Биотопливо на основе водорослей: Топливо из водорослей по составу больше похоже на зелёнку, чем на нефть |

Содержание

Микроводоросли как источник альтернативного топлива

Авторы:

Иванова Полина Владимировна,

Натальина Анна Александровна

Рубрика: Экология

Опубликовано
в

Молодой учёный

№22 (312) май 2020 г.

Дата публикации: 31.05.2020
2020-05-31

Статья просмотрена:

824 раза

Скачать электронную версию

Скачать Часть 8 (pdf)

Библиографическое описание:

Иванова, П. В. Микроводоросли как источник альтернативного топлива / П. В. Иванова, А. А. Натальина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 22 (312). — С. 591-594. — URL: https://moluch.ru/archive/312/70907/ (дата обращения: 07.10.2022).

В статье рассмотрена возможность использования микроводорослей, как одного из перспективных источников растительного сырья для получения биотоплива. Приведены данные по сравнению объемов производства масла из водорослей и других растительных культур с единицы площади. Рассмотрены способы выращивания микроводорослей, а также приведена схема получения биодизеля и биогаза из данного сырья.

Ключевые слова: биотопливо, биомасса, микроводоросли, культивирование, биогаз, биодизель.

В связи с интенсивным ростом населения и постоянно растущим уровнем потребления энергоресурсов человечество столкнулось с проблемой сокращения запасов ископаемого энергетического сырья. Кроме того, использование ископаемых видов топлива приводит к эмиссии в атмосферный воздух парниковых газов и других загрязняющих веществ. Таким образом, увеличение стоимости ископаемых энергоресурсов, их дефицит и существующая угроза глобального изменения климата заставляет искать новые решения. Одним из наиболее перспективных вариантов решения данной проблемы является получение альтернативных видов топлива, одним из которых является биотопливо.

Биотопливо — это продукт синтеза животного или растительного сырья, а также биологических отходов. В первую очередь к видам такого топлива относятся: биоэтанол, биодизель, бионефть и биогаз. Основными преимуществами использования биотоплива являются высокая эффективность, низкая стоимость и минимальное вредное воздействия на окружающую среду по сравнению с традиционным топливом [1].

В зависимости от исходного сырья и технологии его обработки выделяют 3 поколения биотоплива.

При производстве биотоплив первого поколения используют сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием сахаров, крахмала и жиров. Например: рапс, кукуруза, подсолнечник, соя и др. Однако использование данного поколения биотоплива малоэффективно, т. к. требует больших затрат на землепользование и влияет на увеличение стоимости пищевых продуктов.

Сырьем для биотоплива второго поколения являются отработанные жиры и растительные масла, биомасса деревьев и растений, а также остатки пищи. Условная эффективность производства данного вида биотоплива около 50 %, т. к. технологии для его производства требует больших капиталовложений [2].

Водоросли являются сырьем для биотоплива третьего поколения. Они растут намного быстрее, чем продовольственные культуры и могут произвести в несколько раз больше топлива. В таблице 1 приведено сравнение объемов биотополива полученного из водорослей и других видов растительного сырья [3].

Таблица 1

Объемы биотоплива получаемые из некоторых культур

Культура	Количество биотоплива с 1 га вгод, литр
Водоросли	22470
Пальма	7310
Сахарный тростник	5060
Соя	570

Для роста большинства водорослей необходим свет и углекислый газ. Однако некоторые виды водорослей способны в определенных условиях переключаться с фотоавтотрофного способа питания на ассимиляцию различных органических соединений и осуществлять гетеротрофный или фотогетеротрофный типы питания (расти в темноте). Гетеротрофные микроводоросли экономически не выгодно использовать для производства биотоплива из-за высоких капитальных и эксплуатационных затрат.

Микроводоросли обычно выращивают в открытых прудах, трубчатых фотобиореакторах и стабилизационных прудах для очистки сточных вод. Для процесса фотосинтеза требуется свет, углерода диоксид, вода и неорганические соли. Для формирования клеток микроводорослей среда должна содержать неорганические элементы, такие как азот, фосфор, железо. Температуру необходимо поддерживать в пределах 20–30 °С, т. к. в условиях температурных колебаний урожайность водорослей снижается [4].

Открытые пруды — самые старые и простые системы для массового выращивания водорослей. Они представляют собой замкнутые каналы глубиной около 0,3 м, в которых водоросли культивируются в условиях, идентичных их естественной среде (Рис. 1).

Рис. 1. Схема открытого пруда: 1 — сбор водорослей; 2 — исходный поток; 3 — колесная мешалка; 4 — отражатели; 5 — направление потока

Каналы, как правило, изготавливаются из бетона или просто вырыты и покрыты изоляционным материалом, чтобы земля не впитала жидкость. Колесная мешалка обеспечивает циркуляцию и смешивание клеток микроводорослей и питательных веществ. Чаще всего, данные системы работают в непрерывном режиме, чтобы обеспечивать постоянное поступление питательных веществ.

Так как эти системы находятся под открытым небом, они подвержены загрязнениям, а также значительная часть воды испаряется, что ограничивает рост биомассы. Кроме того, оптимальные условия культивирования трудно поддерживать в открытых прудах. Однако следует отметить, что строительство таких прудов и их эксплуатация обходятся дешевле, чем закрытых фотобиореакторов [4].

Закрытые фотобиореакторы используются для решения проблем загрязнения и испарения, возникающих в открытых прудах. Такой реактор состоит из батареи прозрачных труб, изготовленных из стекла или пластика (Рис. 2). Чтобы солнечный свет мог проникать в плотную биомассу водорослей диаметр труб должен быть не более 10 см.

Рис. 2. Схема закрытого фотобиореактора: 1 — отходящие газы; 2 — дегазационная колонна; 3 — исходный субстрат; 4 — охлаждающая вода; 5 — воздух; 6 — насос; 7 — батарея из прозрачных трубок; 8 — сбор водорослей

Субстрат подвергается рециркуляции насосом из дегазационной колонны в трубки, где подвергается воздействию света и обратно. Благодаря поддержанию турбулентности потока с помощью использования механического или воздушного насоса биомасса водорослей не оседает. В процессе культивирования образуется биомасса, содержащая до 50 % белка, липиды, крахмал и глицерин, выделяется чистый кислород примерно в эквивалентном количестве с поглощенным углекислым газом. Биореакторы оснащены дегазационной колонной, в которой воздух поднимается пузырьками через массу микроводорослей, вытесняя кислород и увеличивая концентрацию углекислого газа. Для предотвращения ингибирования процесса фотосинтеза концентрация кислорода в среде не должна превышать определенного уровня. Продуктивность закрытого фотобиореактора в 13 раз выше, чем открытого пруда [5].

Стабилизационные пруды — сооружения, которые используют исключительно для очистки сточных вод. Очистка происходит с использованием фотосинтезирующих водорослей. За счет использования стабилизационных прудов появляется перспектива создания очистных сооружений, которые смогут обеспечить собственные энергетические потребности.

Из биомассы микроводорослей могут быть получены различные виды биотоплива, среди которых наибольший интерес представляет получение биогаза и биодизельного топлива. На рисунке 3 приведена принципиальная схема производства биодизеля и биогаза из микроводорослей.

Рис. 3. Принципиальная схема получение биодизеля и биогаза из микроводорослей

Вода и неорганические питательные вещества, к которым относятся фосфаты, углекислый газ и нитриты, обеспечивают рост микроорганизмов. В процессе образования биомассы выделяются вода и остатки питательных веществ, которые возвращаются в цикл производства. Регенерированная биомасса используется для экстракции липидов и, в конечном счете, для получения биодизеля. Некоторые отходы производства могут использоваться в качестве корма для животных. Большая часть биомассы подвергается анаэробному расщеплению, в результате выделяется биогаз. Стоки, получающиеся в результате анаэробного разложения биомассы, используют для удобрения и орошения почвы.

Таким образом, технологический процесс производства топлив из микроводорослей практически безотходен, т. к. после получения биодизельного топлива сухие отходы биомассы сохраняют все витамины и ценные вещества, поэтому могут быть использованы в пищевых целях, фармацевтике и в качестве корма для животных и рыб. А также, существует возможность создания топливных брикетов из отходов [6].

Использование водорослей в качестве источника биотоплива имеет ряд преимуществ:

− в качестве территорий для выращивания водорослей могут быть использованы земли непригодные для сельского хозяйства;

− в процессе роста водоросли потребляют углекислый газ, тем самым уменьшая его эмиссию;

− биотопливо из водорослей имеет молекулярную структуру схожую со структурой нефти, что является большим плюсом для его использования в существующей транспортной техникой;

− водоросли растут в 20–30 раз быстрее наземных растений;

− для выращивания водорослей подходят пресные, соленые и даже сточные воды;

− водоросли не требует особого ухода и не нуждается в удобрениях;

− при производстве биотоплива из водорослей получают большие объемы топлива, чем из других культур.

Проекты по использованию биомассы водорослей в качестве биотоплива имеются в США, Испании, Португалии, Голландии, Японии, Новой Зеландии и Германии. Россия также занимается разработкой проектов в данной области. Так, экспериментальные исследования по выращиванию в открытых водоёмах Московской области показали возможность получения водорослей для дальнейшего использования как биотоплив [7].

Таким образом, быстрорастущая водоросль обладает огромным потенциалом, являясь источником недорого и энергоэффективного биотоплива. Подсчитано, что с 1 акра (4046,86 м²) водорослей можно произвести в 30 раз больше биотоплива, чем с 1 акра (4046,86 м²) любого наземного растения [8]. Микроводоросль производит липиды и масла, которые могут быть переработаны в биодизель, биоэтанол, биогаз и другие полезные продукты. Массовое производство таких видов биотоплива очень привлекательно за счет своей безотходности. А также стоит отметить, что при использовании биотоплив, значительно снижается эмиссия вредных веществ в атмосферных воздух. Биотопливом можно заменить традиционную нефть практически во всех сферах и главным плюсом является то, что его использование не требует замены двигателей, перестройки инфраструктуры и других глобальных изменений. Биотопливо может быть использовано в качестве горючего для самолетов, автомобилей, морских судов, а также в промышленном производстве, которое работает на нефти.

Литература:

Цоглин И. H., Габель Б. В., Фалькович Е. Н., Семененко В. Е. Фотобиореакторы закрытого типа для культивирования микроводорослей // Физиология растений. 1996. — Т.43. № 1. С. 149–155.
Большая российская энциклопедия [Электронный ресурс] // Биотопливо: [сайт]. URL: https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/3878201 (дата обращения: 12.05. 2020 г.).
Шмойлова А. А. Биотопливо из микроводорослей как возобновляемый источник энергии // Научные вести. 2019. № 6 (11). С. 244–251.
Заболотских В. В., Васильев А. В., Смахтина Л. А., Семихвостова О. В. Разработка технологических подходов к получению альтернативного биотоплива из водорослей // Академический вестник ЭЛПИТ. 2019. — Т.4. № 1(7). С. 12–38.
Zhiyou Wen. Algae for Biofuel Production [Электронный ресурс] // Farm Energy: [сайт]: [2019]. URL: https://farm-energy.extension.org/algae-for-biofuel-production/ (дата обращения 15.05.2020 г.).
Шерстнев В. И., Маракулина А. Н. Энергоносители из водорослей // Биоэнергетика. Экология и рациональное природопользование. 2016. С. 531–532.
Безруких П. П. Возобновляемая энергетика: сегодня — реальность, завтра — необходимость. М.: Лесная страна, 2009. — 120 с.
Муртазина Э. И. Получение биотоплива из водорослей с использованием нанотехнологий в университете штата Аризона (США) // Вестник Казанского технологического университета. 2012. № 18. С. 212–216.

Основные термины (генерируются автоматически): водоросль, углекислый газ, биотопливо, пруд, растительное сырье, вид биотоплива, выращивание водорослей, качество корма, колесная мешалка, поколение биотоплива.

Ключевые слова

культивирование,

биотопливо,

биомасса,

биогаз,

биодизель,

микроводоросли

биотопливо, биомасса, микроводоросли, культивирование, биогаз, биодизель

Нефть на грядке — Троицкий вариант — Наука

Сегодня много говорят об альтернативных видах топлива. Обсуждаются необходимость использования неисчерпаемой энергии Солнца и перспективы искусственных фотосинтетических систем. Многие возлагают надежды на ITER — международный проект по созданию термоядерного реактора. Однако если спуститься с небес на землю, именно на ней можно найти возможный ключ к созданию возобновляемого, экологически чистого и безопасного источника энергии. Технологии биологического топлива, конечно, не обещают «накормить» человечество несколькими килограммами плазмы (как это планируется в термоядерном реакторе). Они потребуют большого труда и тоннажных производств, но выгоды — не только в экономии ископаемого топлива, но и в борьбе с выбросами парниковых газов промышленными объектами — очевидны уже сейчас.

Бензин из еды?

Все виды биологического сырья делятся на два вида. Сырье первого поколения — это сельскохозяйственная продукция с высоким содержанием крахмала, низкомолекулярных сахаров (зерновые, сахароносные растения) или жиров (масличные культуры). Первые легко гидролизуют до простых углеводов, а вторые также гидролизуют, затем восстанавливают. Сырье второго поколения — это непищевые растительные продукты, например стебли съедобных злаков, многолетние травы, водоросли.

Среди работающих сегодня производств биотоплива более распространено сырье первого поколения: сахарный тростник, сахарная свекла или сладкое сорго, содержащие много сахарозы. Ее легко извлечь из растительного материала для последующей ферментации до спиртов. Сахарный тростник сейчас — самое распространенное сырье, обоснованное экономически и экологически. Производить его несложно, однако растить его можно только в некоторых климатических зонах, он прихотлив к погодным условиям и почвам. Это ограничивает возможности его масштабного использования.

Кукурузу, зерно и маниок можно перерабатывать ферментативным гидролизом в раствор сахаров, которые сбраживаются в топливо. Для выработки биодизельного топлива можно использовать также растительные масла — как первичные (пальмовое, соевое, рапсовое или подсолнечное), так и бросовые (животный жир или использованное в кулинарии масло). Второй путь предпочтительнее, так как он подразумевает эффективную вторичную переработку отходов. Однако по ряду причин (дороговизна выращивания и переработки) топливо из традиционных видов растительных масел рассматривается в долгосрочной перспективе только как дополнительный источник биоэнергии.

Наиболее перспективным является более массовое сырье второго поколения, в частности лигноцеллюлоза. Так называют несъедобный растительный материал, состоящий в основном из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Именно его считают будущим биотопливной промышленности, ее завтрашним днем. Однако день сегодняшний не очень жалует это сырье: лигноцеллюлозу куда сложнее перерабатывать в топливо, чем пищевые продукты. Этот процесс высокоэнергозатратный и должен быть существенно оптимизирован перед внедрением в промышленность.Лигноцеллюлоза выигрывает в другом — в доступности сырья. Имеется, в частности, возможность переработки неиспользуемых сейчас отходов. Это и отходы деревообрабатывающей промышленности (стружка и т. п.), и сельскохозяйственные отходы (солома, стебли кукурузы), и бумага и бумажные отходы, а также «энергетические» культуры -прутьевидное просо, тростник или быстрорастущие «сорные» тополя.

Другим высокоперспективным источником биомассы считаются микроводоросли. Это одноклеточные растения, способные, как и все другие, к фотосинтезу, в ходе которого поглощается углекислый газ, выделяется кислород и синтезируются органические вещества. Водоросли — самые быстрорастущие растения на Земле: в течение одного дня их масса может увеличиваться в разы. Кроме того, они обладают еще одной уникальной особенностью — содержат до 80% масла, так важного для производства биотоплива. Преимущества водорослей как биологического сырья очевидны: они дают чрезвычайно высокие «урожаи», для культивирования которых не нужно задействовать полезные сельскохозяйственные земли. Попутно культивирование водорослей может решать экологические проблемы утилизации выбросов углекислоты промышленными предприятиями. На сегодняшний день водоросли — один из самых перспективных источников биомассы для получения топлива.

КУЛЬТУРА	*Удельное содержание масла (л/гагод)**	Удельное содержание энергии (МВт-ч/га)
Соя	446	4
Подсолнечник	952	9
Рапс/канола	1 190	11
Касторовые семена	1413	13
Строфа	1892	18
Кокосовые орехи	2 689	25
Пальмовое масло	5 950	55
Китайское сальное дерево	6 527	61
Водоросли при содержании триацилглицеридов 15%)	11204	104
Водоросли *(50г/кв. мсут при содержании триацилглицеридов 50%)**	100000	931

В зависимости от типа топлива разнятся и методы его переработки. Наиболее распространенные из них — ферментация, газификация и трансэтерификация. Разрабатываются и новые синтетические способы переработки биомассы. В результате можно получать не только топливо, но и другие технически важные вещества и материалы.

Ферментация сахаров — самый очевидный процесс, попросту говоря, брожение. Для его проведения, правда, необходимо провести серьезную подготовку сырья — как первого, так и второго поколения, чтобы сахара перешли из него в водный раствор. Крахмал и другие полисахариды нуждаются в первичном ферментативном гидролизе, а вот сахароносные растения можно сбраживать напрямую с получением биоспиртов.

Процесс ферментации лигноцеллюлозы куда сложнее. На первом смесь нужно разделить: целлюлоза и гемицеллюлоза годятся для ферментации, а лигнин — нет. Энергию из лигнина получают лишь сжиганием.

Целлюлоза и гемицеллюлоза перерабатываются в топливо в две стадии — ферментативным гидролизом с последующей ферментацией, при этом процесс ферментации отличается от описанного выше. Сахар и крахмал состоят из гексоз — углеводов, содержащих шесть атомов углерода, такие углеводы легко сбраживаются дрожжами. А вот для ферментации продуктов гидролиза гемицеллюлозы необходимо сбраживать пентозы — углеводы с пятью атомами углерода. Для этого требуются только специальные микроорганизмы. Одна из технологических задач, стоящих перед разработчиками технологий производства биотоплива, — создание более эффективных и устойчивых к неблагоприятным условиям среды (температура ферментации, концентрация спиртов и других токсических веществ в ферментационной смеси) бактерий, которые могли бы перерабатывать любые углеводы.

Трансэтерификация — стандартная процедура переработки масел. Жиры, представляющие собой сложные эфиры жирных кислот и трехатомного спирта глицерина, подвергают воздействию метанола. В присутствии катализаторов (преимущественно щелочных) в реакционной смеси образуются метиловые эфиры жирных кислот и глицерин. Эти эфиры уже можно использовать в дизельных двигателях. Чем же плохи жиры изначально, ведь они — такие же эфиры? Дело в том, что эфиры глицерина обладают чрезмерно высокой вязкостью и низкой летучестью, а трансэтерификация позволяет значительно улучшить физико-химические свойства будущего топлива. Сейчас дизель на основе метиловых эфиров жирных кислот — самое распространенное биодизельное топливо.

Газификация (т.е. перевод в газообразное состояние) — жесткий метод переработки биомассы, в ходе которого при воздействии высокой температуры в природных молекулах рвутся все ковалентные связи углерод-углерод. В результате образуется смесь СО (угарного газа) и H₂ (водорода), известная как синтез-газ. Из синтез-газа на металлических катализаторах получают углеводороды насыщенного и ненасыщенного ряда, которые используются как синтетическое топливо или смазочные масла (процесс Фишера-Тропша). В качестве побочного продукта выделяется вода.

Спирт в автомобильном баке

Какие вещества можно получать из биомассы, и какие вещества требуются для работы двигателей? Напомним, что обычные современные топлива, получаемые из нефти, представляют собой смесь жидких углеводородов. Почему их сгорание столь эффективно? При нем разрываются прочные ковалентные связи углерод-углерод и углерод-водород, это обеспечивает высвобождение энергии. Природные соединения кроме углерода и водорода содержат кислород, это снижает их энергетическую емкость. Высокоэффективная ферментативная переработка углеводной растительной биомассы (которая представляет собой природный высокоэффективный каталитический процесс) приводит к получению спиртов, а не углеводородов. На первом этапе развития биотопливных технологий предпринимались попытки укомплектовать топливную базу именно за счет спиртов. Однако оказалось, что в современных двигателях спирты могут использоваться лишь как добавка, а не основная фракция топлива. В перспективе использование спиртов для большинства стран неэффективно не только из-за необходимости государственных дотаций на модификацию двигателей и инфраструктуры, но и из-за недостаточной теплотворной способности спиртов.

Совсем другое дело — масла. Хотя при трансэтерификации и образуются эфиры, а не углеводороды, число атомов углерода в цепочке жирных кислот столь велико (около 20 в зависимости от типа кислоты), что такие эфиры эффективно сгорают так же, как и углеводороды. Первые «масляные» дизельные топлива создавались на основе масла самого быстрорастущей масличной культуры — рапса. Однако его низкая урожайность и ограниченность распространения не позволяют надеяться на значительное расширение этого сектора.

В связи с этим многие эксперты обращают внимание на перспективность создания биодизеля на основе масла микроводорослей. «Посевные площади» такой культуры почти не ограничены – рост происходит в водных инкубаторах, а в качестве сырья используется лишь CO₂ и солнечный свет. Производительность водорослей на несколько порядков выше, чем у сельскохозяйственных растений, а возможность использовать именно растительные жиры в противовес углеводам, а возможность использовать именно растительные жиры в противовес углеводам позволяет получать из непищевого возобновляемого сырья биотопливо, практически не отличающееся от традиционного ископаемого. В этом случае дорогостоящая модификация существующего парка техники машин с двигателями внутреннего сгорания не понадобится, и это, по определению, гигантский выигрыш «водорослевой» технологии.

Технология настоящего и будущего

Страны, частично или полностью зависящие от импортных энергоносителей, прилагают большие усилия для развития биотопливных технологий. Согласно текущей стратегии развития энергетической промышленности, США планируют производить до 36 млрд галлонов (162 млрд литров) биотоплив уже к 2022 г., получая горючее из кукурузы и лигноцеллюлозы. Бразилия в течение ближайших 30 лет планирует удовлетворять до 25% потребностей топливного рынка биоспиртами. Извлекать их планируется из сахарного тростника. ЕС планирует «напоить» биотопливом из рапса и лигноцеллюлозы (в качестве добавки к существующим моторным топливам) до 10% машин. Китай планирует заместить биотопливом до 20% импорта топлива, такие же планы у Индии. Во всех странах предусмотрены государственные субсидии, которые сделают биотопливо более дешевым для потребителей. Одновременно планируются «карательные» меры для автолюбителей, пользующихся только традиционным бензином: на такие транспортные средства наложат специальный штраф.

Какие научные задачи предстоит решить на пути масштабного внедрения технологий выработки топлив из возобновляемого биологического сырья? Во-первых, для повышения эффективности производства исходной биомассы требуется работа генетиков и селекционеров. Желательно, чтобы используемые растения были устойчивы к засухе, холодам, наращивали биомассу максимально быстрыми темпами. Химикам следует разработать отдельные методики переработки гексоз и пентоз, учитывая, что они могут присутствовать в смеси вместе. Для более полной переработки биомассы с помощью ферментативного гидролиза и ферментации необходимо подобрать наиболее «агрессивные» энзимы, которые будут разлагать даже самые прочные волокна. Связан с этим и вопрос подбора микроорганизмов, которые будут участвовать в процессе брожения. От них зависят эффективность и полнота протекания ферментации. Отдельная задача — выделение целевого продукта из ферментационной смеси, зачастую не являющегося ее основным компонентом. При концентрации спиртов в смеси выше 1-5 масс. % значительно падает производительность ферментации, при этом общее содержание целевых продуктов ферментации мало и обычно не превышает 20 – 50 г/л.

В этом контексте большие надежды возлагаются на мембранные методы разделения, позволяющие значительно снизить затраты энергии при выделении минорного компонента смеси за счет повышения селективности разделения на селективной по целевым компонентам мембране.

На этапе массового внедрения биотоплив уже промышленным специалистам придется разработать логистику процесса от сельскохозяйственного производства биомассы до доставки топлива потребителю. Очевидно, что на ранних этапах использования биотопливу не обойтись без государственных субсидий, однако будущие выгоды, и, главное, перспективы сохранения природных богатств и улучшения экологии проблемных регионов, без сомнения, стоят того.

Биотопливо в России

В России разработки, посвященные внедрению биотоплива, к сожалению, лежат лишь в плоскости интересов ученых. Учитывая, что наша страна богата нефтью и газом и экономика критически зависит от рынка экспорта углеводородов, использование источников возобновляемой энергии не принимается всерьез ни государством, ни частными энергетическими корпорациями. Однако не зря еще Дмитрий Менделеев говорил, что сжигать нефть — это все равно что топить печь ассигнациями. Сжигаемые углеводороды могли бы быть с успехом заменены биотопливом, а «освободившееся» сырье пошло бы в производство продуктов глубокой переработки нефти (полимеры, удобрения, волокна). Кстати, экспортная стоимость таких продуктов была бы неизмеримо выше цены сырых углеводородов, на которых сейчас зарабатывает наш бюджет.

Академик Илья Моисеев в статье «Эволюция энергетики. Время водорослей» утверждает, что именно биотопливо на основе водорослей может оживить альтернативную энергетику в России, несмотря на очевидное отставание от Запада: «Из-за специфики морфологии и химического состава водорослей новые технологии достаточно просты в аппаратурном оформлении и представляют собой ряд известных и отработанных в других отраслях химической и нефтехимической индустрии методов. Существует ли в нашей стране концепция поддержки новых энергосберегающих технологий, зарождающихся в мире? Пока вопрос остается открытым» [1].

Александра Борисова,
«Газета.Ru»

1. Илья Моисеев, Вадим Тарасов, Лев Трусов. «Эволюция энергетики. Время водорослей». The Chemical Journal, декабрь 2009, 24-29.

См. также:

Трудности при производстве биотоплива из водорослей

Для того, чтобы собирать водоросли в больших масштабах, необходимо найти способ обеспечения их питательными веществами, такими как железо, сера и азот.

Водоросли нуждаются в этих питательных веществах и углероде (чаще всего в углекислом газе)

Люди преобразуют биомассу в биотопливо, которое используют в качестве добавки к другим видам топлива, таким как бензин. Среди прочих, кукуруза, сорго, ячмень и сахарный тростник идут на производство этанола. Например, сейчас в Соединенных Штатах этанол подмешивается почти ко всему производимому бензину.

Будучи высокопродуктивной флорой, водоросли, которые вызывают цветение воды, могут предоставить многообещающее решение для снижения зависимости от ископаемого топлива. Однако технология преобразования водорослей в биомасло все еще находится в зачаточном состоянии и сильно отстает по масштабу от переработки, например, кукурузы.

Несмотря на то, что многие стремятся к освоению топливных источников на основе водорослей, необходимо преодолеть несколько препятствий, прежде чем полученное таким путем биотопливо станет жизнеспособной альтернативой ископаемым ресурсам.

Что из себя представляют водоросли

Водоросли относятся к широкому кругу хлорофилл-содержащих организмов. Они могут представлять из себя микроскопический одноклеточный фитопланктон или крупный многоклеточный организм — водоросль. [1]

Какой тип водорослей наиболее продуктивен для производства биотоплива? Исследователи все еще трудятся над решением этого вопроса. Различные варианты лучше подходят для тех или иных климатических условий в зависимости от имеющегося количества питательных веществ. Кроме того, необходимо оценивать различные способы сбора водорослей в разных странах. Пример устройства для сбора водорослей показан на рис. 1.

Рис. 1. Сборщик водорослей. Источник: Aquarius Systems

Высокий потенциал и присутствующие при этом проблемы

Высокая продуктивность водорослей на выделенной площади имеет важное значение для рассмотрения их в качестве возобновляемого источника энергии. Микроводоросли имеют значительно более высокие темпы роста, чем наземные культуры.

Сообщается, что удельное количество биомасла, полученного из водорослей оценивается в 20 000–80 000 л на 40 соток в год. Это в 7‐31 раз больше, если сравнивать с лучшим урожаем пальмового масла. [4]

Наиболее оптимистичные исследователи считают, что из водорослей, расположенных на 40 сотках, можно произвести около 23 000 литров биодизеля. При тех же условиях из кукурузы биодизеля получится в 10 раз меньше. [5]

Кроме того, выращивание водорослей не требует питьевой воды или земельных пространств, а это означает, что этот способ производства биотоплива не создает конкуренцию выращиванию продуктов питания. [1]

Однако объем пространства, необходимый для создания таких полей из водорослей остается значительным, как и количество воды, необходимое для их выращивания. [2]

Для того, чтобы собирать водоросли в больших масштабах, необходимо найти способ обеспечения их питательными веществами, такими как железо, сера и азот. Водоросли нуждаются в этих питательных веществах и углероде (чаще всего в углекислом газе). [2]

Некоторые из этих питательных веществ также необходимы сельскому хозяйству. Водоросли могут поглощать некоторое количество углекислого газа из воздуха и питаться азотом из сточных вод, однако атмосферные уровни CO₂ могут быть недостаточно высокими, чтобы стимулировать экспоненциальный их рост.

Вот почему такие компании, как американская Solix Biofuels, начали использовать выбросы углерода с других объектов. В 2007 году Solix заключила партнерское соглашение с New Belgium Brewery, чтобы использовать в своих целях CO₂, образующийся в процессе брожения пива. Позже они переехали по соседству к угольной электростанции, чтобы утилизировать гораздо большее количество CO₂. [3]

Заключение

Исследователям потребуются время и ресурсы, чтобы найти наиболее эффективные решения для производства биотоплива из водорослей в промышленных масштабах. Хотя экологические последствия при производстве биотоплива на основе водорослей будут существенно ниже, чем при использовании ископаемых источников, начальная цена его продажи будет примерно в два раза выше, чем нефти. [2]

Источник:

Frank Buncom IV. «Проблемы производства биотоплива из водорослей».

Ссылки:

[1] J. Milledge и S. Heaven, «Обзор сбора микроводорослей для производства биотоплива», Rev. Environ. Sci. Bio. 12, 165 (2013).

[2] M. Hannon и соавторы, «Биотопливо из водорослей: проблемы и потенциал», Biofuels 1, 763 (2010).

[3] L. Wagner, «Биодизель из водорослевого масла», Mora Associates, июль 2007.

[4] A. Demirbas, «Важность масла из водорослей как источника биодизеля», «Энергосбережение и управление», январь 2011.

[5] I. Woertz и соавторы, «Водоросли, выращенные на сточных водах от молочного производства и муниципального хозяйства, для одновременного восстановления питательных веществ и получения липидов в биотопливном сырье», J. Environ. Eng. 135, No. 11 (Ноябрь 2009).

Передовые исследования в области биотоплива и водорослей

Передовые исследования в области биотоплива и водорослей: достижение технических возможностей для производства 10 000 баррелей в день к 2025 году

exxonmobil.com/climate-solutions/advanced-biofuels/advanced-biofuels-and-algae-research» data-message=»ExxonMobil continues to fund and conduct research on advanced biofuels. This work is part of our many investments in new technologies with the transformative potential to increase energy supplies, reduce emissions and improve operational efficiencies.» aria-describedby=»descriptionShare» data-twitter-message=»ExxonMobil continues to fund and conduct research on advanced biofuels — part of our many investments in new technologies with the transformative potential to increase energy supplies, reduce emissions and improve operational efficiencies.» data-facebook-message=»ExxonMobil continues to fund and conduct research on advanced biofuels — part of our many investments in new technologies with the transformative potential to increase energy supplies, reduce emissions and improve operational efficiencies.» role=»dialog»>

Печать
Топ

В 2012 году исследователи из Массачусетского технологического института, ExxonMobil и Viridos (ранее Synthetic Genomics, Inc. ) опубликовали оценку биотоплива водорослей в рецензируемом журнале Environmental Science and Technology , в котором сделан вывод о том, что если основные препятствия для исследований будут преодолены, биотопливо из водорослей будет иметь примерно на 50 процентов более низкие выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла, чем топливо, полученное из нефти. Напротив, в академическом исследовательском сообществе ведутся активные дебаты относительно углеродного следа биотоплива первого поколения, которое EPA определяет как топливо, полученное из съедобных культур (таких как кукуруза). Многие рецензируемые статьи в научной литературе предполагают, что прямые выбросы ПГ в течение жизненного цикла ниже, чем при использовании ископаемого топлива, но что косвенные последствия разработки биотоплива первого поколения, включая изменения в лесопользовании и изменениях в землепользовании, могут привести к более высоким общим выбросам ПГ, чем при использовании ископаемого топлива. топливо нефтяного происхождения.

По этим причинам ExxonMobil проводит исследования в области биотоплива второго поколения, чтобы определить, как оно лучше всего впишется в наше энергетическое будущее. Биотопливо второго поколения определяется как биотопливо, произведенное из несъедобных культур, растительных остатков или газа, полученного биологическим путем, и, следовательно, не отнимающее от общего количества продовольствия или пресной воды. Примеры включают водоросли, кукурузную солому, просо или метан, выделяемый в результате микробной активности на свалках.

Портфель исследований в области биотоплива

Мы финансируем широкий портфель программ исследований в области биотоплива, включая наши текущие усилия по водорослям, а также программы по преобразованию альтернативного, непищевого сырья биомассы, т.е. целлюлозной биомассы, в современное биотопливо. Мы считаем, что наша работа с водорослями открывает большие перспективы для биотоплива следующего поколения, поэтому ExxonMobil вложила сотни миллионов долларов в исследования водорослей. Мы работаем с ведущими исследователями и разработали наше портфолио для развития науки, которая, по нашему мнению, будет необходима для создания передового биотоплива с экологическими преимуществами.

Наш портфель передовых исследований в области биотоплива включает совместные исследования, посвященные биотопливу на основе водорослей, с Viridos, Школой горного дела Колорадо и штатом Мичиган. Мы также изучаем различные процессы конверсии биомассы, которые можно использовать с непищевым сырьем, таким как цельная целлюлозная биомасса, сырье из водорослей и сахара, полученные из целлюлозы. Эти программы в настоящее время осуществляются совместно с Renewable Energy Group (REG) и Университетом Висконсина.

Водоросли для производства биотоплива

Преимущества использования водорослей

Водоросли представляют собой значительное улучшение по сравнению с альтернативными источниками биотоплива по нескольким причинам:

В отличие от производства этанола и биодизельного топлива, производство водорослей не конкурирует с источниками пищи, что делает затруднительное положение между едой и топливом. спорный вопрос.
Поскольку водоросли могут образовываться в солоноватой воде, в том числе в морской, их производство не будет истощать ресурсы пресной воды, как это происходит с этанолом.
Водоросли потребляют CO ₂ , и на основе жизненного цикла имеют гораздо более низкий профиль выбросов, чем этанол из кукурузы, учитывая энергию, используемую для производства удобрений, дистилляции этанола, а также для выращивания и транспортировки последнего.
Водоросли могут давать больше биотоплива на акр, чем биотопливо на растительной основе — в настоящее время около 1500 галлонов топлива на акр в год. Это почти в пять раз больше топлива на акр, чем от сахарного тростника или кукурузы.

Нам также известно, что водоросли можно использовать для производства биотоплива, аналогичного по составу современному транспортному топливу.

Как растут водоросли

Водоросли могут служить разнообразным и весьма желательным непищевым источником важных возобновляемых молекул, которые можно использовать для производства биотоплива второго поколения. Некоторые штаммы водорослей могут быть оптимизированы для производства прекурсоров биодизельного топлива. Другие штаммы водорослей могут быть оптимизированы в качестве источника ферментируемых сахаров с составами, аналогичными составам, полученным из зерен кукурузы, которые используются для производства биотоплива первого поколения, такого как этанол.

Фундаментальные исследования биологии водорослей с Viridos

Сегодня компании ExxonMobil и Viridos осуществляют программу фундаментальных исследований по разработке современного биотоплива из водорослей. Эти совместные усилия направлены на достижение технической возможности производить 10 000 баррелей биотоплива из водорослей в день к 2025 году. Наша цель — разработать передовые варианты биотоплива из водорослей и определить наилучшие пути, чтобы сделать эти новаторские технологии доступными для потребителей. Программа основана на многих полученных нами знаниях и прогрессе, достигнутом с тех пор, как мы объявили о нашем первоначальном союзе с Viridos в 2009 году. .

Используя передовые технологии клеточной инженерии в Viridos, исследовательская группа ExxonMobil-Viridos совсем недавно модифицировала штамм водорослей, чтобы увеличить содержание масла в водорослях с 20 процентов до более чем 40 процентов. Ознакомьтесь с результатами исследования в рецензируемом журнале Nature Biotechnology .

Исследователи Viridos; лаборатория в Ла-Холья открыла новый процесс увеличения добычи нефти путем выявления генетического переключателя, который можно точно настроить для регулирования превращения углерода в нефть в водорослях Nannochloropsis gaditana. Команда разработала экспериментальный подход, в результате которого водоросли удвоили свою липидную долю клеточного углерода по сравнению с родительской, сохраняя при этом рост.

Фото — Ученые Viridos используют передовые технологии клеточной инженерии

«Этот ключевой этап в нашей передовой программе биотоплива подтверждает нашу веру в то, что водоросли могут быть невероятно продуктивными в качестве возобновляемого источника энергии с соответствующим положительным вкладом в нашу окружающую среду», — сказал Виджай Сваруп, вице-президент по исследованиям и разработкам исследовательской и инженерной компании ExxonMobil. . «Наша работа с Viridos продолжает оставаться важной частью наших более широких исследований технологий с низким уровнем выбросов для снижения риска изменения климата».

Водоросли рассматривались как потенциальный устойчивый вариант топлива, но в последнее десятилетие исследователи столкнулись с препятствиями в разработке штамма с высоким содержанием масла и быстрым ростом — две критически важные характеристики для масштабируемой и рентабельной добычи нефти. Замедление роста стало отрицательным эффектом предыдущих попыток увеличить объем производства масла из водорослей.

Ключевой целью сотрудничества ExxonMobil и Viridos было увеличение содержания липидов в водорослях при одновременном снижении содержания крахмала и белковых компонентов без подавления роста водорослей. Ограничение доступности питательных веществ, таких как азот, является одним из способов увеличения производства масла водорослями, но оно также может резко подавлять или даже останавливать фотосинтез, останавливая рост водорослей и, в конечном итоге, объем производимого масла.

Наша работа с Viridos продолжает оставаться важной частью наших более широких исследований технологий с низким уровнем выбросов для снижения риска изменения климата.

Виджай Сваруп

Вице-президент по исследованиям и разработкам ExxonMobil Research and Engineering Company

Способность поддерживать рост при увеличении содержания масла является важным достижением. У водорослей есть и другие преимущества по сравнению с традиционным биотопливом, поскольку они могут расти в соленой воде и процветать в суровых условиях окружающей среды, тем самым ограничивая нагрузку на продукты питания и запасы пресной воды.

Нефть из водорослей также потенциально может перерабатываться на обычных нефтеперерабатывающих заводах, производя топливо, ничем не отличающееся от обычного энергоемкого дизельного топлива. Масло, полученное из водорослей, также перспективно в качестве потенциального сырья для химического производства.

С 2009 года компании ExxonMobil и Viridos сотрудничают в исследованиях и разработках нефти из водорослей, которая будет использоваться в качестве возобновляемой альтернативы традиционному транспортному топливу с низким уровнем выбросов. Сваруп сказал, что, хотя прорыв является важным шагом, до коммерческого рынка технологии еще далеко.

Прожектор

Сотрудничество с передовыми исследовательскими университетами в области биотоплива

Колорадская горная школа / биотопливо из водорослей

ExxonMobil и Горная школа Колорадо организовали совместную исследовательскую работу под руководством доцента горной химии и геохимии Мэтью Посевица, который работает в области водорослей в течение 13 лет. водоросли. Эти новые идеи помогут лучше понять научные и технические проблемы, связанные с производством биотоплива из водорослей.

Штат Мичиган / Биотопливо из водорослей

ExxonMobil сотрудничает со штатом Мичиган в области исследований биотоплива из водорослей, целью которого является продвижение фундаментальной науки о фотосинтезе водорослей. Профессор Дэвид Крамер, заслуженный профессор фотосинтеза и биоэнергетики имени Джона Ханны МГУ, возглавляет работу. Общая цель партнерства — повысить эффективность фотосинтеза водорослей, чтобы увеличить производство биотоплива.

Университет Висконсина / Модернизация биомассы

Компания ExxonMobil совместно с Университетом Висконсина учредила совместную программу исследований процессов обогащения биомассы. Программу возглавляет профессор Джордж Хубер, ведущий исследователь и новатор в области преобразования биомассы. Программа направлена на преобразование исходных продуктов разложения биомассы в более ценные конечные продукты. Например, сахара или родственные сахару соединения могут быть получены из биомассы с помощью первичных процессов разложения, таких как быстрый пиролиз или обработка кислотой и ферментами. Эта программа с Висконсином оценивает каталитические реакции для преобразования этих сахаров в углеводородное топливо, такое как бензин и дизельное топливо.

Узнайте больше о партнерских программах ExxonMobil с университетами

Исследовательская задача

Мы сталкиваемся со значительными техническими препятствиями, прежде чем производство биотоплива из водорослей станет возможным в значительных коммерческих масштабах. Чтобы преодолеть эти проблемы, мы работаем над ответами на некоторые основные вопросы, такие как:

Почему водоросли используют относительно небольшое количество доступной световой энергии?
Какие инструменты можно использовать для повышения эффективности использования света водорослями и улучшения производственных характеристик?
Как разработать организм, который будет производить значительно больше биомасла?

Основная проблема заключается в том, что водоросли естественным образом собирают значительно больше света, чем они могут эффективно преобразовать в биотопливо. Только фиксированное количество света падает на поверхность пруда, и наша цель состоит в том, чтобы водоросли использовали этот свет максимально эффективно. Количество потерянного солнечного света сильно варьируется в зависимости от вида водорослей и условий роста, но может достигать 80 процентов и более. ExxonMobil и Viridos проводят фундаментальные исследования, чтобы уменьшить количество потерянного солнечного света и повысить продуктивность биомассы за счет повышения фотосинтетической эффективности отдельных клеток водорослей. Для достижения этой цели команда Viridos работает над созданием клеток водорослей, которые будут поглощать только то количество света, которое они могут эффективно использовать.

Исследование и разработка биотоплива из водорослей – это долгосрочная задача. Мы многому научились с тех пор, как ExxonMobil и Viridos начали работать вместе, и мы продолжаем создавать биологические инструменты, возможности и знания, необходимые для преодоления технических препятствий.

Проблема масштаба

По словам Сварупа, «мы знаем, что некоторые виды водорослей производят биомасла. Задача состоит в том, чтобы найти и разработать водоросли, которые могут производить биомасла в больших масштабах на рентабельной основе».

Потребуется значительное количество водорослей для производства достаточного количества топлива, чтобы удовлетворить даже небольшую часть потребности в топливе для автомобильного транспорта США. Население и экономика будут продолжать расти вместе с спросом на энергию и выбросами CO ₂ . В ExxonMobil мы понимаем, что для повышения эффективности, расширения поставок и сокращения выбросов потребуется комплексный набор решений. Технологические прорывы будут иметь решающее значение, и биотопливо на основе водорослей может внести свой вклад в этот набор решений.

Конечной целью является переработка биомасел из водорослей на наших нефтеперерабатывающих заводах в дополнение к поставкам обычного бензина, дизельного топлива, авиационного и судового топлива.

Что дальше в передовых исследованиях биотоплива?

ExxonMobil занимается широким спектром исследований в области современного биотоплива, сотрудничая с университетами, государственными лабораториями и другими компаниями. Прогнозируется, что глобальный спрос на энергию, связанную с транспортом, увеличится примерно на 25 процентов к 2040 году, и ускорение сокращения выбросов в транспортном секторе сыграет решающую роль в сокращении глобальных выбросов парниковых газов.

ExxonMobil также активно исследует другие технологии сокращения выбросов, включая улавливание и связывание углерода. В 2016 году ExxonMobil объявила о своем партнерстве с компанией FuelCell Energy, Inc., расположенной в Коннектикуте, для продвижения использования карбонатных топливных элементов для экономичного улавливания выбросов углерода электростанциями при производстве водорода и дополнительной электроэнергии. С 2000 года ExxonMobil потратила около 8 миллиардов долларов на разработку и внедрение энергосберегающих решений с низким уровнем выбросов на своих предприятиях.

Следование этому пути требует значительных затрат времени, денег и научных знаний для решения серьезных проблем, связанных с разработкой экономичного крупномасштабного передового биотоплива. Кроме того, трудно предсказать успех, и он напрямую зависит от темпов технологических инноваций. Потенциально могут потребоваться десятилетия или больше, прежде чем передовое биотопливо достигнет масштабов, которые принесут значительную пользу сектору транспортного топлива.

Мы продолжаем оценивать наши лучшие варианты для дальнейших исследований биологии водорослей в рамках нашего более широкого портфеля программ исследований и разработок в области биотоплива, помимо водорослей.

Фото — Меган Румель, специалист по исследованию водорослей ExxonMobil, работает с Viridos над созданием идеального штамма жирных, пригодных водорослей, которые можно превратить в биотопливо, готовое к использованию в двигателе.

Исследования целлюлозы с REG

ExxonMobil подписала соглашение с Renewable Energy Group (REG) об изучении производства биодизеля путем ферментации возобновляемых целлюлозных сахаров из таких источников, как сельскохозяйственные отходы. REG разработала запатентованную технологию, в которой используются микробы для преобразования сахаров в биодизель в одноэтапном процессе ферментации, аналогичном производству этанола. Исследования ExxonMobil и REG Life Sciences будут сосредоточены на использовании сахаров из непищевых источников.

REG имеет долгую историю инноваций в области производства передового биотоплива из отходов сырья с низким содержанием углерода. В рамках исследования обе компании будут решать проблему ферментации возобновляемых целлюлозных сахаров, которые содержат несколько типов сахаров, включая глюкозу и ксилозу, а также примеси, которые могут препятствовать ферментации.

Нашей первой задачей является определение технической осуществимости и потенциальных экологических преимуществ во время первоначальных исследований. Если результаты будут положительными, мы можем сделать следующий шаг и изучить возможности расширения наших усилий и изучения масштабируемости.

Связанный контент

Будущее транспортных топлив

Жизненно важная задача по сокращению выбросов парниковых газов в транспортном секторе требует набора решений. Откройте для себя альтернативные виды топлива с низким уровнем выбросов, над которыми ExxonMobil работает, чтобы обеспечить транспорт будущего.