Algi jako obiecujący surowiec do zrównoważonej biokatalitycznej produkcji paliw
Mimo że biopaliwo jest obiecującym kandydatem na paliwo przyszłości, obecnie do jego wytwarzania wykorzystuje się głównie rośliny spożywcze. Niestety, prowadzi to do stosowania intensywnych praktyk rolniczych, które skutkują utratą bioróżnorodności. Co więcej, ilość roślin potrzebna do wyprodukowania 120 litrów bioetanolu starczyłaby do wyżywienia jednej osoby przez cały rok. W ramach finansowanego przez UE projektu Photofuel opracowano alternatywę: biokatalizatory oparte na genetycznie modyfikowanych algach. W tym celu zespół badawczy hodował algi w słonej wodzie w zamkniętych fotobioreaktorach, w których z CO2, światła słonecznego i wody wytwarzane były cząsteczki paliwa. Po wydaleniu z komórek alg cząsteczki te były zbierane z powierzchni wody i w tej postaci mogły być wykorzystane jako paliwo. „Nasza metoda produkcji jest wysoce zrównoważona. Tego typu instalacja może funkcjonować na terenach zdegradowanych, a ponadto wykorzystuje słoną wodę, więc nie zajmuje gruntów ani nie zużywa zasobów wodnych potrzebnych do produkcji żywności”, wyjaśnia koordynatorka projektu Hilke Heinke z firmy Volkswagen będącej gospodarzem projektu. Kolejnego przełomu dokonano dzięki metodzie bioderywatyzacji, w ramach której po dodaniu pojedynczego genu udało się ze stosunkowo toksycznego związku, jakim jest oktanol, uzyskać octan oktylu – związek, który jest mniej toksyczny i łatwiejszy do oddzielenia w fotobioreaktorze.
Zalety alg
Nawet bez pomocy ze strony inżynierii genetycznej algi są wysoce wydajne pod względem fotosyntezy, ale aby jeszcze bardziej zwiększyć wydajność produkcji paliwa, partnerzy projektu Photofuel – Uniwersytet w Uppsali (Szwecja), Uniwersytet w Bielefeld (Niemcy) oraz Imperial College London (Zjednoczone Królestwo) – usunęli te szlaki biologiczne, które nie są potrzebne w procesie produkcji paliwa. Jeśli chodzi o samą cząsteczkę paliwa, składa się ona z węgla, wodoru i tlenu (z CO2 i wody). Tak opracowany proces eliminuje konieczność zbierania komórek. W przypadku bardziej konwencjonalnego procesu najpierw rozmnażane są komórki, a następnie pozbawia się je azotu, blokując w ten sposób proces rozmnażania, tak aby zmagazynowana energia metaboliczna, tłuszcz lub skrobia mogły zostać zebrane, wysuszone i poddane ekstrakcji w celu uzyskania lipidów do produkcji biooleju napędowego. W produkcji biokatalitycznej komórki wytwarzają paliwo i wydalają je bezpośrednio do medium hodowlanego, gdzie jest gotowe do zebrania. „Ten proces wymaga znacznie mniejszych ilości nawozu i generuje niewielką liczbę niepożądanych produktów ubocznych, takich jak martwe komórki biokatalizatora”, zauważa Simon Kühner, kierownik projektu. Kolejną zaletą tej metody jest to, że uzyskane paliwo można mieszać z innymi paliwami w regionalnych centrach dystrybucji bez konieczności obróbki w rafinerii, co pozwala zaoszczędzić na kosztach transportu. „Oznacza to, że uruchomienie produkcji biokatalitycznej może zapewnić utrzymanie miejsc pracy o wysokiej wartości na lokalnym rynku, zapobiegając wyludnianiu się obszarów wiejskich, co często ma miejsce w przypadku degradacji gruntów rolnych”, dodaje Kühner. W ciągu kilku tygodni proces biokatalityczny opracowany w projekcie Photofuel umożliwił zwiększenie produkcji butanolu do ponad 600 mg/l dziennie w fotobioreaktorze o pojemności 2,7 litra. Chociaż głównym wyzwaniem nadal pozostaje zwiększenie skali produkcji, uzyskane wyniki mogą przełożyć się na roczną produkcję paliwa wynoszącą 90 t/ha.
Nie tylko paliwo
Ze względu na wyzwania związane ze skalowaniem produkcji zespół projektu Photofuel będzie stopniowo rozwijał swoją technologię, co oznacza, że na początku swojej drogi nie będzie kierował swojej oferty do sektora paliwowego, a raczej skupi swoją uwagę na rynku produktów o wysokiej wartości, takich jak farmaceutyki, substancje zapachowe i kosmetyki. Następnie partnerzy projektu zamierzają przygotować swoją ofertę dla branży chemicznej. „Ponieważ projekt Photofuel obejmował cały łańcuch wartości, angażując przedstawicieli takich dziedzin jak bioinżynieria, nauka o paliwach oraz przemysł rafineryjny i motoryzacyjny, stworzył bardzo wiele różnych możliwości badawczych”, twierdzi Kühner. W wyniku projektu przy brytyjskiej uczelni Imperial College London powstała spółka spin-off, której zadaniem jest badanie możliwości produkcji wysokowartościowych związków opracowanych w ramach projektu Photofuel. Uniwersytet w Uppsali koncentruje się na dalszym rozwoju procesu produkcji butanolu na potrzeby wychwytywania CO2. Z kolei firma A4F zawarła kontrakty na uprawę genetycznie zmodyfikowanych alg, a Uniwersytet w Bielefeld bada obecnie możliwości produkcji farmakologicznie czynnych terpenów, które mogłyby znacząco obniżyć koszty leków, w tym leków przeciwnowotworowych.
Słowa kluczowe
Photofuel, algi, paliwo, środowisko, energia, moc, biokatalizator, cząsteczki, uprawy, fotobioreaktor, butanol