ИСТИНА

Цель проекта – теоретические оценки и разработка экспериментальных подходов к определению энергоэффективности получения биотоплива из нетрадиционного возобновляемого сырья – биомассы микроводорослей. Объектом работ является один из перспективных видов биомассы – микроводоросли, которые используются для биоконверсии солнечной энергии в доступные виды топлива и попутного получения белка и ценных биологически активных веществ для пищевой, кормовой, химической и фармацевтической промышленности. Специальное выращивание биомассы в виде микроскопических водорослей с последующим ее перебраживанием в спирт или метан, получением масел для производства биодизеля и других топливных продуктов позволяет построить искусственный аналог процесса образования органических топлив, превосходящий по скорости естественные процессы в миллионы раз. В настоящее время в мире активно ведутся поисковые и селекционные работы с целью получения высокопродуктивных штаммов микроорганизмов для производства биотоплив третьего поколения. Однако определяющим в результативности данного подхода является соотношение энергозатрат на получение топлива из микроводорослей и энергосодержания конечного продукта. В связи с этим в процессе реализации предлагаемого проекта необходимо осуществить анализ эффективности преобразования солнечной энергии в микроводорослевое топливо как на основе общих теоретических подходов и практических результатов, полученных в различных пилотных проектах за рубежом, так и путем проведения собственных экспериментальных исследований. Будут использованы созданные исполнителями проекта экспериментальные установки для культивирования и скрининга выделенных из природных объектов кандидатных штаммов микроводорослей, а также оптимизация процессов их культивирования для увеличения выхода энергетических продуктов.

The purpose of the project - theoretical evaluation and the development of experimental approaches to the definition of energy efficiency of biofuel production from unconventional renewable resources - biomass of microalgae. The object of work is one of the most promising types of biomass - microalgae, which are used for the bioconversion of solar energy available in fuels and petroleum producing a protein and valuable active ingredients for the food, feed, chemical and pharmaceutical industries. Special cultivation of biomass in the form of microscopic algae with subsequent perebrazhivaniem in alcohol or methane produced oils for biodiesel and other fuel products allows you to build a synthetic analogue of the formation of fossil fuels, surpassing the natural processes of millions of times the speed. There are now also underway in the world of search and selection of work in order to obtain high-yield strains of microorganisms for the production of third-generation biofuels. However, the determining factor in the effectiveness of this approach is the ratio of energy consumption to receive fuel from microalgae and the energy content of the final product. In this regard, in the course of the proposed project is necessary to analyze the efficiency of converting solar energy into microalgal fuel both on the basis of general theoretical approaches and practical results obtained in the various pilot projects abroad, and by his own experimental research. They will be used by the project implementing pilot plants for cultivation and screening isolated from natural objects of candidate strains of microalgae, as well as the optimization of cultivation processes for increasing the yield of energy products.

1. Результаты оценок энергоэффективности получения биотоплива из микроводорослей с учетом вида микроводорослей, способов культивирования, технологий переработки биомассы, использования сопутствующих продуктов, секвестирования углекислого газа. 2. Структурированный массив данных по микроводорослям - продуцентам липидов, позволяющий делать выборки по виду микроводорослей, количественному и качественному содержанию липидов, технологиям культивирования и переработки биомассы в топливо. 3. Кандидатные штаммы микроводорослей – перспективные продуценты липидов. Описание и идентификация кандидатных штаммов; паспорта штаммов; рекомендации условий их поддержания и хранения в коллекции; результаты количественного и качественного анализа липидов в биомассе кандидатных штаммов. 3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований воздействия стрессоров на биосинтез микроводорослями энергетических продуктов на основе анализа патентных источников, актуальных научных публикаций и собственных экспериментов. 4. Лабораторные регламенты получения биомассы микроводорослей при культивировании в стандартных оптимизированных условиях и с использованием выбранных стрессоров. 5. Оценка энергозатратности процесса получения биодизельного топлива в лабораторных экспериментах.

Коллектив имеет солидный опыт исследований в области биоэнергетики и, в частности, водорослевой биоэнергетики. Коллективом авторов был проведен широкий комплекс исследований различных видов микроводорослей, их морфологических и физиолого-биохимических особенностей. Научно-исследовательские работы были направлены на разработку и апробацию способов культивирования микроводорослей, а также переработку микроводорослевой биомассы в удобные для использования виды энергетического сырья. В результате была получена технология культивирования, адаптированная к условиям умеренного климатического пояса. В последние годы основным направлением научно-исследовательских работ коллектива стали поиск в природной среде, выделение, и изучение тех штаммов микроводорослей, которые могут являться перспективным сырьем для производства биотоплива 3-го поколения. Выполненные исследования свидетельствуют также о возможности использования промышленного выращивания различных видов микроводорослей для практической реализации технологии эффективного секвестирования антропогенного углекислого газа. Был проведен ряд экспедиционных исследований (озера Карелии и Валдая; озера и термальные источники Камчатки; оз. Байкал), обеспечившие большой объем выделенных штаммов с повышенным содержанием липидов в биомассе. Показано, что для увеличения содержания липидов в биомассе может быть использовано влияние стрессоров; изучено влияние повышенной инсоляции и лимитирования в питательных средах азота и фосфора на содержание липидов в клетках ряда выделенных штаммов микроводорослей. Для экспериментального обоснования технологии двухстадийного культивирования липидосодержащих микроводорослей был разработан и смонтирован модуль фотобиореактора со светодиодной системой освещения и контролируемой подачей углекислого газа. Предлагаемая установка позволяет осуществлять двухстадийное выращивание микроводорослей, объединяя все преимущества закрытых и открытых культиваторов.

Объектом исследований является один из перспективных видов биомассы – микроводоросли (МКВ), которые используются для биоконверсии солнечной энергии в доступные виды биотоплива и попутного получения белка и ценных биологически активных веществ. 1. Для оценки затрат энергии на получение биодизельного топлива из (МКВ) и сопоставления этих затрат с энергосодержанием получаемого топлива был проведен углубленный анализ литературных данных и сопоставление параметров процесса получения биодизеля, представленного в публикациях, с собственными экспериментальными данными. При анализе полного жизненного цикла производства биодизеля значения энергоэффективности (Energy Return On Investment) лежат в диапазоне 0,3-1,3 (открытые культиваторы) и 0,61–57 (закрытые фотобиореакторы). с точки зрения энергозатратности (и стоимости) наиболее дешевым методом выращивания является культивирование открытым способом; наиболее затратным методом сбора является сушка, наименее – экстракция целевого продукта из влажной биомассы; наиболее энергоэффективным методом конверсии - гидротермальное сжижение биомассы. Представлены результаты анализа влияния климатических и инфраструктурных факторов на энергоэффективность получения биотоплива на примере выбранного пилотного региона Юга России. В качестве пилотного проекта для рассмотрения влияния инфраструктурных факторов на энергоэффективность получения биотоплива из микроводорослей была выбрана Республика Дагестан. Для оценки энергоэффективности производства биотоплива в работе принято оценивать снижение энергозатрат на производство, которое может быть обеспечено за счет использование как природных, так и инфраструктурных особенностей территории. 2. Создан структурированный массив данных по микроводорослям-продуцентам липидов, содержащий сведения о 66 культурах МКВ. Для эффективной работы со штаммами была разработана структура базы данных «Культуры микроводорослей энергетического назначения», которая включает в себя следующие разделы: таксономические признаки (элементы ботанического и/или микробиологического кода), основные питательные среды, способы культивирования, уровни коммерциализации производства и применение биомассы МКВ. 3. Получены новые оригинальные данные по кандидатным штаммам микроводорослей-продуцентов липидов: описаны и идентифицированы молекулярно-генетическими методами 3 кандидатных штамма МКВ, зарегистрированы последовательности нуклеотидов 6 кандидатных штаммов МКВ в GenBank (USA) базы данных NCBI. Составлены паспорта штаммов и рекомендации по поддержанию и хранению 15 кандидатных штаммов МКВ из коллекции НИЛ ВИЭ географического факультета МГУ. На основе анализа современных публикаций были систематизированы применявшиеся виды стрессоров. Подтверждена положительная корреляция между количественным методом определения липидов (экстракция липидов из клеток МКВ методом Фольша и окрашивание полученных экстрактов Нильским красным с регистрацией флуоресценции на спектрофлуориметре) и качественным методом окрашивания липидов в клетках МКВ Нильским красным с регистрацией флуоресценции в люминесцентном микроскопе. 4. Разработан лабораторный регламент на получение биомассы микроводорослей/цианобактерий Arthrospira platensis штамм rsemsu 1/02T с повышенным содержанием липидов при культивировании в оптимизированных условиях и с использованием выбранных стрессоров, который является основой стандартизации процесса культивирования и получения биомассы МКВ с заданными свойствами и направленного биосинтеза целевых веществ. 5. Для оценки энергозатрат при производстве биотоплива был выбран показатель NER (Net energy ratio)-чистые энергетические затраты, равные отношению энергии получаемого биотоплива к энергии, затраченной на его производство. Показано, что при переходе от лабораторного эксперимента к промышленным масштабам (сценарий будущего) NER изменяется от 33,4 до 1,37. При этом анализ чувствительности показал, что наибольший вклад в NER на лабораторном уровне вносит изменение затрат энергии на насосное оборудование и центрифугирование (т.е. на стадии культивирования и сбора биомассы). Это требует дальнейших технологических усовершенствований. Рассматривались как энергозатратность процесса в целом (границы системы – «от культиватора до двигателя»), так и энергозатратность отдельных операций в рамках всего процесса получения биотоплива. В последнем случае в качестве основы для анализа были использованы не только результаты лабораторных экспериментов по получению биодизеля из микроводорослей (МКВ), но и результаты переработки биомассы микроводорослей в энергетические продукты методами пиролиза и гидротермального сжижения (HTL).