Метод рециклинга питательных веществ из водорослей дешевле, экологичнее и снижает конкуренцию за удобрения
Азот и фосфаты — одни из самых больших затрат при выращивании водорослей для биотоплива. Молекулярные биологи Sandia Тодд Лейн и Райан Дэвис показали, что могут перерабатывать около двух третей этих критически важных питательных веществ, и стремятся повысить уровень рециклинга до почти 100%.
Рециклинг азота и фосфатов имеет преимущества, выходящие далеко за рамки стоимости. В то время как азот можно производить с помощью дорогостоящего процесса искусственной фиксации азота с использованием природного газа и атмосферного азота, фосфат — это ограниченный природный ресурс, который может быть токсичным в высокой концентрации.
«У нас конечное количество фосфатов в мире, но на них высокий спрос как на удобрение. Половина фосфатов, которые попадают в наши сельскохозяйственные культуры в виде удобрений, оказывается в Мексиканском заливе, способствуя образованию гипоксических зон», — сказал Лейн.
Экономические модели показывают, что замена всего 10% жидкого транспортного топлива топливом из водорослей, хотя и полезна для окружающей среды во многих отношениях, может удвоить потребление удобрений, что, в свою очередь, приведет к росту стоимости продуктов питания.
Но рециклинг фосфатов означает победу для всех: производителей биотоплива из водорослей, фермеров и окружающей среды.
«Перерабатывая фосфаты от одной партии водорослей к следующей, мы экономим деньги, больше не конкурируем с сельским хозяйством за невозобновляемый ресурс и не допускаем попадания этих фосфатов в окружающую среду», — сказал Лейн.
Осмотический шок — ключ к высвобождению фосфатов
Метод рециклинга питательных веществ Лейна и Дэвиса работает на многих различных типах сырья из водорослей, даже на смешанном. Исследователи используют довольно простой процесс — осмотический шок — для высвобождения фосфатов из культивируемых водорослей.
«Мы подвергаем водоросли шоку пресной водой, контролируя определенные условия, такие как pH и температура. Это нарушает внутреннюю структуру клетки и высвобождает естественные ферменты», — объяснил Лейн. — «Эти ферменты разрушают клетку и быстро высвобождают фосфаты».
Следующий шаг — ферментация для преобразования азота (в основном в форме аминокислот) в аммиак. Затем фосфаты и аммиак рекомбинируются — с помощью магния, присутствующего в большом количестве в биомассе водорослей — с образованием струвита, твердой соли.
В 2014 году команда Sandia доказала работоспособность метода в ходе 20-недельного непрерывного рециклинга и повторного использования фосфатов и питательных веществ. Им удалось перенести от 60 до 80% питательных веществ от партии к партии.
«Каждые две недели мы перерабатывали питательные вещества и возвращали их в следующую партию водорослей», — сказал Дэвис. — «Процесс сработал лучше, чем мы ожидали, так как мы наблюдали усиленный рост с рециклированными питательными веществами».
Экстракция липидов делает возможным рециклинг питательных веществ
Исследование рециклинга питательных веществ является частью более крупного проекта, финансируемого Управлением биоэнергетических технологий Министерства энергетики США. Партнеры команды Sandia включают Texas A&M AgriLife Research и компанию OpenAlgae, которая запатентовала методы лизиса клеток водорослей и извлечения липидов без использования растворителя.
Метод OpenAlgae подвергает клетки водорослей высокоэнергетическим электромагнитным импульсам, которые разрывают клеточные стенки и заставляют клетки лопаться, высвобождая липиды. В этом разрушенном состоянии клетки водорослей гораздо более восприимчивы к осмотическому шоку.
Процесс рециклинга питательных веществ также высвобождает больше соединений, которые можно превратить в топливо.
«В биомассе много белка, и он поглощает азот. По мере высвобождения аммиака мы также улавливаем этот углерод, чтобы его можно было превратить в топливо», — сказал Дэвис.
Улучшение и упрощение рециклинга
Лейн и Дэвис работают над дальнейшим совершенствованием своего метода, чтобы перерабатывать больше питательных веществ, включая сотрудничество с Джеймсом Ляо из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе по генетической модификации штамма для ферментации.
Другая грань проекта — разработка реакторной системы для улавливания аммиака по мере ферментации биомассы для высвобождения фосфатов. В настоящее время эти шаги выполняются отдельно.
«Цель — система "в одном котле"», — сказал Дэвис. — «Это станет переломным моментом для масштабирования нашего метода».
Позже в этом году Sandia откроет три тестовых канала (raceway) объемом 1000 литров каждый — мелкие искусственные пруды для выращивания водорослей.
«Промывка» фосфатного золота
Лейн и Дэвис считают, что их метод может помочь окружающей среде, если его применить к сельскохозяйственным стокам.
Рециклинг питательных веществ похож на промывку золота — или в данном случае фосфатов — везде, где удобренные сельскохозяйственные стоки попадают в водоемы. Ключ, по словам Лейна, — получить концентрированный сток до того, как он попадет в водоем и разбавится.
«Наш метод не может исправить существующие мертвые зоны», — сказал Лейн. — «Но он может остановить их рост. Ирония в том, что эти питательные вещества так ценны для роста растений, но так разрушительны, когда попадают в крупные водоемы. Айзек Азимов назвал фосфаты "узким местом жизни". Мы стремимся положить конец этому узкому месту».