Часть Вторая: Природная экосистема в миниатюре
Биореакторный комплекс в проекте арктических биоэкопоселених является, пожалуй, еще более впечатляющим агрегатом данной модели, нежели «атомная батарейка». Причем хронологически он разрабатывался раньше и уже присутствовал в упомянутой выше экспериментальной системе «БИОС-3».
Именно этот комплекс во многом является ярким воплощением основных аспектов биоэкономики, максимально соответствуя принципам Шестого технологического уклада. По большому счету, речь идет о системе, способной масштабироваться до уровня глобальной экономики, где, ни много, ни мало, сосредоточены ключевые представления о том, как должны функционировать «зеленые» поселения будущего.
В этой модели биореакторный комплекс выполняет сразу несколько важнейших функций: 1) производство «натуральных» продуктов питания; 2) производство биомассы, способной стать либо источником «альтернативной» пищи, либо источником энергетического сырья; 3) утилизация и переработка органических отходов; 4) регенерация воды, воздуха и почвы. Все эти процессы осуществляются в замкнутом цикле, что соответствует (как мы уже отмечали) фундаментальным законам живой природы.
Теперь переходим к конкретике и рассмотрим всё по порядку.
В модели биоэкопоселений Курчатовский институт делает ставку на биологическую конверсию углекислого газа вместо принятых на Западе дорогостоящих систем улавливания с последующим захоронением. Для этих целей используются фотобиореакторы на микроводорослях. Поселковые выбросы CO2 направляются в эти установки, заселенные высокопродуктивными штаммами микроводорослей (например, хлореллы). Благодаря обильному теплу от «атомной батарейки» микроводоросли размножаются с огромной скоростью (увеличивая массу в несколько раз за сутки), поглощая углерод.
Таким путем получается большое количество биомассы, которую можно перерабатывать в зависимости от поставленных целей. Например, из нее можно получать высокобелковые кормовые добавки, органические удобрения и даже биопластик.
Идем далее. В проекте биоэкопоселений твердые бытовые отходы (пищевые остатки, отходы деревопереработки и отходы местного растениеводства) не вывозятся на полигоны, а подвергаются ферментации. Для этого используются специально выведенные селективные микробные консорциумы, способные расщеплять сложные, устойчивые соединения – лигнин и целлюлозу. В специальных биогазовых установках анаэробные бактерии превращают всю эту органику в биогаз и высококачественный стерильный гумус для арктических закрытых вертикальных ферм.
Следующий агрегат. Для арктических биоэкопоселений предусмотрен замкнутый водный контур, так как сброс неочищенных стоков в вечную мерзлоту чреват экологической катастрофой. В созданных для этих целей очистных сооружениях применяются адаптированные к условиям станции биореакторы. Специализированные бактериальные маты очищают «серые» и «черные» сточные воды до технического состояния, делая ее пригодной для полива агрокомплекса и других технических нужд.
Теперь рассмотрим, как в целом доложен работать весь этот комплекс.
Начнем с того, для чего здесь такое серьезное внимание уделяется биомассе из микроводорослей. Какую роль она будет играть в жизни биоэкопоселения?
Отметим, что генетики Курчатовского института методами направленного мутагенеза и метаболической инженерии создали штаммы микроводорослей, которые эффективнее поглощают свет в плотных слоях суспензии в биореакторе. Также они устойчивы к полярным температурным шокам и способны эффективно расщеплять углекислый газ при его экстремально высоких концентрациях (выступая в роли «живого» газоочистителя).
Часть этой быстрорастущей массы микроводорослей (той же «улучшенной» хлореллы) после обезвоживания и экстракции масел отправляется на гранулирование. Высушенная биомасса прессуется и превращается в высококалорийные топливные пеллеты. По своей теплотворной способности они приравниваются к высокосортному каменному углю. В биоэкопоселении такие топливные гранулы могут использоваться в сопутствующих технологических процессах – например, для сушки сельскохозяйственной продукции в аквапонных теплицах или в локальных котельных вспомогательных производственных блоков.
Другая часть биомассы из микроводорослей направляется на получение кормового и пищевого белка. Для этих целей созданы специальные «съедобные» штаммы хлореллы и спирулина. Водоросли улавливают углекислый газ, а также метан из контура утилизации органических отходов, давая на выходе биомассу, на 50 – 70 процентов состоящую из чистейшего растительного протеина. Эта биомасса фильтруется, высушивается и становится питательной основой. На первом этапе ее будут использовать в качестве корма для рыбы, выращиваемой в аквапонных замкнутых бассейнах. В перспективе же выделенный из биомассы белок пойдет напрямую в пищу человека как ценная пищевая добавка.
Интересно, что в Курчатовском институте уже сейчас ведут разработки по созданию биореакторов тканевой инженерии. В таких биореакторах культивируются изолированные клетки мышечной и жировой ткани животных или рыб. Питательной средой для роста этих клеток служат гидролизаты, как раз полученные из биомассы микроводорослей, утилизирующих углекислый газ. Полученную конечную клеточную массу структурируют с помощью пищевого 3D-принтера, воссоздавая текстуру котлет или рыбного филе! Можно сказать, что перед нами – первый опыт по созданию футуристического высокотехнологичного «животноводства» и «рыбоводства».
Правда, пока это всё происходит на уровне достаточно дорогих экспериментов. Что же касается аквакультуры, то на текущем этапе она является важным элементом в системе пищевого обеспечения биоэкопоселения. Внутри защищенного купола разместятся установки замкнутого водоснабжения (УЗВ) для выращивания ценных пород рыбы – арктического гольца, форели и осетровых, а также ракообразных (например, креветок). Как мы уже сказали, для рыб белковый корм получают на месте – из биомассы микроводорослей. В свою очередь, вода из рыбных бассейнов, загрязненная продуктами их жизнедеятельности (аммиаком и фосфором) перекачивается в анаэробные биореакторы доочистки, где с помощью специальных бактерий токсичный аммиак превращается в питательные для растений нитраты.
Далее обогащенная этими нитратами вода направляется в многоярусные вертикальные теплицы, оснащенные системой гидропоники и аквапоники. Корни растений в этом случае работают как природный фильтр, полностью поглощая из воды азот и фосфор, после чего идеально очищенная растениями вода возвращается обратно в бассейны к рыбе. Именно так воплощается принцип замкнутого цикла в производстве еды.
Здесь возникает закономерный вопрос: за счет чего осуществляется подсветка растений, особенно в условиях долгой полярной ночи? Как мы знаем, «атомная батарейка» выдает тепла в 15 раз больше (по мощности), чем электричества. При таком соотношении она не может рассматриваться в качестве единственного источника электроэнергии. Соответственно, необходим дополнительный источник, чтобы обеспечить бесперебойную работу многоярусных теплиц и биореакторов с микроводорослями.
По этой причине система непрерывного энергообеспечения биоэкопоселений формируется по «гибридной» схеме. Данная схема заложена в саму суть концепции природоподобных технологий Курчатовского института. Практически вся биомасса, продуцируемая поселением, рассматривается в качестве параллельного возобновляемого источника энергии. Главную роль здесь играют анаэробные реакторы по переработке органических отходов. Получаемый с их помощью биогаз используется для производства дополнительной электроэнергии. Тем самым он позволяет выровнять необходимый баланс.
Параллельно сотрудники Курчатовского института разработали и внедрили в контур биоэкопоселения технологию микробных топливных элементов. В таких генераторах электричество напрямую извлекается из метаболизма бактерий, расщепляющих жидкие органические отходы и жидкую фракцию биомассы. Электроны, выделяющиеся при дыхании микроорганизмов, улавливаются на аноде реактора. Так мы получаем низкоинтенсивный, но при этом – совершенно непрерывный источник постоянного тока, способный питать слаботочную автоматику, датчики и саму систему цифрового управления биореакторного комплекса.
Показательно, что вице-президент Курчатовского института по биоэкономике Раиф Василов позиционирует данный проект как переход к «энергетике будущего» и созданию «автотрофного человечества», где отходы жизнедеятельности непрерывно превращаются в киловатты.
На первый взгляд может сложиться впечатление, что нам предлагают невероятно сложный и очень дорогой проект. В этом есть доля правды. Однако надо исходить из того, что данная модель – со всеми ее базовыми «биоэкономическими» принципами – будет проходить жесткий тест в экстремальных условиях Крайнего Севера. И если биореакторный комплекс покажет свою работоспособность, это станет большим плюсом в отношении самих принципов, на которых эта модель построена. А уже дальше ее можно легко адаптировать к регионам с более благоприятными условиями жизни.
Кстати, такие разговоры уже идут. Как это может быть и что это даст на практике, поговорим в заключительной части.
Николай Нестеров
Изображение сгенерировано нейросетью
Окончание следует
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии