Питательные растворы для водорослей состоят из смеси химических солей и морской воды. [1] Иногда их называют « средой роста », питательные растворы (например, раствор Хогланда , вместе с углекислым газом и светом) обеспечивают водоросли материалами, необходимыми для роста. Питательные растворы, в отличие от удобрений, разработаны специально для использования в водной среде , и их состав гораздо более точен. [2] В единой системе биомасса водорослей может быть собрана путем использования углекислого газа, выделяемого электростанциями, и сточных вод, сбрасываемых как промышленными, так и бытовыми источниками. Такой подход позволяет одновременно использовать возможности микроводорослей как в фиксации углекислого газа, так и в очистке сточных вод. [3] Водоросли, макроводоросли и микроводоросли обещают решить критические глобальные проблемы. Цели устойчивого развития могут быть достигнуты с помощью решений на основе водорослей для содействия здоровой глобальной экосистеме. [4]
Существуют две инфраструктуры для создания решений на основе водорослей: открытые пруды /пруды с каналами или фотобиореакторы (ФБР).
Фотобиореакторы становятся все более распространенными в выращивании водорослей, особенно для производства ценных ресурсов и мелкомасштабных экспериментальных приложений. В последнее время все чаще рассматривается возможность использования фотобиореакторов для крупномасштабного производства биомассы водорослей, что обусловлено их способностью создавать идеальные условия для роста. Закрытые реакторы обеспечивают защиту от бактериального загрязнения, а использование неглубоких трубок обеспечивает эффективное использование света. Вливание CO2 посредством барботирования повышает эффективность поглощения углерода, в то время как конструкция минимизирует потери воды. По сравнению с прудами-каналами фотобиореакторы демонстрируют значительно более высокие показатели производительности. [5]
Пруды-каналы , во многом похожие на окислительные канавы, используемые в системах очистки сточных вод, представляют собой обширные открытые бассейны, отличающиеся небольшой глубиной и длиной, которая значительно превышает их ширину. Обычно они сооружаются из бетонной оболочки, облицованной поливинилхлоридом ( ПВХ ), размеры которой варьируются от 10 до 100 метров в длину и от 1 до 10 метров в ширину, с глубиной от 10 до 50 сантиметров. Уильям Дж. Освальд был деятелем в области экологической инженерии, особенно известным своим вкладом в очистку сточных вод и выращивание водорослей. Уильям Дж. Освальд известен своими исследованиями по использованию водорослей в очистке сточных вод. Он выступал за интеграцию водорослевых прудов с очистными сооружениями как экономически эффективный и экологически чистый метод удаления питательных веществ и производства биомассы. В 1950-х годах Освальд отстаивал идею открытого пруда как наиболее целесообразного подхода к интеграции выращивания водорослей с очисткой сточных вод. Его работа в 1950-х годах и позже помогла проложить путь к разработке и внедрению систем очистки на основе водорослей по всему миру. [5]
Чтобы максимально использовать биомассу, крайне важно эффективно собирать водоросли в начале стадии обработки. Метод, выбранный для сбора, зависит от типа выращиваемых водорослей. Микроводоросли, с их небольшим размером клеток, нуждаются в более совершенных методах сбора по сравнению с более крупными макроводорослями. Часто для получения конечной биомассы с нужным содержанием влаги используется комбинация методов. Обычные способы сбора водорослей включают использование микрофильтров, заставляя частицы слипаться ( флокуляция ), позволяя им осаждаться ( седиментация ), используя флотацию и применяя центрифуги . [5]
Биодизель является многообещающим конкурентом по сравнению с традиционным ископаемым дизельным топливом. Быстрый рост, который может похвастаться 4–6 циклами сбора урожая в год, представляет собой заметное преимущество. В отличие от предшественников в производстве биотоплива, макроводоросли процветают в водной среде, обходя проблемы землепользования и потребления пресной воды. Он превосходит наземную биомассу по нескольким аспектам: дает более высокие уровни углеводов и биомассы, пользуется широкой доступностью и избегает конкуренции с продовольственными культурами или пахотными землями. Качество их побочных продуктов добавляет им привлекательности. В частности, их способность поглощать CO2 и легко интегрироваться в процессы очистки сточных вод усиливает аспект инициативы в области устойчивой энергетики. Макроводоросли процветают в различных средах, от соленой воды до городских сточных вод, не требуя ни пахотных земель, ни промышленных удобрений. Более того, их можно использовать для производства биометана путем термической или биологической газификации , что обеспечивает гибкость в выборе биомассы. [4]
В последние годы значительное внимание было сосредоточено на потенциале микроводорослей как источника биотоплива. Микроводоросли, дающие от 19 000 до 57 000 литров масла с акра в год, превосходя другие формы ресурсов биодизеля. Это масло затем преобразуется в биодизельное топливо с использованием обычных методов переэтерификации . Остаточная биомасса содержит ценные компоненты, такие как липиды, белки и растворимые полисахариды. Эти компоненты могут быть использованы для производства бионефти , биоэтанола , биоводорода и биогаза посредством различных термохимических и биохимических путей, тем самым улучшая общий энергетический баланс. [4]
Водоросли также могут служить альтернативным источником пищи для людей. Обычно они могут похвастаться обильным содержанием белка, особенно в красных сортах, таких как Pyropia tenera , где он может составлять до 47% сухой массы. Эти белки ценны не только как источник диетического белка, обеспечивая незаменимые аминокислоты, но и своими биоактивными свойствами, включая специфические ферменты. Водоросли являются альтернативой желатину и также могут быть гораздо более натуральным/здоровым источником для создания низкоуглеводных, глютеновых и обезжиренных продуктов. [4]
Водоросли представляют собой явное преимущество перед традиционными источниками пищи и корма, поскольку они не конкурируют с ними и не требуют изменений в землепользовании. Эта характеристика делает топливо на основе водорослей многообещающим решением для смягчения дилеммы «еда против топлива» в будущем. В отличие от других видов биотоплива, водорослевое сырье остается неизменным из-за колебаний цен на продовольственном рынке, что обеспечивает большую ценовую стабильность для потребителей топлива на основе водорослей. Водоросли обладают значительными перспективами из-за их быстрого роста и исключительной урожайности с гектара , значительно превосходящей урожайность наземной биомассы. Известные как самые быстро размножающиеся организмы на Земле, они могут размножаться в течение нескольких часов. Проведенные исследования подчеркивают их замечательную способность, демонстрируя темпы роста в 20–30 раз быстрее, чем у продовольственных культур, и производя в 30 раз больше топлива, чем альтернативные источники биотоплива. [6]
Водоросли демонстрируют географическую универсальность, способную процветать в различных климатических условиях, включая самые суровые среды на Земле. Они демонстрируют приспособляемость на разных высотах, широтах и географических условиях, без необходимости в сельскохозяйственно продуктивных или экологически чувствительных землях для воспроизводства. В отличие от энергетических культур, таких как масличная пальма и рапс , которые вызвали опасения по поводу устойчивости из-за конкуренции за продовольствие и топливо и занятия земель. Водоросли не конкурируют с культурами за пахотные земли и могут использовать пустыри, непригодные для сельского хозяйства, благодаря своей способности адаптироваться к суровым условиям. Кроме того, приспособляемость позволяет выживать в промышленных, муниципальных и сельскохозяйственных сточных водах, а также на свалках, облегчая очистку сточных вод путем удаления питательных веществ, таких как азот (N) и фосфор (P), тем самым способствуя доступу населения к чистой воде. [6]
В водных экосистемах водоросли играют ключевую роль, используя фотосинтез для преобразования воды и углекислого газа в сахар, одновременно выделяя кислород в качестве побочного продукта. Однако неадекватное управление может привести к значительным экологическим последствиям. Одним из результатов является проявление цветения водорослей или эвтрофикации , в первую очередь вызванное стоком с наземных источников. Это приводит к чрезмерному притоку питательных веществ, что способствует чрезмерному росту водорослей. После распада этих цветущих водорослей бактерии потребляют значительное количество растворенного кислорода, истощая уровень кислорода в воде. Это явление может привести к образованию мертвых зон или гипоксии, характеризующихся минимальным количеством или отсутствием кислорода, что делает их непригодными для водной жизни. [6]
Хотя открытые пруды можно использовать для выращивания водорослей, они малопроизводительны и могут развиваться круглый год. [5] PBR в основном предназначены для мелкомасштабного использования, несмотря на их высокую производительность. Ограничения также вытекают из их высоких энергетических и стоимостных потребностей как на этапе производства, так и на этапе эксплуатации. В отличие от альтернативной инфраструктуры, PBR требуют значительно больших площадей поверхности для объема водорослевого бульона, что приводит к большим объемам материала и последующим скачкам вложений капитальной энергии. Эти факторы усиливают воздействие на окружающую среду, связанное с их реализацией. [5]
Несмотря на огромный потенциал как макро-, так и микроводорослей в различных областях, себестоимость производства водорослевого топлива остается выше по сравнению с ископаемым топливом. Хотя были достигнуты успехи в снижении стоимости питательных веществ за счет использования сточных вод и дымовых газов, расходы, связанные с механическим оборудованием и технологиями, остаются значительными. По сути, основополагающие процессы, вовлеченные в производство и коммерциализацию биотоплива из водорослей, остаются существенными барьерами. Аналогичным образом, эффективное использование химикатов, технологий, электроэнергии и рабочей силы для производства биотоплива из микроводорослей создает значительные проблемы. Выращивание микроводорослей как в закрытых, так и в открытых реакторах при оптимальных условиях pH, температуры и освещенности имеет решающее значение для достижения быстрого удвоения биомассы и высокой производительности. [7]
Сложные процедуры, связанные с обработкой клеток водорослей, накладывают ограничения на их использование в качестве сырья для производства биодизеля. Следовательно, исследователи должны уделять первоочередное внимание решению этих проблем и повышению эффективности производства. Для развития водорослей необходимы солнечный свет, углекислый газ, вода и различные питательные вещества, такие как азот, сера, фосфор и железо. Однако обеспечение доступности этих источников питательных веществ и поддержание подходящих условий окружающей среды в условиях меняющихся климатических условий представляет собой проблему устойчивости. Стоимость является еще одним существенным препятствием, поскольку расходы, связанные с выращиванием и сбором водорослей, значительны. Использование сточных вод для выращивания водорослей является одной из экономически эффективных стратегий. [7]