Дюжина стеклянных цилиндров, содержащих потенциальную полезную нагрузку ярко-зеленых водорослей, подвергается воздействию сотен разноцветных огней, которые обеспечивают все естественные оттенки солнечного света. Крошечные светодиоды становятся ярче и тускнеют, имитируя постоянно меняющиеся условия на улице. Для дальнейшей имитации виртуального облака, проходящего над головой, включаются охладители, которые немного охлаждают водоросли.
Новый совместный проект стоимостью около 6 миллионов долларов использует эту уникальную лабораторную систему, имитирующую климат, как часть нового оптимизированного процесса, чтобы быстро сократить кучу видов водорослей до нескольких, которые наиболее перспективны для возобновляемых видов топлива..
Выяснение того, какие виды водорослей лучше всего подходят для производства биотоплива, - непростая задача. Исследователи пытались оценить водоросли в пробирках, но часто обнаруживали, что лабораторные результаты не всегда отражают то, что происходит, когда зеленую слизь выращивают в открытых водоемах.
Проект Algae DISCOVR (сокращение от «Развитие интегрированного скрининга, оптимизация сортов и исследование валидации») испытывает новый подход, который может снизить затраты и время, необходимое для перемещения перспективных штаммов водорослей из лаборатории в производство. В конце трехлетнего пилотного проекта ученые надеются выявить четыре многообещающих штамма по крайней мере из 30 первоначальных кандидатов.
«Биотопливо из водорослей является многообещающей технологией экологически чистой энергии, но текущие методы производства являются дорогостоящими и ограничивают его использование», - сказал ведущий исследователь проекта Майкл Хюземанн из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики. «Цена на биотопливо во многом привязана к темпам роста. Наш метод может помочь разработчикам быстрее и эффективнее находить наиболее продуктивные штаммы водорослей».
Проект начался этой осенью и возглавляется PNNL из Лаборатории морских наук в Секиме, штат Вашингтон. В команду проекта входят три другие лаборатории Министерства энергетики США - Национальная лаборатория Лос-Аламоса, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии и Национальная лаборатория Сандия, а также Аризонский центр технологий и инноваций в области водорослей Университета штата Аризона.
Шаг за шагом
Ранняя работа над проектом основана на мини-фотобиореакторах Лаборатории экологических водорослей PNNL, также известных как LEAPS. Система имитирует часто меняющуюся температуру воды и условия освещения, которые происходят в открытых водоемах в любом заданном месте на земле. Система состоит из фотобиореакторов со стеклянными колоннами, которые действуют как небольшие пруды и расположены рядами, что позволяет ученым одновременно выращивать несколько различных типов штаммов водорослей. Каждый ряд мини-фотобиореакторов LEAPS подвергается воздействию уникальных температурных и световых режимов благодаря нагревателям, охладителям и теплообменникам, а также цветным огням, имитирующим спектр солнечного света, которые можно менять каждую секунду.
На первом этапе многоэтапного процесса скрининга группа использует фотобиореакторы PNNL для культивирования всех 30 рассматриваемых штаммов и оценки скорости их роста. Штаммы водорослей с подходящим ростом будут дополнительно изучены для измерения содержания в них масла, белков и углеводов, которые можно использовать для производства биотоплива. Водоросли также будут проверены на наличие ценных побочных продуктов, таких как пищевой краситель фикоцианин, который может сделать производство биотоплива из водорослей более рентабельным. Первый этап также будет включать оценку устойчивости штаммов к вредным бактериям и хищникам, которые могут убить водоросли.
Далее команда будет искать штаммы, которые производят на 20 процентов больше биомассы или органических веществ, используемых для производства биотоплива, чем два хорошо изученных штамма водорослей. Затем наиболее эффективные штаммы будут отсортированы, чтобы найти отдельные клетки, наиболее подходящие для производства биотоплива, например те, которые содержат больше масла. Эти штаммы также будут подвергаться различным стрессам, чтобы стимулировать быструю эволюцию, чтобы они могли, например, выжить при более высоких температурах в открытых водоемах летом.
Нестандартно
После прохождения этих тестов оставшиеся штаммы будут выращиваться в больших открытых прудах в Аризоне. Исследователи изучат, как рост водорослей в открытых прудах сравнивается с выходом биомассы водорослей, предсказанным на предыдущих этапах. Биомасса также будет собираться из водорослей, выращенных на открытом воздухе, для будущих исследований.
Наконец, команда продолжит изучение окончательных штаммов водорослей, которые лучше всего себя чувствуют на открытом воздухе, чтобы понять, как быстро они растут в различных условиях освещения и температуры. Затем эти данные будут введены в Инструмент оценки биомассы PNNL, который использует подробные данные с метеостанций и других источников для определения наилучших возможных мест для выращивания водорослей. Инструмент будет обрабатывать числа, чтобы помочь команде создать карты, иллюстрирующие ожидаемую продуктивность биомассы каждого вида водорослей, выращиваемых в открытых водоемах в любом месте в США
Данные и штаммы будут обнародованы в надежде, что компании, занимающиеся водорослями, и другие исследователи рассмотрят возможность выращивания наиболее продуктивных штаммов, выявленных в рамках проекта.
Этот проект поддерживается Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США.
Возможные будущие работы, не включенные в текущий проект, могут включать преобразование собранных водорослей в биотопливо, изучение операционных изменений, таких как севооборот, для дальнейшего увеличения роста биомассы, а также оценку технической осуществимости и экономических затрат на производство биотоплива из водорослей, отобранных с помощью этот процесс.