Быстрая, энергоэффективная и непрерывная экстракция биотоплива из микроводорослей

Биодизель, получаемый из микроводорослей, — важная альтернатива жидкому ископаемому топливу. При сгорании он выделяет примерно столько же CO₂, сколько нефтепродукты, но этот CO₂ был недавно поглощён из атмосферы в процессе фотосинтеза, поэтому не увеличивает количество парниковых газов. Кроме того, исследования показывают, что микроводоросли производят гораздо более высокий процент биомассы в виде пригодного масла на значительно меньшей площади, чем наземные культуры. Основное препятствие для замены дизеля биодизелем — высокая стоимость производства, поэтому повышение эффективности процесса крайне важно.

Исследователи из Японии предложили снизить стоимость производства биодизеля, используя импульсные электрические поля (PEF) для экстракции углеводородов из микроводорослей. Обычно для ослабления клеточных стенок и повышения проницаемости применяют милли- или микросекундные PEF. Однако учёные из Университета Кумамото использовали наносекундные PEF (nsPEF), воздействуя не на клетки, а на матрикс (внеклеточное вещество) микроводорослей. nsPEF, как правило, требует меньше энергии, чем μs/msPEF, даже при высоких напряжениях, и не так разрушителен или затратен, как традиционный метод экстракции масла с помощью сушки.

Исследователи провели серию экспериментов с nsPEF на микроводорослях Botryococcus braunii (Bb), чтобы определить оптимальные параметры электрического поля, энергии и частоты повторения импульсов для экстракции углеводородов. Интересно, что удвоение энергии привело лишь к 10%-ному увеличению экстракции. При частоте 10 Гц оптимальными условиями на объём водорослей были признаны примерно 50 кВ/см и 55,6 Дж/мл соответственно. Также было установлено, что частота импульсов практически не влияет на процент экстракции, что позволяет быстро извлекать большие объёмы углеводородов в промышленных масштабах.

«Преимущество нашего механизма в том, что он отделяет углеводороды от матрикса, а не извлекает их из клеток. Другие микроводоросли не выделяют матрикс, поэтому для доступа к углеводородам необходимо повреждать или разрушать клеточные мембраны, что требует больше энергии и менее эффективно, чем наш метод, — пояснил ведущий исследователь, профессор Хамид Хоссейни из Института импульсной энергетики Университета Кумамото. — Кроме того, многие современные методы экстракции используют сушку, что приводит к уничтожению водорослей. Наш метод относительно неразрушителен, и микроводоросли способны восстанавливать свои колонии после завершения экстракции».

Недостатком метода является примесь полисахаридов в матриксе, которые необходимо очищать от экстрагированного углеводородного раствора. К счастью, эти молекулы можно использовать для производства биоэтанола, хотя их концентрация невелика.

Ожидается, что эта технология улучшит производство биотоплива как подходящего источника зелёной энергии.

Исследование опубликовано в онлайн-журнале BioMed Central Biotechnology for Biofuels.