PROSPECTS OF APPLICATION OF POLYMER-CERAMIC COMPOSITE IN THE PRODUCTION OF MICROALGAE

Full Text

Микроводоросли играют все более важную роль в бу- дущем для достаточного и здорового питания человека и в качестве источников энергии для производства, отопления и транспорта. В результате интенсивные исследования и производ- ство уже ведутся во всем мире в этой области. При произ- водстве красителей [4; 5], лекарств и пищевых добавок [6], биотопливо [1-3; 7; 8]. Производство уже выгодно по мно- гим составляющим. Напротив, производство источников энергии (метан, нефть, керосин и т.д.) далеко не экономично и не экологично. Например, самым перспективным видом сырья для про- изводства биотоплива являются водоросли [1]. Водоросли являются самыми быстрорастущими растениями на земле (масса за сутки удваивается), для их роста требуется легко- доступное сырье: солнечный свет, вода и диоксид углерода. Топливо из водорослей сейчас называют биотопливом треть- его поколения. Добываемое из водорослей биотопливо по своим свойствам не уступает нефти, при этом не требует бурения скважин и избавляет от экономической и политической за- висимости от нефтедобывающих стран. Как выясняется, во- доросли - надежный, дешевый и неприхотливый источник энергии. Вот почему производство биотоплива, наравне с другими возобновляемыми источниками энергии, находит- ся во главе приоритетов многих стран [2]. Предварительные расчеты показывают, что 200 тысяч гектаров прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5% автомобилей США. 200 тысяч гектаров - это менее 0,1% земель США пригодных для выра- щивания водорослей [1]. Нужно учитывать и тот факт, что водоросли, содержащие большее количество масла, растут медленнее. Например, во- доросли, содержащие 80% нефти вырастают раз в 10 дней, в то время как, водоросли, содержащие 30% - 3 раза в день [3]. Производство водорослей привлекательно еще и тем, что в ходе биосинтеза поглощается углекислый газ из атмосферы. Однако основная технологическая трудность заключается в том, что: водоросли чувствительны к изменению температуры, которая вследствие этого должна поддерживаться на определенном уровне (резкие суточные колебания не- допустимы); коммерческому применению водорослей в качестве то- плива препятствует на сегодняшний день отсутствие эффективных инструментов для эффективной сушки водорослей в больших объемах. Именно возможные пути решения этих проблем рассма- триваются в данной статье. Технологии выращивания водорослей Департамент Энергетики США исследовал водорос- ли с высоким содержанием масла по программе «Aquatic Species Program». Исследователи пришли к выводу, что Ка- лифорния, Гаваи и Нью-Мексико пригодны для промышлен- ного производства водорослей в открытых прудах. В течение 6 лет водоросли выращивались в прудах площадью 1000 м2. Пруд в Нью-Мексико показал высокую эффективность в за- хвате СО2. Урожайность составила более 50 г водорослей с 1 м2 в день [1]. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростан- ций. Сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до 77% потреб- ностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого пустынного климата. Компания BioKing приступила к серийному производству за- патентованных биореакторов по разведению водорослей, пригодных к немедленной эксплуатации, которые включают быстрорастущие водоросли с высоким содержанием масла. Испанские ученые нашли один из видов микроводорос- лей, которые способны гораздо быстрее размножаться, чем другие биологические собратья при определенном освеще- нии. Если в открытом море каждый кубометр воды прихо- дится до 300 клеток водорослей, то исследователи получили 200 млн клеток на тот же кубометр воды [1]. Специалисты Боинга считают, что оптимальным сырьем для производства биотоплива станут морские водоросли, из которых получа- ют в 150-300 раз больше масла, чем из сои. По их мнению, биотопливо из водорослей - это будущее для авиации. Так, если бы весь флот авиалиний мира по состоянию на 2004 г. использовал 100% биотопливо, полученное из морских во- дорослей, понадобилась бы 322 млрд л масла. Для выра- щивания этих водорослей необходима земля площадью 3,4 млн га. В расчете принято, что с одного гектара получает- ся 6500 л ежегодно. Для этих целей, возможно, использовать земли, которые не пригодны для выращивания пищевых сельхозкультур. В настоящее время технологии оттачиваются на следую- щих фотобиореакторах. А. Закрытые системы в стеклянных или пластиковых трубах FPA (Flat Panel Airlift). Б. Открытые системы OP (Open Pond). По крайней мере, 90% всей работы сосредоточено на те- кущих решениях А. Б, очевидно, имеет преимущество низких инвестиций, но имеет следующие недостатки: опасность бактериального загрязнения; высокая потеря воды; низкая продуктивность на 1 м2 площади - сельскохозяй- ственные площади дорогие и ценны; низкая энергия (света) - но в целом говорят об обычном свете; высокие затраты на насосы; более слабый компьютерный контроль над светом, CO2, температурой, питательными веществами, смешиванием; при покрытии OP стеклом или пленкой существует риск пе- регрева под сильным солнцем. один из самых больших факторов стоимости как для А, так и для В - огромные затраты для сушки собранных влажных микроводорослей. Строительство Большой солнечной печи (Паркент, Уз- бекистан), позволило получать материалы с уникальными свойствами [9]. Преимущество солнечных печей состоит в мгновенном достижении высокой температуры, позволяю- щей получать чистые материалы без примесей (в том числе благодаря чистоте горного воздуха). Поэтому получаемые в ней материалы характеризуются крайне высокой чистотой и отсутствием примесей. Главным отличие свойств матери- алов, получаемых в солнечной печи, наряду с чистотой, яв- ляется то, что под действием мощного потока фотонов с ши- роким набором энергий, при взаимодействии с веществом реализуются все возможные метастабильные состояния проходят все термо- и фотохимические реакции, возможные в этом диапазоне энергий. Никакой другой способ не дает возможности получать с такими уникальными свойствами, как с синтезированные под воздействие концентрированно- ΔТ, °С 15 10 5 0 -5 -10 -15 image -5 5 15 20 25 30 35 40 ΔТср, °С Рис. 1. Разность температур ∆T в камерах го солнечного излучения. Использование таких материалов позволило выйти на принципиально новый уровень во мно- гих сферах и отраслях. Это медицина, синтез материалов с комплексом заданных свойств, высокотемпературные ма- териалы, материалы с высокой термостойкостью и механи- ческой прочностью, химически стойкие материалы, матери- алы для спецоптики и др. Разработан принципиально новый механизм преоб- разования энергии первичного источника в импульсное излучение с регулируемыми параметрами, в частности, возможность регулирования фронта нарастания импульса инфракрасного (ИК) излучения. Показано, что свойства од- ного и того же химического соединения под воздействием ИК-излучения функциональной керамики с различной ско- ростью фронта нарастания импульса в корне отличаются [10]. Другими словами, фронт нарастания импульса может рассматриваться как часть синусоиды псевдо длины волны и оказывать такое же воздействие на объекты, как и излу- чение с такой же длиной волны. При этом, можно избегать многих нежелательных последствий, которые наблюда- лись бы при использовании излучения с максимумом излу- чения в этом диапазоне. Связанно это с тем, что во втором случае присутствует излучение и в довольно широком диа- пазоне частот. В качестве примера приводятся результаты по иссле- дованию температурных характеристик для трехслойного каскадного композита - первый слой представляет поли- этиленовую пленку с добавками, преобразующими ультра- фиолетовый диапазон в видимый. Это позволяет не только более эффективно использовать энергию солнечного света, но и защищает саму пленку от фотодеструкции, что значи- тельно продлевает срок ее службы. Второй слой - каркас из такой же пленки для увеличения механической прочно- сти, третий, нижний слой содержит функциональную кера- мику с наноструктурами. Суммарное содержание керамики в композите 0,5-2,5% (масс.) относительно полиэтилена. Функциональная керамика, добавленная в третий слой по- глощает солнечную энергию в широком диапазоне и пре- образует его в ИК-излучение с фронтом импульса, соответ- ствующего 9,7-10 мкм. Учитывая, что Т = 2898, длина волны соответствует примерно 290-300 К (17-27 °С). Как следует из данных рис. 1, вначале наблюдается более высокая тем- пература под композитной пленкой; при температуре 15 °С наблюдается перегиб; при температуре окружающей среды 25-27 °С температуры под композитной пленкой и контроль- ной пленкой выравниваются, а при дальнейшем повышении температуры окружающей среды наблюдается более низкая температура под композитной пленкой. из чистой полиэтиленовой пленки и трехслойного композита в зависимости от температуры окружающей среды Предложенный трехслойный композит с каскадным пре- образованием на основе оксидов железа, хрома, кальция, магния, меди и полиэтиленовой пленки существенно повы- шает процесс передачи солнечной энергии, и по сравнению с обычной пленкой имеет следующие преимущества. Обладает в определенной степени способностью ста- билизировать температуру. Позволяет эффективнее использовать солнечную энергию при выращивании растений под пленкой. Его эффективность по температуре в камере выше по сравнению с обычной пленкой, что особенно важ- но, при пасмурной и облачной погоде. Композит, в отличие от обычной полиэтиленовой пленки не запотевает, так как нагревается до более высоких температур под действием солнечной энер- гии, что затрудняет конденсацию влаги на нем. Обладает хорошей пропускной способностью красной части спектра, необходимой для фотосинтеза растений. По сравнению с однослойным композитом на той же основе, является более эффективным в повышении температуры в камере, а также значительно лучше со- храняет температуру в объеме камеры после захода Солнца. Позволяет использовать ультрафиолетовую часть спектра, что одновременно повышает срок службы композитной пленки. Максимум пропускания излучения в видимом диа- пазоне находится в области 620-700 нм, что способ- ствует переходу фитохрома растений в активную фор- му, а реабилитационные процессы идут значительно быстрее. Это открывает широкие перспективы для практического использования трехслойного композита с каскадным пре- образованием в парниках, теплицах, водонагревателях, воз- духонагревателях, и др. Было проведено эксперименталь- ное изучение некоторых теплофизических и биологически активирующих свойств изготовленных опытных образцов пленочно-керамического композита в натурных полевых условиях. Для этого в тепличном фермеровском хозяйстве «Водий нихол умиди» г. Ферганы было выбрано два участ- ка по 300 м2 с металлическими дугообразными каркасами радиусом 2,5 м и длиной 60 м. После соответствующей под- готовки каркасы покрыли пленками в два слоя с воздушным зазором толщиной 10 см. Нижний слой на первом каркасе состоял из композитной пленки с содержанием керамики в количестве, 0,5 масc. % (Пленка № 1), а на втором каркасе - аналогичной пленки с керамикой в 1,5 масс. % (Пленка № 2). Для верхнего слоя использовали обычную однослойную по- лиэтиленовую пленку толщиной 30 мкм. Оба тепличных по- мещения не отапливались [11]. Таким образом, с нашими композитными пленками для теплиц (FF.GH) и для сушки у нас уже есть первое практиче- ское решение упомянутых недостатков 1-4, 7 и 8. По Юстусу фон Либиху [12], именно здесь происходит ин- тенсификация фотосинтеза до оптимального: больше света, то есть больше энергии в спектральном диапазоне фотосинтеза от 600 до 680 нм; больше СО2, поэтому питание хорошо смешивается с водой; больше воды; благоприятная температура в узком диапазоне; оптимальное количество минералов. Чем выше (1) при постоянных температурах, тем больше поглощение (2) и (3), тем быстрее и продуктивнее рост. Это основная суть дальнейших успешных исследований и произ- водства. Одно из крупнейших и лучших в Европе хозяйств по про- изводству водорослей для медицины, косметики и питания по данным FPA имеет на 1,2 га 500 км стеклянных трубок. Это на 1 м2 41 м труб или 300 л воды с водорослями. Тем не менее, урожай составляет всего только 3,3 кг/м2 (33,3 т/га в год (сухое вещество водорослей)), но цена на производи- мую продукцию выше средней. Решение для повышения продуктивности водорослей по Б: открытая система OP (Open Pond). Есть в мире много площадей, которые не используются для сельского хозяйства, такие как пустыни, степи и т.д. Име- ются также и районы бывших карьеров электростанций бу- рого угля в Германии, например, площадью 10 000 га по ка- рьеру. Приаралье и пустыни в Узбекистане, казахстанские и российские степи. Одновременно такие районы получат оптимальную вод- ную каскадную систему. Большинство поверхностей име- ет слабый наклон (<1°), каждая под площадь, например, 100 × 100 м, на которой вода с водорослями течет вниз относительно медленно. Поток 5 см, обогащенный CO2 затем собира- ется и снова стекает по этой поверхности с помощью насосов. Над этой поверхностью, в оптимальном наклоне на высоте от 2 до 3 м, находится пленочно-керамический компо- зит на основе функциональной керамики, усиливающий фо- тосинтез и стабилизирующий температуру. Композит имеет аналогичные или идентичные свойствами для выращивания водорослей, которые в настоящее время используются для теплиц и обладает тремя основными функциями: а) усиление фотосинтеза - преобразование света из диапазона 100-600 нм в необходимый для фото- синтеза диапазон 600-680 нм; б) поддержание более низкой температуры под силь- ным солнцем - преобразование ИК из коротковолно- вого в длинноволновый диапазон; в) поддержание более высокой температуры ночью и зимой. Это дает следующие преимущества: больше энергии для фотосинтеза, следовательно, больше поглощения CO2; сбалансированную температуру окружающей среды; более быстрый рост и накопление массы; более полное использование площадей. Кактольководорослидостигнуттребуемойготовности, от- ключается поток воды. Заменяется композит «ФОТОСИНТЕЗ» композитом «СУШКА» [13] и начинается процесс сушки за счет солнечной энергии. Речь идет о солнечной сушке. Когда влажность достаточ- но низкая, высушенные водоросли собирают и запускается следующий цикл культивирования водорослей. Заключение Таким образом, требования Юстуса фон Либиха от (1) до (5) теперь могут быть выполнены в полной мере. Это означает: загрязнение воды / водорослей сводится к нулю; практически вода не теряется во время фазы фотосинтеза. Вода теряется только в фазе сушки (в принципе, ее тоже можно собрать за счет конденсации); этот процесс может быть полностью автоматизирован и программирован; производительность на килограмм сухого вещества на 1 м2, безусловно, во много раз выше, чем в классиче- ских системах FPA; затраты на сухую массу водорослей в евро/кг, безусловно, во много раз ниже, чем в классических системах FPA; нет перегрева или недостаточного охлаждения системы; разница температур сведена к минимуму; связывается относительно большое количество CO2, что способствует улучшению экологии. Обеспечение конструктивного и технологически опти- мального решения требует соответствующих исследований и разработок, связанных с финансовыми ресурсами. Воз- можно эксклюзивное сотрудничество с инвесторами, инже- нерами и учеными смежных специальностей.

About the authors

Rustam Khakimovich Rakhimov

Institute of Materials Science, “Physics-Sun”. Uzbekistan Academy of Sciences

Email: rustam-shsul@yandex.com
Doctor of Technical Sciences; Head of laboratory № 1 Tashkent, Uzbekistan

John Peter

RPE InfraTherm GmbH

Email: p.john@rpe-infratherm.de
Dr. eng., Dr.-economics. Lichtenberg, Germany

Vladimir Petrovich Yermakov

Institute of Materials Science, “Physics-Sun”. Uzbekistan Academy of Sciences

Email: labimanod@uzsci.net
senior research associate of laboratory № 1 Tashkent, Uzbekistan

Murod Rustamovich Rakhimov

Institute of Materials Science, “Physics-Sun”. Uzbekistan Academy of Sciences

Email: rustam-shsul@yandex.com
research of laboratory № 1 Tashkent, Uzbekistan

References

Supplementary files