1. Микробиологическое получение первичной биомассы

Как следует из табл. 6, получение биомассы в оптимальных условиях культивирования микроводорослей существенно эффективнее по КПД преобразования солнечной энергии. В работе [132] отмечены также следующие преимущества культивации микроводорослей для целей получения первичной биомассы.

1) Продуктивность биосинтеза в микроводорослях существенно выше, чем у известных сельскохозяйственных систем.

2) Высокопродуктивное культивирование водорослей может быть организовано на землях, не приспособленных для сельскохозяйственного производства.

3) Технологическое производство микроводорослей имеет высокое потенциальное значение с точки зрения получения белка.

4) Использование синезеленых азотфиксирующих цианобактерий, таких как Anabaena, принципиально способно обеспечить восстановление азота до аммиака и тем самым обеспечить фиксацию атмосферного азота.

Предельный теоретический коэффициент полезного действия преобразования солнечной энергии для микроводорослей, также как и для всего растительного фотосинтеза, равен ∼30% по фотосинтетически активной радиации. Это определяется двухквантовым характером первичных процессов фотосинтеза.

В целом энергетическая эффективность фотосинтеза определяется спектральными характеристиками пигментов, квантовой эффективностью первичных процессов, метаболическими потеряли, что приводит к потере общей эффективности конверсии [133-136].

В настоящее время имеется определенный опыт технологического культивирования микроводорослей [138-144]. Культивирование микроводорослей связано с определенными энергетическими затратами. Представляет интерес сравнение энергетических, потерь с запасенной энергией (табл. 7).

Таблица 7. Энергетический баланс технологического производства микроводорослей (затраты на перемешивание, использование насосов, концентрирование и фильтрацию) [132, 141]

^* (Энергоемкость продукта 23,03 кДж/г.

а) ГДР; б) Болгария; в) ожидаемый максимальный выход.)

Одна из существенных проблем в культивировании микроводорослей связана с концентрированием и фильтрацией биомассы. В настоящее время развита техника, позволяющая делать это достаточно эффективно [138-145]. Таким образом, энергозатраты на культивацию микроводорослей существенно меньше запасенной энергии. Общая эффективность преобразования энергии в такого рода системах составляет 4-10% по фотосинтетической активной радиации [141, 142].

Колоссальные резервы производства биомассы связаны с использованием морских фототрофных организмов. В целом морской фотосинтез достаточно малоэффективен (см. табл. 5). Однако выход конечных продуктов может быть существенно увеличен. Одна из наиболее интересных идей, которая в настоящее время получила экспериментальное обоснование, связана с использованием глубинных слоев воды, с одной стороны, для культивирования фитопланктона, с другой стороны, для получения энергии на основе использования температурного градиента воды. Обнаружено, что на глубине около одного километра по химическому составу вода содержит повышенные концентрации солей, составляющих основу минерального питания. Глубинные воды можно использовать для культивирования фитопланктона (табл. 8).

Таблица 8. Концентрации минеральных солей (мг/л) у поверхности и на глубине 870 м [146]

Результаты экспериментов, проведенных на островах Вирджинии, США, приведены в табл. 9 (для сравнения в таблице указаны характеристики наиболее эффективного земного фотосинтеза [146]).

Таблица 9. Первичная продуктивность гектара в год (330 дней) [146]

Из таблицы 9 видно, что энергозатраты на производство фитопланктона соизмеримы с затратами для производства сельскохозяйственных культур, однако общий выход биомассы (в том числе белка) для морского фотосинтеза намного выше. Это позволяет иметь интенсивное производство. Существенно, что в последнем случае нет необходимости использовать энергоемкие минеральные удобрения.

Следует отметить, что производство первичной биомассы микробиологическим путем при использовании микроводорослей может быть значительно интенсифицировано в оптимальных условиях процесса. В искусственных условиях при оптимальном содержании углекислоты и минеральных солей КПД фотосинтеза для микроводорослей может достигать 10-13% (по фотосинтетически активной радиации). Наивысший КПД ∼8% (по общей радиации) был получен в работе [123] при использовании двухслойного фотосинтетического культиватора. В настоящее время известны технические устройства [147], работающие на аналогичном принципе. Это создает условия эффективного использования солнечной энергии микробиологическим путем с получением первичной биомассы.