Потенциал систем на основе водорослей для биологического улавливания углерода

Этот быстрый оборот означает, что системы на основе водорослей могут секвестрировать CO2 в течение цикла дней, а не лет. Для точечного источника CO2 (например, дымового газа от электростанции на природном газе) углерод может быть непосредственно вложен в культуру, достигая скорости захвата 50-80% в зависимости от конструкции системы и эксплуатационных параметров.

Масштабируемость и гибкое развертывание

Системы выращивания водорослей бывают широкого спектра масштабов и конфигураций, от небольших фотобиореакторов (PBR), используемых в исследовательских лабораториях, до многогектарных открытых водоемов. Открытые водоемы с ипподромом являются самыми простыми и дешевыми в строительстве, состоящими из мелких, смешанных с колесами каналов. Они хорошо подходят для устойчивых видов, таких как Chlorella и Spirulina и могут быть развернуты на не пахотных землях — включая пустыни, прибрежные районы или даже заброшенные промышленные объекты. Закрытые фотобиореакторы , такие как плоские панели или трубчатые конструкции, предлагают лучший контроль над температурой, pH и загрязняющими организмами, и могут достигать более высокой плотности клеток. Гибридные конфигурации, которые объединяют открытые водоемы с закрытыми системами

Поскольку водоросли можно выращивать в морской воде, солоноватой воде или даже сточных водах, они не напрягают ресурсы пресной воды — критическое преимущество в регионах, испытывающих дефицит воды. Кроме того, водоросли можно интегрировать с существующей промышленной инфраструктурой: CO2 из пивоваренного или цементного завода можно подавать непосредственно в соседние водоемы для выращивания, что снижает как выбросы, так и транспортные расходы.

Многократные добавленные стоимость совместной продукции

В отличие от многих абиотических технологий улавливания углерода, которые просто хранят CO2 под землей, системы на основе водорослей генерируют поток биомассы, который может быть преобразован в товарные продукты.

• Биотопливо: Биодизель из липидов водорослей, биоэтанол из углеводов и биогаз из цельной биомассы посредством анаэробного пищеварения. Гидротермальное сжижение (HTL) может преобразовывать влажную биомассу в биосырую, предшественник возобновляемого дизельного и авиационного топлива.
• Животные и корма для аквакультуры: Водоросли богаты белками, незаменимыми жирными кислотами (например, DHA, EPA), витаминами и пигментами. Шизохитрии и Криптекодиний уже производится коммерчески для добавок омега-3 и кормовых добавок.
• Удобрения и поправки к почве:] Биомасса водорослей содержит азот, фосфор, калий и микроэлементы. При применении к почве она может улучшить удержание воды, микробное разнообразие и урожайность сельскохозяйственных культур.
• Биопластики и биополимеры: Полигидроксиалканоаты (PHA) и другие биоразлагаемые пластмассы могут быть синтезированы из углеводов или липидов водорослей.
• Нутрацевтики и косметика: Пигменты, такие как астаксантин, β-каротин и фикоцианин, имеют высокую рыночную стоимость в качестве антиоксидантов и красителей.
• Строительные материалы: Биомасса водорослей может быть встроена в цемент, кирпич или изоляционные панели, запирая углерод в прочные конструкции.

Получая доход от одного или нескольких из этих побочных продуктов, системы улавливания углерода водорослями могут компенсировать значительную часть их эксплуатационных расходов, что делает их более экономически жизнеспособными, чем автономный улавливание и хранение.

Экологические преимущества

Помимо улавливания углерода, выращивание водорослей предлагает несколько экологических синергий. При выращивании в сточных водах водоросли поглощают азот и фосфор, которые в противном случае способствовали бы эвтрофикации, эффективно обрабатывая стоки при производстве биомассы. Они также могут удалять тяжелые металлы и другие загрязняющие вещества посредством биосорбции. Кроме того, водоросли выделяют кислород во время фотосинтеза, улучшая качество местного воздуха. Крупномасштабная ферма водорослей может генерировать значительное количество кислорода - для справки, один гектар высокопродуктивных микроводорослей может производить достаточно кислорода примерно для 50-100 человек в год.

Основные проблемы и текущие ограничения

Высокие операционные и капитальные затраты

Несмотря на свое обещание, улавливание углерода на основе водорослей остается более дорогим, чем альтернативные методы удаления углерода во многих сценариях. Капитальные затраты фотобиореакторов могут быть высокими - порядка 100-500 долларов за квадратный метр для современных ПБР. Даже открытые пруды, которые стоят 10-50 долларов за квадратный метр, требуют значительной площади земли и рабочей силы. Операционные расходы включают питательные вещества (азот, фосфор), доставку CO2, энергию для смешивания и перекачки, сбора урожая и переработки. Уборка микроводорослей особенно сложна из-за их небольшого размера ячейки (2-20 мкм) и разбавленной концентрации (обычно 0,5-2 г / л). Центрифугирование, флоккуляция, фильтрация и флотация являются распространенными методами, но каждый добавляет стоимость и спрос на энергию.

Для систем на основе водорослей, чтобы конкурировать с другими технологиями улавливания углерода (например, прямой улавливание воздуха при ~ 250-600 долларов США за тонну CO2), необходимы прорывы в снижении затрат. Оценки широко варьируются, но текущие затраты на улавливание углерода водорослями часто находятся в диапазоне 300-1200 долларов США за тонну CO2, удаленного в зависимости от конструкции системы, местоположения и дохода от совместного продукта.

Устойчивость воды и питательных веществ

В то время как водоросли могут выращиваться в непотопляемой воде, крупномасштабное культивирование все еще требует значительных объемов воды - особенно в открытых прудах, где испарение может быть значительным (до 10-20 мм в день в засушливом климате). Использование морской воды или солоноватой воды помогает, но многие высокоценные штаммы водорослей требуют пресной воды или специфических соленостей. Питательные вещества, такие как азот и фосфор, должны поставляться непрерывно; даже если используется сточная вода, запас часто переменный и может не соответствовать стехиометрическим требованиям водорослей. Переработка культуральной среды после сбора биомассы возможна, но требует тщательной обработки для предотвращения накопления ингибирующих соединений.

Генетические и биологические ограничения

Натуральные штаммы водорослей часто имеют ограничения: они могут быть восприимчивы к хищникам (например, ротификаторы, грибы или конкурирующие водоросли), производить низкие уровни целевых соединений или иметь неэффективное использование света при высокой плотности клеток. Генная инженерия предлагает пути для решения этих проблем - например, путем чрезмерной экспрессии карбоновой ангидразы для улучшения поглощения CO2, снижения фотоингибирования или увеличения липидного выхода. Однако общественное признание и нормативные препятствия для генетически модифицированных водорослей, особенно в системах с открытым водоемом, остаются проблемами. Кроме того, инженерные штаммы могут демонстрировать снижение пригодности в условиях наружного воздуха, требуя непрерывной реинокуляции.

Практика землепользования и масштабирования

Хотя водоросли не конкурируют напрямую с продовольственными культурами, им по-прежнему требуются земли - часто плоская, солнечная местность. Для захвата значительной доли глобальных выбросов CO2 (например, 1 Гт CO2 в год) необходимая площадь культивирования будет огромной. Даже при оптимистичных предположениях о производительности (например, 50 тонн биомассы / га / год с содержанием углерода 50%), для захвата 1 Гт CO2 потребуется примерно 60 миллионов гектаров водорослей - около половины площади суши Техаса. Хотя это не невозможно, это потребует тщательного сидения, чтобы избежать конфликтов с биоразнообразием, производством продуктов питания и городским развитием. Интеграция с пустынями или деградировавшими землями является многообещающей, но создает проблемы водоснабжения и контроля пыли.

Будущие направления: технологии и инновации на горизонте

Продвинутые фотобиореакторы и интенсификация процессов

Развивающиеся конструкции биореакторов направлены на повышение производительности при одновременном снижении потребления энергии. Примеры включают тонкопленочные каскадные реакторы, плавающие фотобиореакторы, размещенные на поверхности океана, и гибридные системы, которые сочетают светоизлучающие диоды (LED) с солнечным светом для расширения фотосинтеза в ночное время. Фотобиореакторы на основе мембраны могут непрерывно отделять биомассу от воды, снижая затраты на сбор урожая. Также исследуются 3D-печатные биореакторы с оптимизированными световыми путями. Эти инновации могут снизить стоимость на тонну CO2, захваченного на 30-50% в течение следующего десятилетия.

Генная инженерия и синтетическая биология

Растущий набор инструментов синтетической биологии позволяет точно модифицировать геномы водорослей. Исследователи работают над штаммами, которые:

• Выделяют липиды или сахара непосредственно в среду роста, исключая энергоемкий сбор клеток.
• Экспресс карбоангидразы на их клеточной поверхности для усиления улавливания CO2 из разбавленных источников.
• Производить высокоценные рекомбинантные белки (например, вакцины, ферменты), которые субсидируют затраты на улавливание углерода.
• Проявляйте повышенную толерантность к высокому свету, температуре и солености, что позволяет выращивать в более экстремальных условиях.

Редактирование генов на основе CRISPR ускорило прогресс в модельных организмах, таких как Chlamydomonas reinhardtii и промышленных штаммах, таких как Nannochloropsis gaditana.

Интеграция с промышленными источниками

Одним из наиболее эффективных краткосрочных применений является объединение культивирования водорослей с концентрированными выбросами CO2 от электростанций, цементных заводов и сталелитейных заводов. Пилотные проекты, такие как проекты по Algae Systems и Global Algae Innovations , продемонстрировали, что дымовые газы могут быть непосредственно разбросаны по водорослям без чрезмерной токсичности из оксидов серы или оксидов азота. При соответствующей предварительной обработке (например, охлаждении и удалении твердых частиц) водоросли могут использовать промышленный CO2 в концентрациях 5-20%, достигая эффективности улавливания 60-90%. Экономический случай значительно улучшается, когда CO2 доступен по низкой или нулевой стоимости, поскольку он часто происходит из ферментации этанола или производства аммиака.

Выращивание водорослей на океанической основе

Макроводоросли (морские водоросли) в открытом океане предлагают другой подход к биологическому улавливанию углерода. Морские водоросли, такие как Саргассум и Макрокоцисты , растут со скоростью, сравнимой с микроводорослями, и могут быть собраны и погружены в глубокий океан (океаническая секвестрация) или преобразованы в биотопливо. Преимущество заключается в том, что не требуется никаких пресноводных, пахотных земель или азотных удобрений - на самом деле, крупномасштабное земледелие морских водорослей может помочь устранить эвтрофикацию прибрежных районов. Однако, долговечность поглощения углерода поглощающей биомассы обсуждается; некоторые исследования показывают, что часть углерода может быть повторно заморожена до достижения постоянного хранения. Исследования в глубоководном цикле углерода и методологии проверки углеродных кредитов продолжаются.