Клеменс Постен Як водорості здешевлюють енергію?
Головна навігація
Група мікроводоростей - справжня скарбниця. Косметична, харчова та хімічна промисловість вже використовують різні продукти обміну речовин. У майбутньому зелені одноклітинні організми також повинні служити відновлювальним джерелом енергії. Але процеси, в яких збирають сировину для біодизеля, все ще занадто неекономічні для великих промислових застосувань. Як можна оптимізувати біореактори та процеси збирання? Робоча група з питань біопроцесорної інженерії проф. Клеменс Постен з Технологічного інституту Карлсруе (KIT) розробляє біопроцеси, і це передбачає, наприклад, різні дієти або легке розведення.
Мікроводорості - це одноклітинні організми, здатні перетворювати сонячну енергію в хімічну. Рухаючись фотосинтезом, вони виробляють, наприклад, різні полісахариди, білки та жирні кислоти, які вже сьогодні використовуються харчовою промисловістю як добавки або використовуються в аквакультурі як корм для риби. І косметична індустрія також любить повертатися до різнобарвного різноманіття продуктів обміну речовин у клітині водоростей. У майбутньому водорості також будуть служити джерелом біодизеля, оскільки за певних умов вони виробляють високоенергетичні олії - і в кількості до 50 відсотків власної клітинної маси.
Водорость є стійким джерелом енергії, оскільки вона виводить із повітря стільки СО2, скільки знову виділяється при її використанні. У майбутньому на величезних площах, де можна вирощувати водорості, можуть існувати біореактори. "Це бачення реалістичне", - говорить проф. Клеменс Постен, керівник відділу інженерії біопроцесів Інституту біологічних та харчових технологій Інституту технологій Карлсруе (KIT). "Але є ще кілька перешкод, які потрібно подолати на шляху".
Мабуть, ідеальні постачальники енергії
Водорості мають великі переваги перед рослинними джерелами енергії. Вони можуть перетворити до п’яти відсотків сонячної енергії світла, яку вони поглинають, у хімічну енергію. Ріпак, кукурудза та ін. Тільки близько одного відсотка. Одна з причин: лише невелика частина рослинного матеріалу може насправді фотосинтезувати; структурні елементи, такі як стебла або пагони, повинні забезпечуватися енергетичним балансом та зменшувати його. Другою великою перевагою водоростей є той факт, що їх не потрібно вирощувати для сільського господарства. Ємності, в яких вони вирощуються, можуть стояти в морі або на безплідному ґрунті. Таким чином, біотехнологія водоростей пропонує вихід із так званої дилеми плита-бак. В принципі, біодизель можна отримати, не конкуруючи з харчовою промисловістю за цінні площі. Тож водорості здаються ідеальними постачальниками енергії. Але в той час як косметичні та харчові компанії широко вирощують водорості у цистернах, енергетична галузь відстає. Чому так? "У остаточному балансі процеси виробництва біодизеля з водоростей все ще занадто дорогі", - говорить Постен.
Дослідники Клеменса Постена є технологічними інженерами. Вони зосереджені менше на біологічній стороні біотехнології водоростей, ніж на аспекті технічної обробки. За яких умов водорості ростуть найшвидше? Як збільшити вихід олій, полісахаридів чи інших цікавих речовин? Як ви зменшуєте витрати енергії і, отже, витрати? Щоб відповісти на такі запитання, дослідники побудували різні типи біореакторів навколо Пошти, в яких вони могли вирощувати та збирати водорості в контрольованих умовах. В основному, біореактори - це резервуари, які можуть бути наповнені живильним середовищем і загазовані СО2. Компанії, що базується в Карлсруе, доступні чотири простіші резервуари об'ємом від десяти до тридцяти літрів для пілотних випробувань; дослідники використовують шість менших резервуарів з високоякісним обладнанням, що складається з датчиків та світлодіодних ламп, для детального вимірювання та моделювання різних фізіологічних процесів.
Кращий вихід світла і сувора дієта
На яких етапах загального процесу існує потенціал для економії? Перш за все, Постен та його команда перевіряють темпи зростання та врожайність продуктів різних природних або генетично модифікованих штамів водоростей, які були надані їм партнерами по співпраці, такими як біотехнолог водоростей Білефельда проф. Олаф Крузе буде доступний. «Який штам найкраще росте в яких умовах освітлення, а також виробляє найбільшу кількість олій або інших молекул?» - запитує докторант Роберт Ділшнайдер. Наприклад, він ставить свої зелені тестові об'єкти на азотну або фосфорну дієту і намагається збільшити вироблення олій, оскільки водорості, як правило, спрямовують енергію сонячного світла на накопичення енергетично багатих речовин, якщо відсутність будівельних блоків білка ускладнює їх вироблення білка. Які інтенсивності світла та світло-темні візерунки є оптимальними? Щоб краще зрозуміти ефективність своїх зелених компактів, Ділшнайдер також вимірює різні фізіологічні параметри. Потім він використовує свої висновки для розробки математичних моделей фізіологічних процесів, які в свою чергу дають змогу передбачати поведінку водоростей за різних умов.
Інтегровано в дослідницькі мережі
Існує безліч гвинтів, які дослідники можуть звернути, щоб зменшити капітальні витрати технології. Наприклад, Діллшнайдер також вивчає різні процеси збирання врожаю. "Чи можна мінімізувати витрати, наприклад, шляхом запровадження напівбезперервного збору врожаю, при якому частина клітин водоростей регулярно знежирюється і замінюється свіжим поживним середовищем?", - запитує він. Постен та його робоча група також випробовують економічно ефективні матеріали для поверхонь біореакторів або процесів введення CO2. Газоутворення біореактора є важливим пулом витрат. Якщо, наприклад, при прямому введенні утворюються бульбашки, значна частина пневматичної енергії втрачається. "Зараз ми перевіряємо можливість введення CO2 в реактор через мембрани", - говорить Постен. Як саме це працює, досі залишається таємницею, оскільки наразі розглядається заявка на патент.
Усі проекти групи Posten інтегровані в національні та міжнародні дослідницькі мережі. В рамках співпраці з біологами, дослідниками матеріалів або промисловими партнерами з Німеччини та інших країн ЄС, дослідники все ближче і ближче ставляться до мети зробити водорості компонентом майбутнього коктейлю, виготовленого із стійких джерел енергії. Який прогноз з часом? "Я думаю, що біотехнологія водоростей вже може покрити значний відсоток енергетичного бюджету за шість-вісім років", - каже Постен. До речі, баланс витрат на енергію з біоетанолу сьогодні не зовсім вигідний. Політики допомагають субсидіями. Водорості, мабуть, встигнуть без фінансової ін’єкції.