В течение шести лет в США активно проводятся исследования по продуцированию микроводорослей с высоким содержанием масла. Достигнута урожайность до 50 г микроводорослей с 1м2 водной поверхности за сутки, при содержании масла 50% от общей массы водорослей. Исследователи пришли к выводу, что возможно выращивать такие водоросли в открытых водоемах в штатах Калифорния, Нью-Мексика, на Гавайях, а также в открытых водоемах, и в малых биореакторах (рис. 1), расположенных близко к ТЭС, где имеет место значительный выброс тепла. На сегодняшний день в Канаде уже производится около 630 млн. л. масла микроводорослей за год, в Новой Зеландиии — 1 млн. л. в год.
А – Биореактор открытого типа Б – Трубчатый биореактор
Рисунок 1 – Фото биореакторов продуцирования микроводорослей для изготовления биотоплива
В Украине, в г. Днепропетровске, специалистами ОАО «БиодизельДнепр» разработана технология и оборудование для производства микроводорослей и получения масла для изготовления биотоплива.
На рис. 2 приведены фотографии биореактора для выращивания микроводорослей с высоким содержанием масла.
Рисунок 2 – Фото биореактора для производства микроводорослей ОАО «БиодизельДнепр»
ОАО «БиодизельДнепр» производит оборудование для получения биотоплива из микроводорослей различной производительности, которое состоит из накопительных емкостей, биореакторов, газогенератора СО2, устройства для разделения твердой и жидкой фаз, комплекса по производству масла, насосов, системы КИПиА, автоматики и других узлов.
Анализ масла, полученного из микроводорослей на этой установке показал, что масло по своим характеристикам подобна подсолнечного, но в ее состав входят в большем количестве пальмитиновая (40%) и олеиновая (45%) кислоты.
В таблице приведены физико-химические характеристики масла микроводорослей.
Таблица – Физико-химические характеристики масла микроводорослей
| Показатели | Единицы измерения | Значения |
| Плотность при t=25°С | кг/л | 0,9153 |
| Кинематическая вязкость t=25°С | мм2/с | 57,02 |
| Свободные жирные кислоты (по лоеиновйо кислоте М=282) | — | 1,21 |
| Содержание фосфора | мг/кг | 13 |
| Показатель йода (время реакции 1 час) | г(I)/100 | 123 |
| Пероксидное число (время реакции 1 час) | мг-экв/кг | 11,9 |
| Число омыления | мг КОН/г | 202 |
| Температура помутнения | 0С | -9 |
| Температура возгорания | 0С | 325 |
В установке предусмотрена установка ламп дневного освещения, используемые для прохождения процесса фотосинтеза в водорослях. Лампы работают от специально сконструированного дизель генератора, который в свою очередь работает на масле, получаемый из выращиваемых водорослей. С энергетической точки зрения количество энергии, которая расходуется при производстве биотоплива в установке ОАО «БиодизельДнепр» будет больше, чем энергия полученная при сжигании биотоплива. Таким образом, выращивание микроводорослей может быть энергетически выгодным только при выработке их в местах с теплым климатом, где для выращивания водорослей можно использовать энергию солнца.
Технологично доступный энергетический потенциал биодизеля в Украине
Анализ современного состояния аграрного сектора Украины показывает, что в стране существует значительный доступный энергетический потенциал для производства биотоплива. По данным приведенным в литературе технически доступный потенциал выработки биодизельного топлива из биомассы: рапса, подсолнечника и сои в Украине составляет более 37,6 ТВт • ч / год. Для этого необходима площадь для выращивания растительного сырья около 65500 км2, из которой можно получить 3,6 млн.т / год биодизельного топлива.
Оптимальные условия для выращивания зеленой водоросли Botryococcus braunii (на главном фото):
- Температура — 26-280С
- рН — нейтральная
- фотопериод — 12 часов
- голубоватого цвета свет
- интенсивность света 60 Вт / м²
- солености 0,15 М NaCl.
Основным фактором наращивания массы водоросли являются наличие высокой концентрации углекислого газа в биореакторе. При этом скорость роста клеток увеличивается в 15 раз. А при культивировании водорослей в загрязненных водоемах биомасса увеличивается вдвое.
Производство биодизеля
Рисунок 3 – Схема концептуальной модели для совместного производства биомассы и конверсии системы интеграции
Выращивание может осуществляться микроводорослевой ферме. Это является эквивалентом в изолированной системы со входом солнечного света, воздуха, углекислого газа и воды. Примерно половина сухого веса биомассы микроводорослей является углеводородным, которая фиксируется с СО2. Поэтому 1кг биомассы микроводорослей может фиксировать в себе 1,5 — 1,8 кг углекислого газа. СО2 должен подаваться непрерывно в течение дневной (осветительной) фазы. Поэтому ферма водорослей может располагаться по соседству с энергетической установкой для использования углекислого газа от процесса горения, или процесса брожения дрожжей. В таком случае также возможно регулировать поступление различных газов и жидкостей в ферму. Водоросли очень хорошо усваивают азот, фосфор, и тяжелые металлы такие как As, Cd и Cr из водного раствора.
Производство биодизеля из микроводорослей требует большого количества биомассы. Большинство водорослей — облигатные фототрофы и поэтому требуют свет их рост. Отдельные культивационных технологии, которые используются для производственный биомассы микроводорослей, развили исследователи и коммерческие производители. Фототрофные водоросли привычные выращиваются в открытых водоемах и фотобиореакторов. Открытые культуральные водоема экономически благоприятные, но поднимаются проблемы стоимости сухопутного использования и соответствующие климатические условия. Далее, проблема загрязнения грибками, бактериями и одноклеточными проще и соревнованием других микроводорослей. Фотобиореакторов предлагают закрытое окружение культуры, защищается от прямых осадков, относительно безопасного от вторжения микроорганизмов, где температуры управляются с увеличенной фиксацией CO2, который пропускается через культуру. Эта технология относительно дорогая относительно с открытыми водоемами, потому что из расходов инфраструктуры. Производственная система идеальной биомассы должна использовать свободно доступный солнечный свет.
Автор статьи: Дохторук Андрей, ст. каф. Микробиология и вирусология, Днепропетровского национального университета им. Олеся Гончара