Поглощение углекислого газа микроводорослями: анализ технологий и энергетических затрат

Сокращение выбросов парниковых газов остается актуальной темой фундаментальных и прикладных научных исследований, в том числе в части анализа разработанных и применяемых технологий улавливания СО ₂ . Основное внимание уделяется методам захоронения углекислого газа в устойчивых геологических формациях, абсорбции, фильтрации и т.п. Поглощение углекислого газа в процессе фотосинтеза обычно связывают с наземной биотой, хотя у водных организмов продуктивность фотосинтеза более высокая. Использование микроводорослей как фотосинтезирующих агентов определяется, в основном, их ценностью для получения высококачественных пищевых и кормовых добавок, фармацевтических продуктов, биотоплива, однако важно рассмотреть их эффективность и в попутном поглощении СО ₂ . При производстве продуктов с длительным периодом депонирования углерода этот метод может быть включен в перечень эффективных технологий улавливания углекислого газа. Для оценки удельных затрат энергии на поглощение СО ₂ были рассмотрены апробированные методы культивирования: открытые плоскостные культиваторы [микроводоросли Arthrospira platensis, скорость роста от 20 до 40 г/м ² в сутки по сухому веществу (далее обозначается с.в.)] и цилиндрические закрытые фотобиореакторы (микроводоросли Chlorella vulgaris , скорость роста 0.7 г/дм ³ в сутки по с.в.). На основе экспериментальных результатов культивирования микроводорослей в условиях повышенных концентраций СО ₂ показано, что удельные затраты энергии находятся в диапазоне от 27 до 768 ГДж/т при культивировании микроводорослей A. platensis и от 59 до 373 ГДж/т при выращивании микроводорослей C. vulgaris . Наибольшие затраты энергии требуются для отопления и освещения плантаций микроводорослей, а также для отделения биомассы от культуральной жидкости для микроводорослей с малыми размерами клеток. Удельные энергозатраты могут быть снижены при максимальном использовании естественного освещения, сбросного тепла объектов промышленности и оптимизации систем сбора биомассы.

Abstract —Reducing greenhouse gas emissions remains a topical issue in fundamental and applied scientific research, including in terms of analyzing developed and applied CO ₂ capture technologies. The main focus is on methods of carbon dioxide burial in stable geological formations, absorption, filtration, etc. The absorption of carbon dioxide during photosynthesis is usually associated with terrestrial biota, although aquatic organisms have a higher productivity of photosynthesis. The use of microalgae as photosynthetic agents is determined mainly by their value for obtaining high-quality food and feed additives, pharmaceutical products, and biofuels, but it is important to consider their effectiveness in the associated absorption of CO ₂ . When producing products with a long carbon sequestration period, this method can be included in the list of effective carbon capture technologies. To estimate the specific energy costs for CO ₂ absorption, proven cultivation methods were considered: open-plane cultivators (microalgae Arthrospira platensis, growth rate from 20 to 40 g/m ² per day on dry matter) and cylindrical closed photobioreactors (microalgae Chlorella vulgaris , growth rate 0.7 g/dm ³ per day in dry matter). Based on experimental results of microalgae cultivation under conditions of elevated CO ₂ concentrations, it is shown that specific energy consumption is in the range from 27 to 768 GJ/t when cultivating A. platensis microalgae and from 59 to 373 GJ/t in microalgae cultivation of C. vulgaris . The greatest energy costs are required for heating and lighting microalgae plantations as well as for separating biomass from the culture liquid for microalgae with small cell sizes. Specific energy consumption can be reduced by maximizing the use of natural light and waste heat from industrial facilities and optimizing biomass collection systems.