Уникальный биореактор находит идеальные места для выращивания водорослей

Уникальный биореактор в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США помогает определить идеальные места для ферм по производству водорослей, которые в будущем могут конкурировать с возобновляемым дизельным топливом, целлюлозным этанолом и другими альтернативами нефти в качестве транспортного топлива.

Он делает это, раскрывая сложные биохимические перестройки, которые претерпевают водоросли при выращивании в разных регионах США. Биореактор также показал, что водоросли, выращенные в идеальном климате и получающие оптимальное количество питательных веществ, могут производить не только липиды, но и белки и углеводы, которые можно превращать в дизельное топливо, бутанол, этанол и другие полезные для промышленности виды топлива.

«Мы почти удвоили количество топлива, которое можно получить из того же количества биомассы, используя эти дополнительные компоненты», — сказала старший научный сотрудник NREL Лив Лоренс.

Реактор Simulated Algal Growth Environment (SAGE) находится в кампусе NREL в Голдене, штат Колорадо.

Реактор настолько точно контролирует свет, температуру и подачу диоксида углерода (CO₂), что может имитировать условия в любой точке. Если ученые хотят узнать, как водоросли будут расти в солоноватой воде на юго-западе США при преимущественно солнечном небе, настройки можно установить именно для этой метеорологии. Биореактор NREL уникален, потому что, несмотря на большой размер и значительно увеличенную мощность, он может воспроизводить целые локации и климаты — день, ночь, интенсивность солнечного света и температурные профили. Программируется интенсивность света, а также подача и поглощение CO₂.

«Мы можем смоделировать, как конкретный штамм будет расти в разных местах США и как это влияет на продуктивность по маслу», а также на общий биохимический состав биомассы, сказала Лоренс.

Подход «кормить и морить голодом» дает больше потенциального топлива

Водоросли используют хлорофилл в своих клетках для превращения солнечного света в энергию посредством фотосинтеза. Добавление питательных веществ и CO₂ позволяет водорослям производить сахара и быстро размножаться.

В реакторе NREL выращивают три «чемпионских» штамма водорослей. Реактор позволяет работать с объемом культуры примерно в пять раз больше, чем другие доступные на рынке реакторы с контролируемой средой. Благодаря большому размеру и способности воссоздавать реальные условия, реактор NREL позволяет исследователям выращивать плотные культуры за гораздо меньшее время.

Оптимальные условия — питательные вещества, CO₂ и солнечный свет — приводят к дополнительной энергии, способной удвоить продуктивность водорослей.

NREL также разработал лучшие и более быстрые способы анализа и характеристики компонентов в процессе конверсии водорослей. «Мы собираем урожай через день», что дает максимальную информацию об изменениях в популяции водорослей, которая может удваиваться в размере дважды в день, сказала Лоренс.

Клетки водорослей поглощают солнечный свет, который вместе с CO₂ способствует росту колонии. Для оцениваемых штаммов более влажный воздух и теплые ночи Аризоны выглядят более благоприятными для оптимального роста, чем климат высокогорной пустыни и очень холодные ночи Нью-Мексико. Это логично, поскольку эти штаммы широко культивировались на открытом воздухе в Аризоне. Штаммы водорослей, адаптированные к климату Нью-Мексико, могут не так хорошо расти в Аризоне.

Лоренс и инженер по биоконверсии NREL Ник Нейгл также могут заставить водоросли делать более полезные вещи, чем просто размножаться. Например, если они ограничивают количество доступного азота, водоросли переходят в режим накопления запасов, а не размножения. Некоторые водоросли удваиваются в размере пару раз в день при наличии достаточного количества питательных веществ. Когда питательные вещества заканчиваются, водоросли перестают так быстро расти. Но CO₂ и солнечный свет все еще присутствуют, поэтому, в целях самосохранения, водоросли запасают этот CO₂ в виде высокоэнергетических органических молекул. Это изменение можно наблюдать в течение нескольких дней.

«Как только у водорослей заканчивается азот, они превращаются в лежебок», — сказал Нейгл. «Клетки начинают поглощать много углерода и бездельничать, набирая вес. Этот вес буквально состоит из углеводов и масел» — именно то, что индустрии биотоплива нужно от этих маленьких существ.

Цикл «кормить и морить голодом» — один из полезных путей для получения большего количества масел из водорослей.

Промышленность теперь хочет все части водорослей

NREL сотрудничает с Университетом штата Аризона, изучая, как штаммы-чемпионы водорослей преобразуют солнечный свет в биомассу, поддерживают жизнеспособность питательных веществ и реагируют на световую энергию. Вначале высоко содержание белка; затем наступает пик углеводов, а позже — липидов.

«Из сырья мы получаем эти разные продукты — липиды, белки, углеводы», — сказал Нейгл. Несколько лет назад промышленность обращалась в исследовательские лаборатории с конкретным запросом — как использовать водоросли для получения дизельного масла. Теперь они хотят все: белок для превращения в бутанол или метан; липиды для превращения в дизельное топливо; углеводы для превращения в третье топливо.

С 1978 по 1996 год NREL предпринял масштабные поиски и каталогизацию водорослей. «Забавно думать, что все это возвращается», — сказал Нейгл. «Сейчас мы работаем с промышленными партнерами и другими университетами, сотрудничаем и действительно продвигаем это вперед».

Вклад NREL включает использование солнечного света для стимулирования роста и использование растущих клеток для преобразования солнечной энергии в химическую путем конверсии CO₂ в органические молекулы, а также комплексный анализ различных компонентов биомассы.

«Мы берем эти штаммы-чемпионы и помещаем их в виртуальные среды, конкретные места в США, которые очень хорошо подходят для выращивания водорослей», — сказала Лоренс. «Мы работаем с партнерами во Флориде, Калифорнии, Аризоне, Огайо и на Гавайях, чтобы количественно оценить, как смесь дождя и температуры влияет на рост и состав производимой биомассы».

NREL анализирует, как получить максимум из собранной биомассы. Предварительная обработка разбавленной кислотой дает жирные кислоты, которые можно использовать для дизельного биотоплива, и углеводы, которые можно сбраживать в этанол. Остаются белки, которые можно использовать для других видов топлива. Совместно с Национальными лабораториями Сандия исследователи NREL подвергают белки из водорослей процессу ферментации для увеличения производства короткоцепочечных спиртов, таких как бутанол.

«Мы смогли изучить тонкие переменные и рекомендовать наилучшие компромиссы в производстве биомассы, принимая во внимание химический состав биомассы. Например, "этот сценарий не даст столько биомассы, но вы получите гораздо более высокое содержание масла"», — сказала Лоренс. «В конечном итоге все сведется к тому, сколько всего галлонов биотоплива мы можем произвести с акра прудов с водорослями в год. Это ничем не отличается от нашей меры продуктивности кукурузы в бушелях с акра в год». Исследователи в конечном итоге собирают все части воедино и дают рекомендации по экономической жизнеспособности процесса с помощью технико-экономического анализа.

При крупномасштабном выращивании на открытом воздухе — например, в больших открытых прудах, таких как в Колумбусе (Нью-Мексико) или Фениксе (Аризона) — небольшая корректировка здесь, дополнительная порция нитратов там, больше солнца здесь, немного меньше азота или немного выше температура там, и штамм-чемпион может производить масла и углеводы в знакомой обстановке. Очистные сооружения могут стать идеальным местом для замыкания цикла — от анаэробного сбраживания не топливных компонентов биомассы, которое генерирует энергию и метан, до питательных веществ, которые можно перерабатывать для кормления следующего поколения водорослей.

Промышленность заинтригована и стала мудрее в отношении водорослей

Нейгл вспоминает бурные времена 1980-х, когда нефтяные компании вкладывали много денег в исследования водорослей. «Это как если бы мы отправили сообщение в бутылке в море», — сказал он. «Теперь оно возвращается, и это довольно захватывающе».

После первого романа с водорослями иррациональное изобилие пошло на спад, и нефтяные компании стали мудрее и умнее, говорят Лоренс и Нейгл. Эти компании снова вкладывают доллары в исследования водорослей, а финансирование от Управления биоэнергетических технологий Министерства энергетики стало более стабильным.

Такие компании, как Exxon, ищут доказательства того, что водоросли могут стать важными игроками в ландшафте биотоплива будущего. «Они исследуют все пути», — сказала Лоренс.

Стоимость неуклонно снижается, и «вы не исчерпаете запасы водорослей» по мере роста производства, сказал Нейгл.

NREL останется ключевым игроком, «хорошей нейтральной третьей стороной в игре, проводящей собственные отличные исследования, но также следящей за пульсом промышленности», — сказала Лоренс. «Это позволяет нам оценить, кто где находится. И мы видим, что многое происходит, что они начинают относиться к этому очень серьезно. Мы видим компании, которые серьезны, у которых есть значительные планы по коммерциализации водорослей».