Микроводоросли как источник альтернативного топлива



В статье рассмотрена возможность использования микроводорослей, как одного из перспективных источников растительного сырья для получения биотоплива. Приведены данные по сравнению объемов производства масла из водорослей и других растительных культур с единицы площади. Рассмотрены способы выращивания микроводорослей, а также приведена схема получения биодизеля и биогаза из данного сырья.

Ключевые слова: биотопливо, биомасса, микроводоросли, культивирование, биогаз, биодизель.

В связи с интенсивным ростом населения и постоянно растущим уровнем потребления энергоресурсов человечество столкнулось с проблемой сокращения запасов ископаемого энергетического сырья. Кроме того, использование ископаемых видов топлива приводит к эмиссии в атмосферный воздух парниковых газов и других загрязняющих веществ. Таким образом, увеличение стоимости ископаемых энергоресурсов, их дефицит и существующая угроза глобального изменения климата заставляет искать новые решения. Одним из наиболее перспективных вариантов решения данной проблемы является получение альтернативных видов топлива, одним из которых является биотопливо.

Биотопливо — это продукт синтеза животного или растительного сырья, а также биологических отходов. В первую очередь к видам такого топлива относятся: биоэтанол, биодизель, бионефть и биогаз. Основными преимуществами использования биотоплива являются высокая эффективность, низкая стоимость и минимальное вредное воздействия на окружающую среду по сравнению с традиционным топливом [1].

В зависимости от исходного сырья и технологии его обработки выделяют 3 поколения биотоплива.

При производстве биотоплив первого поколения используют сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием сахаров, крахмала и жиров. Например: рапс, кукуруза, подсолнечник, соя и др. Однако использование данного поколения биотоплива малоэффективно, т. к. требует больших затрат на землепользование и влияет на увеличение стоимости пищевых продуктов.

Сырьем для биотоплива второго поколения являются отработанные жиры и растительные масла, биомасса деревьев и растений, а также остатки пищи. Условная эффективность производства данного вида биотоплива около 50 %, т. к. технологии для его производства требует больших капиталовложений [2].

Водоросли являются сырьем для биотоплива третьего поколения. Они растут намного быстрее, чем продовольственные культуры и могут произвести в несколько раз больше топлива. В таблице 1 приведено сравнение объемов биотополива полученного из водорослей и других видов растительного сырья [3].

Таблица 1

Объемы биотоплива получаемые из некоторых культур

Культура	Количество биотоплива с 1 га вгод, литр
Водоросли	22470
Пальма	7310
Сахарный тростник	5060
Соя	570

Для роста большинства водорослей необходим свет и углекислый газ. Однако некоторые виды водорослей способны в определенных условиях переключаться с фотоавтотрофного способа питания на ассимиляцию различных органических соединений и осуществлять гетеротрофный или фотогетеротрофный типы питания (расти в темноте). Гетеротрофные микроводоросли экономически не выгодно использовать для производства биотоплива из-за высоких капитальных и эксплуатационных затрат.

Микроводоросли обычно выращивают в открытых прудах, трубчатых фотобиореакторах и стабилизационных прудах для очистки сточных вод. Для процесса фотосинтеза требуется свет, углерода диоксид, вода и неорганические соли. Для формирования клеток микроводорослей среда должна содержать неорганические элементы, такие как азот, фосфор, железо. Температуру необходимо поддерживать в пределах 20–30 °С, т. к. в условиях температурных колебаний урожайность водорослей снижается [4].

Открытые пруды — самые старые и простые системы для массового выращивания водорослей. Они представляют собой замкнутые каналы глубиной около 0,3 м, в которых водоросли культивируются в условиях, идентичных их естественной среде (Рис. 1).

Рис. 1. Схема открытого пруда: 1 — сбор водорослей; 2 — исходный поток; 3 — колесная мешалка; 4 — отражатели; 5 — направление потока

Каналы, как правило, изготавливаются из бетона или просто вырыты и покрыты изоляционным материалом, чтобы земля не впитала жидкость. Колесная мешалка обеспечивает циркуляцию и смешивание клеток микроводорослей и питательных веществ. Чаще всего, данные системы работают в непрерывном режиме, чтобы обеспечивать постоянное поступление питательных веществ.

Так как эти системы находятся под открытым небом, они подвержены загрязнениям, а также значительная часть воды испаряется, что ограничивает рост биомассы. Кроме того, оптимальные условия культивирования трудно поддерживать в открытых прудах. Однако следует отметить, что строительство таких прудов и их эксплуатация обходятся дешевле, чем закрытых фотобиореакторов [4].

Закрытые фотобиореакторы используются для решения проблем загрязнения и испарения, возникающих в открытых прудах. Такой реактор состоит из батареи прозрачных труб, изготовленных из стекла или пластика (Рис. 2). Чтобы солнечный свет мог проникать в плотную биомассу водорослей диаметр труб должен быть не более 10 см.

Рис. 2. Схема закрытого фотобиореактора: 1 — отходящие газы; 2 — дегазационная колонна; 3 — исходный субстрат; 4 — охлаждающая вода; 5 — воздух; 6 — насос; 7 — батарея из прозрачных трубок; 8 — сбор водорослей

Субстрат подвергается рециркуляции насосом из дегазационной колонны в трубки, где подвергается воздействию света и обратно. Благодаря поддержанию турбулентности потока с помощью использования механического или воздушного насоса биомасса водорослей не оседает. В процессе культивирования образуется биомасса, содержащая до 50 % белка, липиды, крахмал и глицерин, выделяется чистый кислород примерно в эквивалентном количестве с поглощенным углекислым газом. Биореакторы оснащены дегазационной колонной, в которой воздух поднимается пузырьками через массу микроводорослей, вытесняя кислород и увеличивая концентрацию углекислого газа. Для предотвращения ингибирования процесса фотосинтеза концентрация кислорода в среде не должна превышать определенного уровня. Продуктивность закрытого фотобиореактора в 13 раз выше, чем открытого пруда [5].

Стабилизационные пруды — сооружения, которые используют исключительно для очистки сточных вод. Очистка происходит с использованием фотосинтезирующих водорослей. За счет использования стабилизационных прудов появляется перспектива создания очистных сооружений, которые смогут обеспечить собственные энергетические потребности.

Из биомассы микроводорослей могут быть получены различные виды биотоплива, среди которых наибольший интерес представляет получение биогаза и биодизельного топлива. На рисунке 3 приведена принципиальная схема производства биодизеля и биогаза из микроводорослей.

Рис. 3. Принципиальная схема получение биодизеля и биогаза из микроводорослей

Вода и неорганические питательные вещества, к которым относятся фосфаты, углекислый газ и нитриты, обеспечивают рост микроорганизмов. В процессе образования биомассы выделяются вода и остатки питательных веществ, которые возвращаются в цикл производства. Регенерированная биомасса используется для экстракции липидов и, в конечном счете, для получения биодизеля. Некоторые отходы производства могут использоваться в качестве корма для животных. Большая часть биомассы подвергается анаэробному расщеплению, в результате выделяется биогаз. Стоки, получающиеся в результате анаэробного разложения биомассы, используют для удобрения и орошения почвы.

Таким образом, технологический процесс производства топлив из микроводорослей практически безотходен, т. к. после получения биодизельного топлива сухие отходы биомассы сохраняют все витамины и ценные вещества, поэтому могут быть использованы в пищевых целях, фармацевтике и в качестве корма для животных и рыб. А также, существует возможность создания топливных брикетов из отходов [6].

Использование водорослей в качестве источника биотоплива имеет ряд преимуществ:

− в качестве территорий для выращивания водорослей могут быть использованы земли непригодные для сельского хозяйства;

− в процессе роста водоросли потребляют углекислый газ, тем самым уменьшая его эмиссию;

− биотопливо из водорослей имеет молекулярную структуру схожую со структурой нефти, что является большим плюсом для его использования в существующей транспортной техникой;

− водоросли растут в 20–30 раз быстрее наземных растений;

− для выращивания водорослей подходят пресные, соленые и даже сточные воды;

− водоросли не требует особого ухода и не нуждается в удобрениях;

− при производстве биотоплива из водорослей получают большие объемы топлива, чем из других культур.

Проекты по использованию биомассы водорослей в качестве биотоплива имеются в США, Испании, Португалии, Голландии, Японии, Новой Зеландии и Германии. Россия также занимается разработкой проектов в данной области. Так, экспериментальные исследования по выращиванию в открытых водоёмах Московской области показали возможность получения водорослей для дальнейшего использования как биотоплив [7].

Таким образом, быстрорастущая водоросль обладает огромным потенциалом, являясь источником недорого и энергоэффективного биотоплива. Подсчитано, что с 1 акра (4046,86 м²) водорослей можно произвести в 30 раз больше биотоплива, чем с 1 акра (4046,86 м²) любого наземного растения [8]. Микроводоросль производит липиды и масла, которые могут быть переработаны в биодизель, биоэтанол, биогаз и другие полезные продукты. Массовое производство таких видов биотоплива очень привлекательно за счет своей безотходности. А также стоит отметить, что при использовании биотоплив, значительно снижается эмиссия вредных веществ в атмосферных воздух. Биотопливом можно заменить традиционную нефть практически во всех сферах и главным плюсом является то, что его использование не требует замены двигателей, перестройки инфраструктуры и других глобальных изменений. Биотопливо может быть использовано в качестве горючего для самолетов, автомобилей, морских судов, а также в промышленном производстве, которое работает на нефти.

Литература:

1. Цоглин И. H., Габель Б. В., Фалькович Е. Н., Семененко В. Е. Фотобиореакторы закрытого типа для культивирования микроводорослей // Физиология растений. 1996. — Т.43. № 1. С. 149–155.
2. Большая российская энциклопедия [Электронный ресурс] // Биотопливо: [сайт]. URL: https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/3878201 (дата обращения: 12.05. 2020 г.).
3. Шмойлова А. А. Биотопливо из микроводорослей как возобновляемый источник энергии // Научные вести. 2019. № 6 (11). С. 244–251.
4. Заболотских В. В., Васильев А. В., Смахтина Л. А., Семихвостова О. В. Разработка технологических подходов к получению альтернативного биотоплива из водорослей // Академический вестник ЭЛПИТ. 2019. — Т.4. № 1(7). С. 12–38.
5. Zhiyou Wen. Algae for Biofuel Production [Электронный ресурс] // Farm Energy: [сайт]: [2019]. URL: https://farm-energy.extension.org/algae-for-biofuel-production/ (дата обращения 15.05.2020 г.).
6. Шерстнев В. И., Маракулина А. Н. Энергоносители из водорослей // Биоэнергетика. Экология и рациональное природопользование. 2016. С. 531–532.
7. Безруких П. П. Возобновляемая энергетика: сегодня — реальность, завтра — необходимость. М.: Лесная страна, 2009. — 120 с.
8. Муртазина Э. И. Получение биотоплива из водорослей с использованием нанотехнологий в университете штата Аризона (США) // Вестник Казанского технологического университета. 2012. № 18. С. 212–216.