Американский ученый
Стремление разрабатывать и расширять альтернативы ископаемому топливу вовлекает ученых и предпринимателей во всем мире на беспрецедентном уровне.
Все чаще потребителей убеждают представить себе будущее, когда их транспортные средства и коммерческая техника будут работать не только на бензине или традиционном дизельном топливе, но и на жидком биотопливе; электроэнергия, вырабатываемая ветром и солнцем; и, возможно, даже водород. Этанол, заменитель бензина, обычно производимый в Соединенных Штатах из кукурузы, уже заменяет почти 10 процентов бензина в США. Но исследователи убедительно доказали, что для создания достаточных запасов биотоплива необходимы несколько видов сырья из биомассы.
Право на рекламу
Отчет «Сырье биомассы для биоэнергетической и биопродукционной промышленности: техническая осуществимость годового предложения в миллиард тонн», опубликованный в 2005 году исследователями Министерства энергетики США и Министерства сельского хозяйства, только что был пересмотрен. Широко известное как «исследование на миллиард тонн», обновление указывает, что до 1,6 миллиарда тонн наземной биомассы из сельскохозяйственных отходов, отходов лесного хозяйства, твердых бытовых отходов и энергетических культур, таких как мискантус и просо, могут быть устойчиво собраны в Соединенных Штатах. ежегодно для биотоплива, биоэнергии и биопродуктов. Принимая во внимание теоретический выход ферментации сахаров биомассы и содержание энергии в этаноле, этот прогноз также устанавливает теоретическое максимальное производство эквивалентов бензина на биологической основе на уровне около 96 миллиардов галлонов. Поскольку Соединенные Штаты используют примерно 140 миллиардов галлонов бензина, 40 миллиардов галлонов дорожного дизельного топлива и 20 миллиардов галлонов реактивного топлива (все они получены из сырой нефти) в год, становится ясно, что биотопливо, основанное на наземном сырье, никогда не сможет удовлетворить этот спрос. В Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), где мы проводим наши исследования, мы пришли к такому же выводу, когда было опубликовано первоначальное исследование на миллиард тонн. Это побудило нас перестроить Программу водных видов, ранее финансируемую с 1978 по 1996 год Министерством энергетики США, для оценки потенциала биотоплива на основе водорослей.
Из эукариотических микроводорослей зеленые водоросли представляют собой таксономическую группу, которую чаще всего называют масличными или богатыми нефтью микроводорослями. Они повсеместно распространены в самых разных средах обитания и растут быстрее, чем виды из других таксонов, и до 60 процентов их сухого веса клеток могут составлять масла. Однако состав масел сильно зависит от вида и условий, в которых растут водоросли. Масла, богатые нейтральными липидами, желательны в контексте биотоплива из-за их потенциально высокого выхода топлива. Поскольку ТАГ состоят из трех молекул жирных кислот, которые этерифицируются или преобразуются в одну молекулу глицерина, почти 100 процентов их веса могут быть преобразованы в топливо. С другой стороны, в случае полярных липидов только одна или две молекулы жирных кислот этерифицируются до глицерина, а остальные компоненты (например, сахара или фосфатные группы) не могут быть преобразованы в сырье для топлива. В результате эти типы липидов дают более низкий выход топлива.
Большая часть наших исследований сосредоточена на скорости роста и содержании липидов в водорослях. На данном этапе это включает в себя биоразведку — поиск природных штаммов с высокой скоростью роста и высоким содержанием липидов, а также устойчивостью. Мы ищем виды, устойчивые к вредителям, хищникам и патогенам и способные процветать в условиях окружающей среды — солнечном свете, температуре и химическом составе воды — ожидаемых на участке выращивания. В этом поиске мы используем технологии, разработанные для биотехнологической и фармацевтической промышленности, такие как робототехника, устройства для работы с жидкостями и флуоресцентно-активированная сортировка клеток, чтобы ускорить выделение отдельных клеток водорослей из образцов окружающей среды и проверить их на скорость роста и содержание липидов. содержание.Узнав от коллег, связанных с коллекцией культур водорослей Техасского университета, мы разработали методы криогенного сохранения образцов культур и их оживления по желанию, устраняя трудоемкую, а иногда и контрпродуктивную практику поддержания культур водорослей на чашках с агаром и на скосах, которая требует регулярные переносы на свежие носители.
Наша работа в области биоразведки и наше участие в Консорциуме устойчивого биотоплива из водорослей, возглавляемом Университетом штата Аризона, дали нам понять, что существует широко распространенная потребность в ускорении количественного определения липидов и адаптации анализа для быстрого скрининга нескольких сотен или тысяч отдельных штаммов, что невозможно при традиционных процессах гравиметрического или хроматографического разделения. В NREL мы разработали быстрые, высокопроизводительные методы инфракрасной спектроскопии для оценки содержания липидов водорослей на основе многомерных калибровочных моделей. Мы продемонстрировали применимость таких методов для количественного определения экзогенных липидов в водорослях. И мы применили усовершенствованные методы к сотням образцов биомассы водорослей более чем 80 видов, при этом содержание липидов варьировалось от 10 до более чем 60 процентов в зависимости от роста культуры. Этот метод может различать нейтральные и полярные липиды, что сложно сделать при использовании стандартных методов, и может способствовать высокопроизводительному скринингу для обнаружения перспективных штаммов водорослей в проектах метаболической инженерии или биоразведки.
В дополнение к С. обыкновенная, упоминалось выше, исследователи NREL также оценивают другие эукариотические водоросли, в том числе Хламидомонада Рейнхардта и виды Сценедесмус а также Нанохлоропсис. Все три являются хорошо изученными лабораторными штаммами. С. Рейнхардти не дает много масла, но, вероятно, является наиболее распространенным лабораторным штаммом эукариотических водорослей. Его геном был полностью секвенирован, и для генетических манипуляций доступно множество инструментов. Многие из Сценедесмус а также Нанохлоропсис сорта использовались для производства масла, потому что оба штамма хорошо растут в крупных открытых прудах и фотобиореакторах, и оба могут производить значительное количество масла. Хотя исследователи водорослей во всем мире далеко не исчерпали разнообразие водорослей, которое обеспечивает природа, многие из нас также работают над проектами по улучшению природных штаммов водорослей с помощью классической генетики (мутация, отбор, скрининг и размножение), а также с помощью генной инженерии. Мы работаем над рядом проектов по «омике» или системной биологии, используя геномику, транскриптомику и протеомику, чтобы понять молекулярные детали высокой продуктивности липидов и использовать эту информацию для проведения экспериментов в области генной инженерии. Цели включают повышение или понижение уровня экспрессии генов, чтобы можно было достичь более высоких уровней липидов в условиях, обеспечивающих быстрый рост, и создать штаммы, более подходящие для сбора урожая. Одним из примеров наших генно-инженерных исследований является цианобактерия. Синехоцистис PCC 6803. Хотя нетрансформированные цианобактерии не производят ТАГ, мы создаем вид, который может это делать, перенаправляя углеродный метаболизм с производства углеводов на производство жирных кислот и вставляя недостающие гены для производства ТАГ.
Генная инженерия может быть спорной темой из-за опасений, что крупномасштабное культивирование может привести к выпуску сконструированных штаммов, чьи рекомбинантные гены могут проникнуть в другие виды. Независимо от того, будут ли когда-либо разрешены инженерные штаммы за пределами лабораторий (где действуют строгие правила для предотвращения случайного высвобождения), генно-инженерные исследования имеют решающее значение для понимания потенциала одного штамма водорослей, обладающего всеми свойствами, необходимыми для крупномасштабной добычи нефти. .Это исследование должно проводиться параллельно с исследованиями с использованием природных штаммов или штаммов, полученных в результате классической генетики и селекции, чтобы понять риски и принять меры безопасности для крупномасштабного культивирования.
Дуэльные модели культивирования
Для выращивания фотосинтетических микроводорослей были разработаны две основные системы культивирования: открытые пруды и закрытые фотобиореакторы. Пруды могут быть простыми и неглубокими, глубиной от 20 до 30 сантиметров, с небольшим перемешиванием или без него. Или они могут быть овальными дорожками с разделителями посередине и гребными колесами, чтобы вода двигалась. Пруды представляют собой самую дешевую из возможных систем (особенно если они состоят из простых траншей в земле без облицовки), но они обеспечивают ограниченную защиту от вредителей, хищников и патогенов, которые могут падать с воздуха. Пруды также, как правило, имеют относительно низкое отношение поверхности к объему. В плотных культурах слишком много клеток водорослей может застрять в тени, особенно без надлежащего перемешивания.
Для этого мы применяем опыт и методики, используемые ранее для технико-экономического анализа лигноцеллюлозного, или древесного, сырья для производства биотоплива. Техноэкономический анализ сочетает детальное концептуальное проектирование процессов с экономическим анализом, чтобы связать производительность с затратами. Для этого мы смоделировали базовые процессы водорослей как для систем с открытым прудом, так и для закрытых фотобиореакторных систем. Модели включают рост; сбор урожая; концентрация; экстракция и восстановление липидов; и преобразование в топливо. Базовые модели в настоящее время предполагают, что отработанная биомасса водорослей проходит через анаэробное сбраживание, чтобы восстановить часть энергетической ценности в виде метана. Однако модели позволят исследовать альтернативные сопутствующие продукты. Расходы материалов и энергии, рассчитанные на основе этих моделей, можно использовать для определения размера необходимого оборудования, а также для расчета капитальных и эксплуатационных затрат на завод по биопереработке водорослей. В конце концов, предполагается, что водорослевое масло преобразуется в дизельное топливо или смесь реактивных двигателей.
В нашем недавно опубликованном базовом анализе топливный продукт на предприятии мощностью 10 миллионов галлонов в год может производиться по цене от 10 до 20 долларов за галлон. Хотя многие параметры влияют на экономику, мы определили два ключевых фактора затрат: содержание липидов и скорость роста. С улучшением этих и других параметров, а также несколькими сценариями побочных продуктов потенциал для снижения затрат является значительным. Дальнейшее усовершенствование этих моделей будет происходить за счет использования большего количества экспериментальных данных пилотных операций, проводимых по всей стране. Предположения относительно повторного использования питательных веществ и воды для снижения затрат и повышения устойчивости будут проверены на достоверность.
Хотя эти концепции устойчивости могут показаться очевидными, их, как известно, трудно рассчитать, как показывают продолжающиеся дебаты по поводу кукурузного этанола. Они особенно сложны для водорослевого биотоплива, потому что многие значения, необходимые для расчетов, доступны только в качестве оценок или предположений. До сих пор было проведено всего несколько оценок жизненного цикла, но результаты показали бесперспективную отдачу энергии и слабые преимущества в отношении парниковых газов. Очень важно правильно рассчитать устойчивость. Огромные инвестиции в исследования, разработки и развертывание оправданы только доказательствами того, что биотопливо из водорослей будет превосходить топливо на основе нефти, которое они могут однажды заменить.
Область биотоплива из водорослей подвергалась критике из-за огромных технических проблем и из-за того, что до коммерциализации осталось от пяти до десяти лет. Тем не менее, значительные улучшения происходят во всех технических областях, указанных выше: биологии водорослей, выращивании, сборе, экстракции и анализе. Техноэкономические модели усложнились, и теперь доступны новые данные для заполнения моделей. Наилучшие доступные оценки затрат, хотя и высокие, становятся все более точными и полезными.Эти модели снижают неопределенность и позволяют количественно оценить риск, что может дать инвесторам больше уверенности в вероятности успеха коммерциализации. С этой уверенностью больше ресурсов как государственного, так и частного секторов было задействовано для преодоления технических барьеров. Хотя путь к коммерциализации может быть долгим и может потребовать многих миллионов долларов, потенциал биотоплива из водорослей может способствовать достижению национальных целей по снижению зависимости от ископаемого топлива, сокращению выбросов CO2 выбросы и повышенная энергетическая безопасность стоят вложений. Мы уверены, что барьеры рухнут.
Библиография
- Clarens, AF, EP Resurreccion, MA White and LM Colosi. 2010. Сравнение экологического жизненного цикла водорослей с другим биоэнергетическим сырьем. Экологические науки и технологии 44:1813–1819.
- Дэвис, Р., А. Аден и П. Т. Пиенкос. 2011. Технико-экономический анализ автотрофных микроводорослей для производства топлива. Прикладная энергия 88:3524–3531.
- Гринвелл, Х.К., Л.М.Л. Лоренс, Р.Дж. Шилдс, Р.В. Ловитт и К.Дж. Флинн. 2009. Включение микроводорослей в список приоритетов биотоплива: обзор технологических проблем. Журнал интерфейса Королевского общества 7:46.
- Лоренс Л. и Э. Вольфрум. 2010. Возможность спектроскопической характеристики липидов водорослей: хемометрическая корреляция спектров NIR и FTIR с экзогенными липидами в биомассе водорослей. Биоэнергетические исследования 4:22–35.
- Пейт Р., Г. Клизе и Б. Ву. 2011. Последствия спроса на ресурсы для увеличения производства биотоплива из водорослей в США. Прикладная энергия 88:3377–3388.
- Сан, А.С., Р. Дэвис, М. Старбак, А. Бен-Амоц, Р. К. Пейт и П. Т. Пиенкос. 2011. Сравнительный анализ затрат на производство водорослевого масла для биотоплива. Энергия 36:5169–5179.
- Министерство энергетики США. 2011. Обновление на миллиард тонн США: поставка биомассы для производства биоэнергии и биопродуктов. Ок-Ридж, Теннесси: Национальная лаборатория Ок-Риджа.
Американский ученый Комментарии и обсуждение
Чтобы обсудить наши статьи или прокомментировать их, пожалуйста, поделитесь ими и отметьте Американский ученый на платформах социальных сетей.Вот ссылки на наши профили в Twitter, Facebook и LinkedIn.
Если мы повторно поделимся вашим сообщением, мы будем модерировать комментарии/обсуждение в соответствии с нашей политикой комментариев.
