Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии и оборудование производства и переработки микроводорослей. Учебное пособие.pdf
2.5. Технология производства метанола
Одним из наиболее перспективных видов топлива будущего
называют – метанол [41]. Одним из видов сырья для его получения является биомасса микроводорослей. Преобразование биомассы в метанол технологически сходно с производством метанола из угля:
1) газификация биомассы в синтез-газ;
2) преобразование полученного синтез-газа в метанол.
Процесс газификации необходимо осуществлять после
предварительной распы
лительной сушки биомассы микроводорослей (наибольший выход синтез-газа наблюдается при влажности биомассы 15…20%).
После сушки биомассу микроводорослей направляют в газогенератор, где её смешивают с водой и кислородом под давлением. Часть микроводорослей там сгорает и выделяет тепло для
газификации, образующиеся в процессе сгорания углекислый
газ и вода взаимодействуют с биомассой микроводорос
лей
с образованием синтез-газа. Такой способ преобразования биомассы носит название – одностадийный, его реализация в промышленном производстве связана с большими техническими
трудностями, потому чаще используется двухстадийный способ
(рис. 16):
1 стадия – называется «пиролизом»: высушенная биомасса
нагревается в температурном интервале 400…600 °С при недос-
татке воздуха. В результате получается газ, состо
ящий из угарного газа, водорода, метана, летучих смол, углекислого газа и
воды, и твёрдая фаза – «древесный уголь»;
2 стадия – «превращение древесного угля», уголь реагирует
с кислородом при температуре 1300…1500 °С и выделяется
угарный газ. Полученная газовая смесь подвергается очистке,
затем синтез-газ отправляется на стадию синтеза метанола.
41
Рис. 16. Схема производства биометанола
Основные преимущества биомассы перед другими видами
сырья, например углём, это отсутствие серосодержащих соединений, примесей тяжёлых металлов. Сложность преобразования
биомассы микроводорослей в синтез-газ и затем метанол связана с тем, что микроводоросли содержат большое количество
влаги, а процесс газификации производится только с высушенной биомассой. Эта сложность значительно увеличивает себестоимость технологии.
Однако влаж
ная биомасса отлично подходит для получения
биогаза, который может быть использован для производства метанола.
2.6. Технология производства водорода
Водород – это энергоноситель с большим потенциалом
применения в транспортном секторе для бытового и промышленного применения. Он изучается в качестве компонента для
сжижения угля и преобразования тяжёлых фракций нефти, которые затем можно использовать в двигателях внутреннего сгорания и топливных элементах электромобилей без выбросов
«парниковых газов». В ближайшей и долгосрочной перспект
иве
спрос на водород, как прогнозируется мировыми экспертами,
значительно увеличится [42]. Водород потенциально может
быть произведён многими способами [43]. Однако современная
развивающаяся водородная экономика почти полностью зависит
от использования невозобновляемых ресурсов на основе углерода, таких как паровая конверсия природного газа (48% производства водорода), нефтеперерабатывающая промышленность
(30%), газификация угля (18%) и электролиз воды (4%) [44].
42
Перспективно получение водорода из воды с помощью тепловых и термохимических процессов (электролиз и фотолиз), методами биотехнологии с помощью «тёмного» брожения и фотоферментации органических материалов и воды, которые катализируются специальной микроводорослью и различными разновидностями Цианобактерий [45]. Биомасса микроводорослей
(целая или после удаления масел и/или крахмала) может быть
преобразова
на в биоводород «тёмным» брожением, которое
является одним из основных биопроцессов, используемых анаэробными организмами для производства биоводорода.
Enterobacter и Clostridium – это штаммы бактерий, которые
являются производителями биоводорода и способны к переработке различных источников углерода [46]. С другой стороны,
Цианобактерии и Зелёные морские водоросли – единственные
организмы, известные в настоящее время, которые способны и
к кислородном
у фотосинтезу, и к производству биоводорода.
Цианобактерии продуцируют водород в результате светозависимой реакции, катализируемой нитрогеназой или с помощью
«тёмного» брожения в анаэробных условиях с помощью гидрогеназы [47], Зелёные водоросли синтезируют водород с помощью фотосинтеза, используя солнечную энергию, для извлечения H
из H2O. В настоящий момент известно около 30 видов
2
Зелёных водорослей, способных к синтезу водорода [48].
Для фотобиологического производства H
наиболее целесооб-
2
разно использовать Цианобактерии («Сине-зелёные» водоросли)
и «азотфиксирующие» бактерии, так как они неприхотливы
к условиям культивирования (воздух, вода, минеральные соли,
свет).
2.7. Технология очистки сточных вод
Повышение потребления воды и выбросов отработанной
воды требует более эффективных технологий удаления отходов
и загрязняющих веществ, позволяющих обеспечить соответст-
43
вие качества сбрасываемых сточных вод нормативам, установленным регулирующими органами по охране окружающей среды. Потребность в эффективной очистке сточных вод удовлетворялась за счёт внедрения передовых энергоёмких специализированных очистных систем, требовавших существенных капиталовложений и последующих эксплуатационных затрат.
Несмотря на высокую эффективность, эти передовые очистные
системы зачастую были недоступны для предприятий, функциониру
ющих в менее развитых районах или сельских местностях. Однако существуют действенные альтернативные методы.
Системы с низким потреблением энергии, работающие на основе свойств микроводорослей и естественного биологического
процесса фотосинтеза, могут увеличить эффективность водоочистных сооружений [49].
Микроводоросли в естественных водных системах
Микроводоросли играют важную роль в поглощении загрязняющих веществ в естественных водных системах. Различные органические соединения, которые образуются в этих естественных системах в результате фотосинтеза водорослей, входят
в состав трофической цепи водной среды, становясь пищей для
разнообразных микробов и других гетеротрофных организмов.
Кроме того, восстановленный стабилизированный углерод зачастую сохр
аняется непосредственно в форме детрита, образуя
торфяные отложения на заболоченных участках, в прудах и озёрах. Поскольку жизнедеятельность видов водорослей и растений
природных водных систем зависит от множества факторов, например от температуры, уровня кислотности, возраста, времени
года, высоты и состава воды, и является устойчивой, если эти
факторы находятся в относительном равновесии, включение каких-либо новых источни
ков загрязнения в потенциальную очи-
стную систему не рекомендуется. Тем не менее допускается
44
формирование искусственной среды для увеличения концентрации микроводорослей, контроля и наблюдения за их ростом
для того, чтобы обеспечить эффективную обработку сточных
вод. Одним из перспективных способов очистки сточных вод
с различной концентрацией загрязняющих веществ является
применение микроводорослей. Экологически это оправдано тем,
что для своей жизнедеятельности водоросли потребляют углекислый газ и выделяют кислород. Эволюци
онно водоросли
находятся на более высокой ступени развития, по сравнению
с бактериями, и поэтому многие виды являются универсальными потребителями многих органических и минеральных веществ. При этом достигается понижение концентрации загрязняющих элементов более чем на 90%, а обеззараживание – примерно 100%. Обработка сточных вод с получением биомассы
микроводорослей создаёт возмо
жность одновременного производства энергии и удаления биогенов (азот и фосфор). Существуют предварительные оценки, свидетельствующие о высокой
энергоэффективности одновременного удаления биогенов из
сточных вод и культивирования микроводорослей. Кроме этого,
помимо удаления биогенов возможно удаление некоторых тяжёлых металлов и следов других элементов. Ограничением,
сдерживающим полномасштабное применение культивирования
микроводорослей для у
даления биогенов и производства энергии, является энергоёмкий процесс сбора микроводорослей.
Обычно требуется один или несколько этапов разделения фаз
для концентрирования биомассы. Перспективной здесь считается мембранная технология. Сообщается об использовании половолоконной полихлорвиниловой мембраны для 150-кратного
концентрирования суспензии микроводорослей при постоянном
давлении 34,5 кПа. В данном случае обратная промывка проводилась каждые 15 мин. Наряду с со
вершенствованием процесса
отделения биомассы внимание уделяют иммобилизационному
45
культивированию микроводорослей с получением биомассы
с меньшим содержанием воды. В этом случаем перспективным
в качестве матрицы считается альгинат. Не все микроводоросли
успешно культивируются на матрице. Показано успешное культивирование иммобилизованных микроводорослей Chlorella
sorokiniana на альгинате кальция. Достигнуто большее удаление
фосфатов и аммония в сравнении с суспендированными микроводорослями. Также микроводоросли Gloeocapsa gelatinosa на
альгинате кальция эффективно уд
аляли нитраты и фосфаты.
В настоящее время, однако, крупномасштабное использование
полимерных матриц ограничивается их высокой стоимостью.
Различные биоплёночные системы, включая биоплёночный фотобиореактор, вращающийся биоплёночный реактор с барабаном для сбора водорослей, рекомендуются в качестве эффективных систем для получения биомассы высокой плотности.
Перспективными являются анаэробное сбраживание и совместное сбражи
вание с активным илом. Показана осуществимость
анаэробного сбраживания Micracinium nov. и Chlorella sp.,
выращенных на смеси центрата обезвоживания избыточного
активного ила и сточных вод после первичной обработки.
В обоих случаях повышены эффективность удаления летучих
твёрдых веществ избыточного активного ила и выход биогаза.
Сходные результаты получены при совместном сбраживании
Spirulina platensis и Chlorella sp., выращенных на смеси центрата
обезво
живания избыточного активного ила и сточных вод после
нитрификации.
Микроводорослевая очистка сточных вод
в стабилизационных прудах
Наиболее простой и распространённый пример использования микроводорослей для очистки сточных вод – стабилизационные пруды (СП). Разработка СП как приемлемого вспомога-
46
тельного технологического процесса очистки сточных вод во
многом была случайной. Первоначально пруды организовывались на водоочистных предприятиях как бассейны-отстойники
или резервуары для аварийного перелива. И лишь в течение последних 20 лет были определены конструктивные и эксплуатационные критерии СП. Сегодня СП признаются во всём мире
как одна из основных технологий очистки сточн
ых вод, успешно заменяющая другие системы биологической очистки в тех
регионах земного шара, для которых характерно большое количество солнечных дней и наличие дешёвых легкодоступных земельных участков. Наибольшее распространение СП получили
в Австралии, Африке, Индии, Канаде и в отдельных районах
США. Система СП включает как механически аэрируемые отстойники, так и пру
ды с естественным насыщением кислородом.
Конструкция последних обеспечивает аэробный распад органического субстрата в сточных водах, причём значительная часть
растворённого кислорода продуцируется микроводорослями.
2.8. Технология производства хлорофилла,
каротиноидов и водного экстракта
из биомассы микроводорослей
Хлорофилл и каротиноиды (лютеин, ксантофилл и др.) –
пигменты, входящие в состав клеток микроводорослей, они
применяются в качестве натуральных пищевых красителей, пищевых добавок. В связи с запретом всё большего числа синтетических пищевых красителей в странах Европейского союза получение хлорофилла и каротиноидов из биомассы микроводорослей приобретает всё большую актуальность. Это свя
с тем, что клетки микроводорослей имеют более высокие темпы
роста, большую концентрацию целевых продуктов, чем традиционные источники этих продуктов: хлорофилл – люцерна, крапива, каротиноиды – цветы календулы и др. Приём хлорофилла
зано
47
в качестве пищевой добавки стимулирует работу иммунной системы, обеспечивает детоксикацию крови и печени [50]. Потребление каротиноидов в качестве пищевой добавки позволяет предотвратить ранний атеросклероз, уменьшая скорость возрастной
дегенерации жёлтого пятна [51], предотвращает образование
катаракты [52].
Основная проблема коммерческого производства этих соединений из биомассы микроводорослей заключается в том, что
хлорофилл и каротиноиды – эт
о соединения, которые находятся
внутри клеток, потому для их извлечения необходимо разрушить жёсткую клеточную стенку микроводорослей, а затем
провести экстракцию – эти две стадии определяют 50…80% из
итоговой стоимости продуктов. Именно наличие клеточной
стенки у микроводорослей ограничивает выход и скорость экстракции пигментов.
Биомасса микроводорослей содержит в своём составе боль-
шое ко
личество веществ, которые имеют антиоксидантные свойства, что связано с тем, что большинство микроводорослей –
фотосинтетики и в процессе роста подвергаются воздействию
света и высокой концентрации кислорода, который стимулирует
образование различных свободных радикалов и активных окислителей. Однако отсутствие окислительного повреждения в клеточной структуре микроводорослей и ДНК клеток предполагает
наличие врож
дённой системы антиоксидантной защиты [53].
Высокую антиоксидантную активность имеет водный экстракт
микроводоросли Chlorella, который получают экстракцией
горячей водой [54]: высушенные клетки микроводоросли
Chlorella ресуспендируют в дистиллированной воде (влажность
10% масс./об.), затем подвергают обработке при 100 °C в течение
20 мин, полученную смесь центрифугируют при 10 000 об./мин
в течение 20 минут. Полученный супернатант в иностранной
литературе назы
вают сhlorella growth factor – CGF и содержит
в своём составе: РНК, ДНК, аминокислоты, водорастворимые
48
белки, витамины группы В, глутатион, фитогормоны, астаксантин, кантаксантин, флавоксантин, лораксантин, неоксантин,
виолаксантин, также различные фенольные соединения, такие
как салициловая, транс-коричная, синаптическая и кафиновая
кислоты. Многие из этих веществ обладают антиоксидантной
активностью, способностью связывать тяжёлые металлы.
Полученный экстракт используется как эффективная пищевая добавка, замедляющая процессы старения организма,
а именно: за
медляет уменьшение размера теломер – концевых
участков хоромосом, выполняющих защитную функцию ДНК и
определяющих способность клеток к делению (предел деления
клеток Хейфлика) и оказывающих дополнительную защиту организма от окислительного стресса [55].
Контрольные вопросы по разделу
1. Назовите основные направления потенциального ис-
пользования биомассы микроводорослей в биотехнологии.
2. В чём преимущества и недостатки использования микроводорослей в качестве сырья для получения биодизельного
топлива?
3. Какие возможные способы получения биоэтанола с использованием микроводорослей существуют?
4. Расскажите о перспективах получения биогаза из биомассы микроводорослей?
5. Что такое бионефть? Каким образом возможно пол
уче-
ние бионефти из биомассы микроводорослей?
6. Расскажите основные пути синтеза метанола из биомассы микроводорослей?
7. Почему биомасса микроводорослей является перспективным сырьём для получения пищевых добавок?
49
3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ И СБОРА МИКРОВОДОРОСЛЕЙ
3.1. Фотобиореакторы
для культивирования микроводорослей
Для роста биомассы и биосинтеза продуктов метаболизма
при культивировании микроводорослей необходимо соблюдение следующих условий:
– жизнеспособность посевного материала;
– наличие источника энергии;
– содержание в питательной среде компонентов, необходимых для синтеза биомассы;
– отсутствие в среде ингибиторов роста;
– поддержание в культуральной жидкости необходимых
физико-химических условий жизнедеятельности культуры микроорганизмов [56].
Особенность полу
ключается в наличии в ней большого количества белков и незаменимых аминокислот, других биологически активных веществ,
лабильных к различным условиям. Получение экологически
чистой биомассы микроводорослей – одно из преимуществ их
промышленного культивирования. Кроме того, выделение биологически активных веществ из полученной таким образом
биомассы микроводорослей не требует предвари
ки от примесей, сушки, обработки кислотой и др., по сравнению
с экстрактами морских водорослей, что значительно удешевляет
такое производство [57].
В настоящее время микроводоросли в промышленном масштабе под открытым небом в основном выращивают в искусственных неглубоких (до 0,3 м) прудах размером до тысячи квадратных метров. Такие пруды называются «бег
чаемой биомассы микроводорослей за-
тельной очист-
овая дорожка»,
50