Биодизель из водорослей: Топливо из водорослей по составу больше похоже на зелёнку, чем на нефть

Применение водорослей — HiSoUR История культуры

Топливо из водорослей — это топливо на основе липидов, экстрагированных из микроводорослей. Альгофуэль — это биотопливо третьего поколения, потенциально способное заменить противоречивые биодизеля первого поколения, полученные из растительного масла наземных растений. Водоросли, биотопливо из водорослей или масло из морских водорослей являются альтернативой жидким ископаемым видам топлива, которые используют водоросли в качестве источника высокоэнергетических масел. Как и ископаемое топливо, водоросли выделяют CO2 при сжигании, но в отличие от ископаемого топлива топливо на основе водорослей и других видов биотоплива выпускает только CO2, недавно удаленный из атмосферы фотосинтезом по мере роста водорослей или растений.

Энергетический кризис и глобальный продовольственный кризис вызвали интерес к выращиванию водорослей для производства биодизеля и других биотоплив на суше, непригодной для обычного сельского хозяйства. Некоторые из привлекательных характеристик топлива на основе водорослей заключаются в том, что их можно выращивать с минимальным воздействием на пресноводные ресурсы, их можно производить с использованием солевого раствора и сточных вод, а также биологически разлагаемыми и относительно безвредными. в случае разлива в естественной среде.

Биотопливо, произведенное полностью из водорослей, считается энергией 3-го поколения, но его производство еще не в этом.

Основные функции
Водоросли являются первым компонентом керогена, из которого получают масло.

Фотосинтез микроводорослей
Диатомовые водоросли и хлорофита имеют процесс фотосинтеза, аналогичный процессу высших растений. Они могут фиксировать, как это делают земные растения, CO2 благодаря ферменту Rubisco (рибулозо-бисфосфаткарбоксилаза). Продукты цикла Кальвина служат отправной точкой для биосинтеза сахаров или липидов. Ферментативный ацетилкофермент Карбоксилаза (АССаза) играет ключевую роль, особенно в диатомовых водородах, в пути синтеза триглицеридов или триацилглицеролов (TAG), молекул, стремящихся получить топливо. Дефицит диоксида кремния, индуцированный в диатомовых водородах, усиливал синтез липидов, что связано с активностью гена АССазы. Этот ген был выделен и клонирован, чтобы стремиться увеличить его экспрессию и, следовательно, производство масла. Усилие азота в зеленых водорослях сопровождается одинаковыми эффектами.

Возвращает
Существуют разные типы возвратов.

Выход биомассы характеризует производство живой материи, этот выход является основой для сравнения источников биотоплива (злаков, водорослей, деревьев и т. Д.). Этот выход особенно используется при анализе замены масла эквивалентной возобновляемой энергией (жидкость, с небольшой модификацией существующих систем, таких как двигатели).
Энергоэффективность характеризует конечную мощность энергии, независимо от ее формы (топлива или электричества). Это глобальный индикатор сравнения.

Выход биомассы
Согласно исследовательской программе Шамаша, координируемой INRIA, некоторые микроводоросли «могут накапливать до 50% своей сухой массы в жирных кислотах». Испытанные микроводоросли — диатомовые и хлорофициевые.

По данным IFREMER, «по оценкам, в мире насчитывается от 200 000 до 1 000 видов водорослей. Это биологическое разнообразие, отвечающее исключительной адаптируемости, позволяет предопределить пропорциональное богатство исходных молекул и липидов (алго-топлива). сравнение с наземными видами нефти, микроводоросли имеют много благоприятных характеристик для производства жирных кислот, которые могут быть использованы для производства топлив-щелочей. Основные активы примерно в 10 раз превышают выход биомассы и не конфликтуют с пресноводными и сельскохозяйственными угодьями. От 20000 до 60000 литров нефти на гектар в год против 6000 литров для пальмового масла, одного из лучших урожаев на суше ».

По словам Юсуфа Чисти из Университета Масси в Новой Зеландии (Институт технологии и техники), урожайность диатомовых водорослей и хлорофиция намного выше, чем у наземных растений, таких как изнасилование, потому что они одноклеточные организмы; их рост в суспензии в водной среде позволяет им лучше иметь доступ к ресурсам: воде, CO2 или минералам. По словам ученых из Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL), микроскопические водоросли способны «синтезировать в 10 раз до 100 больше нефти с гектара, чем наземные нефтяные заводы, используемые для производства агротоплива».

Топливо, необходимое для автомобильного транспорта в Соединенных Штатах, может быть покрыто за счет производства альгофуэлей на площади 90 000 км 2, что примерно соответствует общей площади Венгрии. Производительность, сопоставимая с характеристикой пальмового масла, которая для такого же использования потребует общей площади такой страны, как Пакистан. Исследователь, который провел исследование для Министерства энергетики Соединенных Штатов, считает, что топливо, используемое сегодня в Соединенных Штатах, может быть произведено на меньшей площади поверхности, эквивалентной площади штата Мэриленд, которая составляет 27 091 км2, или квадрат из 165 км на стороне. Для сравнения, Сахара составляет 9 400 000 км2.

Энергоэффективность
В докладе «Agrofuels and Environment», опубликованном в конце 2008 года во Франции министерством экологии, со своей стороны говорится, что эффективность преобразования солнечной энергии микроводоросами составляет порядка W m2, что в два-десять раз меньше энергии ветра (от 5 до 20 Вт м2) или горной гидроэлектроэнергии (от 10 до 50 Вт м2). Вывод, сделанный в этом отчете, состоит в том, что «агротопливо находится в зоне наименьших урожаев, они фактически ограничены выходом фотосинтеза, который очень низок (1%). Третье поколение, использующее водоросли, останется в основном менее эффективны, чем любые «электрические» решения, в том числе использование солнечной энергии », поэтому агротопливо не имеет другого оправдания, чем для обеспечения пригодного для использования топлива для транспортных альтернатив ископаемым видам топлива».

Стоимость
Оценки себестоимости промышленного производства различаются.

Французская научная команда «Шамаш» оценивает в январе 2009 года 10 евро за литр стоимости промышленного производства альгокарбуранта.
Канадская компания Seed Science Ltd оценивает стоимость промышленного производства в развитых странах на уровне от 3,5 до 6,9 евро за литр (от 4,5 до 9 долларов США).
В программе Biomass, Министерство энергетики США оценивает стоимость промышленного производства более чем на 8 долларов за галлон, или 1,80 евро за литр, учитывая известные данные 2008 года.
Algenol объявляет о недорогом распределении 1,30 доллара США за галлон в 2015 году 18, или 0,30 евро за литр.

Воздействие на окружающую среду
По сравнению с наземными культурами биотоплива, такими как кукуруза или соевые бобы, производство микроводорослей приводит к значительно менее заметному загрязнению почвы из-за более высокой продуктивности нефти из микроводорослей, чем все другие масличные культуры. Водоросли также могут выращиваться на маргинальных землях, бесполезных для обычных культур и имеющих низкую природоохранную ценность, и могут использовать воду из соляных водоносных горизонтов, которая не полезна для сельского хозяйства или питья. Водоросли также могут расти на поверхности океана в мешках или плавающих экранах. Таким образом, микроводоросли могут обеспечить источник чистой энергии, мало влияя на обеспечение достаточного питания и воды или сохранение биоразнообразия. Выращивание водорослей также не требует внешних субсидий инсектицидов или гербицидов, устраняя риск возникновения связанных с ними потоков отходов пестицидов. Кроме того, биотопливо водорослей гораздо менее токсично и деградирует гораздо легче, чем топливо на основе нефти. Однако из-за легковоспламеняющейся природы любого горючего топлива существует опасность для некоторых опасных факторов окружающей среды, если они воспламеняются или разливаются, что может произойти в результате крушения поезда или утечки трубопровода. Эта опасность снижается по сравнению с ископаемым топливом из-за возможности производства биотоплива на водорослей гораздо более локализованным образом и из-за более низкой токсичности в целом, но опасность все еще сохраняется. Таким образом, биологические виды водорослей следует обрабатывать аналогичным образом с использованием нефтяных топлив при транспортировке и использовании с достаточными мерами безопасности на месте в любое время.

Исследования показали, что замена ископаемого топлива возобновляемыми источниками энергии, такими как биотопливо, способна сократить выбросы CO2 до 80%. Система на основе водорослей может захватывать приблизительно 80% СО2, выделяемого на электростанции при наличии солнечного света. Хотя этот CO2 позже будет высвобожден в атмосферу, когда топливо будет гореть, этот CO2 попал бы в атмосферу независимо. Таким образом, возможность сокращения общего объема выбросов CO2 заключается в предотвращении выброса CO2 из ископаемых видов топлива. Кроме того, по сравнению с топливом, таким как дизельное топливо и нефть, и даже по сравнению с другими источниками биотоплива, производство и сжигание биотоплива из водорослей не образует оксидов серы или оксидов азота, а также уменьшает количество монооксида углерода, несгоревших углеводородов и уменьшает выброс других вредных загрязнителей. Поскольку наземные растительные источники производства биотоплива просто не имеют производственных мощностей для удовлетворения текущих потребностей в энергии, микроводоросли могут быть одним из единственных вариантов подхода к полной замене ископаемых видов топлива.

Производство микроводорослей также включает в себя возможность использования солевых отходов или сточных потоков CO2 в качестве источника энергии. Это открывает новую стратегию производства биотоплива в сочетании с очисткой сточных вод, а также способна производить чистую воду в качестве побочного продукта. При использовании в микроальгальном биореакторе собранные микроводоросли будут захватывать значительное количество органических соединений, а также загрязняющих веществ из тяжелых металлов, абсорбированных из потоков сточных вод, которые в противном случае были бы непосредственно выгружены в поверхностные и грунтовые воды. Кроме того, этот процесс также позволяет извлекать фосфор из отходов, что является существенным, но редким элементом в природе, запасы которого, по оценкам, истощены за последние 50 лет. Другая возможность — использование систем производства водорослей для очистки неточечного источника загрязнения в системе, известной как скруббер для водорослей (ОВД). Было продемонстрировано снижение уровня азота и фосфора в реках и других крупных водоемах, затронутых эвтрофикацией, и строятся системы, которые будут способны обрабатывать до 110 миллионов литров воды в день. ОВД также может использоваться для лечения загрязнения точечного источника, такого как упомянутые выше сточные воды, или для очистки сточных вод.

поликультур
Почти все исследования в области биотоплива на водорослей сосредоточены на культивировании отдельных видов или монокультур микроводорослей. Однако экологическая теория и эмпирические исследования показали, что поликультуры растений и водорослей, т. Е. Группы множественных видов, имеют тенденцию давать более высокие урожаи, чем монокультуры. Эксперименты также показали, что более разнообразные водные микробные сообщества, как правило, более стабильны во времени, чем менее разнообразные сообщества. Недавние исследования показали, что поликультуры микроводорослей дают значительно более высокие выходы липидов, чем монокультуры. Поликультуры также, как правило, более устойчивы к вспышкам вредителей и болезней, а также вторжению других растений или водорослей. Таким образом, культивирование микроводорослей в поликультуре может не только повысить урожайность и стабильность выработок биотоплива, но и снизить воздействие на окружающую среду водорослевой биотопливной промышленности.

Экономическая жизнеспособность
Очевидно, что спрос на устойчивое производство биотоплива, но будет ли конкретное биотопливо использоваться в конечном итоге, зависит не от устойчивости, а от экономической эффективности. Поэтому исследования фокусируются на сокращении стоимости производства биотоплива на водорослей до такой степени, что он может конкурировать с обычной нефтью. Производство нескольких продуктов из водорослей было упомянуто [ласковые слова] как наиболее важный фактор для того, чтобы сделать производство водорослей экономически жизнеспособным. Другими факторами являются улучшение эффективности солнечной энергии до эффективности преобразования биомассы (в настоящее время 3%, но 5-7% теоретически достижимо) и облегчения добычи нефти из водорослей.

В отчете за 2007 год была получена формула оценки стоимости водорослей, чтобы она была жизнеспособной заменой нефтяного дизельного топлива:

Согласно имеющимся технологиям, стоимость производства микрогалогенной биомассы составляет 2,95 долл. / Кг для фотобиореакторов и 3,80 долл. США за кг для открытых прудов. Эти оценки предполагают, что двуокись углерода доступна бесплатно. Если ежегодная мощность производства биомассы увеличена до 10 000 тонн, стоимость производства на килограмм сократится примерно до 0,47 и 0,60 доллара соответственно. Предполагая, что биомасса содержит 30 мас.% Масла, стоимость биомассы для обеспечения литра масла будет составлять приблизительно 1,40 долл. США (5,30 долл. США / галлон) и 1,81 долл. США (6,8 долл. США / галлон) для фотобиореакторов и дорожек качения соответственно. По оценкам, нефть, полученная из биомассы с более низкой стоимостью, производимой в фотобиореакторах, обойдется в 2,80 долл. США / л, при условии, что процесс восстановления вносит 50% в стоимость конечной добытой нефти. Если существующие проекты в области водорослей могут достичь целевых показателей производства биодизеля менее чем на 1 долл. США за галлон, Соединенные Штаты могут реализовать свою цель заменить до 20% транспортных топлив к 2020 году, используя экологически и экономически устойчивое топливо из производства водорослей.

В то время как технические проблемы, такие как сбор урожая, успешно решаются отраслью, высокопрофессиональные инвестиции в объекты из водорослей и биотоплива рассматриваются многими как серьезное препятствие для успеха этой технологии. Лишь немногие исследования экономической жизнеспособности являются общедоступными и часто должны полагаться на небольшие данные (часто только инженерные оценки), доступные в общественном достоянии. Дмитров осмотрел фотобиореактор GreenFuel и подсчитал, что масло из водорослей будет только конкурентоспособным по цене в $ 800 за баррель. Исследование Alabi et al. исследовали дорожки качения, фотобиореакторы и анаэробные ферментеры для производства биотоплива из водорослей и обнаружили, что фотобиореакторы слишком дороги для производства биотоплива. Ракеты могут быть экономически эффективными в теплом климате с очень низкими затратами на рабочую силу, а ферментеры могут стать экономически эффективными после значительных улучшений процесса. Группа обнаружила, что капитальные затраты, затраты на рабочую силу и эксплуатационные расходы (удобрения, электричество и т. Д.) Сами по себе слишком велики, поскольку биотопливо из водорослей является конкурентоспособным по стоимости с использованием обычных видов топлива. Аналогичные результаты были найдены другими, что указывает на то, что если не будут найдены новые, более дешевые способы использования водорослей для производства биотоплива, их большой технический потенциал никогда не сможет стать экономически доступным. Недавно Родриго Э. Тейшейра продемонстрировал новую реакцию и предложил процесс сбора и извлечения сырья для производства биотоплива и химикатов, требующего доли энергии существующих методов, при извлечении всех клеточных составляющих.

Использование побочных продуктов
Многие побочные продукты, полученные при переработке микроводорослей, могут использоваться в различных областях применения, многие из которых имеют более длительную историю производства, чем биотопливо для водорослей. Некоторые из продуктов, не используемых в производстве биотоплива, включают натуральные красители и пигменты, антиоксиданты и другие высокоценные биоактивные соединения. Эти химические вещества и избыточная биомасса нашли широкое применение в других отраслях. Например, красители и масла нашли место в косметике, обычно в качестве загущающих и водосвязывающих агентов. Открытия в фармацевтической промышленности включают антибиотики и противогрибковые средства, полученные из микроводорослей, а также натуральные продукты для здоровья, которые в последние десятилетия стали популярными. Например, Спирулина содержит многочисленные полиненасыщенные жиры (Омега 3 и 6), аминокислоты и витамины, а также пигменты, которые могут быть полезными, такие как бета-каротин и хлорофилл.

преимущества

Простота роста
Одним из основных преимуществ использования микроводорослей в качестве сырья по сравнению с традиционными культурами является то, что его можно выращивать гораздо легче. Водоросли можно выращивать на суше, которые не считаются пригодными для выращивания регулярно используемых культур. Было показано, что наряду с этим сточные воды, которые обычно препятствуют росту растений, очень эффективны в выращивании водорослей. Из-за этого водоросли можно выращивать, не занимаясь пахотными землями, которые в противном случае использовались бы для производства продовольственных культур, а лучшие ресурсы могли бы быть зарезервированы для нормального производства сельскохозяйственных культур. Microalgae также требует меньше ресурсов для роста, и мало внимания необходимо, что позволяет выращивать и выращивать водоросли очень пассивным процессом.

Воздействие на продукты питания
Многие традиционные сырьевые материалы для биодизеля, такие как кукуруза и пальма, также используются в качестве корма для скота на фермах, а также для ценного источника пищи для людей. Из-за этого использование их в качестве биотоплива уменьшает количество продуктов, доступных для обоих, что приводит к увеличению стоимости как для продуктов питания, так и для производства топлива. Использование водорослей в качестве источника биодизеля может облегчить эту проблему несколькими способами. Во-первых, водоросли не используются в качестве первичного источника пищи для людей, а это значит, что его можно использовать исключительно для топлива, и в пищевой промышленности мало повлияет. Во-вторых, многие из отработанных экстрактов, образующихся при переработке водорослей для биотоплива, могут использоваться в качестве достаточного корма для животных. Это эффективный способ минимизировать отходы и гораздо более дешевую альтернативу более традиционным кормовым или зерновым кормам.

Минимализация отходов
Было также показано, что растущие водоросли как источник биотоплива обладают многочисленными экологическими преимуществами и представляют собой более экологически безопасную альтернативу нынешним биотопливам. Во-первых, он может использовать сток, воду, загрязненную удобрениями и другими питательными веществами, которые являются побочным продуктом сельского хозяйства, в качестве основного источника воды и питательных веществ. Из-за этого он предотвращает смешивание этой загрязненной воды с озерами и реками, которые в настоящее время поставляют нашу питьевую воду. В дополнение к этому, аммиак, нитраты и фосфаты, которые обычно делают воду небезопасной, фактически служат прекрасными питательными веществами для водорослей, а это означает, что для выращивания водорослей требуется меньше ресурсов. Многие виды водорослей, используемые при производстве биодизеля, являются отличными биофиксирующими средствами, что означает, что они могут удалять углекислый газ из атмосферы, чтобы использовать его в качестве энергии для себя. Из-за этого они нашли применение в промышленности в качестве способа обработки дымовых газов и сокращения выбросов парниковых газов.

Недостатки

Коммерческая жизнеспособность
Биодизель водорослей по-прежнему является довольно новой технологией. Несмотря на то, что исследования начались более 30 лет назад, он был приостановлен в середине 1990-х годов, главным образом из-за отсутствия финансирования и относительно низких цен на нефть. В течение следующих нескольких лет водоросли биотоплива мало внимания уделяли; только до пикового уровня в начале 2000-х годов он в конечном итоге активизировал поиск альтернативных источников топлива. Несмотря на то, что существует технология сбора и конверсии водорослей в пригодный для использования источник биодизеля, она до сих пор не реализована в достаточно больших масштабах для поддержки текущих потребностей в энергии. Дальнейшие исследования потребуют более эффективного производства биотоплива из водорослей, и в настоящее время его удерживают лоббисты в поддержку альтернативных видов биотоплива, таких как продукты из кукурузы и зерна. В 2013 году председатель и главный исполнительный директор Exxon Mobil Рекс Тиллерсон заявил, что после первоначального намерения потратить до 600 млн долларов на развитие в совместном предприятии с синтетической геномикой Дж. Крейга Вентера, водоросли «вероятно, дальше», чем «на 25 лет» от коммерческой жизнеспособности , хотя Solazyme и Sapphire Energy уже начали небольшие коммерческие продажи в 2012 и 2013 годах, соответственно. К 2017 году большинство усилий было отменено или изменено на другие приложения, и осталось всего несколько.

стабильность
Биодизель, полученный при переработке микроводорослей, отличается от других видов биодизеля в содержании полиненасыщенных жиров. Полиненасыщенные жиры известны своей способностью сохранять текучесть при более низких температурах. Хотя это может показаться преимуществом при производстве во время более низких температур зимы, полиненасыщенные жиры приводят к более низкой стабильности при регулярных сезонных температурах.

Исследование

Текущие проекты

Соединенные Штаты
Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) является основной национальной лабораторией Министерства энергетики США по исследованиям и разработкам в области возобновляемых источников энергии и энергоэффективности. Эта программа участвует в производстве возобновляемых источников энергии и энергоэффективности. Одним из его самых современных подразделений является программа биомассы, которая занимается характеристикой биомассы, биохимическими и термохимическими технологиями конверсии в сочетании с разработкой и анализом биомассы. Программа направлена ​​на создание энергоэффективных, экономичных и экологически чистых технологий, которые поддерживают сельскую экономику, уменьшают зависимость стран от нефти и улучшают качество воздуха.

В Океанографическом институте Вудс-Хоул и океанографическом институте порта Харбор сточные воды из отечественных и промышленных источников содержат богатые органические соединения, которые используются для ускорения роста водорослей. Департамент биологической и сельскохозяйственной инженерии в Университете Джорджии изучает производство микрогалогенной биомассы с использованием промышленных сточных вод. Algaewheel, основанная в Индианаполисе, штат Индиана, представила предложение о строительстве объекта в озере Кедар, штат Индиана, который использует водоросли для очистки городских сточных вод, используя побочный продукт для производства биотоплива. Аналогичный подход сопровождается Algae Systems, компанией, базирующейся в Дафне, штат Алабама.

Sapphire Energy (Сан-Диего) произвела зеленую нефть из водорослей.

Солазиме (Южный Сан-Франциско, Калифорния) выпустил топливо, подходящее для подачи реактивных самолетов из водорослей.

Станция морских исследований в гавани Кеч, Новая Шотландия, участвует в выращивании водорослей в течение 50 лет. Национальный исследовательский совет (Канада) (NRC) и Национальная программа по побочным продуктам предоставили 5 миллионов долларов для финансирования этого проекта. Цель программы состояла в том, чтобы построить экспериментальный завод по культивации мощностью 50 000 литров на гавани Кетч. Станция принимала участие в оценке того, как лучше всего выращивать водоросли для биотоплива, и занимается исследованием использования многочисленных видов водорослей в регионах Северной Америки. СРН объединила свои усилия с Департаментом энергетики Соединенных Штатов, Национальной лабораторией по возобновляемым источникам энергии в штатах Колорадо и Сандиа в Нью-Мексико.

Европа
Университеты Соединенного Королевства, которые работают над добычей нефти из водорослей, включают: Манчестерский университет, Университет Шеффилда, Университет Глазго, Брайтонский университет, Кембриджский университет, Университетский колледж Лондона, Имперский колледж Лондона, Университет Крэнфилда и Университет Ньюкасла. В Испании также актуальным является исследование, проведенное Институтом биологической биотехнологии CSIC в Севилье (Microicgae Biotechnology Group, Севилья).

Европейская ассоциация биомассы водорослей (EABA) — европейская ассоциация, представляющая как исследования, так и промышленность в области технологий водорослей, в настоящее время насчитывает 79 членов. Штаб-квартира ассоциации находится во Флоренции, Италия. Общая цель EABA заключается в содействии взаимному обмену и сотрудничеству в области производства и использования биомассы, включая использование биотоплива и все другие виды использования. Он направлен на создание, развитие и поддержание солидарности и связей между ее членами и защиту их интересов на европейском и международном уровнях. Его основная цель — стать катализатором для усиления взаимодействия между учеными, промышленниками и лицами, принимающими решения, для содействия развитию исследований, технологий и промышленных возможностей в области водорослей.

Инновации CMCL и Кембриджский университет проводят детальное проектно-конструкторское исследование установки C-FAST (углерод-отрицательные топлива, полученные из водорослей и солнечных технологий). Основная задача — создать опытный завод, который может продемонстрировать производство углеводородных топлив (включая дизельное топливо и бензин) в качестве устойчивых углерод-отрицательных энергоносителей и сырья для химической сырьевой промышленности. Этот проект будет представлен в июне 2013 года.

Украина планирует производить биотопливо с использованием особого вида водорослей.

Проект кластерного проекта Европейской комиссии по водорослям, финансируемый в рамках Седьмой рамочной программы, состоит из трех проектов по производству биотоплива с водорослями, каждый из которых стремится к разработке и созданию различного биологического топлива для водорослей, охватывающего 10 га земли. Проекты — BIOFAT, All-Gas и InteSusAl.

Поскольку различные виды топлива и химические вещества могут быть получены из водорослей, было предложено изучить возможность осуществления различных производственных процессов (обычная экстракция / разделение, гидротермальное сжижение, газификация и пиролиз) для применения в интегрированном биогазе для водорослей.

Индия
Надежные отрасли в сотрудничестве с Algenol, США, заказали пилотный проект по производству биогаля водорослей в 2014 году. Спирулина, которая является водорослями с богатым содержанием белков, была коммерчески культивирована в Индии. Водоросли используются в Индии для очистки сточных вод в открытых / естественных водоохлаждающих прудах. Это снижает потребность в биологическом кислороде (БПК) сточных вод, а также обеспечивает биомассу водорослей, которая может быть преобразована в топливо.

Другой
Организация биомассы водорослей (ABO) является некоммерческой организацией, чья миссия заключается в «содействии развитию жизнеспособных коммерческих рынков для возобновляемых и устойчивых товаров, получаемых из водорослей».

Национальная ассоциация водорослей (NAA) является некоммерческой организацией исследователей водорослей, компаний по производству водорослей и инвестиционного сообщества, которые разделяют цель коммерциализации водорослей в качестве альтернативного сырья для рынков биотоплива. NAA предоставляет своим членам форум для эффективной оценки различных технологий водорослей для потенциальных возможностей компании на ранней стадии.

Pond Biofuels Inc. в Онтарио, Канада имеет действующую экспериментальную установку, где водоросли выращиваются непосредственно от выбросов дымовых труб на цементном заводе и высушиваются с использованием отработанного тепла. В мае 2013 года Pond Biofuels объявили о партнерстве с Национальным исследовательским советом Канады и Canadian Natural Resources Limited с целью создания демонстрационного биогаза для водорослей на участке нефтеносных песков вблизи Боннивилла, Альберта.

Ocean Nutrition Canada в Галифаксе, Новая Шотландия, Канада, обнаружила новый штамм водорослей, который, по-видимому, способен производить нефть со скоростью, в 60 раз превышающей другие типы водорослей, используемых для производства биотоплива.

VG Energy, дочерняя компания Viral Genetics Incorporated, утверждает, что обнаружила новый способ увеличения производства липидов водорослей, нарушая метаболические пути, которые в противном случае отвлекали бы энергию фотосинтеза на производство углеводов. Используя эти методы, компания заявляет, что производство липидов может быть увеличено в несколько раз, что потенциально делает биотопливо из водорослей конкурентоспособным по стоимости с существующим ископаемым топливом.

Производство водорослей из тепловой воды на атомной электростанции было пилотировано Патриком К. Кангасом на атомной электростанции Peach Bottom, принадлежащей Exelon Corporation. Этот процесс использует воду с относительно высокой температурой для поддержания роста водорослей даже в зимние месяцы.

Такие компании, как Sapphire Energy и Bio Solar Cells, используют генную инженерию для повышения эффективности производства водорослей. По словам Клейна Ланкхорста из био-солнечных элементов, генная инженерия может значительно улучшить эффективность использования водорослей, поскольку водоросли можно модифицировать, чтобы строить короткие углеродные цепи вместо длинных цепей углеводов. Sapphire Energy также использует химически индуцированные мутации для получения водорослей, пригодных для использования в качестве культуры.

Некоторые коммерческие интересы в крупномасштабных системах выращивания водорослей стремятся привязать к существующим инфраструктурам, таким как цементные заводы, угольные электростанции или очистные сооружения. Этот подход изменяет отходы в ресурсы для обеспечения сырьем, СО2 и питательными веществами для системы.

Технико-экономическое обоснование с использованием морских микроводорослей в фотобиореакторе осуществляется Международным исследовательским консорциумом по континентальным полям в Университете Джейкобса в Бремене.

Департамент наук об окружающей среде в Университете Ateneo de Manila на Филиппинах работает над выпуском биотоплива из местных видов водорослей.

Генная инженерия
Генетические инженерные водоросли использовались для увеличения производства липидов или роста. Текущие исследования в области генной инженерии включают либо введение, либо удаление ферментов. В 2007 году Освальд и др. вводили монотерпеновую синтазу из сладкого базилика в Saccharomyces cerevisiae, штамм дрожжей. Эта конкретная монотерпена-синтаза вызывает синтез de novo больших количеств гераниола, а также выделяет его в среду. Гераниол является основным компонентом розового масла, масла пальмарозы и масла цитронеллы, а также эфирных масел, что делает его жизнеспособным источником триацилглицеридов для производства биодизеля.

Фермент ADP-глюкоза-пирофосфорилаза жизненно важна для производства крахмала, но не имеет никакого отношения к синтезу липидов. Удаление этого фермента привело к мутации sta6, которая показала повышенное содержание липидов. После 18 часов роста в среде с дефицитом азота мутанты sta6 имели в среднем 17 нг триацилглицеридов / 1000 клеток по сравнению с 10 нг / 1000 клеток в клетках WT. Это увеличение производства липидов было связано с перераспределением внутриклеточных ресурсов, поскольку водоросли отвлекали энергию от производства крахмала.

В 2013 году исследователи использовали «сбивание» жирореактивных ферментов (многофункциональная липаза / фосфолипаза / ацилтрансфераза) для увеличения количества липидов (масел) без ущерба для роста. В исследовании также был представлен эффективный процесс скрининга. Антисмысловые экспрессирующие штаммы нокаута 1А6 и 1В1 содержали в 2,4 и 3,3 раза более высокое содержание липидов во время экспоненциального роста и в 4,1 и 3,2 раза более высокое содержание липидов через 40 ч голодания кремния.

Программы финансирования
Были созданы многочисленные программы финансирования с целью содействия использованию возобновляемой энергии. В Канаде инициатива ecoAcriculture по биотопливу ecoAgriculture (ecoABC) предоставляет 25 миллионов долларов США на каждый проект, чтобы помочь фермерам в строительстве и расширении производства возобновляемых видов топлива. Для этих проектов выделено 186 миллионов долларов. Программа устойчивого развития (SDTC) также применила 500 миллионов долларов в течение 8 лет, чтобы помочь в строительстве возобновляемых видов топлива следующего поколения. Кроме того, за последние 2 года было предоставлено 10 млн. Долл. США для исследований и анализа возобновляемых источников топлива

В Европе седьмая рамочная программа (FP7) является основным инструментом финансирования исследований. Аналогичным образом, NER 300 является неофициальным независимым порталом, посвященным проектам по возобновляемым источникам энергии и сетям. Другая программа включает в себя программу Horizon 2020, которая начнется 1 января, и объединит рамочную программу и другие финансовые ресурсы для инноваций и исследований ЕС в новую интегрированную систему финансирования

Американская программа развития сырьевого сырья НББ направлена ​​на производство водорослей на горизонте для устойчивого использования доступных материалов для биодизеля.

Самолеты на водорослях: зачем нужно биотопливо

Возобновляемое сырье, о котором так много говорят в связи с истощением природных ресурсов, — это органические отходы промышленности, сельского и лесного хозяйства. Такая растительная биомасса дешевле газа, угля и нефти, из нее можно получать новые продукты, одновременно решая проблему утилизации отходов. T&P публикуют статью из сборника «Атлас технологий будущего» о том, как получить дизельное топливо из водорослей, электричество — из органических отходов, а биоразлагаемую упаковку — из свеклы.

Атлас технологий будущего

А.В. Соколова, Н.С. Микова, Е.В. Гутарук

Издательская группа «Точка», 2017

Премия «Просветитель»

Особенно перспективными являются технологии переработки возобновляемого сырья в биотопливо и электроэнергию, а также решения для производства биополимерной упаковки. Применение этих технологий позволяет осуществлять их рециклизацию, т. е. вторичную переработку в новом цикле создания продукции (в частности, субстратов в топливных элементах и биопластиков).

Потенциал использования названных технологий в России очень высок. Их разработка и внедрение приведут в среднесрочной перспективе к снижению зависимости экономики страны от энергоресурсов, зарубежных продуктов и технологий, созданию новых рынков.

Биодизель из микроводорослей

По мере роста численности населения и повышения мобильности людей увеличивается ежегодная потребность в авиационных и автомобильных перевозках. Удовлетворять усиливающийся спрос на моторные топлива возможно путем производства биодизеля нового поколения из зеленых микроводорослей — альтернативы биодизелям, получаемым на основе сельскохозяйственных культур.

Зеленые микроводоросли способны преобразовывать углекислый газ в органические соединения, оказывая при этом очищающий эффект на атмосферу и гидросферу. Такое биотопливо можно использовать в двигателях дизельного типа: оно очень близко по составу к традиционным моторным топливам — продуктам нефтепереработки. Очевидные преимущества микроводорослей — высокие скорость роста биомассы и содержание масел, удобство сбора и возможность выращивания непосредственно на предприятиях и вблизи электростанций — усиливают интерес ученых и многих крупных корпораций к их исследованию и промышленному использованию. В ряде стран начато серийное производство специальных биореакторов по выращиванию микроводорослей. Япония и США уже осуществили успешные испытания авиационного и автотранспорта, работающего исключительно на биодизеле из водорослей.

Эффекты

• Стимулирование развития транспортного сектора, повышение его экологичности и удовлетворение растущих потребностей в топливе.

• Снижение остроты конкуренции между техническими и продуктовыми посевными площадями (благодаря культивированию микроводорослей в фитореакторах, вихревых плавающих аквареакторах, открытых водоемах).

• Развитие регионов с неблагоприятными социально-экономическими условиями и снижение их зависимости от импортируемых топлив.

• Получение белков, антиоксидантов, пищевых красителей и других полезных продуктов из микроводорослей.

Оценки рынка

К 2030 г. мировое производство биотоплива увеличится до 150 млн тонн в нефтяном эквиваленте при ежегодных темпах роста на уровне 7–9%. Его доля достигнет 4–6% общего объема топлива, потребляемого транспортным сектором. Биотопливо из водорослей может заменить более 70 млрд литров ископаемого топлива ежегодно. Рынок биотоплива в России к 2020 г. может вырасти более чем в 1,5 раза — до отметки в 5 млн тонн в год. Вероятный срок максимального проявления тренда: 2025–2035 гг.

Драйверы и барьеры

• Экологическая политика развитых стран по минимизации масштабов загрязнения окружающей среды.

• Необходимость масштабных инвестиций для строительства заводов по производству биодизеля, настройки технологических процессов.

• Зависимость эффективности роста микроводорослей от интенсивности солнечного света (при выращивании в открытых водоемах).

Структурный анализ

Прогноз структуры мирового рынка биотоплива: 2022 (%)

Электроэнергия из органических отходов

Процессы утилизации и переработки отходов могут быть совмещены с производством практически значимых продуктов и даже электроэнергии. При помощи специальных устройств — микробных топливных элементов (МТЭ) — стало возможным производить электроэнергию из отходов напрямую, минуя стадии получения биогаза и его последующей переработки в электричество.

МТЭ представляют собой биоэлектрическую систему. Эффективность ее функционирования зависит от метаболической активности бактерий, которые расщепляют органические соединения (отходы) и передают электроны на электрическую цепь, встроенную в эту же систему. Наибольшей эффективности таких бактерий можно добиться, встраивая их в технологическую схему предприятий по очистке сточных вод, содержащих органические вещества, при расщеплении которых выделяется энергия.

Уже существуют лабораторные разработки, позволяющие использовать МТЭ для подзарядки аккумуляторов. По мере масштабирования и оптимизации технологических решений станет возможным обеспечивать электричеством и небольшие предприятия. Например, высокопроизводительные МТЭ, работающие на объемах от десятков до тысяч литров, обеспечат автономное питание очистных сооружений.

Эффекты

• Повышение экологичности производственных процессов и эффективности работы предприятий, снижение их зависимости от внешних источников электроэнергии, уменьшение себестоимости продукции и расходов на приобретение очистных технологий.

• Улучшение ситуации в энергодефицитных регионах, повышение их конкурентоспособности благодаря использованию МТЭ.

• Возможность автономного получения электроэнергии для неэнергоемких целей (например, в небольших фермерских хозяйствах).

Оценки рынка

70% — настолько вырастет к 2020 г. в России доля отходов, которые будут перерабатываться методами биотехнологий, по сравнению с 2012 г.  В странах Европейского союза доля электроэнергии из биогаза составит около 8%. Вероятный срок максимального проявления тренда: 2020–2030 гг.

Драйверы и барьеры

• Увеличение объемов органических отходов и рост потребности в электроэнергии.

• Возможность работы биореакторов типа МТЭ на различных источниках энергии, включая сточные воды.

• Недостаточный уровень инвестиций, необходимых для встраивания МТЭ в технологические процессы, длительный период их окупаемости.

• Необходимость привязки биореакторов к местам образования отходов.

• Относительно низкая эффективность ныне функционирующих опытно-промышленных конструкций биореакторов типа МТЭ.

Структурный анализ

Исследования микробных электрохимических систем по типам: 2012 (%)

Биоразлагаемая полимерная упаковка

Повсеместное распространение упаковки из синтетических полимеров (пакетов, пленок, контейнеров) приводит к обострению проблемы загрязнения окружающей среды. Решить ее может переход к упаковочным материалам из биоразлагаемых полимеров, быстро утилизируемых и удобных в использовании.

В большинстве развитых стран в производстве упаковки намечается тенденция вытеснения тяжело и долго (до нескольких сотен лет) разлагающихся синтетических полимеров биоразлагаемыми (с периодом утилизации 2–3 месяца). Ежегодный объем их потребления только в Западной Европе составляет около 19 тыс. тонн, в Северной Америке — 16 тыс. тонн. Вместе с тем по ряду показателей биополимерные упаковочные материалы пока отстают от традиционных синтетических.

Технологии производства биополимерных материалов на основе полимолочной кислоты из растительных сахаров зерновых культур и сахарной свеклы позволяют производить упаковку с высокими потребительскими характеристиками: эластичную и прочную, устойчивую к влаге и агрессивным соединениям, непроницаемую для запахов, с высокими барьерными свойствами и при этом эффективно и быстро разлагающуюся. Совершенствование технологий направлено на снижение их материало- и энергоемкости.

Эффекты

• Формирование и развитие нишевых рынков — термоусадочных упаковок, влаго- и запахонепроницаемых пакетов, ударостойких контейнеров и др.

• Сокращение зависимости экономики от нефтегазового сырья.

• Снижение негативного воздействия на окружающую среду.

• Повышение экологической культуры населения, стимулирование приверженности к здоровому образу жизни благодаря массовому использованию качественной и удобной биоразлагаемой упаковки.

Оценки рынка

Рынок биополимеров, изготовленных на основе возобновляемых ресурсов, будет ежегодно расти на 8–10%. Наиболее интенсивно будет развиваться сегмент упаковочных материалов. Уже сейчас объем этого сегмента составляет 90% текущего объема мирового потребления биополимеров (205 млн тонн). Емкость рынка биополимеров в 2020 г. достигнет 4 млрд долларов. Вероятный срок максимального проявления тренда: 2025–2030 гг.

Драйверы и барьеры

• Ужесточение экологических требований к упаковочным материалам, повышение стоимости утилизации традиционной упаковки.

• Сокращение использования неразлагаемой упаковки в связи с необходимостью экономить невозобновляемые ресурсы нефти и газа в развитых странах.

• Недостаточно развитое экологическое воспитание у населения и бизнеса.

• Более высокая стоимость биоразлагаемых полимеров по сравнению с синтетическими.

Структурный анализ

Биополимерные материалы на рынке производства биопластика: 2010–2011 (%).

В рубрике «Открытое чтение» мы публикуем отрывки из книг в том виде, в котором их предоставляют издатели. Незначительные сокращения обозначены многоточием в квадратных скобках. Мнение автора может не совпадать с мнением редакции.

Теории и практики

Теги

#премия «Просветитель» 2018

#экономика

#энергия

#топливо

#переработка

#биоразлагаемый пластик

#экология

#технологии

#книга

• 4 410

Обзор: производство биотоплива из биомассы растений и водорослей | Волошин

1. Wurfel P. Physics of solar cells from principles to new concepts. WILEY-VCH; 2005. ISBN 3-527-40428-7.

2. Renewables 2015 global status report. REN21. Paris: REN21 Secretariat; 2015. ISBN 978-3-9815934-6-4.

3. Voloshin R.A., Kreslavski V.D., Zharmukhamedov S.K., Bedbenov V.S., Ramakrishna S., Allakhverdiev S.I. Photoelectrochemical cells based on photosynthetic systems: a review. Biofuel Res J, 2015;6:227-35.

4. Allakhverdiev S.I., Ramakrishna S. A random walk to and through the photoelectrochemical cells based on photosynthetic systems. Biofuel Res J., 2015;6:222.

5. Voloshin R.A., Rodionova M.V., Zharmukhamedov S.K., Hou H., Shen J.-R., Allakhverdiev S.I. Components of natural photosynthetic apparatus in solar cells. In: Najafpour MM, editor. Applied photosynthesis e new progress. Rijeka, Croatia: InTech d.o.o; 2016. p. 161-88.

6. Allakhverdiev S.I., Kreslavski V.D., Thavasi V., Zharmukhamedov S.K., Klimov V.V., Nagata T., et al. Hydrogen photoproduction by use of photosynthetic organisms and biomimetic systems. Photochem. Photobiol.Sci, 2009;8:148-56.

7. Allakhverdiev S.I., Thavasi V., Kreslavski V.D., Zharmukhamedov S.K., Klimov V.V., Ramakrishna S., et al. Photosynthetic hydrogen production. J. Photochem. Photobiol. CPhotochem. Rev., 2010;11:101-13.

8. Razzak S.A., Hossain M.M., Lucky R.A., Bassi A.S., de Lasa H. Integrated CO2 capture, waste water treatment and biofuel production by microalgae culturing-A review. Renew. Sustain. Energy Rev., 2013;27:622-53.

9. Surriya O., Syeda S.S., Waqar K., Gul Kazi A., Ozturk M. Bio-fuels: a blessing in disguise. In: Ozturk M., Ashraf M., Aksoy A., Ahmad M.S.A., editors. Phytoremediation for green energy. Springer; 2015. p. 11-30. http://dx.doi.org/10.1007/978-94-007-7887-0_2.

10. Nigam P.S., Singh A. Production of liquid biofuels from renewable resources. Prog. Energy Combust. Sci., 2011;37:52-68.

11. Dragone G., Fernandes B., Vicente A.A., Teixeira J.A. Third generation biofuels from microalgae. In: Mendez-Vilas A., editor. Current research, technology and education topics in applied microbiology and microbial biotechnology. Formatex; 2010. p. 1355-66.

12. McKendry P. Energy production from biomass (Part 1): overview of biomass. Bioresour. Technol., 2002;83(1):37-46.

13. Alonso D.M., Bond J.Q., Dumesic J.A. Catalytic conversion of biomass to biofuels. GreenChem., 2010;12:1493-513. http://dx.doi.org/10.1039/c004654j.

14. Nada E.M. The manufacture of biodiesel from the used vegetable oil. 2011. A thesis submitted to the Faculty of Engineering at Kassel and Cairo Universities for the degree of Master of Science University of Kassel.

15. Demirbas A. Political, economic and environmental impacts of biofuels: a review. Appl. Energy, 2009;86:108-17.

16. Demirbas A. Biofuels sources, biofuel policy, biofuel economy and global biofuel projections. Energy Convers Manag 2008;49:2106-16.

17. Allakhverdiev S.I., Kreslavski V.D., Thavasi V., Zharmukhamedov S.K., Klimov V.V., Ramakrishna S. , et al. Photosynthetic energy conversion: hydrogen photoproduction by natural and biomimetic systems. In: Mukhetjee A, editor. Biomimetics, learning from nature. Rijeka, Croatia: InTech d.o.o; 2010. p. 49-76.

18. Abdelaziz AEM, Leite GB, Hallenbeck PC. Addressing the challenges for sustainable production of algal biofuels: II. Harvesting and conversion to biofuels. Environ Technol 2013;34:1807-36.

19. Chisti Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol Adv 2007;25:249-306.

20. Wang B., Li Y., Wu N., Lan C.Q. CO2 biomitigation using microalgae. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2008;79:707-18.

21. Slade R., Bauen A. Micro-algae cultivation for biofuels: cost, energy balance, environmental impacts and future prospects. Biomass Bioenergy, 2013;53:29-38.

22. Bhatt N.C., Panwar A., Bisht T.S., Tamta S. Coupling of algal biofuel production with wastewater. Sci. World J, 2014:10. http://dx.doi.org/10.1155/2014/210504. Article ID 210504.

23. Pandey A., Lee D.-J., Chisti Y. , Socol C.R. Biofuels from algae. Elsevier; 2014. ISBN: 978-0-44459558-4.

24. Carlsson A.S., van Beilen J.B., Moller R., Clayton D. In: Bowles D, editor. Micro- and macroalgae: utility for industrial applications, outputs from the EPOBIO project. Newbury (UK). University of York: CPL Press; 2007. p. 1-82.

25. Tran N.H., Bartlett J.R., Kannangara G.S.K., Milev A.S., Volk H., Wilson M.A. Catalytic upgrading of biorefinery oil from micro-algae. Fuel, 2010;189:265-74.

26. Razaghifard R. Algal biofuels. Photosynth. Res, 2013. http://dx.doi.org/10.1007/s11120-0113-9828-z.

27. Alam F., Date A., Rasjidin R., Mobin S., Moria H., Baqui A. Biofuel from algae e is it a viable alternative? Proced. Eng., 2012;49:221-7.

28. Abdulqader G., Barsanti L., Tredici M.R. Harvest of arthrospira platensis from lake Kossorom (Chad) and its household usage among the Kanembu. J. Appl. Phycol., 2000;12:493-8.

29. Borowitzka M.A. Culturing microalgae in outdoor ponds. In: Andersen R. A., editor. Algal culturing techniques. Burlington M.A.: Elsevier Academic Press; 2005. p. 205-18.

30. Carvalho A.P., Meireles L.A., Malcata F.X. Microalgal reactors: a review of enclosed system designs and performances. Biotechnol. Prog, 2006;22:1490-506.

31. Brennan L., Owende P. Biofuels from microalgae e a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. J. Renew. Sustain. Energy, 2010;14:557-77.

32. Chini Zittelli G., Rodolfi L., Biondi N., Tredici M.R. Productivity and photosynthetic efficiency of outdoor cultures of Tetraselmis suecica in annular columns. Aquaculture, 2006;261:932-43.

33. Kirm I., Brandin J., Sanati M. Shift catalysts in biomass generated synthesis gas. Top. Catal., 2007;45:2-11. http://dx.doi.org/10.1007/s11244-007-0236-5.

34. Hu J., Yu F., Lu Y. Application of FischereTropsch synthesis in biomass to liquid conversion. Catalysts, 2012;2:303-26. http://dx.doi.org/10.3390/catal2020303.

35. Roy S., Das D. Liquid fuels production from algal biomass. In: Das D, editor. Algal biorefinery: an integrated approach. Capital Publishing Company; 2015. p. 277-96.

36. The global biofuels market: energy security, trade and development United Nations Conference on trade and development. 2013.

37. Shah Y.R., Sen D.J. Bioalcohol as green energy e a review. Int. J. Cur. Sci. Res., 2011;01:57-62.

38. Dias M.O.S., Ensinas A.V., Nebra S.A., Filho R.M., Rossell C.E.V., Maciel M.R.W. Production of bioethanol and other bio-based materials from sugarcane bagasse: integration to conventional bioethanol production process. Chem. Eng. Res., 2009;87:1206-16.

39. Ensinas A.V., Nebra S.A., Lozano M.A., Serra L.M. Analysis of process steam demand reduction and electricity generation in sugar and ethanol production from sugarcane. Energy Convers. Manag., 2007;48:2978-87.

40. Buddadee B., Wirojanagud W., Watts D.J., Pitakaso R. The development of multi-objective optimization model for excess bagasse utilization: a case study for Thailand. Environ. Impact Assess’. Rev., 2008;28:380-91.

41. Harun R., Singh M., Forde G.M., Danquah M.K. Bioprocess engineering of microalgae to produce a variety of consumer products. J. Renew. Sustain. Energy, 2010;14:1037-47.

42. Hirano A., Ueda R., Hirayama S., Ogushi Y. CO2 fixation and ethanol production with microalgal photosynthesis and intracellular anaerobic fermentation. Energy, 1997;22:137-42.

43. Ueda R., Hirayama S., Sugata K. and Nakayama H. Process for the production of ethanol from microalgae. US Patent 1996; 5,578,472.

44. Chen P., Min M., Chen Y., Wang L., Li Y., Chen Q., et al. Review of the biological and engineering aspects of algae to biofuels approach. Int. J. Agri. Biol. Eng, 2009;2(4):1-24.

45. Ueno Y., Kurano N., Miyachi S. Ethanol production by dark fermentation in the marine green alga, Chlorococcum littorale. J. Ferment.Bioeng., 1998;86:38-43.

46. Sarkar N., Ghosh S.K., Bannerjee S., Aikat K. Bioethanol production from agricultural wastes: an overview. Renew. Energy, 2012;37:19-27.

47. Kosaric N., Duvnjak Z., Farkas A., Sahm H., Bringer-Meyer Sindustrial chemistry. Weinheim: Wiley-VCH; 2011. http://dx.doi.org/10.1002/14356007.a09_587.pub2.

48. Sriranjan K., Pyne M.E., Chou C.P. Biochemical and genetic engineering strategies to enhance hydrogen production in photosynthetic algae and cyanobacteria. Bioresour. Technol., 2011;102:8589-604.

49. Takezawa N., Shimokawabe M., Hiramatsu H., Sugiura H., Asakawa T., Kobayashi H. Steam reforming of methanol over Cu/ZrO2. Role of ZrO2 support. React. Kinet. Catal. Lett., 1987;33:191-6.

50. Phillips V.D., Kinoshita C.M., Neill D.R., Takashi P.K. Thermochemical production of methanol from biomass in Hawaii. Appl. Energy, 1990;35:167-75.

51. McGinn P.J., Dickinson K.E., Bhatti S., Frigon J., Guiot S.R., O’Leary S.J. Integration of microalgae cultivation with industrial waste remediation for biofuel and bioenergy production: opportunities and limitations. Photosynth. Res. , 2011;109:231-47.

52. Yeole S.D., Aglave B.A., Lokhande M.O. Algaeoleum-a third generation biofuel. Asian J. Bio. Sci., 2009;4:344-7.

53. Naik S.N., Goud V.V., Rout P.K., Dalai A.K. Production of first and second generation biofuels: a comprehensive review. Renew. Sust. Energy Rev., 2010;14:578-97.

54. Raja S.A., Robinson smart D.S., Lee C.L.R. Biodiesel production from jatropha oil and its characterization. Res. J. Chem. Sci., 2011;01:81-7.

55. Cadenas A., Cabezudo S. Biofuels as sustainable technologies: perspectives for less developed countries. Technol. Forecast. Soc., 1998;58:83-103.

56. Khan S.A., Rashmi, Hussain M.Z., Prasad S., Banerjee U.C. Prospects of biodiesel production from microalgae in India. Renew. Sustain. Energy Rev., 2009;13:2361-72.

57. Gerpen V. Biodiesel processing and production. Fuel Process. Technol., 2005;86:1097-107.

58. Sheehan J., Camobreco V., Duffield J., Graboski M., Shapouri H. Life cycle inventory of biodiesel and petroleum diesel for use in an urban bus. NREL; 1998.

59. Singh A., Nigam P.S., Murphy J.D. Renewable fuels from algae: an answer to debatable and based fuels. Bioresour. Technol., 2011;102:10-6.

60. Schenk P.M., Thomas-Hall S.R., Stephens E., Marx U.C., Mussgnug J.H., Posten C., et al. Second generation biofuels: high efficiency microalgae for biodiesel production. BioEnergy Res., 2008;01:20-43.

61. Scott S.A., Davey M.P., Dennis J.S., Horst I., Howe C.J., Lea-Smith D.J., et al. Biodiesel from algae: challenges and prospects. Curr. Opin. Biotechnol., 2010;21:277-86.

62. Xu H., Miao X., Wu Q. High quality biodiesel production from a microalga Chlorella protothecoides by heterotrophic growth in fermenters. J. Biotechnol., 2006;126:499-507.

63. Li Y., Horsman M., Wu N., Lan C.Q., Dubois-Calero N. Biofuels from microalgae. Biotechnol. Prog, 2008;24:815-20.

64. Ge Y., Liu J., Tian G. Growth characteristics of Botryococcus braunii 765 under high CO2 concentration in photobioreactor. Bioresour. Technol, 2011;102:130-4.

65. Suresh B., Yoneyama M., Schlag S. CEH Marketing Research Report Abstract: HYDROGEN. Chemical Industries Newsletter, SRI Consulting, Menlo Park, CA. 2007.

66. Kruse O., Rupprecht J., Mussgnug J.H., Dismukes G.C., Hankamer B. Photosynthesis: a blueprint for solar energy capture and biohydrogen production technologies. Photochem. Photobiol. Sci, 2005;04:957-70.

67. Prince R.C., Kheshgi H.S. The photobiological production of hydrogen: potential efficiency and effectiveness as a renewable fuel. Crit. Rev. Microbiol., 2005;31:19-31.

68. Ghirardi M.L., Dubini A., Yu J., Maness P.-C. Photobiological hydrogen-producing systems. Chem. Soc. Rev, 2009;38:52-61.

69. Seibert M. Applied photosynthesis for biofuels production. In: Smith K.C., editor. Photobiological sciences online. American Society for Photobiology; 2009.

70. Benemann J.R. Hydrogen production by microalgae. J. Appl. Phycol., 2000;12:291-300.

71. Seibert M., King P., Posewitz M.C., Melis A. , Ghirardi M.L. In: Wall J., Harwood C., Demain A., editors. Photosynthetic water-splitting for hydrogen production. Washington DC: ASM Press; 2008. p. 273-91.

72. Tsygankov A., Kosourov S. Immobilization of photosynthetic microorganisms for efficient hydrogen production. In: Zannoni D., De Philippis R., editors. Microbial BioEnergy: hydrogen production. Dordrecht: Springer Netherlands; 2014. p. 321-47.

73. Ghirardi M.L., King P.W., Posewitz M.C., Maness P.C., Fedorov A., Kim K., et al. Approaches to developing biological h3-producing organisms and processes. Biochem. Soc. Trans., 2005;33:70-2.

74. Ghirardi M.L., Posewitz M.C., Maness P.C., Dubini A., Yu J., Seibert M. Hydrogenases and hydrogen photoproduction in oxygenic photosynthetic organisms. Annu. Rev. Plant. Biol., 2007;58:71-91.

75. Allahverdiyeva Y., Aro E.M., Kosourov S.N. Recent developments on cyanobacteria and green algae for biohydrogen photoproduction and its importance in CO2 reduction. In: Gupta V. K., Tuohy M., Kubicek C.P., Saddler J., editors. Bioenergy research: advances and applications. Amsterdam: Elsevier; 2014. p. 367-87.

76. Melis A., Zhang L., Forestier M., Ghirardi M.L., Seibert M. Sustained photobiological hydrogen gas production upon reversible inactivation of oxygen evolution in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. Plant Physiol, 2000;122:127-36.

77. Greenbaum E. Photosynthetic hydrogen and oxygen production: kinetic studies. Science, 1982;196:879-80.

78. Greenbaum E., Blankinship S.L., Lee J.W., Ford R.M. Solar photobiochemistry: simultaneous photoproduction of hydrogen and oxygen in a confined bioreactor. J. Phys. Chem. B, 2001;105:3605-9.

79. Volgusheva A., Kukarskikh G., Krendeleva T., Rubin A., Mamedov F. Hydrogen photoproduction in green algae Chlamydomonas reinhardtii under magnesium deprivation. RSCAdv., 2015;5:5633-7.

80. Leino H., Kosourov S.N., Saari L., Sivonen K., Tsygankov A.A., Aro E.-M., et al. Extended h3 photoproduction by N2-fixing cyanobacteria immobilized in thin alginate films. Int. J. Hydrogen Energy, 2012;37:151-61.

81. Jea-Hwa L., Dong-Geun L., Jae-Il P., Ji-Youn K. Biohydrogen production from a marine brown algae and its bacterial diversity. Korean J. Chem. Eng, 2010;27(1):187-92. http://dx.doi.org/10.1007/s11814-009-0300-x.

82. Benemann J.R. Hydrogen biotechnology: progress and prospects. Nat. Biotech., 1996;14:1101-3.

83. Gaffron H., Rubin J. Fermentative and photochemical production of hydrogen in algae. J. Gen. Physiol, 1942;26:219-40.

84. Benemann J.R., Weare N.M. Hydrogen evolution by nitrogenfixing Anabaena cylindrica cultures. Science, 1974;184:174-5.

85. Winkler M., Kuhlgert S., Hippler M., Happe T. Characterization of the key step for light-driven hydrogen evolution in green algae. J. Biol. Chem., 2009;284:36620-7.

86. Gutekunst K., Chen X., Schreiber K., Kaspar U., Makam S., Appel J. The bidirectional NiFe-hydrogenase in Synechocystis sp. PCC 6803 is reduced by flavodoxin and ferredoxin and is essential under mixotrophic, nitratelimiting conditions. J. Biol. Chem, 2014;289:1930-7.

87. Shima S., Pilak O., Vogt S., Schick M., Stagni M.S., Meyer-Klaucke W., et al. The crystal structure of [Fe].-hydrogenasereveals the geometry of the active site. Science, 2008;321(5888):572-5. http://dx.doi.org/10.1126/science.1158978.

88. Appel J., Schulz R. Hydrogen metabolism in organisms with oxygenic photosynthesis: hydrogenases as important regulatory devices for a proper redox poising? Photochem. Photobiol., 1998;47:1-11.

89. Poudyal R.S., Tiwari I., Najafpour M.M., Los D.A., Carpentier R., Shen J.-R., et al. Current insights to enhance hydrogen production by photosynthetic organisms. In: Stolten D., Emonts B., editors. Hydrogen science and engineering: materials, processes, systems and technology. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA; 2016. p. 461-87.

90. Miura Y., Akano T., Fukatsu K., Miyasaka H., Mizoguchi T., Yagi K., et al. Hydrogen production by photosynthetic microorganisms. Energy Convers. Manag., 1995;36:903-6.

91. Antal T.K., Lindblad P. Production of h3 by sulphur-deprived cells of the unicellular cyanobacteria Gloeocapsa alpicola and Synechocystis sp. PCC 6803 during dark incubation with methane or at various extracellular pH. J. Appl. Microbiol., 2005;98:114-20.

92. Dauvillee D., Chochois V., Steup M., Haebel S., Eckermann N., Ritte G., et al. Plastidial phosphorylase is required for normal starch synthesis in Chlamydomonas reinhardtii. Plant J., 2006;48:274-85.

93. Melis A., Melnicki M.R. Integrated biological hydrogen production. Int. J. Hydrogen Energy, 2006;31:1563-73.

94. Lee J.Z., Klaus D.M., Maness P.-C., Spear J.R. The effect of butyrate concentration on hydrogen production via photofermentation for use in a Martian habitat resource recovery process. Int. J. Hydrogen Energy, 2007;32:3301-7.

95. Skjanes K., Rebours C., Lindblad P. Potential for green microalgae to produce hydrogen, pharmaceuticals and other high value products in a combined process. Crit. Rev. Biotechnol., 2013;33:172-215.

96. Bothe H., Schmitz O., Yates M.G., Newton W.E. Nitrogen fixation and hydrogen metabolism in cyanobacteria. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 2010;74:529-51.

97. Compaore J., Stal L.J. Oxygen and the light-dark cycle of nitrogenase activity in two unicellular cyanobacteria. Environ. Microbiol., 2010;12:54-62.

98. Bandyopadhyay A., Stockel J., Min H., Sherman L. A., Pakrasi H.B. High rates of photobiological h3 production by a cyanobacterium under aerobic conditions. Nat. Commun., 2010;1:139.

99. Antoni D., Zverlov V.V., Schwarz W.H. Biofuels from microbes. Appl. Microbiol. Biotechnol, 2007;77(1):23-35.

100. Markov S.A., Weaver P.F. Bioreactors for h3 production by purple nonsulfur bacteria. Appl. Biochem. Biotecnol., 2008;145:79-86.

101. Ghirardi M.L., Mohanty P. Oxygenic hydrogen photoproduction e current status of the technology. Curr. Sci. India, 2010;98:499-507.

102. Vignais P.M., Colbeau A., Willison J.C., Jouanneau Y. Hydrogenase, nitrogenase, and hydrogen metabolism in the photosynthetic bacteria. Adv. Microbiol. Physiol., 1985;26:155-234.

103. Kars G., Gunduz U, Yucel M, Turker L, Eroglu I. Hydrogen production and transcriptional analysis of nifD, nifK and hupS genes in Rhodobacter sphaeroides O.U.001 grown in media with different concentrations of molybdenum and iron. Int. J. Hydrogen Energy, 2006;31:1536-44.

104. Uyar B., Schumacher M., Gebicki J., Modigell M. Photoproduction of hydrogen by Rhodobacter capsulatus from thermophilic fermentation effluent. Bioprocess. Biosyst. Eng., 2009;32:603-6.

105. Ozgur E., Mars A.E., Peksel B., Louwerse A., Yucel M., Gunduz U., et al. Biohydrogen production from beet molasses bysequential dark and photofermentation. Int. J. Hydrogen Energy, 2010;35:511-7.

106. Liu B.-F., Ren N.-Q., Ding J., Xie G.-J., Guo W.-Q. The effect of Ni2+, Fe2+ and Mg2+ concentration on photo-hydrogen production by Rhodopseudomonas faecalis RLD-53. Int. J. Hydrogen Energy, 2009;34:721-6.

107. Martmez-Perez N., Cherryman S.J., Premier G.C., Dinsdale R.M., Hawkes D.L., Hawkes F.R., et al. The potential for hydrogenenriched biogas production from crop: scenarios in the UK. Biomass Bioenergy, 2007;31:95-104.

108. Markov S.A., Waldron B. Hollow-fiber bioreactor for glycerin conversion into h3 by bacterium Enterobacter aerogenes. Int. Sci. J. Altern. Energy Ecol. (ISJAEE), 2010;88(8):130-4.

109. Pinto F.A.L., Troshima O., Lindbald P. A brief look at three decades of research on cyanobacterial hydrogen evolution. Int. J. Hydrogen Energy, 2002;27:1209-15.

110. Chong M.L., Sabaratnam V., Shirai Y., Hassan M.A. Biohydrogen production from biomass and industrial wastes by dark fermentation. Int. J. Hydrogen Energy, 2009;34:3277-87.

111. Guwy A.J., Dinsdale R.M., Kim J.R., Massanet-Nicolau J., Premier G. Fermentative biohydrogen production systems integration. Bioresour. Technol., 2011;102:8534-42.

112. Nath K., Das D. Modeling and optimization of fermentative hydrogen production. Bioresour. Technol., 2011;102:8569-81.

113. Zhanga Y., Yanga H., Guo L. Enhancing photo-fermentative hydrogen production performance of Rhodobacter capsulatus by disrupting methylmalonate-semialdehyde dehydrogenase gene. Int. J. Hydrogen Energy, 2016;41(1):190-7. http://dx.doi.org/10.1016/jijhydene.2015.09.122.

114. Zhou P., Wang Y., Gao R., Tong J., Yang Z. Transferring [NiFe. hydrogenase gene from Rhodopeseudomonas palustris into E. coli BL21(DE3) for improving hydrogen production. Int. J. Hydrogen Energy, 2015;40(12):4329-36. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.01.171.

115. Liu T., Zhu L., Wei W., Zhou Z. Function of glucose catabolic pathways in hydrogen production from glucose in Rhodobacter sphaeroides 6016. Int. J. Hydrogen Energy, 2015;39(9):4215-21. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.12.188.

116. Eroglu E., Melis A. Microalgal hydrogen production research. Int. J. Hydrogen Energy, 2016;41:12772-98.

117. Scoma A., Krawietz D., Faraloni C. , Giannelli L., Happe T., Torzillo G. Sustained h3 production in a Chlamydomonas reinhardtii D1 protein mutant. J. Biotechnol., 2012;157:613-9.

118. Gronenberg L.S., Marcheschi R.J., Liao J.C. Next generation biofuel engineering in prokaryotes. Curr. Opin. Chem. Biol., 2013;17:462-71.

119. Hasunuma T., Okazaki F., Okai N., Hara K.Y., Ishii J., Kondo A. A review of enzymes and microbes for lignocellulosic biorefinery and the possibility of their application to consolidated bioprocessing technology. Bioresour. Technol., 2013;135:513-22.

120. Atsumi S., Higashide W., Liao J.C. Direct photosynthetic recycling of carbon dioxide to isobutyraldehyde. Nat. Biotechnol., 2009;27:1177-80.

121. Lindberg P., Park S., Melis A. Engineering a platform for photosynthetic isoprene production in cyanobacteria, using Synechocystis as the model organism. Metab. Eng., 2010;12:70-9.

122. Carere C.R., Rydzak T., Verbeke T.J., Cicek N., Levin D.B., Sparling R. Linking genome content to biofuel production yields: a meta-analysis a major catabolic pathways among select h3 and ethanol-producing bacteria. BMC Microbiol., 2012;12:295.

123. Cha M., Chung D., Elkins J.G., Guss A.M., Westpheling J. Metabolic engineering of Caldicellulosiruptor bescii yields increased hydrogen production from lignocellulosic biomass. Biotechnol. Biofuels, 2013;6:85.

124. Melis A. Solar energy conversion efficiencies in photosynthesis: minimizing the chlorophyll antennae to maximize efficiency. Plant Sci., 2009;177:272-80.

125. Verbeke T.J., Zhang X., Henrissat B., Spicer V., Rydzak T., Krokhin O.V., et al. Genetic evaluation of Thermoanaerobactor spp. for the construction of designer co-cultures to improve ignocellulosic biofuel production. PLoS One 2013;8(3): 59362.http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0059362.

126. Ilmen M., den Hann R., Brevnova E., Mcbride J., Wiswall E., Froehlich A., Koivula A., et al. High level secretion of cellobiohydrolases by Saccharomyces cerevisiae. Biotechnol. Biofuels, 2011;4:30.

127. Tai M., Stephanopoulos G. Engineering the push and pull of lipid biosynthesis in oleaginous yeast Yarrowia lipolytica for biofuel production. Metab. Eng., 2013;15:1-9.

128. Buijs N.A., Siewers V., Nielsen J. Advanced biofuel production by the yeast Saccharomyces cerevisiae. Curr. Opin. Chem. Biol., 2013;17:480-8.

Водоросли для производства биотоплива – Farm Energy

Исследования изучают микроводоросли, содержащие от 20 до 80 процентов масла в пересчете на сухую массу биомассы, в качестве биотопливной энергетической культуры. Узнайте о производстве водорослей в прудах и фотобиореакторах, урожайности, затратах и ​​проблемах, связанных с этим захватывающим новым сырьем для производства биодизеля.

Содержание

• Введение
• Текущий потенциал для использования в качестве биотоплива
• Биология и адаптация
• Производственная и агрономическая информация
• Потенциальная доходность
• Производственные проблемы
• Расчетная стоимость производства
• Вопросы экологии и устойчивого развития

Введение

Водоросли — это организмы, которые растут в водной среде и используют свет и двуокись углерода (CO ₂ ) для создания биомассы. Существует две классификации водорослей: макроводоросли и микроводоросли. Макроводоросли, размеры которых измеряются в дюймах, — это большие многоклеточные водоросли, которые часто растут в прудах. Эти более крупные водоросли могут расти по-разному. Самые крупные многоклеточные водоросли называются водорослями; примером является гигантское растение ламинарии, длина которого может достигать более 100 футов. Микроводоросли, с другой стороны, измеряются в микрометрах и представляют собой крошечные одноклеточные водоросли, которые обычно растут во взвешенном состоянии в водоеме.

Изображение микроводорослей.

Микроводоросли уже давно признаны потенциально хорошими источниками для производства биотоплива из-за их относительно высокого содержания масла и быстрого производства биомассы. Микроводоросли растут очень быстро по сравнению с наземными культурами; практику массового культивирования водорослей можно проводить на непахотных землях с использованием непитьевой соленой воды и сточных вод. Таким образом, использование микроводорослей в качестве альтернативного биодизельного биотоплива вызывает все больший интерес со стороны исследователей, предпринимателей и широкой общественности.

Текущие возможности использования в качестве биотоплива

Биомасса водорослей содержит три основных компонента: углеводы, белки и липиды/натуральные масла. Поскольку основная часть природного масла, производимого микроводорослями, находится в форме трицилглицерина (рис. 1), который является подходящим типом масла для производства биодизельного топлива, микроводоросли являются исключительным центром внимания в области превращения водорослей в биодизельное топливо. Помимо биодизеля, микроводоросли также можно использовать для получения энергии несколькими другими способами. Некоторые виды водорослей могут производить газообразный водород в особых условиях роста. Биомасса из водорослей также может быть сожжена подобно древесине или анаэробно переработана для производства метанового биогаза для выработки тепла и электричества. Биомасса водорослей также может быть обработана пиролизом для получения сырой бионефти.

Биология и адаптация

Микроводоросли быстро растут и содержат большое количество масла по сравнению с наземными культурами, для выращивания которых требуется сезон и которые содержат максимум около 5 процентов сухого веса масла (Чисти, 2007). Обычно они удваиваются в размере каждые 24 часа. Во время фазы пикового роста некоторые микроводоросли могут удваиваться каждые три с половиной часа (Чисти, 2007). Содержание масла в микроводорослях обычно составляет от 20 до 50 процентов (сухой вес, таблица 1), а у некоторых штаммов может достигать 80 процентов (Metting, 19).96; Сполаоре и др., 2006). Вот почему микроводоросли находятся в центре внимания на арене производства биотоплива из водорослей.

Производственная и агрономическая информация

Большинство микроводорослей являются строго фотосинтезирующими, то есть им необходим свет и углекислый газ в качестве источников энергии и углерода. Этот режим культуры обычно называют фотоавтотрофным. Однако некоторые виды водорослей способны расти в темноте и использовать органический углерод, такой как глюкоза или ацетат, в качестве источников энергии и углерода. Такой способ культивирования называется гетеротрофным. Из-за высоких капитальных и эксплуатационных затрат культивирование гетеротрофных водорослей трудно оправдать для производства биодизеля. Чтобы минимизировать затраты, производство биотоплива из водорослей обычно основано на фотоавтотрофной культуре, которая использует солнечный свет в качестве бесплатного источника света.

Фототрофным микроводорослям для роста требуются свет, углекислый газ, вода и неорганические соли. Температура культуры должна быть между 15 и 30 ° C (~ 60-80 ° F) для оптимального роста. Среда для роста должна вносить неорганические элементы, из которых состоят клетки водорослей, такие как азот, фосфор, железо и иногда кремний (Grobbelaar, 2004). Для крупномасштабного производства микроводорослей клетки водорослей постоянно перемешиваются, чтобы предотвратить оседание биомассы водорослей (Molina Grima et al. , 19).99), а питательные вещества поступают в светлое время суток, когда водоросли размножаются. Однако до четверти дневной биомассы водорослей может быть потеряно в результате дыхания ночью (Чисти, 2007).

Доступны различные фотоавтотрофные системы культивирования микроводорослей. Например, водоросли можно выращивать в суспензии или прикреплять к твердой поверхности. Каждая система имеет свои преимущества и недостатки. В настоящее время для производства биотоплива из водорослей широко используются суспензионные открытые пруды и закрытые фотобиореакторы. В общем, открытый пруд — это просто ряд каналов снаружи, а фотобиореактор — это реактор сложной конструкции, который можно разместить как в помещении, в теплице, так и на открытом воздухе. Детали этих двух систем описаны ниже.

Открытые пруды: Открытые пруды — самые старые и простые системы для массового культивирования микроводорослей. В этой системе неглубокий пруд обычно имеет глубину около 1 фута; водоросли выращивают в условиях, идентичных их естественной среде. Пруд спроектирован в виде желоба, в котором гребное колесо обеспечивает циркуляцию и перемешивание клеток водорослей и питательных веществ (рис. 2). Канатные дорожки обычно делаются из литого бетона или просто вкапываются в землю и облицовываются пластиком, чтобы земля не впитывала жидкость. Перегородки в канале направляют поток вокруг изгибов, чтобы минимизировать пространство. Система часто работает в непрерывном режиме, то есть свежий корм, содержащий питательные вещества, включая азот, фосфор и неорганические соли, добавляется перед гребным колесом. Бульон из водорослей собирают за лопастным колесом после того, как он прошел через петлю (рис. 2). В зависимости от питательных веществ, требуемых видами водорослей, для выращивания водорослей могут использоваться различные источники сточных вод, такие как стоки молочных/свиноводческих отстойников и муниципальные сточные воды. Для некоторых морских видов микроводорослей можно использовать морскую воду или воду с высокой соленостью.

Хотя строительство и эксплуатация открытых прудов дешевле, чем закрытых фотобиореакторов, эта система культивирования имеет свои недостатки. Поскольку это системы открытого типа, они часто испытывают большие потери воды из-за испарения. Таким образом, микроводоросли, растущие в открытом водоеме, недостаточно эффективно поглощают углекислый газ, а производство биомассы водорослей ограничено (Чисти, 2007). Продуктивность биомассы также ограничивается загрязнением нежелательными видами водорослей, а также другими организмами из корма. Кроме того, в открытых прудах сложно поддерживать оптимальные условия культивирования, а извлечение биомассы из такой разбавленной культуры обходится дорого (Molina Grima et al., 19).99).

Закрытые фотобиореакторы: Закрытые фотобиореакторы использовались для решения проблем загрязнения и испарения, возникающих в открытых прудах (Molina Grima et al., 1999). Эти системы изготавливаются из прозрачных материалов и обычно размещаются на открытом воздухе для освещения естественным светом. Сосуды для культивирования имеют большое отношение площади поверхности к объему.

Наиболее широко используемый фотобиореактор имеет трубчатую конструкцию, состоящую из нескольких прозрачных трубок, обычно ориентированных по направлению солнечных лучей (рис. 3). Трубки обычно имеют диаметр менее 10 сантиметров, чтобы обеспечить максимальное проникновение солнечного света (Чисти, 2007). Бульон среды циркулирует через насос в пробирки, где подвергается воздействию света для фотосинтеза, а затем возвращается в резервуар. Оседание биомассы водорослей предотвращается за счет поддержания сильно турбулентного потока внутри реактора с использованием либо механического насоса, либо эрлифтного насоса (Chisti, 2007). Часть водорослей обычно собирают после солнечных коллекторных трубок. Таким образом, возможно непрерывное культивирование водорослей (Чисти, 2007). В некоторых фотобиореакторах трубки представляют собой скрученные спирали, образующие так называемый спиральный трубчатый фотобиореактор, но иногда для этого требуется искусственное освещение, что увеличивает стоимость производства. Поэтому эта технология используется только для продуктов с высокой стоимостью, а не для биодизельного сырья.

В процессе фотосинтеза выделяется кислород. В системе с открытым каналом это не проблема, поскольку кислород просто возвращается в атмосферу. Однако в закрытом фотобиореакторе уровень кислорода будет расти до тех пор, пока он не станет ингибировать и отравлять водоросли. Культуру необходимо периодически возвращать в зону дегазации, место, где бульон водорослей барботируется воздухом для удаления избыточного кислорода. Кроме того, водоросли используют углекислый газ, что может вызвать углеродное голодание и повышение pH. Следовательно, для успешного выращивания микроводорослей в больших масштабах в систему необходимо подавать углекислый газ. Фотобиореакторы могут нуждаться в охлаждении в светлое время суток, а в ночные часы также необходимо регулировать температуру. Это можно сделать с помощью теплообменников, расположенных либо в самих трубах, либо в дегазационной колонне.

Преимущества закрытых фотобиореакторов очевидны. Они могут решить проблемы загрязнения и испарения, возникающие в открытых водоемах (Молина Грима и др., 1999). Продуктивность фотобиореакторов по биомассе может быть в среднем в 13 раз выше, чем у традиционного пруда с желобом (Чисти, 2007). Сбор биомассы из фотобиореакторов обходится дешевле, чем сбор биомассы из пруда с лотками, поскольку типичная биомасса водорослей примерно в 30 раз более концентрирована, чем биомасса, обнаруженная в лотках (Chisti, 2007). Однако закрытые фотобиореакторы также имеют некоторые недостатки. Например, реакторы дороже, и их сложно масштабировать. Кроме того, ограничение света не может быть полностью преодолено, поскольку проникновение света обратно пропорционально концентрации клеток. Прикрепление клеток к стенкам трубки также может препятствовать проникновению света. Хотя закрытые системы могут увеличить концентрацию биомассы, рост микроводорослей все еще не оптимален из-за колебаний температуры и интенсивности света.

Сбор: После выращивания в открытых прудах или фотобиореакторах биомассу микроводорослей необходимо собрать для дальнейшей переработки. Обычно используемый метод сбора урожая — гравитационное осаждение или центрифуга. Нефть из биомассы будет удалена путем экстракции растворителем и далее переработана в биодизель.

Потенциальные выходы

В зависимости от используемых систем культивирования (открытые пруды или закрытые фотобиореакторы) выход микроводорослей выражается в количестве биомассы на единицу площади поверхности (для открытых прудов) или на единицу объема реактора (для закрытые фотобиореакторы). Типичный открытый пруд может производить от 5 до 10 граммов биомассы (в сухом состоянии) на м ² площади поверхности в день, что соответствует от 7,4 до 14,8 тонн (сухой биомассы) на акр в год. Некоторые исследователи сообщают, что выход биомассы может достигать 50 г/м 90 322 2 90 323 в сутки, т. е. 74 т биомассы/м 90 322 2 90 323 в год в открытом пруду. Для закрытых фотобиореакторов выход биомассы может составлять примерно 2–3 г/л в сутки, т. е. 0,73–1,05 т (сухой биомассы)/м ³ в год. Содержание масла в сухой биомассе является сильно изменчивым параметром (таблица 1), в то время как некоторые штаммы могут достигать 80 процентов (Metting 19).96; Сполаоре и др. 2006). В таблице 2 перечислены потенциальные выходы масла, производимого различными культурами, и эти значения сравниваются с выходами масла из открытого пруда, где выращиваются микроводоросли.

Проблемы производства

Министерство энергетики США (DOE) предприняло значительные усилия для продолжения коммерческого производства биотоплива из водорослей в рамках своей программы ASP с 1980-х по 1990-е годы. После 16 лет исследований Министерство энергетики пришло к выводу, что производство биотоплива из водорослей все еще слишком дорого для коммерциализации в ближайшем будущем. Существуют три основных фактора, ограничивающих коммерческое производство водорослей: сложность содержания желаемых видов в системе культивирования, низкий выход водорослевого масла и высокая стоимость сбора биомассы водорослей. Министерство энергетики пришло к выводу, что существует значительное количество земли, воды и CO 9 .0043 2 для поддержки технологии биотоплива из водорослей.

В последние годы возобновился интерес к производству биотоплива из водорослей. Как университетские исследовательские группы, так и начинающие предприятия исследуют и разрабатывают новые методы повышения эффективности водорослевого процесса с конечной целью коммерческого производства биотоплива из водорослей. Исследования и разработки можно разделить на несколько областей:

1. Повышение содержания масла в существующих штаммах или выбор новых штаммов с высоким содержанием масла.
2. Увеличение скорости роста водорослей.
3. Разработка надежных систем выращивания водорослей как на открытом воздухе, так и в закрытом помещении.
4. Разработка побочных продуктов, кроме нефти.
5. Использование водорослей в биоремедиации.
6. Разработка эффективного метода извлечения масла.

Одним из способов достижения этих целей является генетическое и метаболическое изменение видов водорослей. Другой заключается в разработке новых или улучшении существующих технологий роста, чтобы достичь тех же целей, перечисленных выше. Однако следует отметить, что эта новая волна интереса еще не привела к значительному прорыву.

Ориентировочная стоимость производства

Себестоимость производства масла из водорослей зависит от многих факторов, таких как выход биомассы из системы культивирования, содержание масла, масштаб производственных систем и стоимость извлечения масла из биомассы водорослей. В настоящее время производство масла из водорослей все еще намного дороже, чем нефтяное дизельное топливо. Например, Чисти (2007) оценил себестоимость производства масла из водорослей в фотобиореакторе с годовой производственной мощностью 10 000 тонн в год. Предполагая, что содержание масла в водорослях составляет около 30 %, автор определил себестоимость водорослевого масла в размере 2,80 долл./л (10,50 долл./галлон). Эта оценка не включала затраты на преобразование водорослевого масла в биодизельное топливо, а также расходы на распространение и маркетинг биодизельного топлива и налоги. В то же время цена дизельного топлива составляла от 2 до 3 долларов за галлон.

Способность водорослевого масла стать экономически выгодным источником биотоплива в будущем все еще сильно зависит от цены на нефть. Chisti (2007) использовал следующее уравнение для оценки стоимости масла из водорослей, где оно может быть конкурентоспособной заменой нефтяного дизельного топлива, где C _{масло из водорослей} — это цена масла из микроводорослей в долларах США за галлон, а C _нефть — цена. сырой нефти в долларах США за баррель:

C _{масло водорослей} = 25,9 x 10 ^-3 C _нефть

Это уравнение предполагает, что водорослевое масло имеет примерно 80 процентов калорийности сырой нефти. Например, при цене на нефть в 100 долларов за баррель водорослевое масло должно стоить не более 2,59 долларов за галлон, чтобы конкурировать с нефтяным дизельным топливом.

Вопросы экологии и устойчивого развития

Помимо производства биотоплива, водоросли можно также использовать для различных других целей, таких как удобрения и борьба с загрязнением. Некоторые виды водорослей можно вносить в почву в качестве органического удобрения либо в сыром, либо в полуразложившемся виде (Thomas, 2002). Водоросли можно выращивать в прудах для сбора стоков удобрений с ферм; Затем богатые питательными веществами водоросли можно собирать и повторно применять в качестве удобрения, что потенциально снижает затраты на выращивание сельскохозяйственных культур. В очистных сооружениях микроводоросли можно использовать для уменьшения количества химических веществ, необходимых для очистки и очистки воды.

Кроме того, водоросли также можно использовать для сокращения выбросов CO ₂ электростанциями. Уголь, безусловно, является крупнейшим ископаемым энергетическим ресурсом, доступным в мире. Около четверти мировых запасов угля находится в США. Потребление угля в ближайшие десятилетия продолжит расти как в США, так и во всем мире. Через фотосинтетический метаболизм микроводоросли поглощают CO ₂ и выделяют кислород. Если ферма по выращиванию водорослей построена рядом с электростанцией, CO ₂ , производимый электростанцией, можно было бы использовать в качестве источника углерода для роста водорослей, а выбросы углерода можно было бы сократить за счет переработки отходов CO ₂ электростанций в экологически чистое биодизельное топливо.

Резюме

Микроводоросли являются идеальным сырьем для биодизеля, которое в конечном итоге может заменить топливо на нефтяной основе благодаря ряду преимуществ, таких как высокое содержание масла, высокие темпы производства, меньше земли и т. д. В настоящее время производство биодизеля из водорослей все еще слишком дорого. быть коммерциализированы. Из-за статических затрат, связанных с добычей масла и переработкой биодизеля, а также изменчивостью производства биомассы водорослей усилия по снижению затрат на производство масла из водорослей должны быть сосредоточены на методе производства самих водорослей, богатых маслом. К этому необходимо подходить путем улучшения как биологии водорослей (с точки зрения выхода биомассы и содержания масла), так и инженерии систем культивирования. Кроме того, использование всех аспектов микроводорослей для производства различных продуктов с добавленной стоимостью, помимо топлива из водорослей, с помощью интегрированного биоперерабатывающего завода, является привлекательным способом снижения стоимости производства биотоплива из водорослей. Действительно, микроводоросли содержат большой процент масла, а остальные части состоят из большого количества белков, углеводов и других питательных веществ (Spolaore et al., 2006). Это делает отходы после экстракции масла привлекательными для использования в качестве корма для животных или в других продуктах с добавленной стоимостью.

Библиография

• Чисти Ю. 2007. Биодизель из микроводорослей. Достижения биотехнологии 25: 294-306.
• Гроббелар, Ю.Ю. 2004. Питание водорослей. В: А. Ричмонд, изд. Справочник по культуре микроводорослей: биотехнология и прикладная физиология. Издательство Блэквелл. стр. 97-115.
• Встреча, Ф.Б. 1996. Биоразнообразие и применение микроводорослей. Журнал промышленной микробиологии 17:477-489
• Молина, Грима Э., Асьен, Фернандес Ф.Г., Гарсия, Камачо Ф., Чисти, Ю. 1999. Фотобиореакторы: световой режим, массоперенос и масштабирование. Журнал биотехнологии 70: 231-247.
• Spolaore, P., Joannis-Cassan, C. , Duran, E., Isambert, A. 2006. Коммерческое применение микроводорослей. Журнал бионауки и биоинженерии 101:87-96.
• Томас, Д. Н. 2002. Морские водоросли. Музей естественной истории: Лондон. ISBN 0 565 09175 1.

Авторы этой статьи

Автор

• Жию Вэнь, отдел инженерии биологических систем, Технологический институт Вирджинии

Рецензенты

• Вэй Ляо, доцент кафедры биосистем и сельскохозяйственной инженерии Мичиганского государственного университета
• Чак Роу, Algisys LLC

Изготовление биотоплива из микроводорослей | American Scientist

Эта статья из выпуска

ноябрь-декабрь 2011 г.

Том 99, номер 6

Стр. 474

Стремление к разработке и расширению альтернатив ископаемому топливу привлекает ученых и предпринимателей по всему миру на невиданном ранее уровне.

Все чаще потребителей убеждают представить будущее, когда их транспортные средства и коммерческая техника будут работать не только на бензине или традиционном дизельном топливе, но и на жидком биотопливе; электроэнергия, вырабатываемая ветром и солнцем; и, возможно, даже водород. Этанол, заменитель бензина, обычно производимый в Соединенных Штатах из кукурузы, уже заменяет почти 10 процентов бензина в США. Но исследователи убедительно доказали, что для создания достаточных запасов биотоплива необходимы несколько видов сырья из биомассы.

Право на рекламу

Отчет «Сырье биомассы для биоэнергетической промышленности и производства биопродуктов: техническая осуществимость годового предложения в миллиарды тонн», опубликованный в 2005 году исследователями Министерства энергетики и Министерства сельского хозяйства США, был только что отредактирован. Широко известное как «исследование на миллиард тонн», обновление указывает, что до 1,6 миллиарда тонн наземной биомассы из сельскохозяйственных отходов, отходов лесного хозяйства, твердых бытовых отходов и энергетических культур, таких как мискантус и просо, могут быть устойчиво собраны в Соединенных Штатах. ежегодно для биотоплива, биоэнергии и биопродуктов. Принимая во внимание теоретический выход ферментации сахаров биомассы и содержание энергии в этаноле, этот прогноз также устанавливает теоретическое максимальное производство эквивалентов бензина на биологической основе на уровне около 96 миллиардов галлонов. Поскольку Соединенные Штаты используют примерно 140 миллиардов галлонов бензина, 40 миллиардов галлонов дорожного дизельного топлива и 20 миллиардов галлонов реактивного топлива (все они получены из сырой нефти) в год, становится ясно, что биотопливо, основанное на наземном сырье, никогда не сможет удовлетворить этот спрос. В Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), где мы проводим наши исследования, мы пришли к такому же выводу, когда было опубликовано первоначальное исследование на миллиард тонн. Это побудило нас восстановить Программу водных видов, которая ранее финансировалась из 1978 в 1996 году Министерством энергетики США, чтобы оценить потенциал биотоплива на основе водорослей.

Oxford Scientific/Photolibrary

Мы уверены, что липиды, полученные из водорослей, имеют большие перспективы в качестве дополнительного сырья для биотоплива. В этом контексте у водорослей есть много неотъемлемых преимуществ, при этом высокое содержание липидов, обнаруженное у некоторых видов, является фундаментальным преимуществом. Еще одним преимуществом является высокая продуктивность водорослей на акр. Кроме того, поскольку микроводоросли не являются обычным источником пищи, выращивание водорослей в качестве топлива вряд ли повлияет на производство продуктов питания в той степени, в какой это могло бы произойти при выращивании других видов сырья, таких как кукуруза. Поскольку водоросли растут в самых разных средах, их можно выращивать на площадях, которые не являются продуктивными для сельского хозяйства. Для выращивания водорослей также может использоваться несколько типов воды: пресная, солоноватая, соленая и сточная вода. Широко распространено мнение — хотя для подтверждения этого необходимы исследования — что использование топлива на основе водорослей приведет к образованию крошечной доли чистых парниковых газов, которые сегодня можно отнести к использованию ископаемого топлива. А расширение масштабов выращивания водорослей может привести к получению других коммерчески жизнеспособных продуктов, помимо топлива.

Конечно, все эти обещания условны. Многие научные, экологические и экономические препятствия стоят между сегодняшним днем ​​и временем, когда население мира будет пожинать плоды от топлива, производимого водорослями. Должны быть идентифицированы высокопродуктивные штаммы водорослей. Должны быть разработаны новые и надежные методы выращивания водорослей. Необходимо найти средства для выращивания водорослей с ограниченным количеством воды, доступной для работы. Также должны быть изобретены сверхэффективные системы для извлечения липидов и любых других коммерческих продуктов, выращенных из водорослей. Если все это может быть выполнено, остается еще один потенциальный нарушитель сделки. Все это должно быть сделано по цене, которая делает биотопливо, полученное из водорослей, конкурентоспособным с топливом на основе нефти. Исследования в NREL пытаются решить некоторые из этих проблем.

Во-первых, важно уточнить, какой тип водорослей оказался в центре внимания альтернативного топлива. Макроводоросли, морские водоросли, растут в открытых водах, как пресных, так и морских. Эти водные растения состоят в основном из углеводов и веками собирались в пищу, включая нори, используемые для обертывания суши, и загустители, такие как агар. Программа водных видов изучала потенциал макроводорослей в качестве топлива, но отказалась от этого проекта из-за серьезных проблем, связанных с затратами на сбор урожая и переработкой топлива. Микроводоросли, с другой стороны, являются одноклеточными фотосинтезирующими микроорганизмами. Они повсеместно распространены в природе, встречаются в пресноводных, морских, гиперсоленых озерах и даже в пустынях и арктических экосистемах. Их можно далее подразделить на две основные категории: эукариотические водоросли, обладающие определенными органеллами, такими как ядра, хлоропласты, митохондрии и т. д., и прокариотические водоросли (цианобактерии или сине-зеленые водоросли), обладающие более простой клеточной структурой бактерий. Хотя родство цианобактерий с нефотосинтезирующими бактериями позволяет использовать генно-инженерные технологии и делает их привлекательной отправной точкой для исследований в области биотоплива, им не хватает одной очень важной вещи, которой могут в изобилии обладать эукариотические микроводоросли, — нейтральных липидов, богатых триацилглицеринами. тэги).

Микрофотографии предоставлены Ли Эллиоттом.

Среди эукариотических микроводорослей зеленые водоросли представляют собой таксономическую группу, которую чаще всего называют масличными или богатыми нефтью микроводорослями. Они повсеместно распространены в самых разных средах обитания и растут быстрее, чем виды из других таксонов, и до 60 процентов их сухого веса клеток могут составлять масла. Однако состав масел сильно зависит от вида и условий, в которых растут водоросли. Масла, богатые нейтральными липидами, желательны в контексте биотоплива из-за их потенциально высокого выхода топлива. Поскольку ТАГ состоят из трех молекул жирных кислот, которые этерифицируются или преобразуются в одну молекулу глицерина, почти 100 процентов их веса могут быть преобразованы в топливо. С другой стороны, в случае полярных липидов только одна или две молекулы жирных кислот этерифицируются до глицерина, а остальные компоненты (например, сахара или фосфатные группы) не могут быть преобразованы в сырье для топлива. В результате эти типы липидов дают более низкий выход топлива.

Иллюстрация Барбары Оличино. Данные из статьи «Триацилицеролы микроводорослей как сырье для производства биотоплива: перспективы и достижения» Цян Ху и соавт. 2008. Заводской журнал.

Жирные кислоты, строительные блоки липидов, синтезируются ферментами в хлоропласте, из которых ацетил-КоА-карбоксилаза (ACCase) играет ключевую роль в регулировании скорости синтеза. Когда клетки активно растут, их метаболические процессы сосредоточены на фотосинтезе и производстве биомассы. Образующиеся жирные кислоты в основном содержатся в липидах полярных мембран, таких как фосфо- и гликолипиды, которые бесценны для фотосинтеза. К сожалению, только от 30 до 50 процентов полярных липидов могут быть преобразованы в молекулы топлива. Но когда клетки испытывают метаболический стресс, такой как нехватка необходимых питательных веществ, включая азот, клеточный метаболизм перенаправляется на снижение скорости роста и способствует производству соединений для хранения углерода, в основном углеводов и ТАГ. Мало что известно о регуляции образования ТАГ на молекулярном и клеточном уровне, но более глубокое понимание может привести к созданию водорослей с более высоким соотношением нейтральных липидов.

Органические растворители могут извлекать масла из активно растущих клеток. Но масла, извлеченные из стрессовых клеток, дают больше топлива. В Chlorella vulgaris , штамме, который активно изучался в нашей лаборатории, содержание экстрагированного масла составляет от 30 до 50 процентов биомассы как в условиях активного роста, так и в условиях ограниченных питательных веществ. Однако содержание жирных кислот, отражающее потенциальный выход топлива, может варьироваться от 10 до 50 процентов биомассы в течение цикла роста. Это иллюстрирует большие расхождения, часто наблюдаемые между экстрагированным маслом водорослей и фактическим потенциалом выхода топлива.

В отличие от типичных наземных нефтедобывающих растений, у которых специализированные клетки производят масла, каждая клетка водорослей может производить масла. Масла водорослей, так же как и масла, получаемые из сои, канолы, пальмы и менее известных растений ятрофы, могут быть превращены в хорошее биодизельное сырье путем переэтерификации. В этом процессе катализатор создает биодизельное топливо (состоящее из метиловых эфиров жирных кислот) путем гидролиза и метилирования жирных кислот в маслах. Очищение смеси обычно является следующим этапом и включает удаление из топлива нежирных кислотных компонентов, таких как глицерин, полярные липиды и остаточные пигменты. Типичные процессы нефтепереработки, такие как гидроочистка, крекинг и изомеризация масел из водорослей, также могут использоваться для производства возобновляемого бензина, дизельного топлива или топлива для реактивных двигателей. Эти так называемые встраиваемые виды топлива гораздо больше похожи на традиционные виды топлива на нефтяной основе и могут быть смешаны, например, в существующей заправочной инфраструктуре.

После экстракции водорослевого масла органическими растворителями или удаления каким-либо другим способом оставшаяся биомасса будет состоять из приблизительно равных количеств углеводов и белков. Мы ожидаем, что этот остаточный материал можно будет использовать в качестве сырья для так называемых побочных продуктов, что поможет повысить общую экономическую эффективность выращивания водорослей. Углеводы можно использовать для производства метана путем анаэробного сбраживания или этанола путем ферментации. Белки можно использовать в качестве корма для животных или даже в пищу для человека. Другие более ценные продукты из водорослей, такие как омега-3 жирные кислоты и антиоксиданты, уже доступны на рынке, но потенциальный рынок биотоплива намного превосходит рынок этих нутрицевтиков. Поиск ценных побочных продуктов с большим размером рынка остается недостижимой целью для интегрированного биоперерабатывающего завода на основе биомассы водорослей.

Исследование, опубликованное в этом году Марком Вигмостой и его коллегами из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США, оценило количество земли, доступной для выращивания микроводорослей, и наличие необходимых ресурсов, таких как вода, углекислый газ и неорганические питательные вещества — основные требования для рост водорослей. В этом отчете использовались довольно консервативные предположения о скорости роста водорослей и содержании липидов, основанные на современных технологиях, и было получено значение в 57 миллиардов галлонов биотоплива из водорослей на основе липидов в год. Таким образом, водоросли представляют собой источник сырья, размер которого может быть сравним со всей наземной биомассой, которую можно собирать для производства биотоплива вместе взятых.

Чтобы производить такое количество биомассы водорослей, необходимо разработать новый тип сельского хозяйства, сравнимый по масштабам с количеством сельскохозяйственных угодий США, отведенных под выращивание кукурузы, но сосредоточенный на микроскопическом урожае. Для этого потребуются новые методы выращивания, сбора и переработки. Любой, у кого есть бассейн в плохом состоянии, может подтвердить, что водоросли могут расти без особых усилий. Но для этого земледелия потребуются культуры, которые растут с максимальной скоростью и достигают максимально возможной концентрации клеток на литр питательной среды. Успешные культуры водорослей должны быть в состоянии процветать в присутствии вредителей, хищников и патогенов. К ним относятся штаммы «сорных» водорослей, более устойчивые, чем производственные штаммы, но непригодные для производства биотоплива, травоядные, такие как коловратки, и инфекционные агенты, такие как бактерии, грибки и вирусы. Все это потребует тщательно разработанного процесса выращивания.

Иллюстрация Барбары Ауличино, взятая из карты текстур от Planetary Visions Ltd.

Фотография Денниса Шредера, предоставлена ​​Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии.

Большая часть наших исследований посвящена скорости роста и содержанию липидов в водорослях. На данном этапе это включает в себя биоразведку — поиск природных штаммов с высокой скоростью роста и высоким содержанием липидов, а также устойчивостью. Мы ищем виды, устойчивые к вредителям, хищникам и патогенам и способные процветать в условиях окружающей среды — солнечном свете, температуре и химическом составе воды — ожидаемых на участке выращивания. В этом поиске мы используем технологии, разработанные для биотехнологической и фармацевтической промышленности, такие как робототехника, устройства для работы с жидкостями и флуоресцентно-активированная сортировка клеток, чтобы ускорить выделение отдельных клеток водорослей из образцов окружающей среды и проверить их на скорость роста и содержание липидов. содержание. Узнав от коллег, связанных с коллекцией культур водорослей Техасского университета, мы разработали методы криогенного сохранения образцов культур и их оживления по желанию, устраняя трудоемкую, а иногда и контрпродуктивную практику поддержания культур водорослей на чашках с агаром и на скосах, которая требует регулярные переносы на свежие носители.

Наша работа в области биоразведки и наше участие в Консорциуме устойчивого биотоплива из водорослей, возглавляемом Университетом штата Аризона, дали нам понять, что существует широко распространенная потребность в ускорении количественного определения липидов и адаптации анализа для быстрого скрининга нескольких сотен или тысячи отдельных штаммов, что невозможно при традиционных процессах гравиметрического или хроматографического разделения. В NREL мы разработали быстрые, высокопроизводительные методы инфракрасной спектроскопии для оценки содержания липидов водорослей на основе многомерных калибровочных моделей. Мы продемонстрировали применимость таких методов для количественного определения экзогенных липидов в водорослях. И мы применили усовершенствованные методы к сотням образцов биомассы водорослей более чем 80 видов, при этом содержание липидов варьировалось от 10 до более чем 60 процентов в зависимости от роста культуры. Этот метод может различать нейтральные и полярные липиды, что сложно сделать при использовании стандартных методов, и может способствовать высокопроизводительному скринингу для обнаружения перспективных штаммов водорослей в проектах метаболической инженерии или биоразведки.

В дополнение к C. vulgaris, , упомянутым выше, исследователи NREL также оценивают другие эукариотические водоросли, включая Chlamydomonas reinhardtii и виды Scenedesmus и Nannochloropsis. Все три являются хорошо изученными лабораторными штаммами. C. reinhardtii не дает много масла, но, вероятно, является наиболее распространенным лабораторным штаммом эукариотических водорослей. Его геном был полностью секвенирован, и для генетических манипуляций доступно множество инструментов. Многие из 9Сорта 0003 Scenedesmus и Nannochloropsis использовались для производства масла, потому что оба штамма хорошо растут в больших открытых прудах и фотобиореакторах, и оба могут производить значительное количество масла. Хотя исследователи водорослей во всем мире далеко не исчерпали разнообразие водорослей, которое обеспечивает природа, многие из нас также работают над проектами по улучшению природных штаммов водорослей с помощью классической генетики (мутация, отбор, скрининг и размножение), а также с помощью генной инженерии. Мы работаем над рядом проектов по «омике» или системной биологии, используя геномику, транскриптомику и протеомику, чтобы понять молекулярные детали высокой продуктивности липидов и использовать эту информацию для проведения экспериментов в области генной инженерии. Цели включают повышение или понижение уровней экспрессии генов, чтобы можно было достичь более высоких уровней липидов в условиях, обеспечивающих быстрый рост, и создать штаммы, более подходящие для сбора урожая. Одним из примеров наших генно-инженерных исследований является цианобактерия 9.0003 Synechocystis PCC 6803. Хотя нетрансформированные цианобактерии не производят ТАГ, мы создаем вид, который может это делать, перенаправляя углеродный метаболизм с производства углеводов на производство жирных кислот и вставляя недостающие гены для производства ТАГ.

Генная инженерия может быть спорной темой из-за опасений, что крупномасштабное культивирование может привести к высвобождению сконструированных штаммов, чьи рекомбинантные гены могут проникнуть в другие виды. Независимо от того, будут ли когда-либо разрешены инженерные штаммы за пределами лабораторий (где действуют строгие правила для предотвращения случайного высвобождения), генно-инженерные исследования имеют решающее значение для понимания потенциала одного штамма водорослей, обладающего всеми свойствами, необходимыми для крупномасштабной добычи нефти. . Это исследование должно проводиться параллельно с исследованиями с использованием природных штаммов или штаммов, полученных в результате классической генетики и селекции, чтобы понять риски и принять меры безопасности для крупномасштабного культивирования.

Для выращивания фотосинтезирующих микроводорослей были разработаны две основные системы культивирования: открытые пруды и закрытые фотобиореакторы. Пруды могут быть простыми и неглубокими, глубиной от 20 до 30 сантиметров, с небольшим перемешиванием или без него. Или они могут быть овальными дорожками с разделителями посередине и гребными колесами, чтобы вода двигалась. Пруды представляют собой самую дешевую из возможных систем (особенно если они состоят из простых траншей в земле без облицовки), но они обеспечивают ограниченную защиту от вредителей, хищников и патогенов, которые могут падать с воздуха. Пруды также, как правило, имеют относительно низкое отношение поверхности к объему. В плотных культурах слишком много клеток водорослей может застрять в тени, особенно без надлежащего перемешивания.

Фотография предоставлена ​​Цяном Ху из Университета штата Аризона.

Закрытые фотобиореакторы должны быть изготовлены из прозрачных материалов, таких как стекло или пластик, и могут иметь различные конфигурации, такие как плоские панели, трубы или простые пластиковые пакеты, которые либо свисают с опоры, либо лежат на земле. Фотобиореакторы могут иметь более высокое отношение поверхности к объему, поэтому они уменьшают самозатенение. Закрытая конструкция также может помочь предотвратить проникновение нежелательных организмов и уменьшить количество испарения (таким образом, уменьшая количество воды, необходимой для непрерывного выращивания). Но у них могут быть проблемы с СО ₂ перенос и с нагревом и накоплением O ₂ . И они также намного дороже, чем пруды. Несмотря на то, что стоимость производства биомассы водорослей для дорогостоящих продуктов, таких как нутрицевтики и пищевые добавки, не так критична, как для производства топлива, большинство коммерческих предприятий по выращиванию водорослей используют открытые пруды. Они контролируют качество урожая, выбирая условия, которые стимулируют рост производственного штамма, а не выпадения.

Наша оценка экономики производства показывает, что открытые пруды будут намного более рентабельными, чем фотобиореакторы, но наша лаборатория еще не выступала за одну технологию над другой. Обе системы имеют свои преимущества и недостатки, и обе на данном этапе слишком дороги для производства биотоплива, конкурентоспособного по стоимости с топливом на основе нефти. Мы продолжим следить за разработками, которые либо снизят производственные затраты, либо помогут покрыть эти затраты, путем внесения других улучшений или определения побочных продуктов с добавленной стоимостью.

Культивирование — это только одна из проблем, связанных с увеличением производства водорослевого сырья. Сбор клеток и удаление воды для облегчения выделения ТАГ создают препятствия для коммерциализации. Даже при идеальных условиях выращивания трудно получить более 1-2 граммов биомассы на литр культуры. Процессы аэробной ферментации с использованием промышленных штаммов бактерий, таких как кишечная палочка, могут достигать 100 граммов на литр. Низкая плотность клеток водорослей требует стократной концентрации клеток водорослей, прежде чем процесс экстракции может быть выполнен эффективно. Центрифугирование может легко обеспечить такую ​​концентрацию, но считается слишком капиталоемким и энергоемким для использования в производстве топлива. Другие методы, такие как флокуляция и флотация растворенным воздухом, были адаптированы из отрасли очистки сточных вод и намного дешевле. При флокуляции используются неорганические ионы или органические полимеры (или в некоторых случаях используются внутренние свойства клеточной стенки водорослей), чтобы заставить клетки слипаться. Комки могут быть собраны путем гравитационного осаждения или подняты на поверхность путем барботирования воздухом или другими газами — флотация растворенным воздухом. Оба эти метода менее дороги, чем центрифугирование, но могут потребовать модификаций для каждого штамма водорослей и каждого набора условий роста, а также обеспечить лишь часть концентрации клеток, которую дает центрифугирование.

После того, как клетки водорослей были достаточно сконцентрированы, экстрагировать липиды по-прежнему непросто. Растительные масла можно удалить путем прессования семян, но клетки водорослей слишком малы и жестки для эффективного прессования. Экстракция растворителем гексаном полезна для соевых бобов и других масличных культур, но может быть трудно заставить гексан проникнуть через стенки клеток водорослей. Часто необходимы дополнительные шаги, такие как обработка ультразвуком или механическая гомогенизация, чтобы разрушить клеточную стенку водорослей и сделать липиды более доступными. Эти шаги увеличивают общую стоимость и потребность в энергии, поэтому поиск процесса, который работает в масштабе с влажными водорослями, продолжается.

Хотя липиды являются ключевым компонентом водорослей для производства биотоплива, углеводы и белки водорослей могут быть сырьем для других энергетических продуктов. Метан можно производить с помощью анаэробного сбраживания, а другое биотопливо можно производить с помощью ферментативных и каталитических процессов. Учитывая этот потенциал, NREL также разрабатывает стратегию точного и подробного количественного определения углеводов и белков в биомассе водорослей.

Все технические препятствия, описанные выше, были в той или иной степени преодолены (в лаборатории или на экспериментальных установках), но самой большой проблемой для коммерческой жизнеспособности биотоплива на основе водорослей является выполнение шагов с достаточно низкими затратами для производства конкурентоспособного топлива. недорогое биотопливо. Анализы за последние 20-30 лет, предсказывающие стоимость, варьировались от того, что можно было бы охарактеризовать как крайне оптимистическое (менее 1 доллара за галлон), до более консервативного, но вряд ли обнадеживающего (более 40 долларов за галлон). До тех пор, пока не будут поняты истинные производственные затраты, снижение затрат в результате исследований и разработок трудно поддается количественной оценке. Поэтому NREL пытается установить базовые затраты на производство биотоплива из водорослей с использованием доступных сегодня технологий.

Иллюстрация Барбары Оличино.

Для этого мы применяем опыт и методики, используемые ранее для технико-экономического анализа лигноцеллюлозного, или древесного, сырья для производства биотоплива. Техноэкономический анализ сочетает детальное концептуальное проектирование процессов с экономическим анализом, чтобы связать производительность с затратами. Для этого мы смоделировали базовые процессы водорослей как для систем с открытым прудом, так и для закрытых фотобиореакторных систем. Модели включают рост; сбор урожая; концентрация; экстракция и восстановление липидов; и преобразование в топливо. Базовые модели в настоящее время предполагают, что отработанная биомасса водорослей проходит через анаэробное сбраживание, чтобы восстановить часть энергетической ценности в виде метана. Однако модели позволят исследовать альтернативные сопутствующие продукты. Расходы материалов и энергии, рассчитанные на основе этих моделей, можно использовать для определения размера необходимого оборудования, а также для расчета капитальных и эксплуатационных затрат на завод по биопереработке водорослей. В конце концов, предполагается, что водорослевое масло преобразуется в дизельное топливо или смесь реактивных двигателей.

В нашем недавно опубликованном базовом анализе топливный продукт на предприятии мощностью 10 миллионов галлонов в год может производиться по цене от 10 до 20 долларов за галлон. Хотя многие параметры влияют на экономику, мы определили два ключевых фактора затрат: содержание липидов и скорость роста. С улучшением этих и других параметров, а также несколькими сценариями побочных продуктов потенциал для снижения затрат является значительным. Дальнейшее усовершенствование этих моделей будет происходить за счет использования большего количества экспериментальных данных пилотных операций, проводимых по всей стране. Предположения относительно повторного использования питательных веществ и воды для снижения затрат и повышения устойчивости будут проверены на достоверность.

Иллюстрация Барбары Оличино.

Состав биомассы, произведенной данным процессом, оказывает огромное влияние на экономику. Соотношение и состав белков и углеводов в данном урожае водорослей будет определять судьбу остаточной биомассы после извлечения липидов. Это может сыграть значительную роль в общем процессе, возможно, даже стимулируя разработку альтернативных способов использования остаточной биомассы водорослей. Например, биомасса с высоким содержанием сбраживаемого сахара может быть преобразована в топливный этанол, продукт с большей коммерческой ценностью, чем метан.

Одной из проблем, которую также необходимо решить, является большой диапазон значений содержания липидов водорослей в литературе. Использование широкого спектра методов экстракции и типов растворителей является частью проблемы. Свою роль играют отсутствие стандартной процедуры количественного определения липидов, различия в совместимости полярности растворителей, различия в полярности липидных молекул и доступность липидов для проникновения растворителя. Извлекаемая масляная фракция неизбежно будет содержать нетопливные компоненты (такие как хлорофилл и другие пигменты, белки и гидрофобные углеводы). Таким образом, необходимо оценить топливную фракцию — содержание жирных кислот в экстрагированных липидах — в этих маслах. Это жизненно важно для точного учета улучшений производительности. Мы должны быть уверены, что наблюдаемое увеличение экстрагированных липидов не является артефактом процесса измерения.

В этом контексте сообщество исследователей биотоплива из водорослей переходит от количественного определения липидов на основе экстракции к процессу переэтерификации всей биомассы, который дает точный выход потенциальной топливной фракции. Он делает это, измеряя только жирные кислоты в виде метиловых эфиров. Поскольку жирные кислоты в конечном итоге составляют основу производимого биотоплива, это является точным показателем общего выхода масла.

Чтобы процесс производства биотоплива был успешным, он должен быть устойчивым и прибыльным. Одним из показателей устойчивости является количество CO ₂ выделяется на единицу энергии в топливе. Для биотоплива это указывается как доля выброшенного CO ₂ по отношению к бензину или другому подходящему топливу. Но нужно учитывать и другие факторы. К ним относятся землепользование — особенно если земля будет отнята от производства продуктов питания или это приведет к вырубке лесов — и использование питательных веществ, включая азот и другие питательные вещества. Это особенно верно в отношении фосфора, который, как считается, находится в дефиците и использование которого может поставить выращивание водорослей в конкуренцию с производством продуктов питания. Использование воды также является проблемой, особенно если пресная вода используется в открытых прудах и испаряется. Наконец, важно иметь возможность показать, что для производства биотоплива требуется меньше энергии, чем может произвести биотопливо.

Иллюстрация Барбары Оличино. Карта из статьи «Национальный потенциал производства биотоплива из микроводорослей и потребность в ресурсах» Марка Вигмоста и др. 2011. Исследование водных ресурсов.

Хотя эти концепции устойчивости могут показаться очевидными, их, как известно, трудно рассчитать, как показывают продолжающиеся дебаты по поводу кукурузного этанола. Они особенно сложны для водорослевого биотоплива, потому что многие значения, необходимые для расчетов, доступны только в качестве оценок или предположений. До сих пор было проведено всего несколько оценок жизненного цикла, но результаты показали бесперспективную отдачу энергии и слабые преимущества в отношении парниковых газов. Очень важно правильно рассчитать устойчивость. Огромные инвестиции в исследования, разработки и развертывание оправданы только доказательствами того, что биотопливо из водорослей будет превосходить топливо на основе нефти, которое они могут когда-нибудь заменить.

Область биотоплива из водорослей подвергалась критике из-за огромных технических проблем и потому, что до коммерциализации осталось от пяти до десяти лет. Тем не менее, значительные улучшения происходят во всех технических областях, указанных выше: биологии водорослей, выращивании, сборе, экстракции и анализе. Техноэкономические модели усложнились, и теперь доступны новые данные для заполнения моделей. Наилучшие доступные оценки затрат, хотя и высокие, становятся все более точными и полезными. Эти модели снижают неопределенность и позволяют количественно оценить риск, что может дать инвесторам больше уверенности в вероятности успеха коммерциализации. С этой уверенностью больше ресурсов как государственного, так и частного секторов было задействовано для преодоления технических барьеров. Хотя путь к коммерциализации может быть долгим и может потребовать многих миллионов долларов, потенциал биотоплива из водорослей может способствовать достижению национальных целей по снижению зависимости от ископаемого топлива, сокращению выбросов CO ₂ выбросы и повышенная энергетическая безопасность стоят вложений. Мы уверены, что барьеры рухнут.

• Clarens, A.F., E.P. Resurreccion, M.A. White и L.M. Colosi. 2010. Сравнение экологического жизненного цикла водорослей с другим биоэнергетическим сырьем. Экологические науки и технологии 44:1813–1819.
• Дэвис, Р., А. Аден и П. Т. Пиенкос. 2011. Технико-экономический анализ автотрофных микроводорослей для производства топлива. Прикладная энергия 88:3524–3531.
• Гринвелл, Х.К., Л.М.Л. Лоренс, Р.Дж. Шилдс, Р.В. Ловитт и К.Дж. Флинн. 2009. Включение микроводорослей в список приоритетов биотоплива: обзор технологических проблем. Журнал Королевского общества Интерфейс 7:46.
• • Лоренс Л. и Э. Вольфрум. 2010. Возможность спектроскопической характеристики липидов водорослей: хемометрическая корреляция спектров NIR и FTIR с экзогенными липидами в биомассе водорослей. BioEnergy Research 4:22–35.
  • Пейт Р., Г. Клизе и Б. Ву. 2011. Последствия спроса на ресурсы для увеличения производства биотоплива из водорослей в США. Прикладная энергия 88:3377–3388.
  • Сун, А. К., Р. Дэвис, М. Старбак, А. Бен-Амоц, Р. К. Пейт и П. Т. Пиенкос. 2011. Сравнительный анализ затрат на производство водорослевого масла для биотоплива. Энергия 36:5169–5179.
  • Министерство энергетики США. 2011. Обновление в миллиардах тонн США: поставка биомассы для биоэнергетической и биопродукционной промышленности . Ок-Ридж, Теннесси: Национальная лаборатория Ок-Риджа.

Проблемы и возможности биотоплива из водорослей: впереди долгий путь

9 апреля 2019 г. обновлено 28 янв. 2020 г. 8:23

Сектор зеленых технологий разлюбил водоросли как сырье для производства биотоплива, но еще есть надежда на топлива из водорослей в долгосрочной перспективе. Каковы недавние достижения, направленные на совершенствование производственных процессов, благодаря которым водорослевое биотопливо может конкурировать с нефтью в ближайшие десятилетия?

По
Крис Ло

Доцент химического машиностроения Университета Юты Свомитра Моханти. Фото: Дэн Хиксон, Инженерный колледж Университета штата Юта,

Десять лет назад пространство зеленых технологий было освещено энергетическим потенциалом водорослей. Топливо, полученное из водорослей, получившее название «биотопливо третьего поколения», обладает несколькими ключевыми преимуществами по сравнению с более ранним сырьем, основанным на растительных культурах, таких как сахарный тростник и кукуруза (первое поколение производства биотоплива) и потоках растительных или животных отходов (второе).

Эти преимущества водорослей включают более высокий выход биотоплива по сравнению с предыдущими системами, разнообразный список возможных видов топлива, включая биодизельное топливо, бутанол, этанол и даже реактивное топливо, а также тот факт, что крупномасштабное выращивание водорослей — будь то в открытых прудах или более усовершенствованные системы с замкнутым циклом — можно использовать на землях, непригодных для выращивания продовольственных культур, что устраняет ключевую проблему, связанную с тем, что культуры, используемые в качестве сырья для биотоплива, будут конкурировать с производителями продуктов питания.

Биотопливо из водорослей: шумиха и разочарование

В течение более чем пяти лет, начиная примерно с 2005 года, компании по производству биотоплива на основе водорослей, в том числе такие, как Algenol, Sapphire Energy и Solazyme, привлекли сотни миллионов долларов инвестиций в частный сектор, обещая, что химико-технологические водоросли смогут производить десятки миллионов галлонов топлива за несколько лет по ценам, конкурентоспособным с ископаемым топливом. Преобразование топлива из водорослей в целом основано на высоких концентрациях липидов в сырье: жирных, маслосодержащих молекулах кислот, которые можно экстрагировать для создания биотоплива.

Спустя почти 15 лет мир зеленых технологий разлюбил биотопливо из водорослей. Несмотря на большие суммы, потраченные на разработку процесса конверсии, амбициозные производственные цели отрасли, не говоря уже о конкурентоспособности с ископаемым топливом, остаются несбыточной мечтой. С точки зрения затрат, значительное снижение цен на нефть в 2008 и 2014 годах, конечно, не помогло конкурентоспособности биотоплива, но технические проблемы также оказались серьезным камнем преткновения. Возникли неразрешимые проблемы с точки зрения энергетического баланса экстракции липидов, поддержания подходящих условий выращивания в открытых водоемах и огромных объемов воды, CO₂ и удобрений, необходимых для того, чтобы водоросли могли достаточно быстро фотосинтезировать в больших масштабах.

«Моделирование производства биотоплива из микроводорослей показывает, что для того, чтобы приблизиться к 10% транспортного топлива ЕС, которое, как ожидается, будет поставляться за счет биотоплива, потребуются пруды, в три раза превышающие площадь Бельгии», — написал морской биолог Университета Суонси профессор Кевин Флинн в 2017 году. « А чтобы водоросли в этих прудах производили биотопливо, потребуются удобрения, эквивалентные 50% текущих общих ежегодных потребностей сельскохозяйственных культур в ЕС».

В результате, большинство компаний, рекламирующих биотопливо из водорослей, в 2005-2012 годах были вытеснены из бизнеса или переключили свои бизнес-модели на производство из водорослей более ценных продуктов, таких как диетические добавки, пищевые добавки, корма для животных и косметика.

Но в то время как перспектива биотоплива из водорослей остается бездействующей, а венчурное финансирование 2005 года уже давно пошло на поправку, долгосрочный потенциал технологии остается, и достижения последних лет поддерживают водорослевый шар. Путь вперед может быть долгим, но все эти недавние идеи и открытия могут представлять собой важные шаги.

Решение проблемы энергетического баланса

Одним из основных моментов трения в компоненте экстракции липидов при производстве водорослевого биотоплива является необходимость заблаговременного удаления из водорослей всей влаги, оставляя сухой порошок, из которого можно отделить липиды. Это одна из причин того, что для питания процесса часто требуется больше энергии, чем дает полученное топливо на другом конце уравнения.

Тем не менее, новый метод, изобретенный исследователями из Университета штата Юта, может решить загадку энергетического паритета. Команда инженеров-химиков разработала новую технологию струйного смесителя, которая устраняет необходимость в энергоемких процессах сушки. Новый смесительный реактор выпускает струи растворителя в струи водорослей в жидкой суспензии, создавая турбулентность, необходимую для того, чтобы липиды переходили в поток растворителя. Мало того, что этот процесс требует гораздо меньше энергии, исследователи говорят, что он также быстрее, липиды извлекаются за считанные секунды.

«Было предпринято много похвальных исследований по усовершенствованию биотоплива из водорослей, но ни одна из них еще не привела к ценовому уровню, способному привлечь коммерческое развитие», — сказал доцент химического машиностроения Университета Юты Свомитра Моханти, соавтор результатов группы, которые были опубликованы в журнале Chemical Engineering Science X . «Наши разработки могут изменить это уравнение и вернуть биотопливо из водорослей».

Оптимизация производственного процесса

Дальнейшие мысли о том, как оптимизировать процесс получения биотоплива из водорослей, были предложены Национальным центром биоэнергетики Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США (NREL). В статье, опубликованной в июне 2018 года R&D, руководитель стратегического проекта Национального биоэнергетического центра Филип Пиенко изложил исследования NREL в области экономики и практичности производства биомассы водорослей в больших открытых прудах.

Согласно технико-экономическому анализу группы, после достижения определенной экономии за счет масштаба и улучшения характеристик штаммов и методов культивирования в будущем можно будет производить биомассу водорослей по цене 300 долларов США за сухую тонну. Однако этого все равно недостаточно, чтобы конкурировать с сырой нефтью.

В связи с этим NREL изучает жизнеспособность концепции «комбинированной переработки водорослей» (CAP), которая включает в себя установку, способную одновременно производить биотопливо из водорослей вместе с рядом полезных побочных продуктов, включая поверхностно-активные вещества, полиуретаны и пластиковые композиты. .

Расширение масштаба с ExxonMobil и Synthetic Genomics

Synthetic Genomics — одна из немногих компаний, основанных в период «золотой лихорадки» разработки биотоплива из водорослей, которая по-прежнему уделяет особое внимание топливу, сотрудничая с ExxonMobil для работы над производством биотоплива из водорослей.