Производство биодизеля из микроводорослей

1 Введение

С начала 70–х годов несколько крупных энергетических кризисов вынудили научное сообщество найтиальтернативные источники энергии. В июле 2008 года цена на сырую нефть достигла 145 долларов США за баррель, это самая высокая цена за последние 30 лет (BP, 2011; Ervin & Associated, 2011). В июле 2011 года цена на сырую нефть оставалась относительно высокой и составляла 108 долларов США за баррель.(Ervin & Associated, 2011). Более того, мировой экономический кризис 2008 г. Правительство США разработает биотопливо, чтобы смешать его с нефтяным топливомбез доработки двигателя или изменения процесса распространения (Bindraban et al., 2009; Белый дом, 2010 г.). Кроме того, в Канаде к 2012 году цель добавления биодизеля вдизельное топливо для транспорта и топливо для отопления составляет 2% (об./об.)

Следовательно, в июле 2007 года девятилетние инвестиции в размере 1,5 млрд канадских долларов (ecoENERGY дляBiofuels Initiative) было объявлено правительством Канады для стимулирования производства.биотоплива в Канаде (Natural Ressources Canada, 2011 г.)

В последние годы большинство промышленных биодизелей производится из масла (триглицеридов) сырого материалы (рапс, подсолнечник, соя и др.). С намерением изменить своим физико-химическим свойствам аналогичен дизельному топливу на основе пэротолеума, триглицеридыпереэтерифицированы в сложные алкиловые эфиры жирных кислот, которые можно использовать в обычном двигателебез доработок (Knothe, 2010). С экологической стороны, помимо возможностимасличные растения для сокращения выбросов парниковых газов (ПГ) за счет способность улавливать и использовать диоксид углерода (CO2), использование биодизеля также снижает чистые выбросызагрязняющих веществ. Обычно добавление 20% (об./об.) Биологических препаратов на основе соиЕсель в нефтедизеле снижает выбросы окиси углерода (CO), CO2, твердых частиц (PM) иуглеводородов (УВ) на 11%, 15,5%, 10% и 21% соответственно (Sheehan et al., 1998 г.; United Государственное агентство по охране окружающей среды, 2002 г.)

Сырье также необходимо для кормления людей и животных. Большой спрос на сырьематериалы для производства биодизеля могут, таким образом, снизить их цену. Более того, культураобычный овощной материал требует значительного количества воды, химических удобрений и пестициды, оказывающие негативное воздействие на окружающую среду (Smith et al., 2009).

Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи в настоящее время изучают новый способ производствабиодизель с использованием микроводорослей. Действительно, в процессе роста фотоавтотрофные микроводорослиметаболизируют неорганический углерод (CO2) посредством фотосинтеза (Chen et al., 2011). В соответствии сCadoret & Bernard (2008), микроводоросли также обладают способностью поглощать другие загрязнители, такие как как фосфаты и нитраты. Кроме того, микробы могут накапливать большое количество жирных кислот.кислоты и имеют урожайность с гектара как минимум в 10 раз выше, чем любые масличные растения(Чисти, 2007).

В этой статье различные источники энергии, такие как нефть, традиционные и нетрадиционные источники энергии.будет обсуждаться биотопливо, такое как биодизель на основе микроводорослей. Затем различные аспектыбудет рассмотрена возможность превращения микроводорослей в биодизельное топливо. Культура микроводорослей, экстракция липидов, процесс переэтерификации и характеристики биодизеля будутособо обсуждали.

1.1 Предпосылки

Поиск новых энергоресурсов для компенсации сокращения мировых запасов нефтиэто важный вызов. Оценка мировых запасов сырой нефти – сложная задачапотому что на него влияют политические, экономические и технологические факторы (Pirog, 2005). Доказанные запасы нефти представляют собой количество нефти, которое может быть получено из месторождений уже обнаружены с реальными технологическими и экономическими условиями (Institut Francais Петроль, 2005; Пирог, 2005). Они также включают обнаруженную нефть, но ее невозможно восстановить.с современными технологиями. В 2009 г. эти резервы оценивались примерно в 1,376 млрд.баррелей (BP, 2011), что соответствует запасу на 35 лет (т. е. до 2045 года) (Шафи и Топал, 2009).

Согласно прогнозной модели Хубера (1956), доказанные запасы нефти должны составлятьдостигли предельного значения к 2000 г., поскольку добыча нефти должна начать падать. Внапротив, более свежие данные показывают, что в период с 1989 по 2008 год доказанные запасы нефти, похоже, увеличились с 1006 до 1333 миллиардов баррелей (BP, 2011). С другой стороны, покамировое потребление нефти составляло около 86 млн баррелей в сутки в 2006 г., оно достигнет 107 млн баррелей в день к 2030 г. На транспортный сектор будет приходиться 80% этого прироста(Управление энергетической информации США, 2009 г.) и потребляет 76% мировой нефтипроизводство к 2030 г. (Международное энергетическое агентство, 2008 г.).

Зависимость от ископаемого топлива, в основном в транспортном секторе, стимулировала исследованияБиотопливо. Недавнее исследование показывает, что биотопливо из микроводорослей может заменить 17% импорт нефти в США, используемой в качестве транспортного топлива к 2022 г. (Wigmosta et al., 2011). Более того, после разлива нефти BP в Атлантическом океане администрация США рассматривает возможность сокращения импорта нефти на 1/3 к 2021 году, используя, в частности, биотопливо (Н. Банерджи, 2011).

2. Биотопливо как основная альтернатива

2.1 Обычное биотопливо

Намереваясь заменить топливо на нефтяной основе, многие исследования были проведены по невозобновляемым источникам энергии.и альтернативы возобновляемой энергии. Исследования невозобновляемых источников энергии в основном основаны на угле и природном газе. В 2009, 89% энергии, производимой в Канаде (15 эксаджоулей), приходилось на невозобновляемые источникиисточники (Статистическое управление Канады, 2011). Например, уголь можно превратить в синтез–синтез.как (CO, H2)путем газификации (Naveed et al., 2010), а затем в топливо по реакции Фишера–Тропша,метанол или синтетический природный газ с помощью каталитических процессов и водород путем сдвига воды/газареакции (Dry, 1996; Longwell et al., 1995).

В 2006 году в мире использовались возобновляемые источники энергии, в основном биомасса и отходы (58%),гидроэнергетика (31%) и другие (12%), включая ветровую, геотермальную и солнечную (международнаяЭнергетическое агентство, 2008 г.). Большая часть возобновляемой энергии в Канаде производиласьгидроэлектроэнергии (89%), в то время как биомасса составляла 6% от 81 ГВт возобновляемой энергии. энергия, произведенная в 2008 г. (Nyboer & Grove, 2010). В США произведенная энергиябиомассы, как ожидается, увеличится на 300% в период с 2009 по 2030 год и достигнет 153 миллиардов 12 кВт/ч (Управление энергетической информации США, 2011 г.). Биомасса – это источник энергии,которые могут быть использованы для производства биотоплива 1–го, 2–го и 3–го поколений.

2.1.1 Первое поколение

Биотопливо первого поколения соответствует биотопливу, полученному из пищевых культур (Antizar–Ладислао и Туррион–Гомес, 2008 г.). В основном они соответствуют полученным топливам на основе этанола от ферментации сахаров (кукуруза, свекла, сахарный тростник и т. д.), топлива на основе растительного масла (сыроемасло, биодизельное топливо и возобновляемое дизельное топливо, произведенное каталитической гидродеоксигенацией) (Knothe, 2010; Natural Ressources Canada, 2011) из масличных растений (рапс, пальма, канола и т. д.)и биогаз, выбрасываемый из сырья или свалок (Naik et al., 2010).

Однако на многих уровнях (экологическом, социальном) факт что пищевые ресурсы могут быть использованы для производства биотоплива, есть несколько ограничений, так как это может привести к загрязнению земли, отсутствие сельскохозяйственных земель (голод в мире) и вырубки лесов (Goldemberg & Guardabassi, 2009; Национальный исследовательский совет, 2007). Например, в некоторых европейских странах, таких какФранция, пашнядоступны для культивирования масличных растений, используемых на 1 ст. производство биотоплива не сможет поддержатьспрос на иотопливо к 2015 г., кроме насыщения земель залежью, что привело бы к обеднению почвыпроблемы (Bordet et al., 2006).

2.1.2 Второе и третье поколение

Биотопливо второго поколения – это биотопливо на основе целлюлозы, полученное из непродовольственных культур.материалы (дерево, листья, солома и др.). Эти виды биотоплива включают биоспирты, бионефть, 2,5–диметилфуран (BioDMF), биоводород, дизельное топливо Фишера–Тропша, древесное дизельное топливо (Fatih Демирбас, 2009; Роман–Лешков и др., 2007).

Биотопливо третьего поколения – это микроорганизмы (у восток, грибы), биотопливо и топливо на основе водорослей.такие как растительные масла, биомасло, реактивное топливо, биоводород, биодизель, возобновляемые источники дизель и многие другие (Fatih Demirbas, 2009; Nigam & Singh, 2011).

Биотопливо второго и третьего поколения для устойчивого развития, поскольку они являются углеродно–нейтральными, или они снижают содержание CO2 в атмосфере, поскольку они являются углеродноотрецательными (Naik et al., 2010). Например, только биодизель 1–го поколения (например, соя)вызывает чистое сокращение выбросов парниковых газов на 41% (Hill et al., 2006). Для сравнения, для каждой тонны произведенной биомассы микроводорослей, по оценке некоторых авторов, 1,8 тонны CO2 будетпотреблено (снижение 180%) (Чисти, 2007).

2.2 Микроводоросли как источник биотоплива

Микроводоросли могут производить разнообразное биотопливо, главным образом: биометан, производимый анаэробное переваривание (Sialve et al., 2009; Spolaore et al., 2006), биоводород по фотобиологическим даннымпроцесс (Fedorov et al., 2005; Kapdan & Kargi, 2006), биоэтанол путем ферментации (Choi et al.,2010; Dexter & Pengcheng, 2009), жидкая нефть путем термического ожижения (A. Banerjee et al., 2002 и 2004; Miao et al. 2004; Sawayama et al., 1995) и биодизель (MB Johnson, 2009; H. Xu et al., 2006 и др.).

2.3 Микроводоросли для биодизеля

Некоторые виды микроводорослей, такие как Botryococcus braunii или Schizochytrium sp. может содержать до 80% их сухой массы липидов (Deng et al., 2009). Эти виды могут производить липиды за счет гектар до 770 раз выше, чем масличные растения (рапс, подсолнечник и др.), а их высокое производство позволяет рассмотреть возможность разработки высокопроизводительного биодизеля (Чисти, 2007). Другое преимущество использования микроводорослей для производства биодизеля состоит в том, что количество микроводорослей может удвоиться с 1 до 3 раза за 24 часа (Хан и др., 2009). Следовательно, биомасса микроводорослей может бытьсобирают не чаще одного раза в год. Микроводоросли потенциально могут быть использованы также в пищевых, косметических иудобрения и многие другие отрасли (Jacob–Lopes & Teixeira Franco, 2010).

2.3.1 Вопросы устойчивого развития

Экологические проблемы

Рост микроводорослей происходит естественным образом в результате солнечного фотосинтеза в различных средах (Deнг и другие., 2009). Замена биодизеля 1–го поколения биодизелем из микроводорослей уменьшить углеродный след процесса. Фактически, для производства биодизеля из микроводорослей не требуется механический посев зерна, запрет на полив или распространение вредных химических продуктов и отказ от сбора урожая с использованием тяжелых двигателей, работающих на ископаемом топливе.

Производство микроводорослей может повысить ценность газов, выделяемых угольными электростанциями (или другие процессы) (de Morais & Costa, 2007), поскольку они способны поглощать CO2, диоксид азота(NO2) и диоксид серы (SO2), которые являются важными питательными веществами для их роста. Более того, некоторые исследования показали, что некоторые водоросли могут выращивается на городских (Chlorella sp.) и промышленных сточных водах (Chlamydomonas globosa,Chlorella minutissima или Scenedesmus bijuga), поскольку они также содержат такие соединения, как фосфор(P) и металлы (Al, Fe, Mg, Mn, Zn и др.) (Chinnasamy et al., 2010; Wang et al., 2010).

2.3.2 Типы микроводорослей

Микроводоросли можно найти во многих местах, где присутствует свет и вода.включая океан, озеро, почвы, лед, реки и т. д. (Deng et al., 2009). Микроводоросли демонстрируютбольшое биоразнообразие (от 200 000 до нескольких миллионов видов) (Natrah et al., 2007), которые можно разделить на категории в зависимости от их пигментации, биологического строения и метаболизм.

Классификация размеров

Микроводоросли это небольшие организмы, которых можно разделить на 4 категории размера: микропланктон (от 20 до 1000 мкм), нанопланктон (от 2 до 100 мкм), ультрапланктон (от 0,5 до 15 мкм) и пикопланктона (от 0,2 до 2 мкм) (Callieri & Stockner, 2002; Gopinathan, 2004). Ихнебольшой размер позволяет им осуществлять эффективный фотосинтез, преобразовывая световую энергию с помощью CO2 растворяется в воде с образованием липидов, гидратов углерода, белков и т. д.

Таксономические группы

Микроводоросли можно разделить на 4 основные таксономические группы: диатомовые водоросли (Bacillariophyceae), зеленыеводоросли (Chlorophyceae), цианобактерии или сине–зеленые водоросли (Cyanophyceaes) и золотые водоросли (Chrysophyceae). Однако есть еще 6 групп микроводорослей, состоящих из желто–зеленых.(Xanthophyceae), золотые водоросли (Chrysophyceae), красные водоросли (Rhodophyceae), коричневые водоросли(Phaeophyceae), динофлагелляты (Dinophyceae), Prasinophyceae и Eustigmatophyceae (Williams Laurens, 2010). Однако для биодизеля эти виды не столь интересны.производство. Например, таксономическая группа зеленых водорослей включает в себя наиболееmising виды микроводорослей, такие как Botryococcus sp., Dunaliella sp. и Chlorella для производства биодизеля.

Классификация метаболизма

Микроводоросли можно разделить на 4 основных типа метаболизма, которые называются фотоавтотрофными: гетеротрофные, миксотрофные и фотогетеротрофные (Chen et al., 2011).

Даже если фотоавтотрофные микроводоросли содержат высокий уровень липидов, продуктивность их биомассыв фотобиореакторах и открытых водоемах обычно ниже, чем у гетеротрофных микроводорослей, от 0,117 до 1,54 кг/м 3/сутки (Чисти, 2007).

Гетеротрофным микроводорослям нужен органический углерод как источник углерода и энергии. Ихпроизводство осуществляется в закрытых биореакторах (ферментерах). Они более перспективны, чемфотоавтотрофные виды для производства биодизеля (Martek, 2008; Xiong et al., 2008;H. Xu et al., 2006). Например, Xiong et al. (2008) показали, что продуктивность биомассыполученный из Chlorella sp. росли в гетеротрофных условиях, могли достигать 7,4 кг/м 3/сут. с содержанием липидов от 50 до 58% (г липидов/г сухого веса). Однако они недостигнуть основной цели производства микроводорослей к. э., то есть уменьшения выбросов CO2.

Некоторые виды микроводорослей также обладают миксотрофным метаболизмом при росте на свету или в темноте. с использованием как неорганических, так и органических источников углерода. Выращивание Chlorella vulgaris в темноте,Liang et al. (2009) заменили CO2, содержащийся в воздухе, на глюкозу (как источник углерода) инаблюдали увеличение максимальной продуктивности биомассы с 10 до 151 мг/л/сут. когдаони использовали свет и глюкозу в качестве источника углерода, урожайность биомассы увеличилась до 254мг/л/день. Использование микроводорослей с миксотрофным метаболизмом относительно редко дляпроизводство биодизеля (Chen et al., 2011).

Фотогетеротрофный метаболизм означает, что микроводорослям нужен свет как источник энергии иисточник органического углерода (Chen et al., 2011). Например, используя глицерин в качестве источникауглерод и интенсивность света 35 Е/м 2/с 1, Янг и др. (2011) получили увеличениеКонцентрация биомассы Chlorella minutissima (UTEX2341) от 1,2 до 8,2 г/л через 15 дней культура. Поскольку эти микроводоросли нуждаются в недорогом источнике органического углерода и являютсяВ зависимости от периодов солнечного света фотогетеротрофный метаболизм кажется менее интересным дляпроизводство биодизеля.

3. Заключение

В связи с повышением цен на сырую нефть в конце 00–х годов, смешивание биодизеля с нефтедизелемпредставляется надежным решением для снижения зависимости от нефтедобывающих стран. Для теперь биотопливо 1–го поколения, используемое в настоящее время, может иметь экономические, экологические исоциальные негативные последствия. Чтобы преодолеть эти проблемы, производство биодизеля излипиды микроводорослей, по–видимому, являются устойчивым решением, поскольку микроводоросли могут использоваться для уменьшения выбросы CO2 от угольных электростанций или загрязнение сточных вод. Исследователи работаютразработать суперлипиды, продуцирующие штамм микроводорослей, чтобы увеличить урожайность биодизель. Производство биодизеля путем переэтерификации липидов остается относительно дорогостоящий по сравнению с биодизелем 1–го поколения. Кроме того, полиненасыщенное содержание этих биодизели могут быть полезны для холодных свойств, но, похоже, вызывают проблемыs с цетановое число и устойчивость к окислению соответствуют американскому стандарту (ASTM). Таким образом,необходимо приложить больше усилий, чтобы снизить стоимость процесса и увеличитькачество биодизеля.

Ссылки

1. Alptekin, E. & Canakci, M. (2008). Determination of the density and the viscosities of biodiesel–diesel fuel blends. Renewable Energy, Vol.33, No.12, pp. 2623–2630
2. Altin, R.; Cetinkaya, S. & Yucesu, H.S. (2001). Potential of using vegetable oil fuels as fuel for diesel engines. Energy Conversion and Management, Vol.42, No.5, pp. 529–538
3. Andrich, G.; Nesti, U.; Venturi, F.; Zinnai, A. & Fiorentini, R. (2005). Supercritical fluid extraction of bioactive lipids from the microalga Nannochloropsis sp.. European Journal of Lipid Science and Technology, Vol.107, No.6, pp. 381–386