Введение

Аквакультура, включающая выращивание водорослей.

Альгокультура – это форма аквакультуры, включающая выращивание видов водорослей. Большинство водорослей, которые намеренно культивируются, относятся к категории микроводорослей (также называемых фитопланктоном, микрофитами или планктонными водорослями). Макроводоросли, обычно известные как морские водоросли, также имеют множество коммерческих и промышленных применений, но из-за их размера и специфических требований к среде обитания, они менее пригодны для культивирования (хотя это может измениться с появлением новых культиваторов морских водорослей, которые по сути являются установками для очистки водорослей, использующими восходящие потоки пузырьков воздуха в небольших контейнерах). Коммерческое и промышленное выращивание водорослей имеет широкий спектр применений, включая производство нутрицевтических продуктов, таких как омега-3 жирные кислоты (в виде водорослевого масла) или натуральных пищевых красителей, продуктов питания, удобрений, биопластиков, химического сырья, кормов для животных и аквакультуры, богатых белком, фармацевтических препаратов и водорослевого топлива. Также альгокультура может использоваться для контроля загрязнения и естественного секвестрации углерода. Культивируемые микроводоросли уже вносят вклад в развитие широкого спектра секторов в формирующейся биоэкономике. Исследования показывают, что альгокультура обладает значительным потенциалом и преимуществами для развития здоровой и устойчивой продовольственной системы в будущем.

Еда

[[Файл:Земля и пресноводные следы для производства белка из различных источников.jpg|thumb|Выращивание водорослей может стать важной частью здоровой и устойчивой продовольственной системы.
Пурпурная лавария (Porphyra) – пожалуй, самый широко культивируемый вид морских водорослей. В Азии её используют для приготовления нори (Япония) и гима (Корея). В Уэльсе из неё делают лавербред – традиционное блюдо, а в Ирландии её собирают и варят, получая желе. Приготовление также может включать обжаривание или нагревание листьев с небольшим количеством воды и взбивание вилкой до получения розоватого желе. Сбор водорослей также ведется вдоль западного побережья Северной Америки, на Гавайях и в Новой Зеландии. Масло водорослей используется в качестве диетической добавки, поскольку эти растения производят жирные кислоты Омега-3 (и Омега-6), которые обычно содержатся и в рыбьем жире и, как было показано, оказывают положительное влияние на здоровье, включая когнитивные функции и защиту от старения мозга. Растения производят разнообразные питательные вещества и большое количество белка. Спирулина часто используется в коммерческих целях в качестве пищевой добавки. Хлорелла, еще один популярный вид микроводорослей, обладает схожим с спирулиной питательным составом. Хлорелла очень популярна в Японии и также используется в качестве пищевой добавки, потенциально влияющей на скорость метаболизма. Ирландский мох (Chondrus crispus), часто путаемый с Mastocarpus stellatus, является источником каррагинана, который используется в качестве загустителя в моментальных пудингах, соусах и молочных продуктах, таких как мороженое. Ирландский мох также используется пивоварами в качестве осветлителя. Морской салат (Ulva lactuca) используется в Шотландии, где его добавляют в супы и салаты. Дабберлокс или баддерлокс (Alaria esculenta) употребляют в пищу в свежем или приготовленном виде в Гренландии, Исландии, Шотландии и Ирландии. Aphanizomenon flos aquae – это цианобактерия, похожая на спирулину, которая используется в качестве пищевой добавки. Экстракты и масла из водорослей также используются в качестве добавок в различных пищевых продуктах. Виды саргассума представляют собой важную группу морских водорослей, богатых флоротаннинами. Кочаюйо (Durvillaea antarctica) едят в салатах и севиче в Перу и Чили. Как микроводоросли, так и макроводоросли используются для производства агара (см. ниже), который служит гелеобразователем в пищевых продуктах.

Удобрения и агары

В течение многих столетий морские водоросли использовались в качестве удобрения. Они также являются отличным источником калия для производства поташа и нитрата калия. Некоторые виды микроводорослей также могут быть использованы таким же образом. Как микроводоросли, так и макроводоросли используются для производства агара.

Контроль за загрязнением

В связи с обеспокоенностью глобальным потеплением, разрабатываются новые методы тщательного и эффективного улавливания CO2. Углекислый газ, образующийся при сжигании углеводородного топлива, может направляться в открытые или закрытые системы культивирования водорослей, где он фиксируется и стимулирует их рост. Неочищенные сточные воды могут служить дополнительным источником питательных веществ, превращая два вида загрязнений в ценные продукты. Возможно использование отходов высокой чистоты, а также углерода, извлеченного непосредственно из атмосферы, что может принести существенную пользу в борьбе с изменением климата. Исследуется возможность использования культивирования водорослей для извлечения урана/плутония и очистки сточных вод от удобрений.

Производство энергии

Бизнес, научные круги и правительства изучают возможность использования водорослей для производства бензина, биодизеля, биогаза и других видов топлива. Сами водоросли могут использоваться как биотопливо, а также для получения водорода. Микроводоросли также исследуются в целях производства водорода, например, в виде микрокапель для клеток водорослей или синергетических водорослево-бактериальных многоклеточных сфероидных микробных реакторов, способных производить кислород и водород посредством фотосинтеза на дневном свету на воздухе.

Водоросли

[[Файл:Станция выращивания микроводорослей вдоль побережья Коны Большого острова Гавайи.jpg|мини|Станция выращивания микроводорослей. Этот процесс называется аутотрофным ростом. Также можно выращивать определенные виды водорослей без света, эти виды водорослей потребляют сахара (такие как глюкоза). Это называется гетеротрофным ростом.

Температура

Вода должна поддерживаться в температурном диапазоне, подходящем для выращиваемых видов водорослей, обычно от 15°C до 35°C.

Освещение и смешивание

В типичной системе культивирования водорослей, такой как открытый пруд, свет проникает только в верхний слой воды, хотя это и зависит от плотности водорослей. По мере роста и размножения водорослей культура становится настолько густой, что блокирует проникновение света в более глубокие слои. Прямой солнечный свет слишком интенсивен для большинства водорослей, которые могут использовать лишь около 1/10 получаемого от него количества; однако, часто лучший результат для активного роста достигается при экспонировании культуры водорослей прямому солнечному свету (вместо затенения), поскольку водоросли, находящиеся под поверхностью, способны использовать больше рассеянного, менее интенсивного света, создаваемого тенью водорослей наверху. Для использования более глубоких прудов производители перемешивают воду, чтобы водоросли не оставались на поверхности. Лопастные колеса могут перемешивать воду, а сжатый воздух, подаваемый снизу, поднимает водоросли из нижних слоев. Перемешивание также помогает предотвратить переизбыток солнечного света. Другой способ обеспечения освещения – установка источников света непосредственно в систему. Световые панели, изготовленные из пластиковых или стеклянных листов и размещенные внутри резервуара, обеспечивают точный контроль интенсивности света и его более равномерное распределение. Однако из-за высокой стоимости они используются редко.

Запах и кислород

Запах, связанный с болотами, топями и другими застойными водоемами, может быть вызван истощением кислорода в результате разложения отмерших колоний водорослей. В анаэробных условиях бактерии, обитающие в водорослевых культурах, разлагают органические вещества и выделяют сероводород и аммиак, что и вызывает запах. Эта гипоксия часто приводит к гибели водных организмов. В системе, где водоросли намеренно культивируются, поддерживаются и собираются, эвтрофикация и гипоксия маловероятны. Некоторые живые водоросли и бактерии также производят пахучие химические вещества, особенно определенные цианобактерии (ранее классифицированные как сине-зеленые водоросли), такие как Anabaena. Наиболее известными из этих веществ, вызывающих запах, являются MIB (2-метилизоборнеол) и геосмин. Они придают затхлый или земляной запах, который может быть довольно сильным. В конечном итоге, гибель цианобактерий высвобождает дополнительный газ, заключенный в клетках. Эти химические вещества обнаруживаются даже в очень низких концентрациях – в диапазоне частей на миллиард – и являются причиной многих проблем с "вкусом и запахом" при очистке и распределении питьевой воды. Цианобактерии также могут производить химические токсины, представляющие проблему для качества питьевой воды.

Питательные вещества

Такие питательные вещества, как азот (N), фосфор (P) и калий (K), служат удобрением для водорослей и обычно необходимы для их роста. Кремний и железо, а также ряд микроэлементов, также могут рассматриваться как важные морские питательные вещества, поскольку недостаток любого из них может ограничивать рост или продуктивность в определенной области. Углекислый газ также является существенным; как правило, для быстрого роста водорослей требуется поступление CO2. Для роста водорослей эти элементы должны быть растворены в воде в биодоступной форме.

Выращивание в открытой системе

Пруд Расевей используется для культивирования микроводорослей. Вода поддерживается в постоянном движении с помощью механического гребного колеса. Открытая система культивирования водорослей предполагает выращивание водорослей в мелководных потоках, которые могут быть естественного происхождения или искусственно созданы. В этой системе водоросли можно выращивать в природных водоемах, таких как озера, реки и океаны, а также в искусственных прудах, изготовленных из бетона, пластика, прудовых линеров или различных других материалов. Открытая система культивирования водорослей проста и экономически выгодна, что делает ее привлекательным вариантом для коммерческого производства продуктов на основе водорослей. Открытые пруды очень восприимчивы к загрязнению другими микроорганизмами, такими как другие виды водорослей или бактерии. Поэтому культиваторы обычно предпочитают закрытые системы для монокультур. Открытые системы также не обеспечивают контроль над температурой и освещением. Вегетационный период в значительной степени зависит от местоположения и, за исключением тропических регионов, ограничен более теплыми месяцами.

Водные лагуны

Лагуна — это тип водной экосистемы, характеризующийся неглубоким водоемом, отделенным от открытого океана естественными барьерами, такими как песчаные бары, барьерные острова или коралловые рифы. Австралийская компания Cognis Australia — известная компания, специализирующаяся на производстве β-каротина из Dunaliella salina, собранной из гиперсоленых обширных прудов, расположенных в лагуне Хатт и Уайалла. Эти пруды в основном используются для очистки сточных вод, а получение D. salina является вторичным результатом.

Открытое море

Культивация морских водорослей в открытом море – это метод выращивания морских водорослей как в открытом океане, так и вдоль береговой линии на мелководье. Индустрия аквакультуры водорослей удовлетворяет коммерческий спрос на разнообразную продукцию, включая продукты питания, корма, фармацевтические препараты, косметику, биотопливо и биостимуляторы. Экстракты морских водорослей выступают в роли биостимуляторов, снижая биотический стресс и повышая урожайность сельскохозяйственных культур. Кроме того, это открывает возможности для создания продуктов питания для животных и человека, способных улучшить иммунитет и продуктивность. Культивирование морских водорослей в открытом океане – это экологически чистая технология, не требующая земли, пресной воды или химических веществ. Она также способствует смягчению последствий изменения климата за счет секвестрации CO2. Метод культивации в открытом море предполагает использование плотов или веревок, закрепленных в океане, к которым прикрепляются и растут морские водоросли. Этот метод широко применяется в коммерческом выращивании водорослей, поскольку позволяет осуществлять крупномасштабное производство и сбор урожая. Процесс культивации морских водорослей в открытом море включает несколько этапов. Сначала выбирается подходящая площадка в океане, исходя из таких факторов, как глубина воды, температура, соленость и доступность питательных веществ. После выбора площадки в воду закрепляются веревки или плоты, к которым с помощью специализированного оборудования прикрепляются посадочный материал водорослей. Затем водоросли оставляют для роста на несколько месяцев, в течение которых они поглощают питательные вещества из воды и солнечный свет посредством фотосинтеза.

Площадки для гоночных трасс

Пруды и озера типа "гоночной трассы" открыты для воздействия окружающей среды. Это один из наиболее распространенных и экономичных методов крупномасштабного культивирования водорослей, обладающий рядом преимуществ по сравнению с другими методами. Открытый пруд представляет собой неглубокий водоем прямоугольной формы, используемый для выращивания водорослей. Он спроектирован таким образом, чтобы обеспечивать циркуляцию воды по замкнутому контуру, или "гоночной трассе", что позволяет водорослям расти в контролируемых условиях. Открытая система – это экономичный метод культивирования водорослей, который относительно легко построить и обслуживать. Обычно дно пруда облицовывают синтетическим материалом, таким как полиэтилен высокой плотности (HDPE) или поливинилхлорид, для предотвращения потерь воды и питательных веществ. Пруд также оснащен мешалками или другими механическими устройствами для обеспечения перемешивания и аэрации.

HRAP

Высокопродуктивные водорослевые пруды (HRAP) — это тип открытой системы культивирования водорослей, получивший в последние годы широкое распространение благодаря своей эффективности и низкой стоимости эксплуатации. HRAP представляют собой неглубокие пруды, обычно глубиной от 0,1 до 0,4 метра, используемые для выращивания водорослей. Пруды оснащены мешалкой с лопастями или другой механической системой перемешивания, обеспечивающей смешивание и аэрацию, что способствует росту водорослей. Система HRAP также рекомендуется для очистки сточных вод с использованием водорослей.

Фотобиореакторы

Водоросли также могут выращиваться в фотобиореакторе (PBR). PBR – это биореактор, включающий источник света. Практически любой полупрозрачный контейнер можно назвать PBR; однако этот термин чаще используется для обозначения замкнутой системы, в отличие от открытого резервуара или пруда. Поскольку системы ПБР замкнуты, культиватор должен обеспечивать все питательные вещества, включая…

PBR может работать в "режиме периодического культивирования", который подразумевает пополнение реактора после каждого сбора урожая, но также возможен непрерывный рост и сбор биомассы. Непрерывная работа требует точного контроля всех параметров, чтобы предотвратить немедленный сбой. Культиватор обеспечивает стерилизованной водой, питательными веществами, воздухом и углекислым газом в необходимых количествах. Это позволяет реактору работать в течение длительного времени. Преимущество заключается в том, что водоросли, находящиеся в "фазе экспоненциального роста", как правило, имеют более высокое содержание питательных веществ, чем старые "вырождающиеся" водоросли. Культивирование водорослей – это выращивание водорослей в прудах или других водоемах. Максимальная продуктивность достигается, когда "скорость обновления среды" (время, необходимое для замены одного объема жидкости) равна "времени удвоения" (в массе или объеме) водорослей. PBR могут поддерживать культуру во взвешенном состоянии или предоставлять субстрат, на котором культура может формировать биопленку. PBR на основе биопленки имеют преимущество в том, что они могут давать значительно более высокий выход биомассы на единицу объема воды, но могут столкнуться с проблемами отделения клеток от субстрата из-за потока воды, необходимого для транспортировки газов и питательных веществ к культуре.

Плоские панели ПБР

Плоские панели ПБР состоят из серии плоских прозрачных панелей, уложенных друг на друга, что создает между ними тонкий слой жидкости. В этом тонком слое жидкости выращиваются водоросли, которые непрерывно циркулируют для обеспечения перемешивания и предотвращения застоя. Панели обычно изготавливаются из стекла или пластика и могут быть расположены в различных конфигурациях для оптимизации освещения. Плоские панели ПБР обычно используются для культивирования с низкой и средней плотностью и хорошо подходят для видов, которым требуется низкая интенсивность света и максимальная площадь поверхности для оптимального поглощения света. Контроль температуры в системе ПБР с плоской панелью осуществляется охлаждением культуры в резервуарной камере с помощью рубашки охлаждения, подающей охлажденную воду, а также распылением холодной воды на поверхность панелей.

Трубчатые РБО

Трубчатые фотобиореакторы состоят из длинных прозрачных труб, ориентированных вертикально или горизонтально. Водоросли выращиваются внутри труб, обычно изготовленных из стекла или пластика. Трубы располагаются по спирали или змеевику для увеличения площади поверхности, подвергающейся воздействию света. Циркуляция жидкости в трубопроводе может быть непрерывной или периодической для обеспечения перемешивания и предотвращения застоя. Трубчатые фотобиореакторы обычно используются для культивирования с высокой плотностью и хорошо подходят для видов, требующих высокой интенсивности освещения. Контроль температуры в трубчатом фотобиореакторе – сложная задача, которая обычно решается путем внешнего опрыскивания деионизированной водой, что обеспечивает охлаждение труб и, как следствие, снижение температуры циркулирующей внутри них культуры.

Биопленка для ПБР

К биофильмовым ПБР относятся ПБР с неподвижным слоем и пористыми субстратами. ПБР с неподвижным слоем могут иметь различные формы, включая плоские или трубчатые. В пористых субстратных биореакторах (PSBR) биофильм находится в непосредственном контакте с воздухом и получает воду и питательные вещества посредством капиллярного действия через сам субстрат. Это позволяет избежать проблем с отрывом клеток, поскольку отсутствует поток воды по поверхности биофильма. Культура может быть загрязнена переносимыми по воздуху организмами, но защита от других организмов является одной из функций биофильма.

Площадки из пластмассы

В закрытых системах культивирования водорослей V-образные пластиковые пакеты используются по нескольким причинам. Эти пакеты изготавливаются из полиэтилена высокой плотности (ПВПЭ) и предназначены для поддержания культур водорослей в замкнутой среде, обеспечивая оптимальные условия для их роста. V-образные пластиковые пакеты эффективны для выращивания различных видов водорослей, включая Chlorella, Spirulina и Nannochloropsis. Было установлено, что скорость роста и выход биомассы Chlorella vulgaris в V-образных пластиковых пакетах выше, чем в пакетах любой другой формы. Различные конструкции фотобиореакторов (PBR) на основе пластиковых пакетов разрабатываются путем герметизации пакетов в разных местах, что приводит к созданию плоских подвесных пакетов, V-образных подвесных пакетов, горизонтально расположенных пакетов, которые функционируют как плоские PBR-системы и т.д. Предложено множество конструкций на основе пластиковых пакетов, но лишь немногие используются в коммерческом масштабе из-за их низкой продуктивности. Работа с пластиковыми пакетами трудоемка, поскольку для поддержания стерильности их необходимо заменять после каждого цикла использования, что является сложной задачей для крупных производств.

Уборка урожая

Водоросли можно собирать с помощью микроэкранов, центрифугирования, флокуляции и флотации пены. Прекращение подачи углекислого газа может вызвать самопроизвольную флокуляцию водорослей, называемую "автофлокуляцией". "Хитозан", коммерческий флокулянт, который чаще используется для очистки воды, значительно дороже. Порошкообразные панцири ракообразных перерабатываются для получения хитина – полисахарида, содержащегося в панцирях, из которого хитозан получают путем деацетилирования. Для воды с более высокой соленостью требуется большее количество флокулянта. Флокуляция часто оказывается слишком дорогой для крупномасштабных операций. В качестве химических флокулянтов используются квасцы и хлорид железа. При флотации пены культиватор насыщает воду воздухом, образуя пену, а затем снимает водоросли с поверхности. Ультразвуковые и другие методы сбора урожая в настоящее время находятся в стадии разработки.

Добыча нефти

Масла водорослей имеют разнообразные коммерческие и промышленные применения и извлекаются различными способами. Оценки стоимости извлечения масла из микроводорослей варьируются, но, скорее всего, она примерно в три раза выше, чем стоимость извлечения пальмового масла.

Физическая добыча

На первом этапе экстракции масло необходимо отделить от остальной части водорослей. Самый простой метод – механическое измельчение. При высушивании водоросли сохраняют содержание масла, которое затем можно "отжать" с помощью масляного пресса. Различные штаммы водорослей требуют разных методов прессования масла, включая использование шнекового пресса, экструдера и поршневого пресса. Многие коммерческие производители растительного масла используют комбинацию механического прессования и химических растворителей для извлечения масла, и этот подход часто применяется и для извлечения масла из водорослей. Осмотический шок – это резкое снижение осмотического давления, которое может привести к разрыву клеток в растворе. Осмотический шок иногда используется для высвобождения клеточных компонентов, таких как масло. Ультразвуковая экстракция, являющаяся частью сонохимии, может значительно ускорить процессы экстракции. С помощью ультразвукового реактора ультразвуковые волны используются для создания кавитационных пузырьков в растворителе. Когда эти пузырьки схлопываются вблизи клеточных стенок, возникающие ударные волны и струи жидкости разрушают эти стенки и высвобождают их содержимое в растворитель. Ультразвуковая обработка может усиливать базовую ферментативную экстракцию.

Химическая экстракция

При извлечении масел часто используются химические растворители. Недостатком использования растворителей для извлечения масел являются опасности, связанные с работой с химическими веществами. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать воздействия паров и контакта с кожей, что может привести к серьезному ущербу для здоровья. Химические растворители также представляют собой опасность взрыва. Распространенным выбором является гексан, который широко используется в пищевой промышленности и относительно недорог. Бензол и эфир также могут использоваться для разделения масел. Бензол классифицируется как канцероген. Другой метод экстракции химическими растворителями – экстракция по Сокслету. В этом методе масла из водорослей извлекаются путем многократной промывки, или перколяции, органическим растворителем, таким как гексан или нефтяной эфир, под рефлюксом в специальной стеклянной аппаратуре. Ценность этой техники заключается в том, что растворитель используется повторно в каждом цикле. Ферментативная экстракция использует ферменты для разрушения клеточных стенок, при этом вода выступает в качестве растворителя. Это значительно облегчает фракционирование масла. Стоимость этого процесса экстракции, по оценкам, значительно выше, чем экстракция гексаном. Сверхкритический CO2 также может использоваться в качестве растворителя. В этом методе CO2 сжижается под давлением и нагревается до состояния, когда он становится сверхкритическим (обладая свойствами как жидкости, так и газа), что позволяет ему действовать как растворитель. Другие методы все еще разрабатываются, включая методы для извлечения определенных типов масел, таких как масла с высоким содержанием длинноцепочечных высоконенасыщенных жирных кислот.