Питательный раствор для водорослей

Питательные растворы для водорослей состоят из смеси химических солей и морской воды. ^{[ 1 ]} которые иногда называют « средой для роста Питательные растворы, » (например, раствор Хогланда вместе с углекислым газом и светом), обеспечивают материалы, необходимые для водорослей роста . Питательные растворы, в отличие от удобрений, разработаны специально для использования в водной среде и их состав гораздо точнее. ^{[ 2 ]} В единой системе биомассу водорослей можно собирать, используя углекислый газ, выделяющийся на электростанциях, и сточные воды, сбрасываемые как промышленными, так и бытовыми источниками. Этот подход позволяет одновременно использовать возможности микроводорослей как в фиксации углекислого газа, так и в очистке сточных вод. ^{[ 3 ]} Водоросли, макроводоросли и микроводоросли обещают помочь в решении важнейших глобальных проблем. Цели устойчивого развития могут быть достигнуты с помощью решений на основе водорослей, способствующих созданию здоровой глобальной экосистемы. ^{[ 4 ]}

Инфраструктура

Существует две инфраструктуры для создания решений на основе водорослей: открытые пруды /пруды с гоночными трассами или фотобиореакторы (PBR).

Фото-биореакторы

Фотобиореакторы становятся все более распространенными при выращивании водорослей, особенно для производства ценных ресурсов и мелкомасштабных экспериментальных применений. В последнее время все чаще рассматривается возможность использования фотобиореакторов для крупномасштабного производства биомассы водорослей, что обусловлено их способностью создавать идеальные условия для роста. Закрытые реакторы обеспечивают защиту от бактериального загрязнения, а использование неглубоких трубок обеспечивает эффективное использование света. Введение CO2 посредством барботирования повышает эффективность поглощения углерода, а конструкция сводит к минимуму потери воды. По сравнению с прудами с направляющими каналами фотобиореакторы демонстрируют значительно более высокие показатели производительности. ^{[ 5 ]}

Raceway (открытые) пруды

Пруды-каналы , во многом похожие на окислительные канавы, используемые в системах очистки сточных вод, представляют собой обширные открытые бассейны, отличающиеся небольшой глубиной и длиной, значительно превышающей их ширину. Обычно они состоят из бетонной оболочки, облицованной поливинилхлоридом ( ПВХ ), размеры которых варьируются от 10 до 100 метров в длину и от 1 до 10 метров в ширину, а глубина - от 10 до 50 сантиметров. Уильям Дж. Освальд был деятелем в области экологической инженерии, особенно известным своим вкладом в очистку сточных вод и выращивание водорослей. Уильям Дж. Освальд известен своими исследованиями использования водорослей для очистки сточных вод. Он выступал за интеграцию прудов с водорослями с очистными сооружениями как экономически эффективный и экологически чистый метод удаления питательных веществ и производства биомассы. В 1950-х годах Освальд отстаивал идею открытого пруда как наиболее осуществимый подход к интеграции выращивания водорослей с очисткой сточных вод. Его работа в 1950-х годах и позже помогла проложить путь к разработке и внедрению систем очистки на основе водорослей во всем мире. ^{[ 5 ]}

Процесс

Чтобы максимально эффективно использовать биомассу, крайне важно эффективно собирать водоросли в начале этапа обработки. Выбор метода сбора зависит от типа выращиваемых водорослей. Микроводоросли с их небольшим размером клеток нуждаются в более совершенных методах сбора урожая по сравнению с более крупными макроводорослями. Часто для получения конечной биомассы с нужным содержанием влаги используется комбинация методов. Обычные способы сбора водорослей включают использование микрофильтров, заставляющих частицы слипаться ( флокуляция ), позволяющих им оседать ( седиментация ), использование флотации и использование центрифуг . ^{[ 5 ]}

Преимущества

Биодизельное топливо является многообещающим конкурентом традиционному ископаемому дизельному топливу. Быстрый рост, достигающий 4–6 циклов сбора урожая в год, представляет собой заметное преимущество. В отличие от предшественников в производстве биотоплива, макроводоросли процветают в водной среде, игнорируя проблемы землепользования и потребления пресной воды. Она превосходит земную биомассу по нескольким аспектам: дает более высокие уровни углеводов и биомассы, широко распространена и позволяет избежать конкуренции с продовольственными культурами или пахотными землями. Качество побочных продуктов добавляет им привлекательности. Примечательно, что их способность связывать CO2 и легко интегрироваться в процессы очистки сточных вод усиливает аспект инициативы по устойчивой энергетике. Макроводоросли процветают в самых разных средах, от соленой воды до городских сточных вод, и не требуют ни пахотных земель, ни промышленных удобрений. Более того, их можно использовать для производства биометана посредством термической или биологической газификации , что обеспечивает гибкость в выборе биомассы. ^{[ 4 ]}

Пищевая ценность и альтернативное использование

В последние годы значительное внимание было сосредоточено на потенциале микроводорослей как источника биотоплива. Микроводоросли, дающие от 19 000 до 57 000 литров масла на акр в год, превосходя другие виды биодизельных ресурсов. Это масло затем преобразуется в биодизельное топливо с использованием традиционных методов переэтерификации . Остаточная биомасса содержит ценные компоненты, такие как липиды, белки и растворимые полисахариды. Эти компоненты можно использовать для производства бионефти , биоэтанола , биоводорода и биогаза различными термохимическими и биохимическими путями, тем самым улучшая общий энергетический баланс. ^{[ 4 ]}

Водоросли также могут служить альтернативным источником пищи для человека. Обычно он может похвастаться обильным содержанием белка, особенно в красных сортах, таких как Pyropia tenera , где он может составлять до 47% сухой массы. Эти белки ценны не только как источник диетического белка, обеспечивающего незаменимые аминокислоты, но и благодаря своим биоактивным свойствам, включая наличие специфических ферментов. Водоросли являются альтернативой желатину, а также могут быть гораздо более естественным и здоровым источником для создания продуктов с низким содержанием углеводов, глютена и жиров. ^{[ 4 ]}

Водоросли представляют собой явное преимущество перед традиционными источниками пищи и кормов, поскольку не конкурируют с ними и не требуют изменений в землепользовании. Эта характеристика делает топливо на основе водорослей многообещающим решением для облегчения дилеммы продовольствия и топлива в будущем. В отличие от других видов биотоплива, водорослевое сырье не подвержено влиянию колебаний цен на продовольственном рынке, что обеспечивает большую стабильность цен для потребителей топлива на основе водорослей. Водоросли обладают значительными перспективами из-за их быстрого роста и исключительной урожайности с гектара , значительно превосходящей урожай наземной биомассы. Известные как самые быстроразмножающиеся организмы на Земле, они могут размножаться всего за несколько часов. Проведенные исследования подчеркивают их выдающиеся возможности: темпы роста в 20–30 раз выше, чем у продовольственных культур, и дают до 30 раз больше топлива, чем альтернативные источники биотоплива. ^{[ 6 ]}

Экологическая устойчивость

Водоросли демонстрируют географическую универсальность и способны процветать в различных климатических условиях, включая самые суровые условия на Земле. Они демонстрируют адаптируемость на разных высотах, широтах и в разных географических регионах, без необходимости в сельскохозяйственно продуктивных или экологически чувствительных землях для воспроизводства. В отличие от энергетических культур, таких как масличная пальма и рапс , которые вызвали обеспокоенность по поводу устойчивости из-за конкуренции между продуктами питания и топливом и оккупации земель. Водоросли не конкурируют с сельскохозяйственными культурами за пахотные земли и могут использовать пустыри, непригодные для сельского хозяйства, благодаря своей способности адаптироваться к суровым условиям окружающей среды. Кроме того, адаптируемость позволяет выживать в промышленных, муниципальных и сельскохозяйственных сточных водах, а также на свалках, облегчая очистку сточных вод путем удаления питательных веществ, таких как азот (N) и фосфор (P), тем самым способствуя доступу населения к чистой воде. ^{[ 6 ]}

Ограничения

Воздействие на окружающую среду и проблемы управления

В водных экосистемах водоросли играют ключевую роль, используя фотосинтез для преобразования воды и углекислого газа в сахар, одновременно выделяя кислород в качестве побочного продукта. Однако неадекватное управление может привести к серьезным экологическим последствиям. Одним из результатов является цветение водорослей или эвтрофикация , вызванная главным образом стоком из наземных источников. Это приводит к чрезмерному притоку питательных веществ, способствуя разрастанию водорослей. После распада цветения водорослей бактерии потребляют значительное количество растворенного кислорода, снижая уровень кислорода в воде. Это явление может привести к образованию мертвых зон или гипоксии с минимальным содержанием кислорода или его отсутствием, что делает их непригодными для водной жизни. ^{[ 6 ]}

Проблемы в инфраструктуре выращивания водорослей

Хотя открытые пруды можно использовать для выращивания водорослей, они имеют низкую продуктивность и требуют круглогодичного выращивания. ^{[ 5 ]}PBR в основном предназначены для мелкомасштабного использования, несмотря на их высокую производительность. Ограничения также связаны с высокими требованиями к энергии и затратам как на этапе производства, так и на этапе эксплуатации. В отличие от альтернативной инфраструктуры, PBR требуют значительно большей площади поверхности для объема водорослевого бульона, что приводит к увеличению объемов материала и последующему увеличению затрат капитальной энергии. Эти факторы усиливают воздействие на окружающую среду, связанное с их реализацией. ^{[ 5 ]}

Себестоимость производства и технологические барьеры

Несмотря на огромный потенциал как макро-, так и микроводорослей в различных областях, себестоимость производства водорослевого топлива остается выше, чем ископаемого топлива. Хотя были достигнуты успехи в снижении затрат на питательные вещества за счет использования сточных вод и дымовых газов, затраты, связанные с механическим оборудованием и технологиями, остаются значительными. По сути, фундаментальные процессы, связанные с производством и коммерциализацией биотоплива из водорослей, по-прежнему остаются серьезными препятствиями. Аналогичным образом, эффективное использование химикатов, технологий, электричества и рабочей силы для производства биотоплива из микроводорослей создает серьезные проблемы. Культивирование микроводорослей как в закрытых, так и в открытых реакторах при оптимальных условиях pH, температуры и освещенности имеет решающее значение для достижения быстрого удвоения биомассы и высокой продуктивности. ^{[ 7 ]}

Проблемы обработки и доступность ресурсов

Сложные процедуры переработки клеток водорослей накладывают ограничения на их использование в качестве сырья для производства биодизеля. Следовательно, исследователи должны уделять приоритетное внимание решению этих проблем и повышению эффективности производства. Для развития водорослей необходим солнечный свет, углекислый газ, вода и различные питательные вещества, такие как азот, сера, фосфор и железо. Однако обеспечение доступности этих источников питательных веществ и поддержание подходящих условий окружающей среды в условиях меняющихся климатических условий представляет собой проблему устойчивого развития. Стоимость является еще одним серьезным препятствием, поскольку расходы, связанные с выращиванием и сбором водорослей, значительны. Использование сточных вод для выращивания водорослей становится одной из экономически эффективных стратегий. ^{[ 7 ]}

См. также

Ссылки

^ Прайс, Нил М.; Харрисон, Гейл И.; Геринг, Джанет Г.; Хадсон, Роберт Дж.; Нирель, Паскаль М.В.; Паленик, Брайан; Морель, Франсуа ММ (1 января 1989 г.). «Приготовление и химия среды для культуры искусственных водорослей Aquil» . Биологическая океанография . 6 (5–6): 443–461. Бибкод : 1989BioOc...6..443P . дои : 10.1080/01965581.1988.10749544 . ISSN 0196-5581 .
^ Биллис, Арон. «Методы выращивания водорослей Андерсена» . Техники энергетики водорослей .
^ Котари, Рича; Ахмад, Шамшад; Патхак, Винаяк В.; Панди, Арья; Кумар, Ашвани; Шанкараян, Раджу; Блэк, Пол Н.; Тяги, В.В. (01.08.2021). «Получение биотоплива на основе водорослей путем использования дымовых газов и сточных вод: устойчивый перспективный подход» . Преобразование биомассы и биопереработка . 11 (4): 1419–1442. дои : 10.1007/s13399-019-00533-y . ISSN 2190-6823 . S2CID 256112285 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Бургунньон, Натали; Бурло, Анн-Софи; Жакен, Анн-Гаэль (01 января 2021 г.), Жако, Жан-Пьер (редактор), «Глава пятая - Водоросли для глобальной устойчивости?» , Достижения в ботанических исследованиях , Темы прошлого, настоящего и будущего, том. 100, Academic Press, стр. 145–212, doi : 10.1016/bs.abr.2021.01.003 , S2CID 234294496 , получено 20 февраля 2024 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Эйткен, Дуглас; Антизар-Ладислао, Бланка (21 мая 2012 г.). «Достижение экологически чистого решения: ограничения и основные моменты для устойчивого использования водорослевого топлива» . Энергии . 5 (5): 1613–1647. дои : 10.3390/en5051613 . ISSN 1996-1073 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Чу, Кит Уэйн; Ху, Куан Шион; Фу, Хуэй Тунг; Чиа, Шир Рин; Валвекар, Рашми; Лим, Сью Ши (01 апреля 2021 г.). «Использование водорослей и его роль в развитии зеленых городов» . Хемосфера . 268 : 129322. Бибкод : 2021Chmsp.26829322C . doi : 10.1016/j.chemSphere.2020.129322 . ISSN 0045-6535 . ПМИД 33359993 . S2CID 229695126 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Алазайза, Мотасем Ю.Д.; Альбанасави, Ахмед; Аль Маскари, Тахра; Абуджазар, Мохаммед Шади С.; Башир, Мохаммед Дж.К.; Нассани, Диа Эддин; Абу Амр, Салем С. (26 января 2023 г.). «Производство биотоплива с использованием культивируемых водорослей: технологии, экономика и воздействие на окружающую среду» . Энергии . 16 (3): 1316. doi : 10.3390/en16031316 . ISSN 1996-1073 .

Внешние ссылки

Рецепты питательной среды Техасского университета .
Рецепты питательной среды Кёльнского университета
Рецепты питательных сред и наборы культуральных сред (CCMP, Лаборатория наук об океане Бигелоу)

[1] Прайс, Нил М.; Харрисон, Гейл И.; Геринг, Джанет Г.; Хадсон, Роберт Дж.; Нирель, Паскаль М.В.; Паленик, Брайан; Морель, Франсуа ММ (1 января 1989 г.). «Приготовление и химия среды для культуры искусственных водорослей Aquil» . Биологическая океанография . 6 (5–6): 443–461. Бибкод : 1989BioOc...6..443P . дои : 10.1080/01965581.1988.10749544 . ISSN 0196-5581 .

[2] Биллис, Арон. «Методы выращивания водорослей Андерсена» . Техники энергетики водорослей .

[3] Котари, Рича; Ахмад, Шамшад; Патхак, Винаяк В.; Панди, Арья; Кумар, Ашвани; Шанкараян, Раджу; Блэк, Пол Н.; Тяги, В.В. (01.08.2021). «Получение биотоплива на основе водорослей путем использования дымовых газов и сточных вод: устойчивый перспективный подход» . Преобразование биомассы и биопереработка . 11 (4): 1419–1442. дои : 10.1007/s13399-019-00533-y . ISSN 2190-6823 . S2CID 256112285 .

[:1-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Бургунньон, Натали; Бурло, Анн-Софи; Жакен, Анн-Гаэль (01 января 2021 г.), Жако, Жан-Пьер (редактор), «Глава пятая - Водоросли для глобальной устойчивости?» , Достижения в ботанических исследованиях , Темы прошлого, настоящего и будущего, том. 100, Academic Press, стр. 145–212, doi : 10.1016/bs.abr.2021.01.003 , S2CID 234294496 , получено 20 февраля 2024 г.

[:0-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Эйткен, Дуглас; Антизар-Ладислао, Бланка (21 мая 2012 г.). «Достижение экологически чистого решения: ограничения и основные моменты для устойчивого использования водорослевого топлива» . Энергии . 5 (5): 1613–1647. дои : 10.3390/en5051613 . ISSN 1996-1073 .

[:2-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с Чу, Кит Уэйн; Ху, Куан Шион; Фу, Хуэй Тунг; Чиа, Шир Рин; Валвекар, Рашми; Лим, Сью Ши (01 апреля 2021 г.). «Использование водорослей и его роль в развитии зеленых городов» . Хемосфера . 268 : 129322. Бибкод : 2021Chmsp.26829322C . doi : 10.1016/j.chemSphere.2020.129322 . ISSN 0045-6535 . ПМИД 33359993 . S2CID 229695126 .

[:3-7] Перейти обратно: ^а ^б Алазайза, Мотасем Ю.Д.; Альбанасави, Ахмед; Аль Маскари, Тахра; Абуджазар, Мохаммед Шади С.; Башир, Мохаммед Дж.К.; Нассани, Диа Эддин; Абу Амр, Салем С. (26 января 2023 г.). «Производство биотоплива с использованием культивируемых водорослей: технологии, экономика и воздействие на окружающую среду» . Энергии . 16 (3): 1316. doi : 10.3390/en16031316 . ISSN 1996-1073 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]