ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И

СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ

УДК 620.95

ПОЛУЧЕНИЕ БИОТОПЛИВА ИЗ БИОМАССЫ

ФОТОТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва, Россия

^*E-mail: Gorin_KV@nrcki.ru

Рост населения планеты, увеличение производства и растущий спрос на ископаемое топливо в конечном итоге

приводит к растущему выбросу парниковых газов, глобальному потеплению и к загрязнению биосферы в це-

лом, в связи с этим многие страны переходят на возобновляемые источники топлива - биотопливо. Однако про-

изводство биотоплива первого (из пищевого сырья) и даже второго (из непищевого сырья) поколения может

существенно повлиять на продовольственную нестабильность во всем мире. Альтернативой может служить

биотопливо третьего поколения, получаемое из биомассы фототрофных микроорганизмов. В этом кратком

обзоре рассматривается возможность получения биотоплива на основе фототрофных микроорганизмов как

возобновляемого источника биотоплива, в том числе и для автономных поселений.

ВВЕДЕНИЕ

в 15-300 раз выше, чем у традиционных культур

В настоящее время большая часть мирового

в расчете на площадь. Кроме того, производство

спроса на энергию удовлетворяется за счет нефти

биотоплива третьего поколения из микроводорос-

(36%), угля (27%) и газа (23%). Это означает, что

лей не требует орошения, пестицидов и может вы-

более 80% мирового потребления энергии прихо-

ращиваться на непахотных землях и соленой воде.

дится на ископаемые виды топлива, в основном

Более того, микроводоросли могут применяться

из-за их доступности и удобства использования.

для очистки сточных вод и промышленного улав-

Однако ожидается, что мировое производство ис-

ливания CO₂ на угольных электростанциях или в

копаемого топлива станет менее доступным, более

других процессах. [1, 2].

дорогим и вызовет массу растущих экологических

вопросов в грядущем столетии. Следовательно, это

ПОКОЛЕНИЯ БИОТОПЛИВ

послужило стимулом для исследований и приме-

Биотопливо первого поколения в основном по-

нения новых технологий и освоения возобновля-

лучают из пищевого сырья и продуктов, таких как

емых и устойчивых источников энергии. Наибо-

крахмал, сахар или любого вида растительного

лее перспективным альтернативным источником

масла. Широко известными биотопливами первого

энергии является биомасса, которая может быть

поколения является биогаз, биодизель и биоспир-

преобразована в биотопливо. Термин биотопливо

ты. Биоэтанол производится ферментацией сахар-

относится к любому жидкому, газообразному или

ного тростника и сахарной свеклы. Эффективность

твердому топливу, в основном производимому из

конверсии световой энергии в биотопливо, включая

биомасс, таких как биодизель. В последнее время

затраты на обработку биомассы, составляет 0.16%

растет интерес к использованию водорослей в ка-

для получения биоэтанола из сахарного тростника

честве сырья для производства биотоплива из-за

и 0.15% для получения биодизеля из пальмового

их возобновляемой природы и того факта, что они

масла. Биотопливо второго поколения еще назы-

преодолевают недостатки биотоплива первого и

вают «целлюлозно-этанольным» топливом и, в ос-

второго поколения. Многие виды микроводорослей

новном, получают из непищевого сырья. К такому

могут накапливаться в значительных количествах

сырью можно отнести: а) специально выращивае-

липидов, часто превышающих 60% их сухой био-

мые сельскохозяйственные культуры (технические

массы. Действительно, их производство энергии

культуры), выращиваемые на землях, не пригод-

К.В. ГОРИН

ных для получения культур пищевого назначения;

масса микроводорослей, тогда как у растений есть

б) несъедобные части злаковых пищевых культур;

неиспользуемые части (корни и листья);

в) древесина и отходы ее переработки; г) отходы

- фототрофные микроорганизмы можно вы-

после использования растительных масел. Био-

ращивать на пресной и морской воде, в открытых

топливо третьего поколения также известно как

бассейнах или в биореакторах, на земле, не пред-

«топливо из водорослей», поскольку оно произво-

назначенной для сельского хозяйства, поэтому ис-

дится из различных видов фототрофных микроор-

ключается конкуренция за ресурсы для получения

ганизмов. Из водорослей возможно получение всех

пищи и кормов [9];

видов биотоплив, таких как биодизель, биобензин,

- главными составляющими, необходимыми

биоспирты с высоким выходом, примерно в 10 раз

для выращивания фототрофных микроорганизмов,

выше, чем у второго поколения биотоплив. Полу-

являются солнечный свет, вода, диоксид углеро-

чение биотоплива третьего поколения биомасса

да и неорганические питательные вещества, та-

также сопряжено с поддержанием благоприятного

кие как макроэлементы - азот и фосфор, а также

состояния окружающей среды, так как в процессе

микроэлементы;

роста микроводорослей идет поглощение углекис-

- возможность выращивания микроводорослей

лого газа, присутствующего в атмосфере. Биото-

на сточных водах, что дает двойное преимущество:

пливо четвертого поколения - результат разработки

очистка сточных вод и получение биотоплива из

в области синтетической биологии микроводорос-

биомассы, а также удаление высоких концетраций

лей и цианобактерий. Синтетическая биология до-

азота, фосфора и тяжелых металлов [8, 10].

статочно «молодая», но активно развивающаяся

область исследований, занимающаяся конструиро-

Таблица 1. Содержание липидов в фототрофных

ванием и созданием новых биологических частей,

микроорганизмах при автотрофном, гетеротрофном росте

или в стрессовых условиях

устройств и систем, а также переконструирова-

нием существующих. Кроме того, синтетическая

№

Название фототрофного

Содержание липидов,

биология позволяет создавать фотосинтетические

п/п

микроорганизма

% от сухого веса

и нефотосинтетические системы, как натуральные,

Botryococcus braunii

25-75

так и искусственные, для получения высококаче-

Chaetoceros muellerii

ственных биотоплив с высокой эффективностью

Chaetoceros calcitrans

конверсии световой энергии в биотопливо [3, 4].

Chlorella emersonii

ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Chlorella minutissima

БИОМАССЫ ФОТОТРОФНЫХ

Chlorella protothecoides

МИКРООРГАНИЗМОВ

Chlorella sp.

28-53

Микроводоросли - это фотосинтезирующие ми-

Chlorella vulgaris

41-58

кроорганизмы, которые преобразовывают энергию

Crypthecodinium cohnii

солнечного света, воду и углекислый газ в свою

Dunaliella primolecta

биомассу [5].

Dunaliella tertiolecta

Основными преимуществами использования

Ettlia oleoabundans

35-54

фототрофных микроорганизмов в качестве исход-

Haematococcus pluvialis

ного сырья для получения биомассы являются:

Isochrysis galbana

21-38

- микроводоросли обладают высокой способно-

Monoraphidium minutum

стью по фиксации диоксида углерода из атмосфе-

Nannochloropsis oculata

ры и накоплению его в своей биомассе, тем самым

Navicula saprophila

играя важную роль в сокращении основного факто-

Nitzschia closterium

ра, ответственного за возникновение парникового

Phaeodactylum tricornutum

20-30

эффекта. Так 1 кг сухой биомассы микроводорос-

Prymnesium parvum

22-38

лей утилизирует в среднем 1.83 кг диоксида угле-

Scenedesmus dimorphus

16-40

рода [6, 7];

Scenedesmus obliquus

30-50

- высокая скорость роста (до 100 раз больше по

Skeletonema costatum

сравнению с наземными растениями) [8]. А также

Tetraselmis suecica

15-23

более полное использование биомассы, обуслов-

Thalassiosira pseudonana

ленное тем, что может быть использована вся био-

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

ПОЛУЧЕНИЕ БИОТОПЛИВА ИЗ БИОМАССЫ ФОТОТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ

- биомассу фототрофных микроорганизмов

организмов имеют содержание липидов более

можно выращивать в течение всего года, она гомо-

30-40%.

генна и не содержит лигноцеллюлозу.

Масличные сельскохозяйственные культуры,

Микроводоросли включают широкий спектр

такие как соя и масличная пальма широко исполь-

фотосинтезирующих микроорганизмов, населяю-

зуются для производства биодизеля; однако они

щие различные ареалы обитания: от почвы, прес-

накапливают липиды в небольших количествах,

ных водоемов и морской воды до экстремальных

менее 5% от общего количества биомассы по срав-

мест обитаний.

нению с микроводорослями [5].

В таблице 1 приведены некоторые представите-

Этот факт делает фототрофные микроорганиз-

ли фототрофных микроорганизмов с указанием со-

мы очень привлекательным возобновляемым сы-

держания липидов в их биомассе [11, 12].

рьем для производства биодизеля.

Содержание липидов варьируется как по коли-

Данные по продуктивности по биодизелю по от-

честву, так и по качеству, в зависимости от условий

ношению к занимаемой площади представлены в

роста. В то время как высокий выход липидов мо-

таблице 2 [14].

жет быть получен при использовании ограничения

На основании представленных данных легко

питательных веществ, это обычно происходит за

констатировать то, что продуктивность микроводо-

счет снижения продуктивности по биомассе [13].

рослей по биодизелю минимум в 10 раз превосхо-

По данным из таблицы можно сделать вывод

дит самую продуктивную масличную культуру.

о том, что многие культуры фототрофных микро-

БИОТОПЛИВО ИЗ ФОТОТРОФНЫХ

МИКРООРГАНИЗМОВ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ

Таблица 2. Преимущества микроводорослей над другими

ПОСЕЛЕНИЙ

источниками

Освоение труднодоступных районов, в том

числе Арктики, является одной из наиболее акту-

Содер-

Исполь-

Продук-

альных задач, необходимых для усиления безопас-

жание

зование

тивность

тивность,

липи-

площади для

по биоди-

ности страны, освоения и эффективного исполь-

№

липиды

Вид сырья

дов в

выращи-

зелю, кг

п/п

в литрах/

зования пространства [15]. Так в работе [15] для

био-

вания, м²

биодизе-

гектар/

сложных климатических условий Арктики предла-

массе,

в год/кг

ля/гектар/

год

биодизеля

год

гается использовать необслуживаемые саморегу-

Кукуруза

172

152

лируемые атомные термоэлектрические станции.

Данная установка позволяет непрерывно до

Соя

636

562

лет получать энергию и тепло для поселения. Ис-

Ятрофа

741

656

пользование низкопотенциального тепла от такой

Рапс

974

862

атомной станции малой мощности для выращива-

Подсолнеч-

1070

946

ник

ния фототрофных микроорганизмов и получения

Касторовые

биомассы, а далее - биотоплива из нее, в частности

1307

1156

семена

биодизеля, позволит получать часть топлива непо-

Пальмовое

средственно на месте, что добавит еще один эле-

5366

4747

масло

мент автономности для поселения. В свою очередь

Микрово-

это также снизит затраты на доставку топлива.

доросли

(низкое

58700

0.2

51927

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

содержание

липидов)

В кратком обзоре рассмотрена возможность

получения биотоплива, в частности биодизеля, из

Микрово-

доросли

биомассы фототрофных микроорганизмов, в том

(среднее

97800

0.1

86515

числе и для автономных поселений. Дана краткая

содержание

характеристика поколений биотоплив, приведены

липидов)

преимущества использования фототрофных ми-

Микрово-

кроорганизмов для получения биотоплив по срав-

доросли

(высокое

136900

0.1

121104

нению с биомассой, используемой для получения

содержание

биотоплив первого и второго поколений. Кратко

липидов)

рассмотрена возможность интеграции фотобиоре-

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

К.В. ГОРИН

акторов для выращивания фототрофных микроор-

6. Brennan L., Owende P. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2010,

ганизмов с автономной атомной станцией малой

v. 14, №2, p. 557-577. DOI:10.1016/j.rser.2009.10.009.

мощности, с целью получения биотоплива непо-

7. Gendy T.S., El-Temtamy S.A. // Egypt. J. Pet. 2013, v. 22,

средственно на месте организации автономного

№1, p. 43-51. Https://doi.org/10.1016/j.ejpe.2012.07.001.

поселения.

8. Arenas E.G., Rodriguez Palacio M.C., Juantorena A.U.,

Работа выполнена в рамках тематического плана

Fernando S.E.L. et al. // Int. J. Energy Res. 2017. v. 41, №6,

НИОКР на 2021 год «Фундаментальные междис-

p. 761-789. DOI: 10.1002/er.3663.

циплинарные исследования в нано-, био-, инфо- и

9. Janaun J., Ellis N. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2010,

когнитивных технологиях» по п. 1.12. «Разработка

v. 14, №4, p. 1312-1320. DOI:10.1016/j.rser.2009.12.011.

научно-технических основ для создания автоном-

10. Mohsenpour S.F., Hennige S., Willoughby N., Adeloye A.

ных систем жизнеобеспечения для использования

et al. // Sci. Total Environ. 2021, v. 752, p. 142168. Https://

в условиях Крайнего Севера, Арктики и космоса».

doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.142168.

11. Sivakumar G., Vail D.R., Xu J., Burner D.M. et al. //

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Eng. Life Sci. 2010, v. 10, №1, p. 8-18. DOI: 10.1002/

1. Ezzeroual O., Kadmiri N.El. // J. Pure & Appl. Sci.

elsc.200900061.

2021, v. 1, p. 8-14. Https://doi.org/10.48383/IMIST.PRSM/

12. Sajjadi B., Chen W.Y., Raman A.A.A., Ibrahim S. //

mjpas-v6i2.22927.

Renew. Sustain. Energy Rev. 2018, v. 97, № June, p. 200-

2. Madhavi K., Amin A., Reddy G.V.S., Reddy A.D.V. // Cont.

232. Https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.07.050.

J. Sustain. Dev. 2013, v. 4, №2, p. 9-19. DOI:10.5707/cjsd

13. Darzins A., Peinkos P., Edye L. // Natl. Renew. Energy

cjsd.2013.4.1.39.44.

Lab. NREL A Rep. to Bioenergy Task 39. 2010, v. Report

3. Saha S., Sharma A., Purkayastha S., Pandey K. and et

т. 39, № August, p. 1-146.

al. // Plastics to energy. Elsevier Inc. 2018, p. 365-376.

14. Ahmad A.Y., Mohamad S.E., Iwamoto K., Abdullah N. //

IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2021, v. 1051, №1,

4. Aro E.M.

// Ambio.

2016, v.

45,

№1, p.

24-31.

p. 012059. DOI:10.1088/1757-899X/1051/1/012059.

DOI: 10.1007/s13280-015-0730-0.

5. Chisti Y. // Trends Biotechnol. 2008, v. 26, №3, p. 126-

15. Василов Р.Г., Гаева Т.Н., Устинов В.С. // Вестник

131. DOI: 10.1016/j.tibtech.2007.12.002.

ВИТ «ЭРА». 2021, т. 2, №1, с. 5-13.

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021