Микроводоросли — инновационный инструмент биоэкономики

Основным спикером семинара стала аспирантка института экологии РУДН Ирина Адарченко. Она представила доклад «Innovative Tools for Bioeconomy: the case of microalgae production». 

Производство продукции

Микроводоросли — источник ценных биоресурсов: белков, липидов, углеводов, витаминов и других полезных веществ. Однако их получение процесс многоэтапный.

Сначала микроводоросли культивируют в контролируемых условиях, будь то открытые пруды, закрытые фотобиореакторы или ферментеры. Затем биомассу, выращенную таким образом, собирают и обезвоживают. Чтобы высвободить содержимое клеток, необходимо разрушить клеточные стенки. Для этого применяются механические, химические и ферментативные методы. Далее происходит экстракция, где используются органические растворители, щелочи, кислоты и ферменты для извлечения конкретных веществ. Полученные экстракты разделяют и очищают для выделения целевых продуктов.

Например, белки высокой чистоты извлекают с помощью щелочной экстракции или ферментативного гидролиза, а Омега-3 жирные кислоты — экстракцией липидов органическими растворителями и последующим разделением. Витамины и натуральные пигменты извлекают с использованием специальных растворителей. Антиоксиданты и другие специфические вещества извлекают с использованием экстракции растворителями и хроматографии.

Сферы использования

Белки, липиды и углеводы, полученные из микроводорослей, можно использовать в пищевой промышленности. Например, в качестве добавок, ингредиентов для функционального питания и кормов для аквакультуры. Витамины, пигменты, антиоксиданты и другие биоактивные соединения — в фармацевтике, косметологии и пищевых добавках. В энергетической отрасли липиды используются для производства биодизеля, а углеводы — для биоэтанола. В сельском хозяйстве биомасса микроводорослей становится биоудобрением. Кроме того, микроводоросли применяют для очистки сточных вод, а также в производстве биоразлагаемых пластиков.

Микроводоросли в биоэкономике стали использовать по нескольким причинам:

1. Обладают высокой скоростью роста, что позволяет получать биомассу в больших объемах за короткое время.
2. Не занимают пахотных земель, так как их культивируют в культуральной среде.
3. Способны поглощать CO₂ из атмосферы, снижая парниковый эффект.
4. Могут использоваться для биоремедиации, очищая сточные воды и загрязненные территории.
5. Разнообразие видов микроводорослей, каждый из которых обладает уникальным составом, предоставляет возможность получения разнообразной продукции.

Микроводоросли обеспечивают население белками и микронутриентами, решая глобальную проблему продовольственной безопасности. Также играют важную роль в обеспечении энергетической безопасности. Они предоставляют возобновляемые источники биотоплива, что снижает зависимость от ископаемых видов топлива. Перспективы использования микроводорослей связаны с развитием новых технологий культивирования, переработки и масштабирования производства. В будущем следует ожидать появления новых биопродуктов на основе микроводорослей, а также расширения их использования в различных отраслях.

Технологии для культивирования микроводорослей

Существует несколько технологий культивирования микроводорослей:

• Открытые пруды — наиболее экономичный вариант, хотя и не обеспечивает полного контроля над условиями роста.
• Закрытые фотобиореакторы обеспечивают более контролируемые условия, высокую продуктивность и чистоту биомассы, но их стоимость значительно выше.
• Гибридные системы сочетают элементы открытых прудов и закрытых фотобиореакторов для оптимизации производственного процесса.
• Ферментеры, которые используют для выращивания некоторых видов микроводорослей в темноте с использованием органического субстрата.

Внедрение этих технологий в производство сопряжено с рядом проблем и вызовов. Так, из-за высокой стоимости производства необходимы значительные инвестиции в оборудование и инфраструктуру. Низкая продуктивность некоторых штаммов и технологий переработки требует дальнейшей оптимизации и масштабирования. Процессы культивирования и переработки весьма энергоемки, поэтому нужно искать более эффективные и экологичные способы. Немаловажен и риск эвтрофикации водоемов при использовании микроводорослей в биоремедиации, что требует строгого контроля. Помимо этого, существуют проблемы масштабирования лабораторных разработок до промышленного производства, а также сложности в логистике и хранении биомассы и полученных продуктов.