядає так:





Для зелених рослин і водоростей фотосинтез є джерелом живлення і росту. У свою чергу, це фотосинтетичні організми, які ми побачимо зовнішній вигляд і збереження вдихливої атмосфери.

Фотосинтетичні організми відносяться до категорії атрофічних, що використовують для живлення безпосередньо неорганічної речовини, перетворені ними в органічну речовину. Інші організми, в тому числі тварин і людей, є гетеротрофічними, не здатні синтезувати органічну речовину від неорганічної речовини. Для них, в свою чергу, автотрофи створюють необхідний кормовий бази і є джерелом фізичного існування. Таким чином, водоростей відноситься до організмів, з одного боку, ми їх існування безпосередньо до Сонця, з іншого - будучи основою всіх інших органічних життів на Землі.

У зв'язку з цим необхідно враховувати ключові кількісні показники – об'єм і зростання біомаси рослин і водоростей. Біомаса Землі в цілому оцінюється на 1,3 трійчастих тонах, з яких обліковуються фітомаси (рослини) більше 1,2 трліонових тонн, або більше 95 відсотків всієї земної біомаси (Табна 2).





Слід зазначити, що якщо розглядати людей і населення Землі в категоріях біомаси, то з населенням близько 7 мільярдів осіб, це складе близько 300 млн тонн - близько 1/3000 або 0.03 % від загальної біомаси передсердь і близько 1% від загальної зомості.





При цьому щорічне збільшення біомаси становить 17% від загальної вартості, або близько 220 млрд тонн, включаючи океанічну біомасу - понад 87 млрд тонн.

Найвищі темпи розмноження і, відповідно, зростання біомаси характерні для найменших організмів, включаючи більшість водоростей. Зокрема, лише біомаса фітопланктону (поплавлення морських водоростей) у Світовому океані оцінюється (в сирій масі) на 1,5 млрд тонн, а його щорічне зростання становить 550 млрд тонн. Іншими словами, в рік маса водоростей може вирости 350 разів. За деякими оцінками, алгайний рахунок на 2/3 всієї біомаси Землі. Точні розрахунки в цьому випадку малоймовірно.

2356434



Найменші одноклітинні водорості або мікроальзі розмножуються за найвищою швидкістю - інтервали часу між клітинними поділами в сприятливих умовах можна зменшити до 20 хвилин або навіть менше. У цьому випадку, всього за добу, одна клітинка може теоретично дати близько 5 × 1021 нащадків. З масою однієї клітини близько 665 фемтограм (6.65 × 10–16 кг або 6.65 × 10–13 г), загальна маса протягом дня перевищить 100 тонн, а значення, що дорівнює всій присутній біомасі Землі, досягнеться ще 12 годин пізніше. Навіть під реальними, а не ідеальні умови, висока швидкість розмноження водоростей, що охоплює поверхні водних органів, і при вирощуванні в ставку, мікроалга спіруліна (Спіруліна), як показує практика, подвоює її біомасу кожні два п'ять днів.

Альгай як їжа і як паливо

Завдяки такому величезному потенціалу відтворення – за рахунок майже виключно сонячної енергії та води, без споживання органічних речовин! – мікроабразив кілька десятків років тому став об’єктом тісної уваги та досліджень щодо можливості використання продуктів харчування та енергії.

Перспектива вирощування водоростей з щорічним збиранням десятків і сот тонн біомаси від 1 гектара поверхні води – багато разів і навіть замовлень величини, ніж урожайність будь-якого відомого сільськогосподарських культур, і без значних витрат – не вдалося, але виглядати вкрай час.

Оригінальним було харчування водоростей, що має давню історію. Зокрема, відомо, що Азтекс, Інкас, а також народи Центральної та Східної Африки, що проживають на території озера Чад та Великої Долини Ріфта, тістечка з висушеної спірульини.

У зв'язку з цим, з 1960-х років, існує інтерес до водоростей (в основному спіруліна), в першу чергу, як їжа для тварин і людей. Також було виявлено низку корисних властивостей водоростей, пов’язаних із зміцненням імунітету, запобігання та лікування ряду захворювань, підвищення продуктивності тваринництва та культур.

У другій половині 1970-х років спіруліна, у вигляді порошку або капсули з'явилася на світових продовольчих ринках, де був представлений як новий природний продукт - енергетичний натуральний харчовий добавка з високим вмістом білка, тобто «харчування майбутнього».





У Сполучених Штатах, у 1977 році було створено мікроальгаєві рослини в штучних водоймах, що працюють в експериментальному режимі. Перші ставки з'явилися в пустельній зоні в провінції Imperial Valley на південному сході Каліфорнії. Умови є вигідними завдяки поєднанню теплої та сонячної погоди з можливістю водопостачання з річки Колорадо.

Паралельно, вирощування водоростей, що займаються Японією, то процес залучених підприємств в Індії, Китаї, Таїланді, Тайваню та Мексиці.

Під час 1980-х і першої половини 1990-х рр. світове виробництво мікроальгових троянд до 1000 тонн. Наприкінці 2000-х років глобальне виробництво мікроалга, в тому числі спіруліна, хлорелла, дналиелла, а гематококусу досягло 10000 тонн в сухому масі.

Майже в той же час, у 1980-х-1990-х рр. СРСР та Росії почали дослідження та вирощування спіруліни для харчових цілей, для використання біологічних добавок, як для людської їжі, так і для тваринництва та птахівництва.

Співробітники Науково-дослідної лабораторії відновлюваних джерел енергії (НІЛВІТ) географічного факультету Московського державного університету ім. Ломоносова взяли активну участь у цих роботах. Встановлено позитивний вплив на використання спіруліни, зокрема, як харчові добавки для птиці. В даний час в Росії є невелике виробництво спіруліни.

У 1960-1970-ті рр. почалися активні дослідження в цьому напрямку. Французький інститут нафти (установа франчайзингу, IFP) та Національна лабораторія відновлюваної енергетики (NREL) Департаменту енергетики США (DoE).





У 1978 році NREL запустив програму Aquatic Species (літерально, Aquatic Species або Aquatic Flora Program). Було відхилено 1996 р., коли було виявлено, що біопаливо водозаправних газів було занадто дорогим порівняно з викопними вуглеводнями, але в 2010 р. було оголошено, що дослідження було відновлено через летючі ціни на нафту і збільшення попитів на енергетичну безпеку, екологічні чистоти та викиди парникових газів.

В останні кілька років біопаливо від водоростей отримують і використовуються в експериментальному режимі.

Паралельно, дослідження в цьому напрямку відбувалися в СРСР, в тому числі в НІЛВІ. Зокрема, у 1989-2002 рр. лабораторія провела дослідження з біопродуктивності та можливостей використання мікроалга як джерела енергії, для отримання біогазу та рідкого біопаливо, на основі експериментального полігону Морського гідрофізичного інституту Академії наук УРСР на південному узбережжі Криму біля с. Катсівлі. Працівники лабораторії розробили і сконструювали систему «Біоооляр», призначену для вирощування мікроальгів - фотосинтетичних блоків або біогенераторів, з розміщенням в морі і на землі, загальною площею декількохсот квадратних метрів.

3956276



Як об'єкт експерименту був обраний мікроалгай спіруліна platensis (Спіруліна platensis), також називається artospira (Arthospira platensis). Однією з особливостей експерименту стала поступова адаптація видів (в природних умовах спіруліна мешкає в прісноводних субтропічних і тропічних водоймах) до морської води Чорного моря. Досліди показали досить високу продуктивність - щорічний урожай біомаси від кожного блоку висадки водоростей з площею 70 м2 досягається один тон. Додатково подається понад 140 тонн за 1 га, хоча досягаючи такого результату на великих ділянках в російських умовах є окреме завдання.

Крім того, стартова сировина для біопалива - ліпіди (жири), вміст яких варіюється в різних типах. Спіруліна має високу частку білка - близько 60% сухої маси, яка серед інших речей робить його цінним продуктом харчування. При цьому вміст ліпідів становить лише 7%. Для порівняння, в ріпаку і насіння соняшнику, ліпідний рахунок на 30-60% від маси, в сої і насіння кукурудзи - 15-25% і вище, в пальмових плодах - 45-70%. Ці культури в даний час використовуються як основну сировину для виробництва біопалива. Таким чином, робота ведеться з мікроальгом, що має більш високий вміст ліпідів, який ще в основному експериментальний в нашій країні (включаючи NILVIE) і в світі.

2077697



Алга як джерело енергії - переваги і недоліки

Таким чином, мікроальга є дуже продуктивним. Врожай за гектар може теоретично досягати тонн і навіть десятки тонн на місяць в сухому масі, що кілька разів і навіть замовлень величини вище, ніж у традиційних культур. У той же час вміст ліпідів в кількості видів, таких як Ботріокок, Брауні, Дуналія, Нанохлорій, Стичококок, може досягати 80% при оптимальних умовах. Таким чином, теоретично можливий урожай біопалива становить десятки або навіть сотні разів вище, ніж в даний час використовуються олійні культура (Таблиця 3).





Конфлікт з харчово-орієнтованим використанням сільськогосподарських земель можна уникнути. Висадки мікроалга можуть розташовуватися в природних і штучних водних органах, нездатних і невикористаних землях і морських водах, при цьому займають значно менші ділянки.

Нарешті, вирощування традиційних культур на землі пов'язана з високими викидами парникових газів та інших забруднюючих речовин. На цьому фоні вирощування водоростей виглядає абсолютно екологічно безпечно, крім того, збільшення всмоктування вуглекислого газу і виходу кисню в атмосферу, що створює подвійний позитивний ефект - отримання їжі і палива, що супроводжується забрудненням, але при очищенні навколишнього середовища. Проблема, як правило, є те, що реальні умови, як правило, далеко від оптимальних і теоретично можливих.

У рамках вищезазначеної програми ASP у Сполучених Штатах, мікроалгай з високим вмістом ліпідів були культивовані у відкритих ставках в штаті Нью-Мексико (захід країни). Середня продуктивність склала 20 г / м2 на добу (який відповідає 73 тонн на гектар за рік), а в деяких періодах - до 70 г / м2 на добу.

Тим не менш, виявилося, що не можна підтримувати монокультуру мікроалга в відкритій системі, де присутні інші організми. Крім того, висока продуктивність водоростей можлива при достатній кількості добрив з азотом, при відсутності його падає. У цьому випадку ми можемо бачити схожість з традиційними культурами, які також вимагають азотних добрив. При цьому при відсутності азоту вміст жиру в клітинах водоростей вище. Таким чином, проблема одночасного зростання біопродуктивності і ліпідного вмісту, що визначає ефективність енергії врожаю, нерозчинна, і необхідно знайти оптимальне співвідношення якостей.

Японські дослідники з Науково-дослідного інституту інноваційної технології Землі (RITE), які працювали над тим же завданням в 1991-1999 рр., прибули до аналогічних результатів.

У 1997-2001 рр. на Гавайських островах був проведений великий науково-дослідний проект в тому ж напрямку, з мікроалгаєм хематокусним флувіалісом (Гематококовий флувіаліс), який був вирощений у закритих фотобіореакторів на першому етапі, а також розміщений у відкритих водних умовах на другому етапі. Середня продуктивність біомаси культивованих водоростей склала 38 тонн на 1 гектар, максимальна перевищила 90 тонн, врожайність біопалива, відповідно, склав 11.4-27,5 тонн на 1 гектар, що в кілька разів вище, ніж найпродуктивніших олійних культур на землі.

В той же час, коли вирощені в відкритих умовах, як біопродуктивність і ліпідний вміст значно нижче, а вирощування в закритому біореакторі призводить до значно вищих витрат.

Перекладено в енергетичний еквівалент, виходить, що для отримання 1 літра біодизеля від мікроальга, енергетичні витрати, еквівалентні 0,56-0.81 літрів палива (в середньому близько 0,7 літрів), включаючи електрику, поживні речовини та інші. У цьому випадку, крім економічної складової, є також екологічність - так як енергія, яка використовується для вирощування водоростей, видобуто з невідновлювальних джерел і не є екологічно безпечним, тобто екологічним ефектом виробництва біодизелю значно децінується. Крім того, існує негативний вплив навколишнього середовища, пов'язаний з азотним живленням і споживанням води алгаїв, тобто, як і в традиційному аграрному виробництві. Крім того, ми говоримо про витрати, пов’язані з інвестиціями, заробітними платами та іншими витратами, пов’язані з перевезенням палива.

Розрахунок витрат на отримання біодизеля від мікроалоги дають значно різні результати, дуже сильно залежить від типу і способу виробництва водоростей, природних умов і інших факторів. Зокрема, згідно з підрахунками учасників програми ASP, вартість 1 л алгового біодизеля була 26-86 центів ($ 39-127 за бочка), в Гавайському проекті - близько 40 центів ($ 56 за бочка), а дослідники з Британської Колумбії (Канада) дають значно вищі показники - від $ 2.5 до $ 7 на 1 л.

Згідно з нашими підрахунками, інвестиційні витрати на облаштування 1 гектарів алгайних висадок у відкритих умовах, включаючи установку культиваторів, обладнання для приготування, змішування, сушіння та фільтрації біомаси та інших, складе близько 50 тис. дол.

Операційні витрати залежать від місцевих умов, починаючи від клімату до заробітної плати. Вони можуть бути оцінені за 50-100 тис. дол. США на рік, але в Росії вони можуть бути в кілька разів вище, зокрема, завдяки значно вищому споживанню електроенергії порівняно з субтропами та тропами та невеликим вегетативним сезоном при вирощуванні у відкритих умовах.

Це досить прийнятні умови при вирощуванні водоростей як харчових, так і лікарських добавок, але як джерело палива вони дуже дорогі.

У цих витратах навіть у випадку збирання з 1 гаварі 30 тонн біомаси щорічно, кожен тонн буде коштувати $ 1600-3200 ($ 1.6-3.2 за 1 кг), навіть без врахування початкових інвестицій і витрат на отримання біопаливо. Це близько до числа, що цитуються канадськими дослідниками.

162363



Перспективи алгальської енергії

Зацікавити в алозі як джерело біопалива є природним за цінами нафти $ 100 за бочка і вище, як було справа в другій половині 2000-х. В даний час ситуація не настільки вигідна, і навряд чи можна передбачити, чи зміниться вона в кращому напрямку для відновлюваної енергії в очікуваному майбутньому.

В даний час існує і продовжується пошук шляхів зменшення вартості виробництва біоенергетики з водоростей. Серед інших речей, це передбачає пошук, підбір і розмноження культур водоростей з підвищеним вмістом ліпідів, більш продуктивним і пружним.

Як продукт харчування (який також можна вважати джерелом енергії), але вже використовуються і мають очевидні перспективи. Ймовірно, як в разі торфу, в подальшому доцільно використовувати морський водоростей, вирощений з створенням цілого ряду продуктів харчування, лікарських, енергетичних продуктів на виході. Для Росії це може стати одним із напрямків середньострокового інноваційного зростання та створення високотехнологічної економіки на вітчизняній інтелектуальній та промисловій базі. Видання



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