Микробы

Человечеству не грозит энергетический и экологический кризис, связанный с истощением запасов нефти, газа, угля и урана, если оно освоит технологии использования возобновляемых источников энергии и сможет найти оптимальное сочетание применения возобновляемых и не возобновляемых ресурсов.

В связи с истощением запасов нефти и глобальным изменением климата на планете, создание новых возобновляемых и не выделяющих углекислый газ источников энергии – одна из самых важных задач наших дней.

Новая отрасль современной энергетики и научная дисциплина, объединяющая решение проблем получения топлива из биомассы и охраны окружающей среды, получила название «биоэнергетика». Это фундаментальное и прикладное направление, возникшее на границе современных биотехнологий, химической технологии и энергетики, изучающее пути биологической конверсии солнечной энергии в топливо и биомассу, а также биологическую трансформацию последней в топливо и, в конечном итоге, в энергию.

Потенциал биомассы, пригодной для энергетического использования, в большинстве стран достаточно велик, и его эффективному использованию уделяется значительное внимание.

В последнее время разгорелись жаркие дебаты в связи с использованием в целях выработки энергии высокоэнергетических пищевых культур (рапс, масличная пальма, соя, подсолнечник, горчица и др.), применяемых для производства дизельного биотоплива. Дизельное топливо может быть получено из любого маслосодержащего растения. Как правило, эффективные продуценты масел – это представители тропической и субтропической флоры, но и в умеренном климате произрастают культурные технические и пищевые растения, чьи семена содержат значительные количества масел.

Продуцентами масел могут быть не только наземные, но и водные растения. Испанская компания «Bio Fuel Systems» представила технологию производства биодизеля, где сырьем являются водоросли, искусственно выращиваемые в любых водоемах. Культивирование микроводорослей может внести значительный вклад в энергообеспечение завтрашнего дня и ограничить использование масличных культур пищевого назначения.

Ученые из Института Биоинженерии (Institute of Life Science Engineering) Технологического Института города Карлсруэ в Германии (KIT – Karlsruhe Institute of Technology) для получения энергии из микроводорослей создают закрытые фотобиореакторы и применяют новые методы дезинтеграции клеток.

Одноклеточные зеленые водоросли образуют богатую энергией растительную биомассу. Эта биомасса может быть потенциальным источником и активной субстанцией (биологической добавкой) для производства дизельного биотоплива. В процессе роста водоросли поглощают углекислый газ, который впоследствии снова поступает в окружающую среду при их использовании для получения энергии. Выработка энергии с помощью водорослей основана на эффекте нейтрализации углекислого газа, что в корне отличает этот способ от существующих традиционных методов, сопровождающихся лишь загрязнением окружающей среды этим газом.

Помимо создания замкнутого цикла, в котором происходит как выработка, так и поглощение углекислого газа, водоросли имеют ряд других преимуществ. Так, например, они дают в 40 раз больше топлива, чем пальмовое масло, а их урожайность выше урожайности любой зерновой культуры в 100 раз. «По сравнению с наземными растениями водоросли производят в 5 раз больше биомассы на гектар и содержат 30-40% масла, пригодного для получения энергии», – говорит профессор Клеменс Постен (Clemens Posten), руководитель данного направления исследований в KIT Institute of Life Science Engineering.

Кроме того, водоросли для роста и синтеза биомассы могут использовать углекислый газ промышленного происхождения. Поскольку данные процессы протекают более интенсивно при повышенных концентрациях углекислоты в среде, это открывает перспективу для улучшения экологической ситуации в мире.

В настоящее время водоросли культивируют в открытых водоемах южных стран, но их продуктивность относительно невелика. Эти открытые системы – опытная база для новой технологии. Водоросли можно искусственно выращивать в любых водоемах, в том числе и в засушливых климатических зонах, непригодных для земледелия. Однако для этого требуются закрытые системы.

«В плане механизма процесса наш подход полностью отличается от протекающего в природе, поскольку он осуществляется в закрытых фотобиореакторах», – поясняет ученый, – «наши растения превращают солнечную энергию в биомассу, чья продуктивность в 5 раз выше, чем в открытых водоемах».

Функционирование водорослевого биореактора основано на работе вертикально расположенных фотопластин. «Каждая клетка водоросли улавливает всего лишь слабый квант света, но, несмотря на это, продуктивность системы очень высока», – подчеркивает Постен. Большинство водорослей потребляет не более 10% поступающей к ним солнечной энергии. Остальная ее часть не используется и рассеивается. Современные технические средства позволят найти более эффективные способы использования солнечного света, считает исследователь.

В связи с теоретическими и практическими достижениями культивирование водорослей становится возможным не только в странах с повышенным уровнем солнечного излучения. Альголог (специалист по изучению водорослей) отмечает, что Сахара получает в 2 раза больше солнечной энергии по сравнению с Центральной Европой. Но в условиях этой пустыни придется охлаждать реактор из-за высокой температуры окружающей среды, что является лимитирующим фактором роста водорослей.

Другие преимущества закрытой системы – экономия воды и удобрений. В перспективе – использование водорослей для производства продуктов питания или химических продуктов тонкого органического синтеза, а также последующей выработки энергии из оставшейся биомассы.

В отрасли альгобиотехнологии работают две группы из KIT. Всего в мире разработка фотобиореакторов проводится в трех местах. Постен и его коллеги добились значительных успехов в биологии и технологии процесса производства энергии с использованием этих одноклеточных представителей царства растений.

В поле зрения исследователей из KIT – замкнутый цикл полного использования биомассы водорослей для получения энергии. После экстракции водорослей остается 60-70% их биомассы. Ученые планируют превращать ее в другие носители энергии, такие как водород или метан, используя процесс гидротермического газообразования (газификация).