Переработка водорослей

Водоросли являются одними из самых важных и уникальных живых организмов в природе. Они вносят в воздух, которым мы дышим, порядка 50% кислорода, напрямую поддерживают практически всю жизнь в океане, и являются, таким образом, важнейшим элементом биосферы Земли.
Мировое производство водных растений составило в 2008г. 15,8 млн. тонн, что составляет 24,8% от общего объема мировой аквакультуры, с объемом стоимости продукции 7,4 млрд. долларов (FAO, 2010). Доминируют в этом объеме макроскопические водоросли, являющиеся сырьем для извлечения из них таких веществ, как йод, алгин и каррагинаны, использующиеся в качестве добавок в кормлении животных и питании человека.

Промышленное выращивание микроскопических водорослей главным образом сосредоточено на пресноводных родах Chlorella и Arthospira (ранее называвшимся Spirulina), из которых производят добавки для животных и человека. Культивируют также и другие микроскопические водоросли, из которых извлекают такие ценные компоненты, как витамины (С и В2), ω-непредельные жирные кислоты, натуральные пигменты и антиоксиданты (β-каротин, астаксантин, лютеин).
Несмотря на свою значимость в природе, пресноводные и морские микроскопические водоросли, которых в литературе сейчас описано порядка 40 тысяч видов, до сих пор остаются одними из наименее изученных живых организмов. Однако в настоящее время наши знания о водорослях, их жизнедеятельности и богатых возможностях их практического использования, сейчас претерпевают бурный рост. Наиболее активно развивающейся областью исследования водорослей сейчас является выращивание видов, богатых липидами, которые нужны человеку в качестве компонента биологического топлива и кормов для животных. Водоросли являются также побочным продуктом очистки сточных вод при многих производственных процессах, однако из-за присутствия в таких водорослях вредных веществ, таких как тяжелые металлы, для их утилизации в сельском хозяйстве требуются достаточно сложные и дорогостоящие мероприятия по их очистке и детоксификации.
Промышленное производство микроскопических водорослей, в виде цельных клеток или экстрактов, требует экономически эффективной технологии производства водорослевой биомассы. К тому же, партии такого продукта должны быть стабильными по качеству и производиться по биологически безопасной технологии, не допускающей их заражения вредными веществами.
Промышленное производство микроскопических водорослей ранее осуществлялось, в основном, в автотрофном режиме, в открытых каналах или прудах под открытым небом. При автотрофном росте водоросли используют энергию солнечного света для связывания углекислого газа из атмосферы, своего источника углерода, и превращения его в углеводы с одновременным выделением кислорода в качестве побочного продукта. У таких открытых систем есть ряд недостатков, включающих плохую освещенность водной толщи и загрязнение воздуха выделениями живущих в водоемах микробов, зоопланктона и сопутствующих видов водорослей. Успешное выращивание некоторых культур в таких системах стало возможнымтолько благодаря использованию нишевых условий выращивания в сочетании с хорошим пониманием физиологии этих отдельных видов.
Успешная интенсификация аутотрофного производства водорослей произошла только после создания высокоспециализированных и контролируемых закрытых (или приближающихся к закрытым) фотобиореакторов (ФБР). В таких реакторах, при полном контроле параметров состава и освещенности, продуктивность выращивания повысилась до 30 г сухой клеточной биомассы на литр объема реактора (Javanmardian and Palsson, 1991). Несмотря на этот очевидный прогресс, ФБР очень большого объема, как оказалось, не оправдывают себя с экономической точки зрения для производства дешевой и объемной конечной продукции, требующейся для кормовой и пищевой промышленности.
Если исключить из производственного процесса свет, то окажется, что для гетеротрофного выращивания водорослей подойдет любой ферментер, наподобие тех, что используются для промышленного производства лекарств, напитков и пищевых добавок. Такие ферментеры могут достигать объема в 100 тыс. л, и в них можно выращивать большие объемы высокопродуктивных водорослевых культур, которые будут намного дешевле по сравнению со световым аутотрофным производственным циклом. При гетеротрофном цикле водоросли ассимилируют в качестве источника углерода и энергии органические вещества субстрата, которыми обычно служат глюкоза, глицерин или ацетат. Эти органические вещества выделяют в митохондриях водорослей свой кислород, который служит акцептором электронов – подобно кислороду воздуха при дыхании животной клетки.
Такими производственными системами обычно довольно легко управлять, и при наличии дешевого органического источника углерода с их помощью можно получать устойчивые выходы на уровне 50-100 г сухой клеточной водорослевой биомассы на литр (Radmer & Parker, 1994), что приближает их к уровню промышленных дрожжевых ферментеров, где выход биомассы составляет до 130 г/л (Chen, 1996).