Перспективы фотобиотехнологии Сравнение эффективности источников растительного биотоплива

Перспективы фотобиотехнологии

Сравнение эффективности источников растительного биотоплива [Dismukes, 2008] Источник Биодизель л/(га год) Площадь для удовлетворения современных потребностей млн. га Площадь, % от зем. суши Соя 446 10 932 72. 9 Рапс 1190 4 097 27. 3 Масличная пальма 5950 819 5. 5 Водоросли эфф. 1% 45 000 108 0. 7 Водоросли эфф. 4% 137 000 36 0. 2 1) 2) 1) Нижняя оценка дана исходя из данных эффективности превращения солнечной энергии в дизельное биотопливо при выращивании водорослей в трубчатом реакторе. 2) Верхняя оценка дана на основе максимальной эффективности водорослей.

Преимуществами водорослей являются [Dismukes, 2008]: • Способность равномерно поглощать свет и возможность проточного культивирования с непрерывным отбором. • Отсутствие в составе биомассы многих видов трудноразлагаемых биополимеров. После экстракции углеводов или липидов остается биомасса богатая белками. • Метаболическое и экологическое разнообразие, что позволяет выбрать виды наиболее подходящие для выращивания в разных условиях, обладающие определенными свойствами, необходимыми для более легкого сбора выращенной биомассы, и специфическим метаболизмом, позволяющим получать водород, этанол, или органические кислоты до этапа переработки биомассы. • Возможность управления направленностью биосинтеза (белки, углеводы, липиды) путем изменения внешних условий. • Водоросли можно выращивать на морской воде, запасы которой практически не ограничены, а для высших растений требуется ценная пресная вода, которой уже не хватает. • Водоросли не занимают сельскохозяйственные земли и тем самым не конкурируют с выращиванием пищевых и кормовых культур. • Культиваторы водорослей можно использовать для поглощения углекислого газа, вырабатываемого тепловыми электростанциями и для снижения уровня фосфора и азота в сточных водах.

Примеры закрытых систем культивирования.

Кольцевые реакторы культивирования Nannochloropsis sp. для На ближнем плане - 50 cм кольцевые реакторы; на дальнем плане – 91 см кольцевые реакторы (Zittelli et al. , 2002).

Изменение интенсивности света в культиваторе

Idealized curve of specific photosynthetic rate (P) as a function of irradiance (Ed), illustrating the maximum photosynthetic rate, Pm, and the saturation onset parameter, Ek. The variation of P/Ed (a measure of the efficiency of utilization of incident light) with irradiance value is also indicated (: : : ). (from Kirk, 1983).

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

Скорость роста в пластинчатом биофотореакторе как функция плотности потока квантов (PFD; моль м− 2 с− 1) и плотности культуры. Реакторы были освещены с обеих сторон с суммарным PFD : ○ - 270; ● - 740; □ - 1200; ◙ - 2000; Δ - 6000; ▲ - 8000 моль м− 2 с− 1.

Взаимосвязь между интенсивностью источника света, оптимальной плотностью клеток, скоростью перемешивания и скоростью получения продукции клеточной массы в Spirulina platensis (Richmond, 2004). Освещенность, моль фотонов м-2 с-1 Скорость Оптимальная перемешивания, плотность (воздух) л-1 мин-1 клеток, г л-1 Максимальная скорость получения продукции, мг л-1 час-1 500 0, 6 2, 0 4, 0 2, 0 5, 0 70 100 1800 0, 6 2, 0 4, 0 6, 0 9, 0 17, 0 200 300 400

Требования к условиям культивирования и характеристикам фототрофных микроорганизмов – биопродуцентов: • Отбор штаммов с высокой скоростью роста и большим выходом целевого продукта. • Выбор микроорганизмов (или искусственная их модификация) с малым размером светособирающего комплекса для увеличения интенсивности света, насыщающего фотосинтез (ингибирование синтеза белков ССК-I; ингибирование экспрессии Хл a – оксигеназы для снижения накопления Хл a; сверхэкспрессия Хл b редуктазы для превращения Хл b в Хл a). • Создание условий перемешивания суспензии обеспечивающих равномерное облучение клеток. • Недопущение дефицита или избытка биогенных элементов в среде культивирования. • Недопущение фотоингибирования фотосинтетического аппарата фототрофов. • Выявление и удаление ингибиторов роста, блокирующих увеличение концентрации клеток. • Генетическая модификация фототрофов для увеличения синтеза целевых продуктов (уменьшение запасания крахмала и увеличение синтеза липидов). фототрофных организмов,

Биофотореактор должен обладать: • • • простой конструкцией и изготавливаться из стандартных материалов; допускать возможность использования солнечного освещения; минимальными потерями энергии света и возможностями его регулирования; малым оптическим путем; возможностями интенсивного перемешивания суспензии, не нарушающего целостность клеток; возможностями масштабирование без изменения основных фотофизических характеристик; в конструкции биофотореактора должна быть предусмотрена возможность коррекции условий культивирования фототрофных микроорганизмов для оптимизации продукционного процесса в режиме реального времени; оценка состояния фототрофных микроорганизмов для выработки команд по коррекции работы биофотореактора должна быть основаны на измерениях оптической плотности суспензии и параметрах флуоресценции хлорофилла, отражающих эффективность работы фотосинтетического аппарата клеток (Это не исключает необходимость контролировать и другие параметры среды культивирования (р. Н, р. О 2 и др. ); коррекция режимов работы биофотоеактора должна основываться на математической модели продукционного процесса, включающей измеряемые параметры суспензии фототрофных организмов.

Лабораторный биофотореактор на ранней (слева) и поздней (справа) стадиях роста клеток

Флуоресценция хлорофилла как показатель обилия фитопланктона и эффективности работы ФС 2 Fo – флуоресценция при открытых реакционных центрах Fm – флуоресценция при закрытых реакционных центрах Fm ≥ Fo Относительная переменная флуоресценция Fv/Fm = (Fm − Fo)/Fm

1 2 9 7 10 8 11 4 6 5 3