Algenbränsle - Algae fuel

Algenbränsle , algbiobränsle eller algolja är ett alternativ till flytande fossila bränslen som använder alger som källa till energirika oljor. Algenbränslen är också ett alternativ till vanligt kända biobränslekällor, såsom majs och sockerrör. När den är gjord av tång (makroalger) kan den kallas tångbränsle eller tångolja .

Flera företag och statliga myndigheter finansierar ansträngningar för att minska kapital- och driftskostnader och göra algerbränsleproduktion kommersiellt lönsam. Liknande fossilt bränsle, släpper alger bränsle CO
2vid förbränning, men till skillnad från fossilt bränsle, släpper algbränsle och andra biobränslen bara ut CO
2nyligen borttagen från atmosfären via fotosyntes när algerna eller växten växte. Energikrisen och världens matkris har tänt intresse för algakultur (jordbruksalger) för att göra biodiesel och andra biobränslen med mark olämplig för jordbruk. Bland algbränslen attraktiva egenskaper är att de kan odlas med minimal påverkan på färskvattenresurser , kan produceras med saltlösning och avloppsvatten , har en hög flampunkt och är biologiskt nedbrytbara och relativt ofarliga för miljön om de släpps ut. Alger kostar mer per massenhet än andra andra generationens biobränslegrödor på grund av högt kapital och driftskostnader, men påstås ge mellan 10 och 100 gånger mer bränsle per ytenhet. Den United States Department of Energy bedömer att om alger bränsle ersatt alla petroleum bränsle i USA, skulle det krävas 15.000 kvadrat miles (39.000 km ² ), vilket är endast 0,42% av den amerikanska kartan, eller ungefär hälften av landarealen från Maine . Detta är mindre än 1 / 7 området majs skördas i USA under 2000.

Chefen för algbiomassan organisationen anges i 2010 att alger bränsle kunde nå pris paritet med olja i 2018 om det beviljas produktions skattelättnader . Men 2013 sa Exxon Mobils ordförande och VD Rex Tillerson att efter att ha förbundit sig att spendera upp till 600 miljoner dollar under 10 år på utveckling i ett joint venture med J. Craig Venter 's Synthetic Genomics 2009, drog Exxon tillbaka efter fyra år ( och 100 miljoner dollar) när det insåg att algbränsle "förmodligen är längre" än 25 år från kommersiell lönsamhet. År 2017 rapporterade Synthetic Genomics och ExxonMobil ett genombrott i den gemensamma forskningen om avancerade biobränslen. Genombrottet var att de lyckades fördubbla lipidhalten (från 20% i dess naturliga form till 40-55 procent) i en genetiskt konstruerad stam av Nannochloropsis gaditana . Å andra sidan har Solazyme , Sapphire Energy och Algenol , bland andra, påbörjat kommersiell försäljning av biobränsle från alger 2012 respektive 2013 respektive 2015. År 2017 hade de flesta insatser övergivits eller ändrats till andra applikationer, med bara några få kvar.

Historia

1942 var Harder och Von Witsch de första som föreslog att mikroalger skulle odlas som en lipidkälla för mat eller bränsle. Efter andra världskriget började forskning i USA, Tyskland, Japan, England och Israel om odlingstekniker och tekniska system för odling av mikroalger på större skalor, särskilt arter i släktet Chlorella . Samtidigt visade HG Aach att Chlorella pyrenoidosa via kvävsvält kunde induceras att ackumulera så mycket som 70% av dess torrvikt som lipider. Eftersom behovet av alternativt transportbränsle hade avtagit efter andra världskriget, fokuserade forskningen vid denna tidpunkt på att odla alger som matkälla eller, i vissa fall, för avloppsrening.

Intresset för tillämpning av alger för biobränslen återupplivades under oljeembargot och oljeprisökningarna på 1970 -talet, vilket ledde till att det amerikanska energidepartementet startade programmet Aquatic Species 1978. Programmet för vattenlevande arter spenderade 25 miljoner dollar över 18 år med målet av att utveckla flytande transportbränsle från alger som skulle vara priskonkurrenskraftigt med bränsle som härrör från petroleum. Forskningsprogrammet fokuserade på odling av mikroalger i öppna utomhusdammar, system som är billiga men sårbara för miljöstörningar som temperatursvängningar och biologiska invasioner. 3000 algstammar samlades in från hela landet och screenades efter önskvärda egenskaper som hög produktivitet, lipidinnehåll och termisk tolerans, och de mest lovande stammarna ingick i SERI -mikroalgsamlingen vid Solar Energy Research Institute (SERI) i Golden, Colorado och används för vidare forskning. Bland programmets mest betydelsefulla resultat var att snabb tillväxt och hög lipidproduktion var "ömsesidigt uteslutande", eftersom den förra krävde höga näringsämnen och den senare krävde låga näringsämnen. Slutrapporten föreslog att genteknik kan vara nödvändigt för att kunna övervinna denna och andra naturliga begränsningar av algstammar, och att den ideala arten kan variera med plats och årstid. Även om det framgångsrikt visades att storskalig produktion av alger för bränsle i utomhusdammar var genomförbar, lyckades programmet inte göra det till en kostnad som skulle vara konkurrenskraftig med petroleum, särskilt när oljepriserna sjönk på 1990-talet. Även i bästa fall beräknades att oextraherad algolja skulle kosta 59–186 dollar per fat, medan petroleum kostade mindre än 20 dollar per fat 1995. Därför övergavs Aquatic Species Program under budgettryck 1996.

Andra bidrag till algbiobränsleforskning har kommit indirekt från projekt med fokus på olika tillämpningar av algkulturer. Till exempel, under 1990 -talet implementerade Japans forskningsinstitut för innovativ teknik för jorden (RITE) ett forskningsprogram med målet att utveckla system för att fixa CO
₂med hjälp av mikroalger. Även om målet inte var energiproduktion, visade flera studier från RITE att alger kunde odlas med rökgas från kraftverk som CO
₂källa, en viktig utveckling för algbränsleforskning. Annat arbete med fokus på skörd av vätgas, metan eller etanol från alger, liksom kosttillskott och farmaceutiska föreningar, har också hjälpt till att informera forskning om produktion av biobränslen från alger.

Efter upplösningen av programmet för vattenlevande arter 1996 var det en relativ vila i algbränsleforskning. Ändå finansierades olika projekt i USA av Department of Energy , Department of Defense , National Science Foundation , Department of Agriculture , National Laboratories , statsfinansiering och privat finansiering, liksom i andra länder. Mer nyligen har stigande oljepriser på 2000 -talet lett till att intresset för algbiobränslen återupplivats och amerikansk federal finansiering har ökat, många forskningsprojekt finansieras i Australien, Nya Zeeland, Europa, Mellanöstern och andra delar av världen och en våg av privata företag har kommit in på fältet (se företag ). I november 2012 gjorde Solazyme och Propel Fuels den första detaljhandelsförsäljningen av algereduerat bränsle och i mars 2013 började Sapphire Energy kommersiell försäljning av algbiobränsle till Tesoro .

Kosttillskott

Alger olja används som en källa för fettsyra tillskott i livsmedelsprodukter, eftersom det innehåller mono- och fleromättade fetter , i synnerhet EPA och DHA . Dess DHA -innehåll motsvarar ungefär det i laxbaserad fiskolja.

Bränslen

Alger kan omvandlas till olika typer av bränslen, beroende på tekniken och den del av cellerna som används. Den lipid , eller oljig del av algbiomassa kan extraheras och omvandlas till biodiesel genom en process liknande den som används för någon annan vegetabilisk olja, eller omvandlas i ett raffinaderi i "drop-in" ersättningar för petroleumbaserade bränslen. Alternativt eller efter lipidextraktion kan kolhydratinnehållet i alger fermenteras till bioetanol eller butanolbränsle .

Biodiesel

Biodiesel är ett dieselbränsle som härrör från animaliska eller vegetabiliska lipider (oljor och fetter). Studier har visat att vissa alger kan producera 60% eller mer av sin torrvikt i form av olja. Eftersom cellerna växer i vattenhaltig suspension, där de har mer effektiv tillgång till vatten, CO
₂och upplösta näringsämnen, kan mikroalger producera stora mängder biomassa och användbar olja i antingen algdammar eller fotobioreaktorer . Denna olja kan sedan förvandlas till biodiesel som kan säljas för användning i bilar. Regional produktion av mikroalger och bearbetning till biobränslen kommer att ge ekonomiska fördelar för landsbygden.

Eftersom de inte behöver producera strukturella föreningar som cellulosa för löv, stjälkar eller rötter, och eftersom de kan odlas flytande i ett rikt näringsmedium, kan mikroalger ha snabbare tillväxt än markbaserade grödor. De kan också omvandla en mycket högre andel av sin biomassa till olja än konventionella grödor, t.ex. 60% kontra 2-3% för sojabönor. Per enhetsutbyte av olja från alger beräknas vara från 58700 till 136 900 L/ha/år, beroende på lipidinnehållet, vilket är 10 till 23 gånger så högt som den näst högsta avkastningen, oljepalmen, vid 5 950 L /ha/år.

US Department of Energy's Aquatic Species Program , 1978–1996, fokuserade på biodiesel från mikroalger. Slutrapporten föreslog att biodiesel skulle kunna vara den enda livskraftiga metoden för att producera tillräckligt med bränsle för att ersätta dagens världens dieselförbrukning. Om alghärdat biodiesel skulle ersätta den årliga globala produktionen av 1,1 miljarder ton konventionell diesel skulle en landmassa på 57,3 miljoner hektar krävas, vilket skulle vara mycket fördelaktigt jämfört med andra biobränslen.

Biobutanol

Butanol kan göras från alger eller kiselalger med endast en soldriven bioraffinaderi . Detta bränsle har en energitäthet som är 10% lägre än bensin och större än antingen etanol eller metanol . I de flesta bensinmotorer kan butanol användas istället för bensin utan några ändringar. I flera tester är butanolkonsumtionen liknande bensin, och när den blandas med bensin ger den bättre prestanda och korrosionsbeständighet än för etanol eller E85 .

Det gröna avfallet som finns kvar från algeoljeextraktionen kan användas för att producera butanol. Dessutom har det visats att makroalger (tång) kan jäsa av bakterier av släktet Clostridia till butanol och andra lösningsmedel. Omestring av tångolja (till biodiesel) är också möjlig med arter som Chaetomorpha linum , Ulva lactuca och Enteromorpha compressa ( Ulva ).

Följande arter undersöks som lämpliga arter för att producera etanol och/eller butanol :

• Alaria esculenta
• Laminaria saccharina
• Palmaria palmata

Biobensin

Biobensin är bensin som produceras av biomassa . Liksom traditionellt producerad bensin innehåller den mellan 6 ( hexan ) och 12 ( dodekan ) kolatomer per molekyl och kan användas i förbränningsmotorer .

Biogas

Biogas består huvudsakligen av metan ( CH
4) och koldioxid ( CO
2), med några spår av svavelväte , syre, kväve och väte . Makroalger har hög metanproduktionstakt jämfört med växtbiomassa. Biogasproduktion från makroalger är mer tekniskt livskraftig jämfört med andra bränslen, men det är inte ekonomiskt lönsamt på grund av de höga kostnaderna för makroalger. Kolhydrat och protein i mikroalger kan omvandlas till biogas genom anaerob nedbrytning, vilket inkluderar hydrolys, fermentering och metanogenessteg. Omvandlingen av algbiomassa till metan kan potentiellt återvinna så mycket energi som den får, men det är mer lönsamt när alglipidinnehållet är lägre än 40%. Biogasproduktion från mikroalger är relativt låg på grund av det höga proteinförhållandet i mikroalger, men mikroalgerna kan smälta tillsammans med produkter med högt C/N-förhållande, t.ex. pappersavfall. En annan metod för att producera biogas är genom förgasning, där kolväten omvandlas till syngaser genom en partiell oxidationsreaktion vid hög temperatur (vanligtvis 800 ° C till 1000 ° C). Förgasning utförs vanligtvis med katalysatorer. Okatalyserad förgasning kräver att temperaturen är cirka 1300 ° C. Syngas kan brännas direkt för att producera energi eller användas som bränsle i turbinmotorer. Det kan också användas som råmaterial för andra kemiska produktioner.

Metan

Metan , huvudbeståndsdelen i naturgas kan produceras från alger på olika sätt, nämligen förgasning , pyrolys och anaerob nedbrytning . Vid förgasning och pyrolysmetoder extraheras metan under hög temperatur och tryck. Anaerob matsmältning är en enkel metod som är involverad i sönderdelning av alger till enkla komponenter och sedan omvandlar den till fettsyror med hjälp av mikrober som acidogena bakterier följt av att ta bort eventuella fasta partiklar och slutligen tillsätta metanogena archaea för att frigöra en gasblandning som innehåller metan. Ett antal studier har framgångsrikt visat att biomassa från mikroalger kan omvandlas till biogas via anaerob nedbrytning. För att förbättra den totala energibalansen för mikroalgerodlingsoperationer har det därför föreslagits att återvinna energin i biomassa via anaerob nedbrytning till metan för elproduktion.

Etanol

Den Algenol system som håller på att kommersialiseras av BioFields i Puerto Libertad , Sonora , Mexiko utnyttjar havsvatten och industriavgas att producera etanol. Porphyridium cruentum har också visat sig vara potentiellt lämplig för etanolproduktion på grund av dess förmåga att ackumulera stora mängder kolhydrater.

Grön diesel

Alger kan användas för att producera ' grön diesel ' (även känd som förnybar diesel, vätebehandlad vegetabilisk olja eller vätebaserad förnybar diesel) genom en vattenbehandlingsraffinaderi som bryter ner molekyler i kortare kolvätekedjor som används i dieselmotorer . Den har samma kemiska egenskaper som petroleumbaserad diesel vilket innebär att den inte kräver nya motorer, rörledningar eller infrastruktur för att distribuera och använda. Det har ännu inte producerats till en kostnad som är konkurrenskraftig med petroleum . Medan hydrobehandling är för närvarande den vanligaste vägen för att producera bränsleliknande kolväten via dekarboxylering/dekarbonylering, finns det en alternativ process som erbjuder ett antal viktiga fördelar jämfört med hydrobehandling. I detta avseende har arbetet från Crocker et al. och Lercher et al. är särskilt anmärkningsvärt. För oljeraffinering pågår forskning för katalytisk omvandling av förnybara bränslen genom dekarboxylering . Eftersom syret är närvarande i råolja vid ganska låga halter, i storleksordningen 0,5%, är deoxygenering vid petroleumraffinering inte mycket oroande, och inga katalysatorer är specifikt formulerade för syrehydratbehandling. Därför är en av de kritiska tekniska utmaningarna för att göra hydrodeoxygenering av algeroljeprocessen ekonomiskt genomförbar relaterad till forskning och utveckling av effektiva katalysatorer.

Flygbränsle

Försök med att använda alger som biobränsle utfördes av Lufthansa och Virgin Atlantic redan 2008, även om det finns få bevis för att användning av alger är en rimlig källa för jetbiobränslen. År 2015 undersöktes odling av fettsyrametylestrar och alkenoner från algerna, Isochrysis , som ett möjligt biobränsle för råmaterial .

Från och med 2017 var det lite framsteg när det gäller att producera jetbränsle från alger, med en prognos om att endast 3 till 5% av bränslebehovet skulle kunna tillhandahållas från alger år 2050. Vidare, algföretag som bildades i början av 2000 -talet som en bas för en biobränsleindustri för alger har antingen stängt eller förändrat sin affärsutveckling mot andra varor, till exempel kosmetika , djurfoder eller specialoljeprodukter.

Arter

Forskning på alger för massproduktion av olja fokuserar främst på mikroalger (organismer som kan fotosyntes som är mindre än 0,4 mm i diameter, inklusive kiselalger och cyanobakterier ) i motsats till makroalger, såsom tång . Preferensen för mikroalger har uppstått på grund av deras mindre komplexa struktur, snabba tillväxttakt och höga oljeinnehåll (för vissa arter). Viss forskning görs dock för att använda tång för biobränslen, troligen på grund av den höga tillgången på denna resurs.

Från och med 2012 har forskare från olika platser världen över börjat undersöka följande arter för deras lämplighet som massoljeproducenter:

• Botryococcus braunii
• Chlorella
• Dunaliella tertiolecta
• Gracilaria
• Pleurochrysis carterae (även kallad CCMP647).
• Sargassum , med 10 gånger utmatningsvolymen för Gracilaria .

Mängden olja varje stam av alger producerar varierar mycket. Observera följande mikroalger och deras olika oljeutbyten:

• Ankistrodesmus TR-87: 28–40% torrvikt
• Botryococcus braunii : 29–75% dw
• Chlorella sp .: 29%dw
• Chlorella protothecoides ( autotrof / heterotrof ): 15–55% dw
• Crypthecodinium cohnii : 20%dw
• Cyclotella DI- 35: 42%dw
• Dunaliella tertiolecta  : 36–42%dw
• Hantzschia DI-160: 66%dw
• Nannochloris : 31 (6–63)%dw
• Nannochloropsis  : 46 (31–68)%dw
  • Nannochloropsis och biobränslen
• Neochloris oleoabundans : 35–54%dw
• Nitzschia TR-114: 28–50%dw
• Phaeodactylum tricornutum : 31%dw
• Scenedesmus TR-84: 45%dw
• Schizochytrium 50–77%dw
• Stichococcus : 33 (9–59)%dw
• Tetraselmis suecica : 15–32%dw
• Thalassiosira pseudonana : (21–31)%dw

På grund av dess höga tillväxthastighet har dessutom Ulva undersökts som ett bränsle för användning i SOFT-cykeln , (SOFT står för Solar Oxygen Fuel Turbine), ett energiproduktionssystem med slutna cykler som är lämpligt för användning i torra, subtropiska regioner.

Andra arter som används inkluderar Clostridium saccharoperbutylacetonicum , Sargassum , Gracilaria , Prymnesium parvum och Euglena gracilis .

Näringsämnen och tillväxtinsatser

Ljus är vad alger främst behöver för tillväxt eftersom det är den mest begränsande faktorn. Många företag investerar för att utveckla system och teknik för att tillhandahålla artificiellt ljus. En av dem är OriginOil som har utvecklat en Helix BioReactorTM som har en roterande vertikal axel med lågenergilampor arrangerade i ett spiralmönster. Vattentemperaturen påverkar också algernas ämnesomsättning och reproduktion. Även om de flesta alger växer med låg hastighet när vattentemperaturen blir lägre, kan biomassan i algsamhällen bli stor på grund av frånvaron av betande organismer. De blygsamma ökningarna i vattenströmhastigheten kan också påverka algtillväxten, eftersom hastigheten på näringsupptag och gränsskiktdiffusion ökar med strömhastigheten.

Förutom ljus och vatten är fosfor, kväve och vissa mikronäringsämnen också användbara och viktiga vid alger. Kväve och fosfor är de två viktigaste näringsämnena som krävs för algproduktivitet, men andra näringsämnen som kol och kiseldioxid krävs dessutom. Av de näringsämnen som krävs är fosfor en av de mest väsentliga eftersom den används i många metaboliska processer. Mikroalgerna D. tertiolecta analyserades för att se vilket näringsämne som påverkar dess tillväxt mest. Koncentrationerna av fosfor (P), järn (Fe), kobolt (Co), zink (Zn), mangan (Mn) och molybden (Mo), magnesium (Mg), kalcium (Ca), kisel (Si) och svavel ( S) koncentrationer mättes dagligen med användning av induktivt kopplad plasma (ICP) analys. Bland alla dessa element som mättes resulterade fosfor i den mest dramatiska minskningen, med en minskning med 84% under kulturens gång. Detta resultat indikerar att fosfor, i form av fosfat, krävs i stora mängder av alla organismer för metabolism.

Det finns två berikningsmedier som har använts i stor utsträckning för att odla de flesta alger: Walne -medium och Guillards F/ ₂ -medium. Dessa kommersiellt tillgängliga näringslösningar kan minska tiden för att förbereda alla näringsämnen som krävs för att odla alger. På grund av deras komplexitet i generationens process och höga kostnader används de dock inte för storskaliga kulturoperationer. Därför innehåller anrikningsmedier som används för massproduktion av alger endast de viktigaste näringsämnena med gödselmedel av jordbruksklass snarare än gödselmedel av laboratoriekvalitet.

Odling

Alger växer mycket snabbare än matgrödor och kan producera hundratals gånger mer olja per ytenhet än konventionella grödor som raps, palmer, sojabönor eller jatropha . Eftersom alger har en skördecykel på 1–10 dagar, tillåter deras odling flera skördar på mycket kort tid, en strategi som skiljer sig från den som är förknippad med ettåriga grödor. Dessutom kan alger odlas på mark som är olämplig för markbaserade grödor, inklusive torr mark och mark med alltför salt salt, vilket minimerar konkurrensen med jordbruket. Merparten av forskningen kring algodling har fokuserat på att odla alger i rena men dyra fotobioreaktorer , eller i öppna dammar, som är billiga att underhålla men utsatta för kontaminering.

System med sluten slinga

Bristen på utrustning och strukturer som behövs för att börja odla alger i stora mängder har hämmat utbredd massproduktion av alger för produktion av biobränslen. Maximal användning av befintliga jordbruksprocesser och hårdvara är målet.

Stängda system (inte utsatta för friluft) undviker problemet med kontaminering av andra organismer som blåses in av luften. Problemet med ett slutet system är att hitta en billig källa till sterilt CO
₂. Flera experimentörer har hittat CO
₂från en rökstack fungerar bra för odling av alger. Av ekonomiska skäl tror vissa experter att algodling för biobränslen måste göras som en del av kraftvärme , där det kan använda spillvärme och hjälpa till att suga upp föroreningar.

För att producera mikroalger i stor skala under kontrollerad miljö med hjälp av PBR-system, bör strategier som ljusguider, sparger och PBR-byggmaterial som krävs övervägas väl.

Fotobioreaktorer

De flesta företag som driver alger som källa till biobränslen pumpar näringsrikt vatten genom plast- eller borsilikatglasrör (kallade " bioreaktorer ") som utsätts för solljus (och så kallade fotobioreaktorer eller PBR).

Att köra en PBR är svårare än att använda en öppen damm och dyrare, men kan ge högre kontroll och produktivitet. Dessutom kan en fotobioreaktor integreras i ett kraftvärmeanläggning med sluten slinga mycket lättare än dammar eller andra metoder.

Öppen damm

Öppna dammsystem består av enkla i markdammar, som ofta blandas av ett paddelhjul. Dessa system har låga energikrav, driftskostnader och kapitalkostnader jämfört med fotobioreaktorsystem med sluten slinga. Nästan alla kommersiella algproducenter för högvärdiga algprodukter använder öppna dammsystem.

Torvskrubber

Den Alger skrubber är ett system som är utformat i första hand för rengöring näringsämnen och föroreningar ur vatten med användning av alger grästorvor. ATS härmar alggräset i ett naturligt korallrev genom att ta in näringsrikt vatten från avfallsströmmar eller naturliga vattenkällor och pulserar det över en sluttande yta. Denna yta är belagd med ett grovt plastmembran eller en skärm, som tillåter naturligt förekommande algsporer att sätta sig och kolonisera ytan. När algen väl har fastställts kan den skördas var 5–15 dag och kan producera 18 ton algbiomassa per hektar och år. I motsats till andra metoder, som främst fokuserar på en enda högavkastande algart, fokuserar denna metod på naturligt förekommande polykulturer av alger. Som sådan är lipidhalten i algerna i ett ATS -system vanligtvis lägre, vilket gör den mer lämplig för en fermenterad bränsleprodukt, såsom etanol, metan eller butanol. Omvänt kunde de skördade algerna behandlas med en hydrotermisk kondenseringsprocess , vilket skulle möjliggöra produktion av biodiesel, bensin och jetbränsle.

Det finns tre stora fördelar med ATS jämfört med andra system. Den första fördelen är dokumenterad högre produktivitet jämfört med öppna dammsystem. Den andra är lägre drift- och bränslekostnader. Den tredje är eliminering av föroreningar på grund av beroende av naturligt förekommande alger. De beräknade kostnaderna för energiproduktion i ett ATS -system är $ 0,75/kg, jämfört med en fotobioreaktor som skulle kosta $ 3,50/kg. På grund av det faktum att huvudsyftet med ATS är att ta bort näringsämnen och föroreningar ur vattnet, och dessa kostnader har visat sig vara lägre än andra metoder för avlägsnande av näringsämnen, kan detta stimulera användningen av denna teknik för näringsborttagning som primära funktion, med biobränsleproduktion som en extra fördel.

Bränsleproduktion

Efter skörd av alger bearbetas biomassan vanligtvis i en serie steg, som kan variera beroende på art och önskad produkt; detta är ett aktivt forskningsområde och är också flaskhalsen för denna teknik: kostnaden för extraktion är högre än de som erhålls. En av lösningarna är att använda filtermatare för att "äta" dem. Förbättrade djur kan ge både mat och bränsle. En alternativ metod för att extrahera algerna är att odla algerna med specifika typer av svampar. Detta orsakar biologisk flockning av algerna vilket möjliggör enklare extraktion.

Uttorkning

Ofta uttorkas algerna, och sedan används ett lösningsmedel som hexan för att extrahera energirika föreningar som triglycerider från det torkade materialet. Sedan kan de extraherade föreningarna bearbetas till bränsle med användning av industriella standardprocedurer. Exempelvis reageras de extraherade triglyceriderna med metanol för att skapa biodiesel via transesterifiering . Den unika sammansättningen av fettsyror för varje art påverkar kvaliteten på den resulterande biodieseln och måste därför beaktas vid val av algarter för råvaror.

Hydrotermisk kondensering

Ett alternativt tillvägagångssätt som kallas hydrotermisk kondensering använder en kontinuerlig process som utsätter skördade våtalger för höga temperaturer och tryck - 350 ° C (662 ° F) och 3000 pounds per square inch (21 000 kPa).

Produkterna inkluderar råolja, som kan förädlas ytterligare till flygbränsle, bensin eller diesel med en eller flera uppgraderingsprocesser. Testprocessen omvandlade mellan 50 och 70 procent av algens kol till bränsle. Andra utmatningar inkluderar rent vatten, bränslegas och näringsämnen som kväve, fosfor och kalium.

Näringsämnen

Näringsämnen som kväve (N), fosfor (P) och kalium (K) är viktiga för växttillväxt och är viktiga delar av gödningsmedel. Kiseldioxid och järn, liksom flera spårämnen, kan också anses vara viktiga marina näringsämnen eftersom bristen på ett kan begränsa tillväxten eller produktiviteten i ett område.

Koldioxid

Bubblande CO
₂genom algodlingssystem kan kraftigt öka produktiviteten och avkastningen (upp till en mättnadspunkt). Vanligtvis cirka 1,8 ton CO
₂kommer att användas per ton algbiomassa (torr) producerad, även om detta varierar med alger. Glenturret -destilleriet i Perthshire perkolerar CO
₂tillverkad under whiskydestillationen genom en mikroalgerbioreaktor. Varje ton mikroalger tar upp två ton CO
₂. Skotsk bioenergi, som driver projektet, säljer mikroalgerna som högvärdiga, proteinrika livsmedel för fiske . I framtiden kommer de att använda algeresterna för att producera förnybar energi genom anaerob nedbrytning .

Kväve

Kväve är ett värdefullt substrat som kan användas vid algtillväxt. Olika kvävekällor kan användas som näringsämne för alger, med varierande kapacitet. Nitrat befanns vara den föredragna kvävekällan när det gäller mängden odlad biomassa. Urea är en lättillgänglig källa som visar jämförbara resultat, vilket gör den till ett ekonomiskt substitut för kvävekälla vid storskalig odling av alger. Trots den tydliga ökningen av tillväxten jämfört med ett kvävefritt medium har det visats att förändringar i kvävehalter påverkar lipidinnehållet i algcellerna. I en studie orsakade kvävebrist i 72 timmar det totala fettsyrinnehållet (per cell) att öka med 2,4-faldigt. 65% av de totala fettsyrorna förestrade till triacylglycerider i oljekroppar, jämfört med den ursprungliga kulturen, vilket indikerar att algcellerna utnyttjade de novo -syntes av fettsyror. Det är avgörande för att lipidinnehållet i algceller är tillräckligt högt, samtidigt som det upprätthåller tillräckliga celldelningstider, så parametrar som kan maximera båda undersöks.

Avloppsvatten

En möjlig näringskälla är avloppsvatten från behandling av avlopp, jordbruks- eller översvämningsavlopp, alla för närvarande stora föroreningar och hälsorisker. Detta avloppsvatten kan dock inte mata alger direkt och måste först bearbetas av bakterier genom anaerob nedbrytning . Om avloppsvatten inte bearbetas innan det når algerna kommer det att förorena algerna i reaktorn och åtminstone döda mycket av den önskade algenstammen. I biogasanläggningar omvandlas organiskt avfall ofta till en blandning av koldioxid, metan och organiskt gödselmedel. Organiskt gödningsmedel som kommer ut ur kokaren är flytande och nästan lämpligt för algtillväxt, men det måste först rengöras och steriliseras.

Användning av avloppsvatten och havsvatten istället för sötvatten förordas starkt på grund av den fortsatta uttömningen av sötvattentillgångar. Tungmetaller, spårmetaller och andra föroreningar i avloppsvatten kan dock minska cellernas förmåga att producera lipider biosyntetiskt och även påverka olika andra funktioner i cellmaskineriet. Detsamma gäller havsvatten, men föroreningarna finns i olika koncentrationer. Gödselmedel av jordbruksgrad är således den föredragna näringskällan, men tungmetaller är återigen ett problem, särskilt för alger som är mottagliga för dessa metaller. I öppna dammsystem kan användning av alstammar som kan hantera höga koncentrationer av tungmetaller hindra andra organismer från att infektera dessa system. I vissa fall har det till och med visats att alstammar kan ta bort över 90% av nickel och zink från industriellt avloppsvatten på relativt korta tidsperioder.

Påverkan på miljön

I jämförelse med markbaserade biobränslegrödor som majs eller sojabönor ger mikroalgproduktionen ett mycket mindre betydande markavtryck på grund av den högre oljeproduktiviteten från mikroalgerna än alla andra oljegrödor. Alger kan också odlas på marginella marker som är värdelösa för vanliga grödor och med lågt bevarandevärde, och kan använda vatten från saltvattendrag som inte är användbart för jordbruk eller dricka. Alger kan också växa på havets yta i påsar eller flytande skärmar. Således kan mikroalger tillhandahålla en källa till ren energi med liten inverkan på tillhandahållande av tillräcklig mat och vatten eller bevarande av biologisk mångfald. Algedyrkning kräver inte heller några externa subventioner av insekticider eller herbicider, vilket tar bort risken för att generera tillhörande bekämpningsmedelsavfall. Dessutom är algbiobränslen mycket mindre giftiga och bryts ner mycket lättare än petroleumbaserade bränslen. På grund av brännbart bränsles brandfarliga karaktär finns det dock risk för vissa miljöfaror om de antänds eller spills, vilket kan inträffa vid tågspårning eller läckage av rörledningar. Denna fara reduceras jämfört med fossila bränslen på grund av möjligheten för algbiobränslen att produceras på ett mycket mer lokaliserat sätt och på grund av den lägre toxiciteten totalt sett, men faran finns fortfarande där. Därför bör algbiobränslen behandlas på liknande sätt som petroleumbränslen vid transport och användning, med tillräckliga säkerhetsåtgärder hela tiden.

Studier har fastställt att ersättning av fossila bränslen med förnybara energikällor, till exempel biobränslen, har förmågan att minska CO
₂utsläpp med upp till 80%. Ett algbaserat system kan fånga upp cirka 80% av CO
₂avges från ett kraftverk när solljus är tillgängligt. Även om denna CO
₂kommer senare att släppas ut i atmosfären när bränslet bränns, detta CO
₂skulle ha kommit in i atmosfären oavsett. Möjligheten att minska totalt CO
₂utsläppen ligger därför i att förhindra utsläpp av CO
₂från fossila bränslen. Vidare, jämfört med bränslen som diesel och petroleum, och till och med jämfört med andra källor till biobränslen, producerar och förbränning av algbiobränsle inga svaveloxider eller lustgas, och producerar en minskad mängd kolmonoxid, oförbrända kolväten och minskade utsläpp av andra skadliga föroreningar. Eftersom markanläggningar för biobränsleproduktion helt enkelt inte har produktionskapacitet för att uppfylla nuvarande energikrav, kan mikroalger vara ett av de enda alternativen för att närma sig en fullständig ersättning av fossila bränslen.

Mikroalgproduktion inkluderar också möjligheten att använda saltvattenavfall eller avfall CO
₂strömmar som energikälla. Detta öppnar en ny strategi för att producera biobränsle i samband med avloppsrening, samtidigt som man kan producera rent vatten som en biprodukt. När den används i en mikroalgal bioreaktor kommer skördade mikroalger att fånga betydande mängder organiska föreningar samt tungmetallföroreningar som absorberas från avloppsströmmar som annars skulle släppas ut direkt till yt- och grundvatten. Dessutom tillåter denna process också återvinning av fosfor från avfall, vilket är ett väsentligt men knappt element i naturen - vars reserver beräknas ha tömts under de senaste 50 åren. En annan möjlighet är användningen av algproduktionssystem för att rensa upp föroreningar från icke-punktkällor, i ett system som kallas en alggrässkrubber (ATS). Detta har visat sig minska kväve- och fosforhalterna i floder och andra stora vattendrag som påverkas av övergödning, och det byggs system som kommer att kunna bearbeta upp till 110 miljoner liter vatten per dag. ATS kan också användas för behandling av punktföroreningar, såsom avloppsvatten som nämnts ovan, eller för behandling av avlopp från boskap.

Polykulturer

Nästan all forskning på algbiobränslen har fokuserat på odling av enstaka arter, eller monokulturer, av mikroalger. Ekologisk teori och empiriska studier har emellertid visat att växt- och algpolykulturer, dvs grupper av flera arter, tenderar att producera större utbyten än monokulturer. Experiment har också visat att fler olika vattenlevande mikrobiella samhällen tenderar att vara mer stabila genom tiden än mindre olika samhällen. Nyligen genomförda studier visade att polykulturer av mikroalger gav betydligt högre lipidutbyte än monokulturer. Polykulturer tenderar också att vara mer resistenta mot utbrott av skadedjur och sjukdomar, samt invasion av andra växter eller alger. Således kan odling av mikroalger i polykultur inte bara öka avkastningen och stabiliteten i avkastningen av biobränsle, utan också minska miljöpåverkan från en algbiobränsleindustri.

Ekonomisk livskraft

Det finns helt klart en efterfrågan på hållbar biobränsleproduktion, men om ett visst biobränsle kommer att användas beror slutligen inte på hållbarhet utan kostnadseffektivitet. Därför fokuserar forskningen på att sänka kostnaden för algbiobränsleproduktion till den punkt där den kan konkurrera med konventionell petroleum. Produktionen av flera produkter från alger har nämnts som den viktigaste faktorn för att göra algerna ekonomiskt livskraftiga. Andra faktorer är förbättring av solenergin till omvandlingseffektivitet för biomassa (för närvarande 3%, men 5 till 7% är teoretiskt möjligt) och att göra oljeutvinning från alger enklare.

I en rapport från 2007 härleddes en formel för att uppskatta kostnaden för algolja för att den ska vara ett livskraftigt substitut för petroleumdiesel:

C _(algolja) = 25,9 × 10 ⁻³ C _(petroleum)

där: C _(algolja) är priset på mikroalgalolja i dollar per gallon och C _(petroleum) är priset på råolja i dollar per fat. Denna ekvation förutsätter att algolja har ungefär 80% av kalorienergivärdet för råolja.

Med den tillgängliga tekniken uppskattas att kostnaden för att producera mikroalgal biomassa är $ 2,95/kg för fotobioreaktorer och $ 3,80/kg för öppna dammar. Dessa uppskattningar förutsätter att koldioxid är tillgänglig utan kostnad. Om den årliga produktionskapaciteten för biomassa ökas till 10 000 ton minskar produktionskostnaden per kilo till ungefär 0,47 dollar respektive 0,60 dollar. Om vi ​​antar att biomassan innehåller 30 viktprocent olja, skulle kostnaden för biomassa för att tillhandahålla en liter olja vara cirka 1,40 dollar (5,30 dollar/gal) och 1,81 dollar (6,85 dollar/gal) för fotobioreaktorer respektive raceways. Olja som utvinns från den billigare biomassan som produceras i fotobioreaktorer beräknas kosta 2,80 dollar/l, förutsatt att återvinningsprocessen bidrar med 50% till kostnaden för den slutliga återvunna oljan. Om befintliga algprojekt kan nå biodieselproduktionsprismål på mindre än 1 dollar per gallon, kan USA förverkliga sitt mål att ersätta upp till 20% av transportbränslen senast 2020 genom att använda miljömässigt och ekonomiskt hållbara bränslen från algproduktion.

Medan tekniska problem, till exempel skörd, hanteras framgångsrikt av industrin, uppfattas de höga investeringarna i alger till biodrivmedel som många som ett stort hinder för denna tekniks framgång. Endast få studier om den ekonomiska livskraften är offentligt tillgängliga och måste ofta förlita sig på de små data (ofta endast tekniska uppskattningar) som finns tillgängliga i det offentliga rummet. Dmitrov sökte GreenFuel s fotobioreaktorn och uppskattade att alger olja endast skulle vara konkurrenskraftiga på ett oljepris på $ 800 per fat. En studie av Alabi et al. undersökte raceways, fotobioreaktorer och anaeroba fermentorer för att göra biobränslen från alger och fann att fotobioreaktorer är för dyra för att göra biobränslen. Raceways kan vara kostnadseffektiva i varma klimat med mycket låga arbetskostnader, och fermentatorer kan bli kostnadseffektiva efter betydande processförbättringar. Gruppen fann att kapitalkostnader, arbetskostnader och driftskostnader (gödselmedel, el, etc.) i sig själva är för höga för att algebiobränslen ska kunna vara konkurrenskraftiga med konventionella bränslen. Liknande resultat hittades av andra, vilket tyder på att om inte nya, billigare sätt att utnyttja alger för produktion av biodrivmedel kan deras stora tekniska potential aldrig bli ekonomiskt tillgänglig. Nyligen visade Rodrigo E. Teixeira en ny reaktion och föreslog ett förfarande för skörd och utvinning av råvaror för biobränsle och kemisk produktion som kräver en bråkdel av energin från nuvarande metoder, samtidigt som alla cellkomponenter extraheras.

Användning av biprodukter

Många av de biprodukter som produceras vid bearbetning av mikroalger kan användas i olika tillämpningar, varav många har en längre produktionshistoria än algbiobränsle. Några av de produkter som inte används vid produktion av biobränsle inkluderar naturliga färgämnen och pigment, antioxidanter och andra högvärda bioaktiva föreningar. Dessa kemikalier och överskott av biomassa har funnits många användningsområden i andra industrier. Till exempel har färgämnena och oljorna funnit en plats i kosmetika, vanligen som förtjocknings- och vattenbindande medel. Upptäckter inom läkemedelsindustrin inkluderar antibiotika och svampdödande medel från mikroalger, liksom naturliga hälsoprodukter, som har ökat i popularitet under de senaste decennierna. Till exempel innehåller Spirulina många fleromättade fetter (Omega 3 och 6), aminosyror och vitaminer, samt pigment som kan vara fördelaktiga, såsom betakaroten och klorofyll.

Fördelar

Enkel tillväxt

En av de främsta fördelarna med att använda mikroalger som råmaterial jämfört med mer traditionella grödor är att det kan odlas mycket lättare. Alger kan odlas i mark som inte skulle anses lämplig för tillväxt av de regelbundet använda grödorna. Utöver detta har avloppsvatten som normalt skulle hindra växttillväxt visat sig vara mycket effektivt för att odla alger. På grund av detta kan alger odlas utan att ta upp åkermark som annars skulle användas för att producera matgrödor, och de bättre resurserna kan reserveras för normal växtodling. Mikroalger kräver också färre resurser för att växa och lite uppmärksamhet behövs, vilket gör att tillväxt och odling av alger kan vara en mycket passiv process.

Påverkan på mat

Många traditionella råvaror för biodiesel, såsom majs och palm, används också som foder för boskap på gårdar, liksom en värdefull matkälla för människor. På grund av detta minskar användningen av dem som biobränsle mängden mat som är tillgänglig för båda, vilket resulterar i en ökad kostnad för både maten och bränslet som produceras. Att använda alger som en källa till biodiesel kan lindra detta problem på ett antal sätt. För det första används inte alger som en primär livsmedelskälla för människor, vilket innebär att den kan användas enbart för bränsle och det skulle få liten påverkan i livsmedelsindustrin. För det andra kan många av avfallsextrakten som produceras vid bearbetning av alger för biobränsle användas som ett tillräckligt djurfoder. Detta är ett effektivt sätt att minimera avfall och ett mycket billigare alternativ till de mer traditionella majs- eller spannmålsbaserade fodren.

Minimalisering av avfall

Växande alger som källa till biobränsle har också visat sig ha många miljöfördelar och har presenterat sig som ett mycket mer miljövänligt alternativ till nuvarande biobränslen. För det första kan den använda avrinning, vatten som är förorenat med gödningsmedel och andra näringsämnen som är en biprodukt från jordbruket, som dess främsta källa till vatten och näringsämnen. På grund av detta förhindrar det att detta förorenade vatten blandas med de sjöar och floder som för närvarande levererar vårt dricksvatten. Utöver detta fungerar ammoniak, nitrater och fosfater som normalt skulle göra vattnet osäkert faktiskt som utmärkta näringsämnen för algerna, vilket innebär att färre resurser behövs för att odla algerna. Många algarter som används vid biodieselproduktion är utmärkta biofixatorer, vilket innebär att de kan ta bort koldioxid från atmosfären för att använda dem som en energiform. På grund av detta har de funnit användning inom industrin som ett sätt att behandla rökgaser och minska utsläppen av växthusgaser.

Nackdel

Högt vattenbehov

Processen för mikroalger är mycket vattenintensiv. Livscykelstudier uppskattade att produktionen av 1 liter mikroalger baserad biodiesel kräver mellan 607 och 1944 liter vatten.

Kommersiell lönsamhet

Algen biodiesel är fortfarande en ganska ny teknik. Trots att forskningen påbörjades för över 30 år sedan stoppades den under mitten av 1990-talet, främst på grund av bristande finansiering och en relativt låg petroleumkostnad. Under de närmaste åren såg algebiobränslen lite uppmärksamhet; det var inte förrän vid gaspiken i början av 2000 -talet som den så småningom fick en vitalisering i sökandet efter alternativa bränslekällor. Även om tekniken finns för att skörda och omvandla alger till en användbar källa till biodiesel, har den fortfarande inte implementerats i en tillräckligt stor skala för att stödja det nuvarande energibehovet. Ytterligare forskning kommer att krävas för att göra produktionen av algebiobränslen mer effektiv, och vid denna tidpunkt hålls det för närvarande tillbaka av lobbyister till stöd för alternativa biobränslen, som de som produceras av majs och spannmål. År 2013 sa Exxon Mobils ordförande och VD Rex Tillerson att efter att ursprungligen ha förbundit sig att spendera upp till 600 miljoner dollar på utveckling i ett joint venture med J. Craig Venter 's Synthetic Genomics , är alger "förmodligen längre" än "25 år bort" från kommersiell lönsamhet, även om Solazyme och Sapphire Energy redan började småskalig kommersiell försäljning 2012 respektive 2013. År 2017 hade de flesta insatser övergivits eller ändrats till andra applikationer, med bara några få kvar. Det förväntas att på grund av skalfördelar och mekanisering kan priset på produktionskostnaderna för tångbränsle fortfarande sänkas med upp till 100%.

Stabilitet

Biodiesel som produceras vid bearbetning av mikroalger skiljer sig från andra former av biodiesel i innehållet av fleromättade fetter. Fleromättade fetter är kända för sin förmåga att behålla fluiditet vid lägre temperaturer. Även om detta kan verka som en fördel i produktionen under de kallare temperaturerna på vintern, resulterar de fleromättade fetterna i lägre stabilitet under vanliga säsongstemperaturer.

Forskning

Nuvarande projekt

Förenta staterna

Den National Renewable Energy Laboratory (NREL) är US Department of Energy primära nationellt laboratorium för förnybar energi och energieffektivitet forskning och utveckling. Detta program är involverat i produktion av förnybar energi och energieffektivitet. En av dess mest aktuella divisioner är biomassaprogrammet som är involverat i biomassakarakterisering, biokemisk och termokemisk omvandlingsteknik i samband med biomassaprocessutveckling och analys. Programmet syftar till att producera energieffektiv, kostnadseffektiv och miljövänlig teknik som stöder landsbygdsekonomier, minskar nationernas beroende av olja och förbättrar luftkvaliteten.

Vid Woods Hole Oceanographic Institution och Harbour Branch Oceanographic Institution innehåller avloppsvattnet från inhemska och industriella källor rika organiska föreningar som används för att påskynda tillväxten av alger. Institutionen för biologisk och lantbruksteknik vid University of Georgia undersöker mikroalgal biomassaproduktion med industriellt avloppsvatten. Algaewheel , baserat i Indianapolis , Indiana, fram ett förslag att bygga en anläggning i Cedar Lake, Indiana som använder alger för att behandla kommunalt avloppsvatten , med hjälp av slam biprodukt för att producera biobränsle. Ett liknande tillvägagångssätt följs av Algae Systems , ett företag baserat i Daphne, Alabama.

Sapphire Energy (San Diego) har producerat grönt råolja från alger.

Solazyme ( södra San Francisco, Kalifornien ) har producerat ett bränsle som är lämpligt för att driva jetfly från alger.

Havsforskningsstationen i Ketch Harbour, Nova Scotia , har varit involverad i odling av alger i 50 år. Den National Research Council (Kanada) (NRC) och National Biprodukter programmet har gett $ 5.000.000 för att finansiera detta projekt. Syftet med programmet har varit att bygga en 50 000-liters odlingspilotanläggning vid Ketch hamnanläggning. Stationen har varit delaktig i att bedöma hur man bäst odlar alger för biobränsle och är involverad i att undersöka användningen av många alger i regioner i Nordamerika. NRC har gått samman med USA: s energidepartement, National Renewable Energy Laboratory i Colorado och Sandia National Laboratories i New Mexico.

Europa

Universitet i Storbritannien som arbetar med att producera olja från alger inkluderar: University of Manchester , University of Sheffield , University of Glasgow , University of Brighton , University of Cambridge , University College London , Imperial College London , Cranfield University och Newcastle University . I Spanien är det också relevant den forskning som utförts av CSIC : s Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis (Microalgae Biotechnology Group, Sevilla ).

Den europeiska Alger Biomass Association (EABA) är den europeiska organisation som företräder både forskning och industri inom alger teknik, för närvarande med 79 medlemmar. Föreningen har sitt huvudkontor i Florens, Italien. Det allmänna målet med EABA är att främja ömsesidigt utbyte och samarbete inom produktion och användning av biomassa, inklusive användningen av biobränslen och alla andra användningsområden. Syftet är att skapa, utveckla och upprätthålla solidaritet och förbindelser mellan sina medlemmar och försvara deras intressen på europeisk och internationell nivå. Dess främsta mål är att fungera som en katalysator för att främja synergier mellan forskare, industrimän och beslutsfattare för att främja utvecklingen av forskning, teknik och industriell kapacitet inom alger.

CMCL-innovationer och University of Cambridge genomför en detaljerad designstudie av en C-FAST (kolnegativ bränsle från Algal and Solar Technologies) -anläggning. Huvudmålet är att designa en pilotanläggning som kan visa produktion av kolvätebränslen (inklusive diesel och bensin) som hållbara kolnegativa energibärare och råvaror för den kemiska råvaruindustrin. Detta projekt kommer att rapporteras i juni 2013.

Ukraina planerar att producera biobränsle med hjälp av en speciell typ av alger.

I Europeiska kommissionens 's Alger Cluster Project, finansieras genom sjunde ramprogrammet , består av tre alger biobränsle projekt, varje ser att konstruera och bygga en annan alger biobränsle anläggning som omfattar 10 ha mark. Projekten är BIOFAT, All-Gas och InteSusAl.

Eftersom olika bränslen och kemikalier kan produceras från alger har det föreslagits att undersöka genomförandet av olika produktionsprocesser (konventionell extraktion/separation, hydrotermisk kondensering, förgasning och pyrolys) för användning i ett integrerat algbioraffinaderi.

Indien

Reliance Industries i samarbete med Algenol , USA beställde ett pilotprojekt för att producera algbioolja under 2014. Spirulina som är en alger rik på proteininnehåll har odlats kommersiellt i Indien. Alger används i Indien för behandling av avloppsvatten i öppna/naturliga oxidationsdammar. Detta minskar avloppets biologiska syreförbrukning (BOD) och ger också algbiomassa som kan omvandlas till bränsle.

Övrig

Algae Biomass Organization (ABO) är en ideell organisation vars uppdrag är "att främja utvecklingen av livskraftiga kommersiella marknader för förnybara och hållbara råvaror som härrör från alger".

Den nationella Alger Association (NAA) är en ideell organisation alger forskare, alger produktionsbolag och investerare som delar målsättningen att kommersialisera alger olja som ett alternativ råvara för marknaderna biobränslen. NAA ger sina medlemmar ett forum för att effektivt utvärdera olika algteknologier för potentiella företagsmöjligheter i ett tidigt skede.

Pond Biofuels Inc. i Ontario, Kanada, har en fungerande pilotanläggning där alger odlas direkt från rökutsläpp från en cementfabrik och torkas med spillvärme. I maj 2013 tillkännagav Pond Biofuels ett partnerskap med National Research Council of Canada och Canadian Natural Resources Limited för att bygga ett bioraffinaderi i demonstrationsskala på en oljesandplats nära Bonnyville, Alberta.

Ocean Nutrition Canada i Halifax, Nova Scotia, Kanada har hittat en ny algstam som verkar kunna producera olja med en hastighet som är 60 gånger större än andra typer av alger som används för produktion av biobränslen.

VG Energy, ett dotterbolag till Viral Genetics Incorporated, hävdar att de har upptäckt en ny metod för att öka alglipidproduktionen genom att störa de metaboliska vägar som annars skulle avleda fotosyntetisk energi till kolhydratproduktion. Med hjälp av dessa tekniker uppger företaget att lipidproduktionen kan ökas flera gånger, vilket potentiellt kan göra algebiobränslen kostnadseffektiva med befintliga fossila bränslen.

Algerna från varmvattenutsläppet från ett kärnkraftverk har testats av Patrick C. Kangas vid kärnkraftverket Peach Bottom , som ägs av Exelon Corporation. Denna process drar nytta av vattnet med relativt hög temperatur för att upprätthålla algtillväxt även under vintermånaderna.

Företag som Sapphire Energy och Bio Solar Cells använder genteknik för att effektivisera algernas bränsleproduktion. Enligt Klein Lankhorst från Bio Solar Cells kan genteknik avsevärt förbättra algernas bränsleeffektivitet eftersom alger kan modifieras för att bara bygga korta kolkedjor istället för långa kolhydratkedjor. Sapphire Energy använder också kemiskt inducerade mutationer för att producera alger som är lämpliga för användning som gröda.

Vissa kommersiella intressen för storskaliga algodlingssystem försöker knyta an till befintliga infrastrukturer, till exempel cementfabriker, kolkraftverk eller avloppsreningsanläggningar. Detta tillvägagångssätt förändrar avfall till resurser för att tillhandahålla råvarorna, CO
₂ och näringsämnen, för systemet.

En förstudie med marina mikroalger i en fotobioreaktor görs av The International Research Consortium on Continental Margins vid Jacobs University Bremen .

Institutionen för miljövetenskap vid Ateneo de Manila University i Filippinerna arbetar med att producera biobränsle från en lokal algart.

Genteknik

Gentekniska alger har använts för att öka lipidproduktionen eller tillväxttakten. Aktuell forskning inom genteknik innefattar antingen introduktion eller avlägsnande av enzymer . År 2007 Oswald et al. introducerade ett monoterpensyntas från söt basilika i Saccharomyces cerevisiae , en jäststam . Detta specifika monoterpensyntas orsakar de novo -syntes av stora mängder geraniol , samtidigt som det utsöndras i mediet. Geraniol är en primär komponent i rosenolja , palmarosa olja , och citronellaolja samt eteriska oljor, vilket gör det en livskraftig källa till triacylglycerider för biodiesel.

Enzymet ADP-glukospyrofosforylas är viktigt vid stärkelseproduktion, men har ingen koppling till lipidsyntes. Avlägsnande av detta enzym resulterade i sta6 -mutanten, som visade ökat lipidinnehåll. Efter 18 timmars tillväxt i kvävebristmedium hade sta6 -mutanterna i genomsnitt 17 ng triacylglycerider/1000 celler, jämfört med 10 ng/1000 celler i WT -celler. Denna ökning av lipidproduktionen berodde på omfördelning av intracellulära resurser, eftersom algerna avledde energi från stärkelseproduktion.

År 2013 använde forskare en "knock-down" av fettreducerande enzymer (multifunktionellt lipas/fosfolipas/acyltransferas) för att öka lipider (oljor) utan att äventyra tillväxten. Studien introducerade också en effektiv screeningprocess. Antisense-uttryckande knockdown-stammar 1A6 och 1B1 innehöll 2,4- och 3,3-faldigt högre lipidinnehåll under exponentiell tillväxt och 4,1- och 3,2-faldigt högre lipidinnehåll efter 40 timmars kiselsvält.

År 2014 tillkännagav Ecover en tvättprodukt, tillverkad av algolja av vilken algerna var genetiskt modifierade.

Finansieringsprogram

Många finansieringsprogram har skapats för att främja användningen av förnybar energi. I Kanada tillhandahåller initiativet för ecoAgriculture biofuels capital (ecoABC) 25 miljoner dollar per projekt för att hjälpa jordbrukare att bygga och utöka en produktionsanläggning för förnybart bränsle. Programmet har 186 miljoner dollar avsatt för dessa projekt. Programmet för hållbar utveckling (SDTC) har också använt 500 miljoner dollar under 8 år för att hjälpa till med byggandet av nästa generations förnybara bränslen. Dessutom har 10 miljoner dollar under de senaste två åren gjorts tillgängliga för forskning och analys av förnybart bränsle

I Europa är det sjunde ramprogrammet (FP7) det främsta instrumentet för finansiering av forskning. På samma sätt är NER 300 en inofficiell, oberoende portal för projekt för förnybar energi och nätintegrering. Ett annat program inkluderar Horizon 2020 -programmet som inleds den 1 januari och kommer att sammanföra ramprogrammet och andra EG -innovations- och forskningsfinansiering till ett nytt integrerat finansieringssystem

Det amerikanska NBB : s råvaruutvecklingsprogram tar upp produktion av alger i horisonten för att utöka tillgängligt material för biodiesel på ett hållbart sätt.

Internationell politik

Kanada

Många policyer har införts sedan oljekrisen 1975 för att främja användningen av förnybara bränslen i USA, Kanada och Europa. I Kanada inkluderade dessa implementering av punktskatter som undantar propan och naturgas som utvidgades till etanol från biomassa och metanol 1992. Den federala regeringen tillkännagav också sin strategi för förnybara bränslen 2006 som föreslog fyra komponenter: att öka tillgängligheten av förnybara bränslen genom reglering, stöd för expansion av kanadensisk produktion av förnybara bränslen, hjälpa jordbrukare att ta nya möjligheter inom denna sektor och påskynda kommersialiseringen av ny teknik. Dessa mandat följdes snabbt av de kanadensiska provinserna:

BC införde ett krav på 5% etanol och 5% förnybar diesel som gällde i januari 2010. Det införde också ett lågt koldioxidbränslebehov för 2012 till 2020.

Alberta införde ett krav på 5% etanol och 2% förnybar diesel som genomfördes i april 2011. Provinsen införde också ett krav på minst 25% utsläppsminskning av växthusgaser för kvalificerade förnybara bränslen.

Saskatchewan införde ett krav på 2% förnybar diesel under 2009.

Dessutom meddelade den kanadensiska federala regeringen 2006 sitt åtagande att använda sin köpkraft för att uppmuntra biobränsleindustrin. Avsnitt tre i 2006 års alternativa bränslelag uppgav att när det är ekonomiskt möjligt att göra det kommer 75% av alla federala organ och kronobolag att vara motorfordon.

Den National Research Council of Canada har etablerat forskning på algers Carbon Konvertering som en av sina flaggskeppsprogram. Som en del av detta program meddelade NRC i maj 2013 att de samarbetar med Canadian Natural Resources Limited och Pond Biofuels för att bygga ett bioraffinaderi i demonstrationsskala nära Bonnyville, Alberta.

Förenta staterna

Policys i USA har inkluderat en minskning av subventionerna från federala och statliga regeringar till oljeindustrin som vanligtvis har inkluderat 2,84 miljarder dollar. Detta är mer än vad som faktiskt är avsatt för biobränsleindustrin. Åtgärden diskuterades vid G20 i Pittsburgh där ledarna enades om att "ineffektiva subventioner för fossila bränslen uppmuntrar till slösande förbrukning, minskar vår energisäkerhet, hindrar investeringar i rena källor och undergräver ansträngningar för att hantera hotet från klimatförändringar". Om detta åtagande följs upp och subventioner tas bort skapas en mer rättvis marknad där algernas biodrivmedel kan konkurrera. År 2010 antog USA: s representanthus en lagstiftning som försöker ge algebaserade biobränslen paritet med cellulosabiobränslen i federala skattekrediteringsprogram. Den algbaserade lagen om marknadsföring av förnybart bränsle (HR 4168) genomfördes för att ge biobränsleprojekt tillgång till en skattelättnad på 1,01 dollar per gal och 50% bonusavskrivning för biobränsleverkets fastighet. Den amerikanska regeringen införde också den inhemska lagen om bränsle för att förbättra nationell säkerhet som infördes 2011. Denna policy utgör en ändring av den federala lagen om fastigheter och administrativa tjänster från 1949 och federala försvarsbestämmelser för att förlänga till 15 år som avdelningen för Defence (DOD) flerårigt kontrakt kan ingås vid köp av avancerat biobränsle. Federal- och DOD-program är vanligtvis begränsade till en femårsperiod

Övrig

Europeiska unionen (EU) har också svarat genom att fyrdubbla krediterna för andra generationens algebiobränslen som inrättades som en ändring av direktiven för biodrivmedel och bränslekvalitet

Företag

Eftersom algbiobränsle är ett relativt nytt alternativ till konventionella petroleumprodukter, lämnar det många möjligheter till drastiska framsteg inom alla aspekter av tekniken. Att producera biobränsle från alger är ännu inte ett kostnadseffektivt ersättningsmedel för bensin, men ändringar av nuvarande metoder kan förändra detta. De två vanligaste målen för framsteg är tillväxtmediet (öppen damm kontra fotobioreaktor) och metoder för att avlägsna algernas intracellulära komponenter. Nedan finns företag som för närvarande förnyar tekniker för biobränslealger.

Algenol Biobränslen

Algenol Biofuels grundades 2006 och är ett globalt, industriellt bioteknikföretag som kommersialiserar sin patenterade algteknik för produktion av etanol och andra bränslen. Baserat i sydvästra Florida möjliggör Algenols patenterade teknik tillverkning av de fyra viktigaste bränslen (etanol, bensin, jet och diesel) med proprietära alger, solljus, koldioxid och saltvatten för cirka 1,27 dollar per gallon och vid produktionsnivåer på 8 000 totalt liter flytande bränsle per tunnland och år. Algenols teknik ger höga avkastningar och bygger på patenterade fotobioreaktorer och egenutvecklade nedströms tekniker för billig bränsleproduktion med koldioxid från industriella källor. Företaget avsåg ursprungligen att producera kommersiellt till 2014, men var tillbaka när Floridas guvernör Rick Scott skrev under en proposition 2013 som eliminerade statens mandat om minst 10% etanol i kommersiell bensin. Detta fick Algenols VD Paul Woods att skrota en plan för en fabrik på 500 miljoner dollar för att producera kommersiella mängder biobränslen av alger och driva andra arbetsplatser. För närvarande är Algenol en partner för det amerikanska energidepartementets kontor för bioenergiteknologier och 2015 började kommersiell försäljning av etanolblandningar E15 och E85 i mindre skala till Protec Fuel, en Florida-baserad bränsledistributör.

Blue Marble Production

Blue Marble Production är ett Seattle-baserat företag som är dedikerat till att ta bort alger från algeinfekterat vatten. Detta städar i sin tur miljön och gör att detta företag kan producera biobränsle. Istället för att bara fokusera på massproduktion av alger, fokuserar detta företag på vad man ska göra med biprodukterna. Detta företag återvinner nästan 100% av sitt vatten via omvänd osmos, vilket sparar cirka 26 000 liter vatten varje månad. Detta vatten pumpas sedan tillbaka in i deras system. Gasen som produceras som en biprodukt av alger kommer också att återvinnas genom att placeras i ett fotobioreaktorsystem som rymmer flera stammar av alger. Oavsett gas som återstår görs sedan till pyrolysolja genom termokemiska processer. Företaget försöker inte bara producera biobränsle, utan det vill också använda alger för en mängd andra ändamål, såsom gödningsmedel, smakämnen, antiinflammatoriska och cancerläkemedel.

Solazyme

Solazyme är ett av en handfull företag som stöds av oljebolag som Chevron. Dessutom stöds detta företag också av Imperium Renewables, Blue Crest Capital Finance och The Roda Group. Solazyme har utvecklat ett sätt att använda upp till 80% procent av torra alger som olja. Denna process kräver att algerna växer i ett mörkt jäsningskärl och matas av kolsubstrat i deras tillväxtmedier. Effekten är produktionen av triglycerider som är nästan identiska med vegetabilisk olja. Solazymes produktionsmetod sägs producera mer olja än de alger som odlas fotosyntetiskt eller tillverkade för att producera etanol. Oljeraffinaderier kan sedan ta denna algolja och förvandla den till biodiesel, förnybar diesel eller jetbränslen.

En del av Solazymes testning, i samarbete med Maersk Line och US Navy, placerade 30 ton Soladiesel (RD) algbränsle i det 98 000 ton långa, 300 meter långa containerfartyget Maersk Kalmar. Detta bränsle användes i blandningar från 7% till 100% i en hjälpmotor på en månadslång resa från Bremerhaven, Tyskland till Pipavav, Indien i december 2011. I juli 2012 använde amerikanska flottan 700 000 liter HRD76 biodiesel i tre fartyg från USS Nimitz "Green Strike Group" under RIMPAC -övningen 2012 på Hawaii. Nimitz använde också 200 000 liter HRJ5 jetbiobränsle. 50/50 biobränsleblandningarna levererades av Solazyme och Dynamic Fuels.

Safir energi

Sapphire Energy är ledande inom algbränsleindustrin med stöd av Wellcome Trust, Bill Gates Cascade Investment, Monsanto och andra stora givare. Efter att ha experimenterat med produktion av olika algbränslen från 2007, fokuserar företaget nu på att producera vad det kallar "grön råolja" från alger i öppna raceway -dammar. Efter att ha mottagit mer än 100 miljoner dollar i federala medel 2012 byggde Sapphire den första kommersiella demonstrationsalgenbränsleanläggningen i New Mexico och har kontinuerligt producerat biobränsle sedan anläggningen slutfördes det året. År 2013 började Sapphire kommersiell försäljning av algbiobränsle till Tesoro , vilket gör det till ett av de första företagen, tillsammans med Solazyme, att sälja algbränsle på marknaden.

Diversified Technologies Inc.

Diversified Technologies Inc. har skapat ett patentsökt alternativ för förbehandling för att minska kostnaderna för oljeutvinning från alger. Denna teknik, kallad Pulsed Electric Field (PEF) -teknologi, är en billig, låg energiprocess som applicerar högspänningspulser på en uppslamning av alger. De elektriska pulserna gör att algcellväggarna lätt kan brytas, vilket ökar tillgängligheten för allt cellinnehåll (lipider, proteiner och kolhydrater), vilket möjliggör separering i specifika komponenter nedströms. Denna alternativa metod för intracellulär extraktion har visat förmågan att vara både integrerad in-line och skalbar i högavkastningsenheter. Pulse Electric Field utsätter algerna för korta, intensiva utbrott av elektromagnetisk strålning i en behandlingskammare och elektroporerar cellväggarna. Bildandet av hål i cellväggen gör att innehållet inuti kan strömma in i den omgivande lösningen för ytterligare separation. PEF-teknik kräver endast 1-10 mikrosekundpulser, vilket möjliggör en hög genomströmningssätt för algextraktion.

Preliminära beräkningar har visat att utnyttjande av PEF -teknik endast skulle stå för 0,10 dollar per gallon producerat biobränsle från alger. Som jämförelse står konventionell torkning och lösningsmedelsbaserade extraktioner för $ 1,75 per gallon. Denna inkonsekvens mellan kostnaderna kan hänföras till det faktum att algtorkning i allmänhet står för 75% av extraktionsprocessen. Även om det är en relativt ny teknik har PEF framgångsrikt använts i både livsmedelsavkalkningsprocesser och avloppsvattenbehandlingar.

Origin Oils Inc.

Origin Oils Inc. har undersökt en metod som kallas Helix Bioreactor, vilket förändrar det gemensamma tillväxtsystemet med sluten slinga. Detta system använder lågenergilampor i ett spiralformat mönster, vilket gör att varje algcell kan få den mängd ljus som krävs. Solljus kan bara tränga in några centimeter genom algceller, vilket gör ljus till ett begränsande reagens i alger. Varje belysningselement i bioreaktorn är speciellt ändrat för att avge specifika våglängder av ljus, eftersom ett helt spektrum av ljus inte är fördelaktigt för algtillväxt. Faktum är att ultraviolett strålning faktiskt är skadligt eftersom det hämmar fotosyntes, fotoreduktion och 520 nm ljus-mörk absorbansförändring av alger.

Denna bioreaktor tar också upp en annan nyckelfråga i algcelltillväxt; introducera CO ₂ och näringsämnen till algerna utan att störa eller överlufta algerna. Origin Oils Inc. bekämpar dessa problem genom skapandet av deras Quantum Fracturing -teknik. Denna process tar CO ₂ och andra näringsämnen, bryter dem vid extremt höga tryck och levererar sedan mikronstora bubblor till algerna. Detta gör att näringsämnena kan levereras vid ett mycket lägre tryck, vilket bibehåller integriteten hos cellerna.

Proviron

Proviron är ett belgiskt mikroalgerföretag som också verkar i USA. Företaget har arbetat med en ny typ av reaktor (med platta plattor) som minskar kostnaden för alger. På AlgaePARC bedrivs liknande forskning med 4 odlingssystem (1 öppet dammsystem och 3 typer av slutna system). Enligt René Wijffels tillåter de nuvarande systemen ännu inte att algerbränsle kan produceras konkurrenskraftigt. Genom att använda nya (stängda) system och genom att skala upp produktionen skulle det dock vara möjligt att sänka kostnaderna med 10X, upp till ett pris av 0,4 € per kg alger. För närvarande fokuserar Proviron främst på alternativ användning av algkulturer, såsom miljömedveten plast, förestringsprocesser och avisningsprocesser.

Genifuels

Genifuel Corporation har licensierat processen för extraktion av högtemperatur/tryckbränsle och har arbetat med teamet på labbet sedan 2008. Företaget tänker samarbeta med några industriella partners för att skapa en pilotanläggning som använder denna process för att göra biobränsle i industriella mängder. Genifuel -process kombinerar hydrotermisk kondensering med katalytisk hydrotermisk förgasning i reaktorn som körs vid 350 grader Celsius (662 grader Fahrenheit) och ett tryck på 20 684,2719 kPa (3000 PSI).

Qeshm Microalgae Biorefinery Co.

Qeshm Microalgae Biorefinery Co. (QMAB) är ett Iranbaserat biobränsleföretag som enbart verkar på den iranska ön Qeshm i Hormuzsundet. QMAB: s ursprungliga pilotanläggning har varit i drift sedan 2009 och har en kapacitet på 25 000 liter. Under 2014 släppte QMAB BAYA Biofuel, ett biobränsle som härrör från algerna Nannochloropsis , och har sedan specificerat att dess unika stam är upp till 68% lipider i torrviktsvolym. Utvecklingen av gården fokuserar främst på två faser, produktion av nutraceutiska produkter och grön råolja för att producera biobränsle. Huvudprodukten av deras mikroalgkultur är råolja, som kan delas upp i samma typer av bränslen och kemiska föreningar.

Se även

Referenser

Vidare läsning

• Worldwatch Institute (2007). Biobränslen för transport: Global potential och konsekvenser för hållbart jordbruk och energi under 2000 -talet . Earthscan. ISBN 978-1-84407-422-8.
• McKay, David JC (3 november 2008). Hållbar energi-utan varmluft . 3.5.2. UIT Cambridge Ltd. ISBN 978-0-9544529-3-3.
• Lane, Jim (18 april 2010). "Saltvatten: energifrihetens smakfulla smak" . Förnybar energi . Hämtad 21 april 2010 .
• Bhatnagar, SK; Atul Saxena; Stefan Kraan, red. (2011). Alger biobränsle . New Delhi: Studium Press (India) Pvt. Ltd. ISBN 978-93-8001-244-5.
• Darzins, Al; Pienkos, Philip; Edye, Les (2010). Nuvarande status och potential för algbiobränsleproduktion (PDF) . IEA Bioenergy Task 39.

externa länkar

• En rapport om kommersiell användning och produktion av algolja
• En nykter titt på biobränslen från alger (Biodiesel Magazine)
• US National Renewable Energy Laboratory Publications
• Nuvarande status och potential för produktion av algbränslen