Обращение к читателям

Часть 2. Биотопливо и другие ценные полу- и продукты из водорослей

Проф. Г. Е. Кричевский

Введение.

В первой части данной статьи освещен вопрос производства из водорослей альгинатных (альгинат – основной продукт, содержащийся в водорослях) волокон. Интерес автора к альгинату из водорослей связан с тем, что мне, как химику-технологу, близка проблема новых видов волокон, всяких и разных, а также не чужда и проблема альгината, как загустителя в текстильной печати, особенно, активных красителей [2,3]. И, наконец, альгинат из водорослей многие годы используется нами [4] в качестве основы лечебной композиции депо-материалов «Колетекс» (композиционный лечебный текстиль). За этот проект и автор, и химики-технологи, и ведущие врачи-онкологи получили премию Правительства Российской Федерации в области науки и техники за 2013 год.

Однако из водорослей, как оказалось в последние годы [5-7], можно производить разные виды биотоплива, ценные органические полупродукты, а из них - ценные лекарства, БАВы.

Также издревле и до сих пор водоросли в различных странах после механического измельчения используют как продукты питания или в качестве добавок в различные блюда. И это не удивительно, поскольку водоросли содержат различные масла, белки, полисахариды и другие ценные для питания продукты.

В таблице 1, для примера, приведено содержание белков в водорослях вида Spirulina в сравнении с традиционными продуктами питания.

Таблица 1. Содержание белков в водорослях по сравнению с «ходовыми» продуктами питания.

№№	Продукты питания	Белки на 100 г	Отношение цен к водорослям	Отношение цен производства аминокислот
1	Водоросли Spirulina	66	1	1
2	Яйца	13,2	8,23	5,1
3	Молоко	3,3	10,97	6,19
4	Картофель	1,3	45,28	26,56
5	Лук	1,2	48,30	46,30
6	Баранина	18,50	11,75	6,31

Данные таблицы 1 показывают огромные потенциальные возможности использования водорослей, как сырья для производства белковых продуктов питания, в которых испытывает дефицит значительная часть населения планеты. Реально уже активно происходит использование водорослевых белков взамен белков из сои.

Содержание в водорослях полезных продуктов зависит от вида водорослей (их множество), от условий из произрастания (естественное, искусственное, в биореакторах, питание, температура и т.д.).

В таблице 2 для сравнения приведено содержание белков (сырье для продуктов питания), углеводородов и липидов (два последних – сырье для производства биотоплива) в различных видах водорослей (% на сухой остаток).

Таблица 2. Содержание в/о белков, углеводородов и липидов (жиры) в различных видах водорослей [6].

№№	Виды водорослей	Белки	Углеводороды	Липиды
1	Spirulina platansis	46-63	8-14	4-9
2	Chlorella vulgaris	51-58	12-17	14-22
3	Anabaena clylindricae	45-56	25-30	4-7
4	Euglena gracilis	39-61	14-18	14-20

Вот вам прекрасное возобновляемое сырье для производства продуктов питания и биотоплива! Нужно только солнышко или лампы с солнечными батареями - вот и примитивное питание. И не надо покорять Арктику, добывать нефть на глубине и в жутких суровых условиях. Пора задуматься над этим и в России.

Наиболее перспективной с точки зрения выращивания и производства различных полезных (ценных) продуктов признается вид водорослей Spirulina (легко выращивается различными способами, дает большой урожай, содержит значительное количество потенциального полезного сырья).

Наиболее перспективными с учетом конъюнктуры на мировом рынке потребления топлива считается производства из водорослей различных видов биотоплива.

Самым перспективным с учетом конъюнктуры на мировом рынке потребления топлива и реально реализуемым направлением признается выращивание водорослей для производства биотоплива и производство из водорослей различных видов биотоплива. Из 1 тонны влажной биомассы водорослей можно получить до 200 литров масла, из которого путем относительно нескольких химических и биотехнологий можно будет получить различные виды биотоплива (биодизельное, «зеленое топливо») и ряд ценных органических веществ (метанол, глицериды и другие).

Впрочем, термин «биотопливо», который используется по отношению к топливу, полученному человеком по разным технологиям из растительного сырья, можно отнести к нефти и газу, которые, по всей вероятности, природой произведены тоже из растительного сырья по не до конца изученным нами технологиям.

Выращивание водорослей.

Прежде чем перерабатывать водоросли в какие-либо ценные продукты, их должны вырастить природа или человек (разные технологии выращивания).

В настоящее время, как когда-то в первые фазы цивилизации происходило одомашнивание, окультуривание различных зерновых и других растительных культур, происходит одомашнивание, окультуривание выращивания водорослей.

Зерновые человек окультурил примерно 4000 лет до н.э., «земляная» революция началась в 1944 году, генетически модифицированные зерновые появились в 2000 году.

Одомашнивание водорослей («голубая» революция – продукты из моря, рек и озер) идет по пути систематического изучения строения, поведения, состава водорослей различного вида (селекция), изучения генома водорослей, использования генной инженерии для выращивания урожайных сортов водорослей с высоким содержанием в них полезных веществ, совершенствования технологий естественного и искусственного выращивания водорослей.

Помимо самого примитивного метода собирательства водорослей на берегу и в водах морей, рек и озер (пример – сбор водорослей на берегу Белого моря близ Архангельска и переработка собранной биомассы в альгинат) используют следующие три способа искусственного выращивания водорослей в закрытых водоемах и в фотобиореакторах.

Закрытая система выращивания сильно отличается от открытой, и используется в странах с холодным климатом. Открытая система для выращивания водорослей требует температуры не ниже +15 °С, дает меньше урожая, более экономичная.

Выращивание с помощью фотобиореакторов дает большую урожайность, но требует больших затрат для начала производства (startap), как обычно для новых инженерных проектов.

Эксперты оценивают высокую экономичность получения биотоплива из водорослей сравнительно с другими способами получения биотоплива из других растений (рапс, кукуруза, пальмовые плоды и др.) и с экономикой нефти, газа и угля и предсказывают резкий рост использования водорослей в США в ближайшие 3-5 лет. В настоящее время в производстве биотоплива из водорослей в мире доля США составляет 78%, Европы 23%, все остальные страны производят 9%.

Преимущества и недостатки производства биотоплива из водорослей по сравнению с другими методами показаны в таблице 3.

Таблица 3. Преимущества и недостатки производства биотоплива из водорослей по сравнению с другими методами.

Вид организма	Преимущества	Недостатки
Водоросли	1. Содержат жирные кислоты, аналогичные растительному маслу. 2. Содержание масел достигает 85% от сухого веса биомассы. 3. Короткий цикл роста. 4. Состав достаточно простой.	1. Большинство липидов дают низкий выход топлива. 2. Стоимость получения масла выше, чем из наземных растений.
Бактерии, продуцирующие масло	1. Быстрый рост.	Большинство видов бактерий продуцируют сложные по составу липиды.
Дрожжи и грибы, продуцирующие масло	1. Ресурсы в природе безграничны. 2. Высокое содержание масла в некоторых видах. 3. Быстрый рост в различных условиях.	1. Необходимость фильтрации и культивации. 2. Сложные технологии экстракции масла. 3. Высокая стоимость культивации.
Масло из мусора свалок	Низкая стоимость масла.	Содержание большого количества насыщенных жирных кислот, трудно трансформируемых в биотопливо.

Стоимость биотоплива, получаемого из биомассы водорослей, составляет от 3 до 60 $ за галлон.

Эксперты оценивают преимущества биотоплива из водорослей по следующим соображениям:

- топливо потенциально продуцируется прямо в водорослях с помощью солнечной энергии;

- не нужно занимать площади, занятые под выращивание с/х культур;

- процесс производства легко масштабируется;

- цены готовой продукции (топлива) сравнимы с ценами на обычное топливо;

- экологическая чистота несвязанная с выделениями СО₂.

В таблице 4 показаны преимущества водорослей, как сырья для биотоплива, перед другими видами растительного сырья (выход масла с одного акра).

Таблица 4. Выход масла в галлонах на акр при переработке различных масляничных растений.

№№	Виды растений	Выход масла галлон/акр
1	Зерновые	18
2	Хлопок	35
3	Соя	48
4	Рапс	127
5	Пальма	636
6	Водоросли	1200-10000

Из биомассы выращенных тем или иным способом водорослей путем химической и биохимической переработки производят следующие полупродукты и биотопливо: триглицериды, жирные кислоты, липиды, углеводороды с длинной цепочкой, углеводы (сахара, крахмал, альгинат), этанол и другие спирты, целлюлозу и другие ценные продукты.

Как можно видеть, набор другой, но не менее ценный, чем при глубокой переработке угля (углехимия), нефти (нефтехимия), газа (газохимия).

На схеме 1 показаны химические превращения жирных кислот в биодизельное топливо.

На рис. 2 показаны несколько технологических схем переработки биомассы водорослей в биотопливо.

На рис. 3 показана общая схема выращивания в открытых водоемах и переработки водорослей до биотоплива и биогаза и побочных продуктов. Как видно, ничего не пропадает, практически это без- или (мало) отходное производство.

На рис. 4 показана детальная схема получения из биомассы водорослей полупродуктов, биотоплива и ценных органических веществ.

На рис. 5 очень подробно показаны методы переработки и многочисленные продукты переработки биомассы водорослей.

И наконец, на рис. 6 показана схема работы фотобиореактора по выращиванию водорослей и получения из них биотоплива и других продуктов.

Проблеме выращивания и переработки водорослей в различных условиях, их глубокой переработке в топливо и другие ценные продукты посвящены многие сотни публикаций последних 10 лет, организованы сотни компаний малого среднего бизнеса, функционируют плантации открытого, закрытого типа и многочисленные разновидности фитобиореакторов, в которых топливо из биомассы производиться за считанные часы. Транспорт различных видов (легковые и грузовые автомобили, самолеты, морские и речные суда), обогрев жилищ производится биотопливом из водорослей.

Кто заинтересуется этой проблемой, рекомендую заглянуть в интернет, найти Австралийскую компанию Algae.Tec.Ltd и посмотреть впечатляющие фотографии и видео работы этого комбината.

Я был восхищен! Скажу больше! Если бы я мог скинуть годков 20 (в этом году будет 82), то я бы обязательно взялся за российский проект «Топливо, волокна, продукты питания, лекарства из водорослей».

Заключение.

В мире сформировалось мощное перспективное направление – «голубая» революция – эффективное использование растений и животных морей, рек и озер в различных важнейших направлениях деятельности человека, от изучения механизма функционирования растений и животных водоемов различного вида до создания новых технологий и продуктов на этой основе (бионика) и «одомашнивания» выращивания водных растений – водорослей для производства из них биотоплива, волокон, углеводов, полисахаридов, продуктов питания, пищевых добавок, лекарств, других ценных продуктов. «Голубые» технологии экономичны (солнечная энергия прямо трансформируется в биотопливо и другие ценные продукты) и экологичны (не занимают земельные угодья, снижается содержание СО₂ в атмосфере).

Автор, как и в первой части, пытается возбудить интерес российского общества к этой проблеме, которое слишком зависит от традиционных полезных ископаемых, и предлагает гражданам России подняться реально с колен, на которых большая часть наших граждан стоит перед «трубой», наполненной нефтью и газом.

P.S. Колоссальный интерес в мире к «электрическому» транспорту (автомобили, уже самолеты) существенно изменит мир энергетики, но достоинство водорослей - в их полипотенциале использования: от топлива до продуктов питания.

Литература.

1. Г.Е.Кричевский. Волокна из водорослей. Часть 1.

2. Г.Е.Кричевский. Химическая технология текстильных материалов. Том 1. Учебник для вузов в 3-х томах. - М.: Изд-во МГУ, 2000.

3. Г.Е.Кричевский. “Физико-химические основы применения активных красителей”, Издательство «Легкая индустрия» 1977 г.

4. Направленное подведение лекарственных препаратов при лечении онкологических заболеваний. Под редакцией А.В.Бойко, Л.И.Корытовой, Н.Д.Олтаржевской. – М.: МК, 2013. – 200 с.

5. Ayhan Demirbas, Use of algae as biofuel sources, Energy Conversion and Management, Volume 51, Issue 12, December 2010.

6. Sh.shaishow and Coworkers. Biohydrogen from algae: fuel of the future. Int.Res.J. of Environment Sci. 2013, V.2 (4). 44-47.

7. J.Singh. Renewable and sustainability energy. Reviews 14 (2010), 2596-2610. 

Предложение спонсорам