X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В настоящее время в окружающей нас среде происходят изменения, связанные с влиянием научно-технической революции и хозяйственной деятельности человека. В свете стремительного индустриального развития XX и XXI вв. негативный эффект стал особенно заметным. За последние 100 лет значительное ухудшение экологии заставило многие компании задуматься о своей ответственности перед нашей планетой и обществом. Сегодня большинство мировых корпораций уже запустили проекты по сохранению ресурсов Земли и защите природной среды.

В последние годы в условиях реализации стратегии «зеленого», или экологически ориентированного роста развитые страны ускоренными темпами развивают «зеленые» технологии.

Так, стэнфордские специалисты в качестве биоэлектричества используют одноклеточную зелёную водоросль Chlamydomonas reinhardtii. Они изготовили очень тонкий золотой наноэлектрод, который аккуратно внедрили в водоросоль, нацеливая в хлоропласты. Клетка осталась жива. Авторы опыта показали, что могут перехватывать возбуждённые светом электроны до того момента, как те будут использованы в процессах синтеза сахаров и полисахаридов. Ток от единственной клетки достигал 1,2 пикоампера.

Человек давно извлекает накапливаемую фотосинтезирующими организмами энергию, банально сжигая дрова, а в последние годы появились более рациональные технологии вроде синтезаторов топлива, работающих на водорослях. Но Рю и его коллеги считают, что «прямое биоэлектричество» — намного более эффективный путь сбора энергии от зелёных растений, чем сжигание топлива, к тому же не ведущий к выбросу углекислого газа. Они говорят, что КПД их живой фотоэлектрической системы с перехватом достиг 20%, а теоретически может быть доведён почти до 100%. [1]

Правда, пока пронзённая клетка умирает через час, вероятно, из-за повреждённой мембраны и также из-за нехватки энергии, которую люди откачивают вовне. Группа экспериментаторов работает над изменением электрода, чтобы попытаться продлить жизнь водоросли. А в Японии в ближайшее время начнут работу первые промышленные электростанции, работающие на топливе из морских водорослей. Это итог многолетнего совместного проекта компании Tokyo Gas и японской организации по развитию энергетических и промышленных технологий NEDO. В природе существуют зеленые водоросли, способные к быстрому размножению под действием CO2. Tokyo Gas и NEDO создали систему брожения биомассы таких водорослей с применением микроорганизмов, в результате жизнедеятельности которых выделяется метан. Метан направляется в газовый двигатель, вращающий электрический генератор. На опытной станции Tokyo Gas такая установка перерабатывает тонну водорослей в день, создавая около 20 тыс. литров метана. Для повышения мощности генератора к газу, полученному от водорослей, примешивают природный газ. В результате мощность выработки составляет 10 кВт, что достаточно для снабжения 10 домов. При этом, поскольку при своем росте такие водоросли полностью поглощают углекислый газ, сжигание метана здесь не приводит к вредным выбросам. Американские специалисты пошли еще дальше. В опытной промышленной установке, работающей на одной из ТЭЦ в штате Аризона, выброс тепловой станции превращается в биодизельное горючее. Через колбы пропускают дымовой газ, полученный состав проходит через сушилку, которая отделяет воду и направляет ее обратно в биореактор. Далее из биомассы получают дизельное топливо. Можно смонтировать любое оборудование и получать метан для производства электроэнергии, как в Японии, а также спирт и водород.[2]

Не отстаёт и Россия. В России водоросли используют в космонавтике. учённые создали фотобиореактор — жизненно необходимый прибор для дальних космических полетов, который обеспечит путешественников кислородом, едой и чистым питьем. Этот прибор представляет собой прозрачный сосуд с лампочками, насосом и датчиками, в котором растут одноклеточные водоросли. На вид конструкция напоминает громоздкий блендер, а устройством — гидропонику продвинутых садоводов: в воде растворены питательные вещества и созданы наилучшие условия для размножения водорослей, за состоянием среды следят всевозможные датчики.

Хотя в фотобиореакторе можно выращивать разные водоросли, для проекта 435nm выбрали хлореллу. Все ее знают: это из-за хлореллы цветет вода в озерах. В зеленой жиже трудно распознать спасительное средство, но у хлореллы много преимуществ. Подобно другим растениям, на свету она производит необходимый для дыхания кислород, а после обработки годится в пищу. Всего за полтора-два дня хлорелла вдвое прибавляет в массе, при этом она живучая и неприхотливая. Правда, из-за этого ее просто так не поешь: плотная оболочка не растворяется в желудке и кишечнике человека. Зато хлореллой питаются рыбы, которых можно выращивать прямо на космическом корабле. А оболочки клеток можно разрушить вакуумом — питательные вещества выльются и в таком виде будут пригодны в пищу.

Предпочтения хлореллы зашифрованы в названии проекта: Шаенко и его команда выяснили, что водоросль лучше всего поглощает световые волны длиной 435 нм. Свет этот синий, и в следующем реакторе не останется красных диодов. Мощность ламп повысят до 200–300 Вт, встроят дополнительные датчики и систему автоматической очистки, чтобы водоросли не скапливались в неудобных местах, а космонавтам не приходилось разбирать установку вручную.[3]

Как выясняется, водоросли – надежный, дешевый и неприхотливый источник энергии. Вот почему производство биотоплива, наравне с другими возобновляемыми источниками энергии, находится во главе приоритетов многих стран

Есть целый ряд преимуществ микроводорослей перед другими биологическими материалами в качестве источника энергии. Их производство не требует особых затрат и усилий. Микроводоросли растут и увеличивают биомассу огромными темпами. Они живут в воде – морской и пресной, чистой и не очень. Все, что им нужно,– это вода и свет, необходимый для фотосинтеза. А для питания им нужен азот и фосфаты, которых в избытке в морской воде. Водоросли растут быстро, каждые 48 часов удваивая свой объем. Так что все, что остается – успевать их перерабатывать.

Еще одно преимущество морских микроводорослей: они используются практически без остатка. Все, что не идет на производство масел и нефти, может быть использовано в качестве корма для скота, материала для косметической продукции, производства предметов гигиены и даже биологически разлагающегося пластика. Микроводоросли способны производить сахара и масла, которые могут быть использованы в качестве сырья для различных видов биотоплива. Производство топлива из аквакультур – одна из самых молодых и перспективных отраслей энергетики. [4]

Литература

1. Исследователи напрямую получили электричество из водоросли // membrana URL: http://www.membrana.ru/particle/3942.

2. Водоросли как пища и как топливо // Econet URL: https://econet.ru/articles/149152-vodorosli-kak-pischa-i-kak-toplivo.

3. Инженер Александр Шаенко и команда проекта 435nm конструируют фотобиореактор // agronews URL: https://agronews.com/ru/ru/news/technologies-science/2018-03-15/26922.

4. Плонси Р., Барр Р Биоэлектричество: Количественный подход. Москва: "Мир", 1992.

Код для цитирования: Скопировать