Водоросли могут стать надежным и экологически чистым источником топлива

Нефть, газ, уголь и прочие традиционные топливные материалы можно не только добывать из недр, но и получать из возобновляемого биологического сырья. По химическим и физическим свойствам такие материалы практически не отличаются от ископаемых аналогов и не уступают им как энергоносители. Как делают бионефть из цианобактерий Arthrospira platensis и как углекислый газ сказывается на их росте, корреспонденту «Ъ-Науки» рассказал заведующий лабораторией энергоаккумулирующих веществ Объединенного института высоких температур РАН, кандидат технических наук Михаил Власкин.

Откуда сырье

Из любой биомассы возможно получить любой тип биотоплива: все определяется лишь методом выделения — теми физическими и химическими воздействиями, которые к ней применяют. Поскольку биомасса бывает разная по биохимическому составу, некоторые комбинации метода и типа биомассы целесообразны, другие же — заведомо неэффективны. К примеру, если биомасса богата липидами (жирами), тогда имеет смысл выделять из нее биодизель: в результате реакции трансэтерификации метиловые эфиры жирных кислот конвертируются в биотопливо. Если в биомассе много углеводов, тогда путем ферментации можно получить из нее биоэтанол.

Биохимический состав биомассы зависит от того, откуда она взялась. В зависимости от того, какое было использовано сырье для получения биотоплива, его принято разделять на три поколения. Так называемое биотопливо первого поколения вырабатывают из специально выращенных для этого сельскохозяйственных культур. Например, рапс и сахарный тростник как биомасса для производства биоэтанола первого поколения. Для производства биотоплива второго поколения специально биомасса не выращивается — используются непищевое сырье (целлюлоза) и органические отходы. Сырьем для биотоплива третьего поколения служат фотосинтезирующие микроорганизмы (главным образом цианобактерии и микроводоросли), для которых свет — основной источник энергии.

Микроводоросли, как следует из названия, это микроскопические фотосинтезирующие организмы, обитающие как в морских и пресноводных, так и в почвенных экосистемах. Водоросли как группа организмов различного происхождения объединены следующими признаками: наличие хлорофилла и фотоавтотрофного питания (они способны самостоятельно синтезировать необходимые им питательные вещества из внешней среды при помощи энергии света), обитание в водной среде или во влажных условиях. С точки зрения систематики, к водорослям относят различное число (в зависимости от классификации) отделов эукариот, многие из которых не связаны общим происхождением. Кроме того, к водорослям по-прежнему причисляют сине-зеленые водоросли, или цианобактерии, являющиеся прокариотами.

Живое топливо

Цианобактерии и микроводоросли выращивают главным образом для изготовления пищевых и кормовых добавок. Наиболее распространенные из них — цианобактерия Arthrospira (или спирулина) и микроводоросль хлорелла. 85–90% мирового производства фотосинтетических микроорганизмов приходится на спирулину, порядка 5% — на хлореллу. Спирулина обитает в теплых тропических и субтропических озерах Азии, Южной Америки и Африки; в частности, широко распространена в озере Чад. Микроводоросли и цианобактерии хороши тем, что они богаты белками, а при определенных условиях можно увеличить и концентрацию липидов (жиров). Как правило, содержание жиров у микроводорослей, растущих в естественной среде, составляет примерно 40% от общей массы. В условиях направленного культивирования содержание жирных кислот можно значительно повысить, вплоть до 70–80%. Из такой биомассы можно получить как биодизель, так и бионефть.

Как и любые фотосинтезирующие организмы, спирулина и хлорелла растут исключительно за счет реакции фотосинтеза. Эффективность фотосинтеза зависит как от потока светового излучения, так и от площади контакта со средой, из которой микроводоросли получают питательные вещества. Микроводоросли и цианобактерии растут в жидких питательных средах, поэтому их клетки довольно интенсивно взаимодействуют с окружающей средой. В результате при достаточном освещении они способны чрезвычайно быстро расти, а некоторые микроводоросли удваивают число своих клеток (а значит и свою массу) в течение суток. Поскольку в отличие от наземных растений микроводоросли растут в водных средах, они не нуждаются в качественных пахотных землях.

Для исследования ученые выбрали культуру Arthrospira platensis. Ее преимуществом является способность расти в открытых культиваторах: высокая щелочность питательной среды, в которой выращивается Arthrospira platensis, препятствует контаминации биомассы другими микроорганизмами. Кроме того, собирать биомассу, состоящую из спирулины, технически просто и относительно дешево.

Углекислый газ ускоряет рост

То, что микроорганизмы и микроводоросли могут служить сырьем для производства биотоплива, известно достаточно давно. Теперь задача состоит в том, чтобы сделать такое производство как можно более эффективным. Оптимизировать можно как процессы, связанные с выращиванием, так и методы выделения из биомассы биотоплива. Микроводоросли, как и другие фотосинтезирующие организмы, в процессе роста поглощают углекислый газ. Причем рост концентрации СО2 в окружающей среде до определенных пределов влечет за собой и более интенсивный рост микроводорослей. Но есть проблема: избыток CO2 приводит к ингиированию (гибели) клеток микроводорослей.

Коллективу ученых из МГУ и ОИВТ РАН удалось адаптировать микроводоросль Arthrospira platensis к среде с значительно более высокой концентрацией углекислого газа по сравнению с естественной концентрации CO2 в атмосфере (0,035%). Ученые поместили микроводоросли в фотобиореактор объемом 90 литров, который в свою очередь был установлен в практически герметичную камеру, где можно было создать атмосферу с повышенной концентрацией углекислого газа. А далее начался процесс адаптации микроводорослей, когда последовательно через каждые двенадцать суток концентрация CO2 в камере поднималась поэтапно от 1% до 8%. Процедура адаптации позволило выбрать такую концентрацию углекислого газа, при которой скорость роста микроводорослей оказалась максимальной.

Отжать и нагреть

Первый этап изготовления биотоплива — это сбор урожая. Полученную биомассу (зеленое вещество, по консистенции напоминающее сметану) ученые вначале концентрировали, то есть удаляли из нее лишнюю воду с помощью мелкоячеистых фильтров. Затем она подвергалась гидротермальному сжижению в герметичном автоклаве: температуру повышают до 330°С, увеличивают давление и держат биомассу в этих условиях некоторое время (не более часа).

Влажная термическая обработка при столь высокой температуре вызывает пиролиз биомассы: органические соединения, из которых состоит биомасса, распадаются на более короткоцепочечные молекулы. Часть вещества уходит в твердую фазу, превращаясь в биоуголь, часть — в синтез-газ (или водяной газ). Другая часть сжижается до состояния маслянистой фракции — бионефти. Отходом процесса является водный раствор (или аква-фаза), не содержащий горючих веществ. Пока что не найден способ получить методом гидротермального сжижения гомогенное вещество. Биомасса имеет сложный биохимический состав и при столь интенсивной термической обработке в любом случае образует вещества разного агрегатного состояния. Преимущество этого метода состоит в том, что он не требует довольно затратного процесса сушки биомассы, необходимого, например, для получения биодизеля: гидротермальному сжижению подвергается влажная биомасса.

Альтернативный способ производства биотоплива из микроводорослей — получение биоэтанола из биомассы, богатой углеводами, методом аэробной или анаэробной ферментации. Некоторые штаммы микроводорослей могут аккумулировать в себе большое количество углеводов (более 50% от общей массы), состоящих главным образом из крахмала и целлюлозы. Однако в этом случае, как и при производстве биодизеля, используется лишь часть биомассы. Одним из вариантов более эффективной конверсии биомассы в биотопливо может стать одновременное получение биодизеля и биоэтанола, однако в этом случае процесс переработки становится более сложным и дорогим. Поэтому для преобразования всей биомассы в биотопливо используются главным образом пиролиз и гидротермальное сжижение. В обоих случаях основным целевым продуктом переработки является жидкое углеводородное топливо — бионефть.

Металлы навредили

Выход бионефти (отношение бионефти к исходной биомассе) составил около 14%, значительно меньше по сравнению с контрольной группой — биомассой, выращенной при концентрации углекислого газа 0,035% (как в атмосфере), которая дала 37%. Дело в том, что хотя большое количество углекислого газа и ускоряет рост Arthrospira platensis, оно меняет химический состав клеток. Анализ показал, что в таких условиях цианобактерия синтезирует на 25% меньше липидов, которые вносят основной вклад в выход бионефти. Тем не менее если оптимизировать процессы выращивания и обработки биомассы, из одной тонны можно получать до полутонны бионефти, считают ученые.

Кроме того, оказалось, что полученное биотопливо отличается от ископаемой нефти по химическому составу, а именно содержит гораздо более высокие концентрации тяжелых металлов (например, в 90 раз больше железа, в три раза — меди, в 10 раз — молибдена). Это не было для ученых сюрпризом. Высокое содержание металлов объясняется тем, что микроводоросли выращиваются в специальных питательных средах, содержащих в себе соли различных металлов. Таким образом, бионефть из Arthrospira platensis требует дополнительных стадий очистки. С другой стороны, полученный таким путем биоуголь пригоден для использования, как в качестве топлива, так и в качестве добавки к почве или абсорбента для очистки воды.

Калибровка технологии

В своем исследовании ученые использовали лишь один штамм Arthrospira platensis. Есть предположение, что другие штаммы, например хлорелла, иначе отреагируют на повышение уровня углекислого газа в среде. Другие условия культивирования также могут быть оптимизированы: рост и биохимический состав микроводорослей зависят от многих факторов — интенсивность освещения, состав питательных сред, метод сбора биомассы и подготовки ее для гидротермального сжижения. Помимо чистых культур (цианобактерий или микроводорослей) выращиваемая биомасса может включать другие микроорганизмы, например, бактерии. В этом случае образуется консорциум микроорганизмов, причем метаболиты одних членов консорциума могут служить пищей для других.

Значительного удешевления процесса выращивания биомассы микроводорослей можно достичь за счет использования сточных вод. Сточные воды (коммунальные, промышленные стоки) содержат в себе большое количество растворенной органики, азотных и фосфорных соединений и могут служить дополнительным источником питательной среды для микроводорослей. Уже показано, что при определенной степени разбавления стоки коммунальных служб и агропромышленных предприятий могут служить основой питательных сред для микроводорослей.

Ученые также планируют оптимизировать процесс получения биотоплива, чтобы добиться большего выхода бионефти: подобрать оптимальную температуру гидротермального сжижения и поэкспериментировать с различными катализаторами. Катализаторы могут обеспечить выход целевого продукта в процессе гидротермального сжижения. Также катализаторы могут использоваться в процессах постобработки биотоплива, основной целью которых является улучшение его свойств.

Мировое производство микроводорослей исчисляется десятками тысяч тонн в год, а потребление нефти — миллиардами тонн. Поэтому коммерческое производство бионефти на основе цианобактерий и микроводорослей, требующее сравнительно больших расходов, еще не скоро составит конкуренцию ископаемой нефти, отмечают ученые. Впрочем, это лишь начало пути.

В исследовании участвовали ученые Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (Москва), Российского университета дружбы народов (Москва), а также сотрудники компаний «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг», РИТЭК, Strata Solutions и университета Graphic Era (Индия).