Мы вновь возвращаемся к теме альтернативных источников топлива, и разговор сегодня пойдёт об уникальных разработках для получения биотоплива из водорослей. Многим читателям 3DNews ещё памятен материал годичной давности на подобную тему -
IT-байки: водоросли - топливо будущего?, однако там речь шла преимущественно о биологических исследованиях в области разработки биотоплива преимущественно из пресноводных водорослей.
Сегодня же речь пойдёт о совершенно других, гораздо более реальных и перспективных исследованиях, посвящённых переработке на топливо морских водорослей. Таким образом нашим читателям представляется возможность узнать о наиболее свежих исследованиях в этой области (выше упомянутой публикации, как-никак, уже больше года), а также взглянуть на проблему, что называется, с другой стороны.
Казалось бы - кризис, спад промышленного производства, и как следствие, снижение потребления нефти и другого минерального топлива во всём мире. С вытекающим из этого резким падением цен на такое сырьё. Неужели есть смысл говорить об альтернативных источниках именно сейчас, когда цена на нефть на минимальных отметках? Ответ на этот вопрос будет однозначным: да. Мировая экономика уже не первый раз сталкивается с глобальным проявлением кризиса, и было бы весьма недальновидно отложить разработки перспективных видов возобновляемого топлива из-за очередного снижения цен на бензин. Осмелюсь предположить, что именно безумные колебания цен на минеральное сырьё (не безумно высокие или безумно низкие, а именно безумные скачки!) являются одним из ключевых факторов нестабильности, ведущим к кризисным перекосам. А если есть возможность, так почему бы не изъять из "оборота" хотя бы один кризисообразующий фактор? Хотя, плюсы альтернативных источников на этом, разумеется, не исчерпываются…
В последнее время фокус внимания разработчиков биотоплива постепенно смещается с наземных ресурсов на морские. В этом нет ничего удивительного, поскольку способность Мирового Океана по воспроизведению биологических ресурсов всегда оставалась вне конкуренции. Вот почему учёные, занимающиеся вопросами получения биотоплива из различных растений, в последнее время наиболее активно интересуются потенциалом морских разновидностей водорослей.
Весьма значительных успехов в этом направлении в последнее время добились учёные из Океанографического института Скриппса (Scripps Institution of Oceanography) при Калифорнийском Университете Сан Диего, принимающие участие в работе регионального консорциума по разработке биотоплива из морских водорослей. Этот консорциум также включает исследователей с кафедры биологических наук Калифорнийского Университета Сан Диего, разработчиков из CleanTECH San Diego, представителей региональных компаний, различных инвесторов.
Результаты, полученные в процессе исследований потенциальной возможности использования морских водорослей в качестве биотоплива настолько впечатляющи, что учёные из института Скриппса уже окрестили их не иначе как
Зелёная пуля
Одно из основных направлений биохимических исследований учёных из Океанографического института Скриппса – процесс фотосинтеза, при котором зелёные организмы планеты потребляют солнечный свет, углекислый газ, питательные вещества и воду для дальлнейшего производства кислорода, углеводов и биомассы. Надо отметить, что вполне успешные эксперименты по получению биомассы из морских водорослей, пригодной для производства биотоплива, производились учёными этого института ещё в начале 1980-х, когда на волне энергетического кризиса того времени широко спонсировалась программа Национальной лаборатории по возобновляемым видам энергии при Министерстве энергетики США (U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory).
Несмотря на значительное сворачивание этих проектов в 1990-е годы, когда интерес к альтернативным источникам энергии снижался вслед за ценами на нефть, учёные не оставили исследований свойств морских водорослей.
По мнению исследователей, морские водоросли являются наиболее эффективными и неприхотливыми микроорганизмов на Земле, способными поглощать солнечную энергию и превращать её в маслянистую биомассу для получения биотоплива, практически эквивалентного по свойствам сырой нефти. "Морские водоросли способны производить в пять-десять раз больше биоэнергетических молекул на единицу площади и единицу времени, чем любое наземное растение, ничто другое даже близко не приближается по этим показателям", говорит Грег Митчелл (Greg Mitchell), биолог института, занимающийся исследованиями морских водорослей с 1987 года.
Преимущества морских водорослей очевидны даже по сравнению с самыми эффективными кандидатами на биотопливо из агрокультур, вроде кукурузы и соевых бобов, поскольку такие водоросли можно выращивать везде, где есть достаточное количество солнечной энергии - даже в бесплодных пустынях. Тем более что для развития им требуется обычная солёная морская вода, а не пресная вода и ирригационные каналы в случае пахотных земель.
Помимо солнечного света для нормальной жизнедеятельности морским водорослям необходим углекислый газ, и здесь весьма пригодятся индустриальные отходы, которые поглощаются водорослями без какой-либо промежуточной переработки. Необходимые питательные вещества водоросли могут усваивать из сточных вод, а богатые протеинами отходы от производства биотоплива из водорослей могут использоваться во многих сферах сельского хозяйства, вплоть до использования в качестве добавок в корма животным.
По мнению участников проекта, при достаточных объёмах инвестиций создать мощнейшую индустрию получения биотоплива из морских водорослей можно всего лишь в течение ближайшего десятка лет.
Зелёное топливо
Какими бы радужными и соблазнительными ни были проекты получения миллионов тонн биотоплива из зеленовато-лимонных морских водорослей, каждая из подобных идей обязательно должна быть протестирована на практике в производственных масштабах. И здесь каждого, кто намерен вложить серьёзные инвестиции, ожидает ряд специфических сложностей. Для начала создание промышленных масштабов "фермы" по производству биотоплива из морских водорослей потребует наличия гигантских "садков", способных обеспечивать наращивание сотен килограммов биомассы морских водорослей ежедневно. Помимо этого операторам таких ферм также придётся решить вопрос выбора сорта водорослей, наиболее производительных в плане дальнейшей переработки на биотопливо. Также до сих пор до конца не решены вопросы борьбы с различными загрязнителями, витающими в атмосфере и способными, оседая в садках с водорослями, препятствовать их быстрому приросту.
Существует и ряд других сложностей, однако именно пакетом решённых вопросов по проблеме выращивания морских водорослей на биотопливо в промышленных масштабах привлекает инвесторов региональный консорциум по разработке биотоплива из морских водорослей при участии института Скриппса и Университета Сан Диего. Более того, исследования, проводившиеся учёными на протяжении десятков лет, позволили произвести серьёзную селекцию среди различных разновидностей морских водорослей на место оптимального "кандидата" для производство биотоплива в промышленных масштабах. К сегодняшнему дню лаборатория располагает несколькими сценариями разворачивания промышленного производства биотоплива из водорослей с различными биологическими моделями, применимыми на фермах по выращиванию морских водорослей в регионах с различными погодными условиями.
Так, ещё с начала 80-х годов в лаборатории доктора океанографии Вильяма Гервика (William Gerwick) производится исследования структуры молекул морских водорослей и протекающих в них метаболических процессов, ответственных за производство энергоёмких липидных масел.
Напомним, что водоросли в процессе жизнедеятельности производят и накапливают капельки твёрдых липидов по тому же принципу, по которому жир накапливается в организме животных. Для преобразования капелек твёрдых липидов в жидкое состояние может применяться множество простых и давно отработанных технологических процессов. Ряд последующих действий с получившимся жидкими липидами приводит к превращению органических масел в биодизельное топливо для автомобилей и грузовиков, а в перспективе - и в топливо для авиации.
Опять же уместно будет напомнить о несравнимой ни с чем другим скорости прироста биомассы морских водорослей – на практике при благоприятных условиях они способны практически удваивать собственный вес в течение суток! При выходе ежегодно около 50 галлонов масла на акр посадок соевых бобов и около 130 галлонов масла с акра посадок канолы (разновидности рапса), современные образцы водорослей дают в год до 4000 галлонов с акра, и это далеко не предел.
Благодаря использованию масс-спектрометрии команда профессора Гервика изучает внутренние механизмы жизнедеятельности водорослей на молекулярном уровне, что позволило учёным определить принцип работы генов, ответственных за производство молекул липидов. По словам Вильяма Гервика, к настоящему времени в его лаборатории уже протестировано порядка 15 различных способов извлечения липидов.
Ещё одна лаборатория при Институте океанографии Скриппса, под руководством биолога Марка Гильдебрандта (Mark Hildebrand) применяет для измерения уровня липидов в ядрах водорослей диатомеи (Diatomeae) специальный флуоресцентный краситель. Используя специальные инструменты для манипуляций на генетическом уровне, учёные научились усиливать или подавлять "производительность" генов, ответственных за выработку липидов. Наряду с этим учёные из лаборатории Марка Гильдебрандта также пытаются выяснить, по какому принципу клетка "разделяет" углерод между липидами и углеродами, с целью разработки способов метаболического инжиниринга клеток, способных на синтез большего количества липидов.
Гильдебрандта, кстати, можно назвать наиболее реалистичным из всех учёных института Скриппса, занимающихся исследованиями свойств морских водорослей. По крайней мере, он наиболее скептичен в высказываниях о ближайших перспективах коммерциализации производства биотоплива из водорослей. "Мы почти ничего не знаем о том, каким образом липиды синтезируются и каким образом происходит генная регулировка процесса. Это всё равно что предлагать возделывание сельскохозяйственной культуры без малейшего представления о том как растут растения", говорит Гильдебрандт.
Но даже скептик Гильдебрандт подчёркивает, что уже сейчас процентный выход липидных масел, получаемых из ряда разновидностей водорослей, вполне готов к внедрению в производство биотоплива в промышленных масштабах.
В настоящее время различными учёными коллективами во всём мире разрабатываются десятки различных сценариев организации ферм по производству биотоплива из биомассы морских водорослей. Так, наряду с проектами закачки солёной морской воды в садки на обширных территориях солнечных пустынь и идеями по прокачке через водоросли производственных и канализационных отходов, у учёных уже есть даже такие экзотические проекты как строительство дрейфующих и стационарных платформ по выращиванию водорослей непосредственно в открытом море, где всё необходимое для роста водорослей – солнце, вода, углекислый газ, питательные вещества, имеются в неограниченных количествах.
Воображение тут же услужливо рисует недалёкое будущее, когда нефтяные промыслы в океане со временем превратятся в биофермы по выращиванию водорослей, а танкеры вместо чёрного золота будут поставлять на Большую землю золото другого рода, преимущественно зелёного цвета. Впрочем, это уже совсем другая история.
Ссылки по теме:
Материалы для дополнительного чтения:
