Выращивание микроводорослей в фотобиореакторах (ФБР) стало перспективным и устойчивым подходом к решению различных экологических и энергетических задач, предлагая множество преимуществ в самых разных областях применения. Недавние достижения в области культивирования микроводорослей в фотобиореакторах существенно способствовали развитию и оптимизации устойчивых биопроцессов.

В данном обзоре представлен всесторонний анализ последних инноваций и прорывов в области выращивания микроводорослей с особым акцентом на их применение в фотобиореакторах, направленный на создание более «зелёного» будущего.

Значение ископаемого топлива

Ископаемое топливо стало важнейшей частью современной жизни, обеспечивая производство энергии и электроэнергии и повышая уровень жизни. Однако их сжигание приводит к выбросу углекислого газа (CO2) в атмосферу, вызывая глобальные изменения климата. Саудовская Аравия является значительным источником выбросов CO2, где основными источниками являются промышленность, производство электроэнергии, транспорт и домохозяйства. Только энергетика отвечает за более 90% национальных выбросов CO2 в Саудовской Аравии от использования ископаемого топлива. В глобальном масштабе производство электроэнергии с использованием ископаемого топлива составляет одну треть всех выбросов CO2. Поэтому ученые по всему миру работают над сокращением выбросов CO2 и борьбой с глобальным потеплением.

Проблемы очистки сточных вод

По мере роста городов и расширения промышленности объем образующихся сточных вод быстро увеличивается. Очистка этих сточных вод необходима для защиты окружающей среды, так как избыток питательных веществ, таких как азот и фосфор, может привести к эвтрофикации и нанести ущерб экосистемам. Удаление этих веществ из третичных сточных вод крайне важно для снижения потребности водоемов в кислороде, защиты водной жизни и сохранения здоровья человека. Существуют различные методы удаления питательных веществ, включая фильтрацию, мембранные технологии, осаждение, процессы окисления и биологическое удаление питательных веществ. Однако эти методы могут быть дорогими и приводить к образованию опасных осадков. Одной из значительных проблем является одновременное удаление азота и фосфора из третичных сточных вод.

Роль микроводорослей

Микроводоросли — это одноклеточные организмы, которые способны преобразовывать солнечную энергию в химическую через фотосинтез, используя CO2 в качестве источника углерода. Они более эффективны в преобразовании света в энергию, чем другие растения. Микроводоросли можно выращивать в фотоавтотрофном режиме, где основным источником энергии является свет, а источником углерода — CO2. Они способны производить липиды, азот и фосфор из среды и превращать их в ценные пищевые добавки и биоактивные соединения. Использование сточных вод в качестве среды для выращивания предоставляет дополнительные преимущества, такие как удаление нитратов, фосфатов и тяжелых металлов. Микроводоросли применяются в пищевой промышленности, фармацевтике, косметике и даже для лечения рака. Они находят широкое применение в различных отраслях, включая производство пищи, фармацевтические препараты, косметику и биорафинерию.

Преимущества выращивания микроводорослей с использованием сточных вод

Выращивание микроводорослей с использованием сточных вод в процессе фотосинтеза имеет множество преимуществ:

1. Экономическая ценность третичных сточных вод с точки зрения повторного использования воды и питательных веществ.

2. Одновременное удаление азота и фосфора из сточных вод.

3. Высокая скорость роста микроводорослей — примерно в 10–50 раз выше, чем у наземных растений, что повышает эффективность преобразования CO2 в органические соединения.

4. Генерация больших объемов воды, пригодной для повторного использования на месте или за его пределами, либо безопасной для сброса в поверхностные водоемы.

5. Производство биомассы водорослей, подходящей для получения биотоплива.

Фотобиореактор — это устройство, в котором эти виды водорослей можно культивировать и собирать с контролем для достижения требуемого выхода. Основными параметрами, позволяющими управлять процессом, являются массообмен, влияние света и уровень pH. Масштабирование от лабораторного уровня до промышленного крайне необходимо для развития экономики микроводорослей. Необходимо приложить значительные усилия, чтобы понять поведение водорослей и адаптировать процессы для промышленного масштаба.

Современные достижения в инженерии микроводорослей

Развитие инженерии микроводорослей отражает прогресс, инновации и применение инженерных принципов для манипуляции и использования микроорганизмов. Проще говоря, это поиск более эффективных методов использования возможностей микроводорослей в различных областях.

Ученые работают над выведением штаммов с ускоренным ростом, повышенным содержанием ценных соединений, таких как липиды и белки, и устойчивостью к изменяющимся условиям окружающей среды. Одновременно совершенствуется конструкция и функциональность оборудования для культивирования, создавая оптимальные условия для роста и эффективного использования питательных веществ.

Оптимизация охватывает весь процесс производства микроводорослей — от выращивания до сбора и последующей переработки, с целью максимизации выхода биомассы при минимальном расходе ресурсов. Применяются методы генной инженерии для изменения генетического состава водорослей, что повышает их способность производить биотопливо или участвовать в биоремедиации, способствуя устойчивым экологическим практикам.

Кроме того, разрабатываются стратегии переработки и повторного использования ресурсов, таких как CO2 и сточные воды, в процессе культивирования микроводорослей, что снижает расход ресурсов и экономические затраты.

Преимущества и задачи, решаемые при культивировании микроводорослей в фотобиореакторах

Эффективность роста и фотосинтеза

Микроводоросли обладают высокой эффективностью фотосинтеза и значительно более быстрым ростом по сравнению с наземными растениями. Некоторые виды микроводорослей можно собирать дважды в день, а их годовой урожай может превышать урожай традиционных сельскохозяйственных культур в несколько раз. Микроводоросли способны поглощать больше CO2 из промышленных газов, чем обычные культуры, что делает их привлекательными для сокращения выбросов парниковых газов. Культивирование микроводорослей для биодизеля, продуктов питания, кормов для животных, биогаза и удобрений может приносить дополнительный доход и привлекать инвестиции. Выращивание микроводорослей в фотобиореакторах предлагает многочисленные преимущества, делая этот подход перспективным и устойчивым для различных применений.

1. Рециркуляция питательных веществ и очистка сточных вод

В развивающихся странах существует острая потребность в расширении знаний по обработке бытовых сточных вод. Метод очистки должен удовлетворять нескольким условиям: простота конструкции, использование нетехнологического оборудования, высокая эффективность удаления загрязнений и минимальные капитальные затраты. Кроме того, рост населения, быстрый процесс урбанизации, стоимость и доступность земли являются ключевыми факторами при выборе системы очистки сточных вод.

Соответствующие методы очистки сточных вод делятся на три основных типа: физические, химические и биологические. Эти процессы могут применяться как отдельно, так и в комплексе, в зависимости от характера и степени загрязнения. Фосфор, азот и углерод являются питательными веществами, необходимыми для водной жизни, но их избыток в водоемах может вызвать эвтрофикацию и токсичность.

Во вторичной очистке сточных вод основными компонентами являются азот и фосфат, которые требуют третичной обработки. Эти системы в основном биологические, где осуществляется обработка нитратов и фосфатов. Фиторемедиация подразумевает биоремедиацию или удаление отходов из окружающей среды с использованием микроводорослей. Этот подход имеет множество преимуществ по сравнению с традиционными методами очистки, которые дорогие, потребляют много энергии и создают значительное количество отходов.

Микроводоросли эффективно применяются для очистки сточных вод, так как обладают естественной способностью удалять питательные вещества, металлы и органические компоненты. Использование микроводорослей для очистки сточных вод с одновременным производством энергии представляет собой перспективный подход. Различные непатогенные виды, такие как Chlorella, Scenedesmus, Spirulina и Chlamydomonas, применяются для фиторемедиации. В настоящее время третичная очистка сточных вод с использованием микроводорослей получила широкое признание.

Микроводоросли способны одновременно удалять азот и фосфор из третичных сточных вод как в открытых, так и в закрытых фотобиореакторных системах. Они считаются прокариотическими или эукариотическими фотосинтетическими микроорганизмами, способными быстро расти и выдерживать неблагоприятные условия благодаря своей одноклеточной или простой многоклеточной структуре. Микроводоросли могут быть автотрофными, гетеротрофными или миксотрофными. Автотрофные водоросли используют фотосинтез для преобразования воды, CO2, света и минералов в кислород и биомассу.

Все виды микроводорослей встречаются не только в водной среде, но и на суше, что обеспечивает широкий спектр видов, обитающих в различных экологических условиях.

Инновационный фотобиореактор Sequential Flow Baffled Microalgal-Bacterial (SFB-AlgalBac) способствует синергетическим взаимодействиям между микроводорослевыми и бактериальными сообществами. Сочетание микроводорослей и бактерий, выращиваемых в городских сточных водах, позволило получить больше биомассы и липидов по сравнению с синтетической средой. Этот эффект объясняется присутствием микроэлементов, таких как железо и медь, в городских сточных водах, что значительно повышает продукцию биомассы и, соответственно, выход липидов.

Эффективность удаления общего азота была аналогична в синтетической и городской среде, превышая 97%. Основной целью было улучшение усвоения азота микроводорослями при обработке питательных богатых сточных вод. Лучшие показатели фотобиореактор SFB-AlgalBac продемонстрировал при расходе 5,0 л/д, соответствующем гидравлическому времени удерживания 20 дней. При этом наблюдалась максимальная скорость усвоения азота микроводорослями и наивысшая продуктивность биомассы.

2. Биофиксация и захват CO2

В ответ на проблему глобального потепления во всем мире ищут жизнеспособные решения, включая улавливание CO2 из крупных источников, чтобы предотвратить дальнейшие выбросы. Крупные источники CO2 включают сжигание ископаемого топлива, природного газа, синтетических топлив и производство водорода на основе ископаемого топлива.

Одним из перспективных методов является фотосинтетическая биофиксация CO2, которая считается экологически безопасной и энергоэффективной. В то время как наземные растения способны захватывать CO2, их медленный рост ограничивает эффективность всего 3–6% от выбросов ископаемого топлива. Микроводоросли обладают более высокой скоростью роста и могут использоваться для in-situ биоремедиации CO2, что делает их перспективным инструментом для захвата и хранения углекислого газа.

Микроводоросли могут улавливать до 1,83 кг CO2 на килограмм биомассы, что делает их ценным инструментом в борьбе с глобальным потеплением. Они используют процесс фотосинтеза, при котором CO2 и солнечный свет преобразуются в углеводы с выделением кислорода. CO2 преобразуется в липиды и углеводороды — это и есть «фиксация CO2». Вода выступает донором электронов, а кислород выделяется в процессе. Энергия света преобразуется в химическую энергию (ATP, NADPH), которая используется для синтеза органического углерода из неорганического.

3. Производство биотоплива и ценных продуктов

Производство биотоплива и ценных продуктов из микроводорослей является одним из ключевых факторов интереса к культивированию микроводорослей в фотобиореакторах. Микроводоросли предоставляют устойчивый и возобновляемый источник биотоплива и широкого спектра ценных соединений с различными промышленными применениями.

Микроводоросли обладают высоким потенциалом для производства биодизеля, биоэтанола и биогаза. Благодаря высокому содержанию липидов их биомассу можно эффективно превращать в биодизель методом переэтерификации, что повышает продуктивность и снижает конкуренцию с продовольственными культурами. Определенные виды микроводорослей производят углеводы, которые могут ферментироваться в биоэтанол, хотя процесс требует дальнейшей оптимизации. Анаэробное разложение биомассы микроводорослей дает биогаз, состоящий преимущественно из метана, который может использоваться для производства электроэнергии или как возобновляемая альтернатива природному газу.

В настоящее время США, Канада и Бразилия производят биотопливо из продовольственных ресурсов и биомассы. Однако такой подход критикуется, так как конкурирует с продовольственными потребностями человека. В качестве альтернативы используют сельскохозяйственные отходы, городские отходы, микроводоросли и другие микробные источники. Микроводорослевое биотопливо привлекает внимание как перспективная альтернатива ископаемому топливу.

4. Высокоценные продукты микроводорослей

Микроводоросли производят различные ценные продукты, полезные для разных отраслей. Например, виды Nannochloropsis и Schizochytrium богаты омега-3 жирными кислотами, включая DHA и EPA, важными для здоровья человека и широко используемыми в добавках и функциональных продуктах питания.

Микроводоросли производят пигменты (хлорофилл, каротиноиды, фикобилины), используемые в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности благодаря естественным и безопасным характеристикам. Водоросли, такие как астаксантин и спирулина, являются источниками антиоксидантов, применяемых в добавках и косметике. Биопластики на основе микроводорослей рассматриваются как устойчивые альтернативы пластикам на основе нефти, обладающие биоразлагаемостью и меньшим экологическим воздействием.

Богатое питание микроводорослей также делает их перспективными для нутрицевтиков, способствующих здоровью человека. Выделенные биоактивные соединения включают каротиноиды, фикобилины, полисахариды, омега-3 жирные кислоты и фенольные соединения.

Культивирование микроводорослей может интегрироваться с другими отраслями, такими как очистка сточных вод и электростанции, где водоросли используют CO2 и питательные вещества из сточных вод или газов, одновременно производя биотопливо и ценные продукты и способствуя очистке окружающей среды.

В фотобиореакторе необходимы три основные подачи:

1. CO2 из дымовых газов электростанций или других стационарных источников;

2. Среда для культивирования (третичные сточные воды, богатые нитратами и фосфатами);

3. Свет (естественный солнечный или искусственный источник).

Выращенная биомасса собирается, сушится и перерабатывается для производства биотоплива, удобрений, продуктов питания и других ценных продуктов. Таким образом, культивирование микроводорослей обеспечивает:

• захват CO2,

• очистку сточных вод,

• производство биотоплива и других ценных продуктов.

-----
Shaikh Abdur Razzak et al. Microalgae cultivation in photobioreactors: sustainable solutions for a greener future. Green Chemical Engineering Volume 5, Issue 4, December 2024, Pages 418-439