Биотопливо из водорослей
Очевидно, что самым перспективным видом сырья для производства биотоплива являются водоросли. Водоросли являются самыми быстрорастущими растениями на земле (масса за сутки удваивается), для их роста требуется легкодоступное сырье: солнечный свет, вода и диоксид углерода. Топливо из водорослей сейчас называют биотопливом третьего поколения.
По своим энергетическим характеристикам водоросли значительно превосходят другие источники.
200 тысяч гектаров прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5% автомобилей США. 200 тысяч гектаров — это менее 0,1% земель США пригодных для выращивания водорослей.
Однако, водоросли, содержащие большее количество масла, растут медленнее. Например, водоросли, содержащие 80% нефти вырастают раз в 10 дней, в то время как, водоросли, содержащие 30% -3 раза в день.
Производство водорослей привлекательно еще и тем, что в ходе биосинтеза поглощается углекислый газ из атмосферы.
Однако, основная технологическая трудность заключается в том, что водоросли чувствительны к изменению температуры, которая вследствие этого должна поддерживаться на определенном уровне (резкие суточные колебания недопустимы).
Также коммерческому применению водорослей в качестве топлива препятствует на сегодняшний день отсутствие эффективных инструментов для сбора водорослей в больших объемах. Также необходимо определить наиболее эффективные для сбора масла виды.
Технологии выращивания водорослей
Департамент Энергетики США исследовал водоросли с высоким содержанием масла по программе «Aquatic Species Program». Исследователи пришли к выводу, что Калифорния, Гаваи и Нью-Мексико пригодны для промышленного производства водорослей в открытых прудах. В течение 6 лет водоросли выращивались в прудах площадью 1000 м2. Пруд в Нью-Мексико показал высокую эффективность в захвате СО2. Урожайность составила более 50 гр. водорослей с 1 м2 в день.
Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого пустынного климата.
Компания BioKing приступила к серийному производству запатентованных биореакторов по разведению водорослей, пригодных к немедленной эксплуатации, которые включают быстрорастущие водоросли с высоким содержанием масла.
Испанские ученые нашли один из видов микроводорослей, которые способны гораздо быстрее размножаться, чем другие биологические собратья при определенном освещении. Если в открытом море каждый кубометр воды приходится до 300 экземпляров водорослей, то исследователи получили 200 млн. экземпляров на тот же кубометр воды.
Микроводоросли растут в пластиковом цилиндре диаметром в 70 см и длиной в 3 м. Водоросли размножаются делением. Они делятся каждые 12 часов, и постепенно вода в цилиндре превращается в зеленую плотную массу. Один раз в день содержимое цилиндра подвергается центрифугированию. Остаток представляет собой практически стопроцентное биотопливо. Насыщенная жирами часть этой массы преобразуется в биодизель, а углеводороды — в этанол.
Разработки биотоплива из водорослей
Корпорация Chevron, один из мировых энергетических гигантов начали исследование возможности использования водорослей в качестве источника энергии для транспорта, в частности, для реактивных самолетов. В ходе исследований будут изучены виды водорослей, которые содержат максимальный процент масел в своем составе, а также разработаны методы культивирования водорослей.
Компания Honeywell, UOP недавно начала проект по производству военного реактивного топлива из
водорослевых и растительных масел.
Компания Green Star Products завершила вторую фазу испытаний демонстрационного завода по производству биодизеля из водорослей в Монтане. Во время второй фазы выбирались оптимальные условия для выращивания водорослей штамма zx-13.
GSPI разработала гибридную систему выращивания водорослей в прудах — Hybrid Algae Production System. Обычные водоросли живут при температуре воды около 30 по Цельсию, zx-13 выживают при температуре около — 44. zx-13 также продемонстрировали хорошую устойчивость к повышенному содержанию солей в воде.
Однако, во второй фазе испытаний GSPI не удалось отработать технологию сбора водорослей. Водоросли созрели раньше, чем ожидалось, и оборудование ещё не было готово. Технология GSPI позволяет собирать водоросли размером более 2 мкрн. Водоросли меньшего размера возвращаются в пруд для дальнейшего выращивания.
На следующем этапе технология GSPI будет испытываться на пруду площадью 100 акров. Ведутся переговоры о размещении 100-акрового пруда в Калифорнии, Миссури и Юте. В дальнейшем возможно увеличить площадь до 500 — 1000 акров.
Крупная энергетическая компания Японии Tokyo Gas Co намерена построить демонстрационный завод, на котором из морских водорослей будут получать электричество. Для работы газовых генераторов на станции будет использоваться метан, выделяемый из мелко изрубленных водорослей.
Для ряда японских префектур, включая столичную, загрязнение побережья водорослями остается серьезной экологической проблемой. Они нередко выделяют при гниении зловонный запах и портят пейзаж.
Между тем новейшая разработка японских специалистов предлагает решить эту проблему с экономической выгодой. Экспериментальная модель завода с газовым электрогенератором, которая уже работает в лаборатории несколько лет, позволяет в день уничтожать до 1 тонны водорослей.
При этом вырабатывается около 9,8 киловатт электроэнергии. Эта пилотная установка позволяет получать около 20–30 куб метров метана в месяц — этого объема достаточно, чтобы ровно на половину сократить месячный расход на электричество средней семьи.
По подсчетам Tokyo Gas, строительство предприятия, в зависимости от производственной мощности, требует от нескольких десятков млн до 200 млн иен.
Испанская фирма Bio-Fuel-Systems планирует не только изготовлять из водорослей горючее, но и снижать уровень двуокиси углерода, который образуется при производстве электроэнергии с использованием органических видов топлива. В 2008 году запланировано строительство подобной установки в районе города Аликанте.
Компании Shell и HR Biopetroleum намерены построить на Гавайских островах опытный завод по получению растительного масла из микроводорослей и его дальнейшей переработке в биотопливо.
Микроводоросли будут выращивать на месте, в специальном открытом бассейне с морской водой. Виды микроводорослей будут отобраны для дальнейшего использования из местных образцов морских организмов, в качестве критерия отбора будут использованы быстрый рост водорослей и максимальный выход растительного масла
Авиационная промышленность также заявила о начале разработок по использованию морских водорослей, в качестве сырья для производства авиационного топлива. Компания Боинг сообщила, что альтернативой биодизелю, произведенному из морских водорослей, в будущем может стать производство авиационного биотоплива.
Согласно документу, никакое биотопливо, которое сегодня производится, не может быть использовано в качестве авиационного топлива. Этанол поглощает воду и разъедает двигатель и топливный провод, в то время как биодизель замерзает при низких температурах (на крейсерской высоте). Кроме того, биотопливо обладает более низкой термической стабильностью, чем обычное реактивное топливо.
Специалисты Боинга считают, что оптимальным сырьем для производства биотоплива станут морские водоросли, из которых получают в 150 — 300 раз больше масла, чем из сои. По их мнению, биотопливо из водорослей — это будущее для авиации. Так, если бы весь флот авиалиний мира по состоянию на 2004 год использовал 100% биотопливо, полученное из морских водорослей, понадобилась бы 322 млрд. литров масла.
Для выращивания этих водорослей необходима земля площадью 3,4 млн. га. В расчете принято, что с одного гектара получается 6 500 литров ежегодно. Для этих целей, возможно, использовать земли, которые не пригодны для выращивания пищевых сельхозкультур.
Источник
Биореактор водорослей — Algae bioreactor
Водоросли биореактор используется для выращивания микро или макро водорослей. Водоросли можно выращивать в целях производства биомассы (как в культиваторе морских водорослей ), очистки сточных вод , фиксации CO 2 или фильтрации аквариума / пруда в виде скруббера для водорослей . Биореакторы на водорослях широко различаются по конструкции и в целом делятся на две категории: реакторы открытого типа и реакторы закрытого типа. Открытые реакторы подвергаются воздействию атмосферы, в то время как закрытые реакторы, также обычно называемые фотобиореакторами , в той или иной степени изолированы от атмосферы. В частности, биореакторы из водорослей можно использовать для производства топлива, такого как биодизель и биоэтанол, для производства кормов для животных или для уменьшения количества загрязняющих веществ, таких как NO x и CO 2, в дымовых газах электростанций. По сути, этот вид биореактора основан на фотосинтетической реакции, которая осуществляется самими хлорофилл- содержащими водорослями с использованием растворенного углекислого газа и энергии солнечного света. Двуокись углерода диспергируется в жидкости реактора, чтобы сделать ее доступной для водорослей. Биореактор должен быть изготовлен из прозрачного материала.
Водоросли — фотоавтотрофные организмы, осуществляющие кислородный фотосинтез.
6 C О 2 + 6 ЧАС 2 О ⟶ C 6 ЧАС 12 О 6 + 6 О 2 Δ ЧАС 0 знак равно + 2870 k J м о л <\ displaystyle <\ begin 
СОДЕРЖАНИЕ
Историческое прошлое
Некоторые из первых экспериментов по выращиванию водорослей были проведены в 1957 г. Институтом Карнеги в Вашингтоне. В этих экспериментах одноклеточные хлореллы культивировались путем добавления CO 2 и некоторых минералов. Раньше использовались биореакторы, которые были сделаны из стекла, а позже превратились в пластиковый пакет. Целью всех этих исследований было выращивание водорослей для производства дешевого корма для животных.
Часто используемые типы фотореакторов
В настоящее время необходимо различать 3 основных типа фотобиореакторов на водорослях, но определяющим фактором является объединяющий параметр — доступная интенсивность солнечной энергии.
Пластинчатый фотобиореактор
Пластинчатый реактор просто состоит из вертикально расположенных или наклонных прямоугольных ящиков, которые часто разделены на две части для обеспечения перемешивания текучей среды реактора. Обычно эти блоки объединяются в систему путем их связывания. Эти соединения также используются для облегчения процесса наполнения / опорожнения, подачи газа и транспортировки питательных веществ. Введение дымового газа в основном происходит в нижней части окна , чтобы гарантировать , что диоксид углерода имеет достаточно времени , чтобы взаимодействовать с водорослями в реакторе жидкости.
Трубчатый фотобиореактор
Трубчатый реактор состоит из вертикально или горизонтально расположенных труб, соединенных вместе в систему трубопроводов. Жидкость, взвешенная в водорослях, может циркулировать по этой трубке. Трубки обычно изготавливаются из прозрачного пластика или боросиликатного стекла, а постоянная циркуляция поддерживается насосом в конце системы. Подача газа происходит в конце / начале системы трубок. Такой способ подачи газа вызывает проблему дефицита углекислого газа, высокую концентрацию кислорода в конце блока во время циркуляции и плохую эффективность.
Фотобиореактор с пузырьковой колонкой
Фотореактор с пузырьковой колонной состоит из вертикально расположенной цилиндрической колонны, изготовленной из прозрачного материала. Подача газа происходит в нижней части колонны и вызывает турбулентный поток, обеспечивающий оптимальный газообмен. В настоящее время эти типы реакторов строятся с максимальным диаметром от 20 до 30 см, чтобы обеспечить необходимый запас солнечной энергии.
Самая большая проблема с конструкцией, определяемой солнечным светом, — это ограниченный диаметр. Feuermann et al. изобрел метод сбора солнечного света с помощью конусообразного коллектора и передачи его с помощью некоторых стекловолоконных кабелей, которые адаптированы к реактору, чтобы позволить конструкции колонного реактора с более широкими диаметрами. — в этом масштабе потребление энергии за счет насосов и т.д. , а также СО 2 стоимости производства могут перевесить CO 2 , захваченное в реактор.
Промышленное использование
Выращивание водорослей в фотобиореакторе создает узкий диапазон возможностей промышленного применения. Некоторые энергетические компании уже создали исследовательские центры с фотобиореакторами из водорослей, чтобы выяснить, насколько они эффективны в сокращении выбросов CO 2 , содержащихся в дымовых газах , и сколько биомассы будет производиться. Биомасса водорослей имеет множество применений и может быть продана для получения дополнительного дохода. Сэкономленный объем выбросов может приносить доход и за счет продажи квот на выбросы другим энергетическим компаниям.
Использование водорослей в пищу очень распространено в регионах Восточной Азии. Большинство видов содержат только часть полезных белков и углеводов, а также много минералов и микроэлементов. Как правило, потребление водорослей должно быть минимальным из-за высокого содержания йода, что особенно проблематично для людей с гипертиреозом. Точно так же многие виды диатомовых водорослей производят соединения, небезопасные для человека. Водоросли, особенно некоторые виды, которые содержат более 50 процентов масла и много углеводов, могут быть использованы для производства биодизеля и биоэтанола путем извлечения и очистки фракций. Этот момент очень интересен, потому что биомасса водорослей генерируется в 30 раз быстрее, чем некоторая сельскохозяйственная биомасса, которая обычно используется для производства биодизеля.
Источник
Биореактор водорослей
Водоросли биореактор используется для выращивания микро или макро водорослей. Водоросли можно культивировать с целью производства биомассы (как в культиваторе морских водорослей ), очистки сточных вод , фиксации CO 2 или фильтрации аквариума / пруда в виде скруббера для водорослей . Биореакторы на водорослях широко различаются по конструкции и в целом делятся на две категории: реакторы открытого типа и реакторы закрытого типа. Открытые реакторы подвергаются воздействию атмосферы, а закрытые реакторы, также обычно называемые фотобиореакторами., в той или иной степени изолированы от атмосферы. В частности, биореакторы на водорослях можно использовать для производства топлива, такого как биодизель и биоэтанол, для производства кормов для животных или для уменьшения количества загрязняющих веществ, таких как NO x и CO 2, в дымовых газах электростанций. По сути, этот вид биореактора основан на фотосинтетической реакции, которая осуществляется самими хлорофилл- содержащими водорослями с использованием растворенного углекислого газа и энергии солнечного света. Двуокись углерода диспергируется в жидкости реактора, чтобы сделать ее доступной для водорослей. Биореактор должен быть сделан из прозрачного материала.
Водоросли — фотоавтотрофные организмы, осуществляющие кислородный фотосинтез.
6 C О 2 + 6 ЧАС 2 О ⟶ C 6 ЧАС 12 О 6 + 6 О 2 Δ ЧАС 0 знак равно + 2870 k J м о л <\displaystyle <\begin
СОДЕРЖАНИЕ
Историческая справка [ править ]
Некоторые из первых экспериментов по выращиванию водорослей были проведены в 1957 г. Институтом Карнеги в Вашингтоне. В этих экспериментах одноклеточные хлореллы культивировались путем добавления CO 2 и некоторых минералов. Раньше использовались биореакторы, которые были сделаны из стекла, а позже превратились в пластиковый пакет. Целью всех этих исследований было выращивание водорослей для производства дешевого корма для животных. [1]
Часто используемые типы фотореакторов [ править ]
В настоящее время необходимо различать 3 основных типа фотобиореакторов на водорослях, но определяющим фактором является объединяющий параметр — доступная интенсивность солнечной энергии.
Планшетный фотобиореактор [ править ]
Пластинчатый реактор просто состоит из вертикально расположенных или наклонных прямоугольных ящиков, которые часто разделены на две части для обеспечения перемешивания текучей среды реактора. Обычно эти блоки объединяются в систему путем их связывания. Эти соединения также используются для облегчения процесса наполнения / опорожнения, подачи газа и транспортировки питательных веществ. Введение дымового газа в основном происходит в нижней части окна , чтобы гарантировать , что диоксид углерода имеет достаточно времени , чтобы взаимодействовать с водорослями в реакторе жидкости.
Трубчатый фотобиореактор [ править ]
Трубчатый реактор состоит из вертикально или горизонтально расположенных труб, соединенных вместе в систему трубопроводов. Жидкость, взвешенная в водорослях, может циркулировать по этой трубке. Трубки обычно изготавливаются из прозрачного пластика или боросиликатного стекла, а постоянная циркуляция поддерживается насосом в конце системы. Подача газа происходит в конце / начале системы трубок. Такой способ подачи газа вызывает проблему дефицита углекислого газа, высокую концентрацию кислорода в конце агрегата во время циркуляции и плохую эффективность.
Фотобиореактор с пузырьковой колонкой [ править ]
Фотореактор с пузырьковой колонной состоит из вертикально расположенной цилиндрической колонны, изготовленной из прозрачного материала. Подача газа происходит в нижней части колонны и вызывает турбулентный поток, обеспечивающий оптимальный газообмен. В настоящее время эти типы реакторов строятся с максимальным диаметром от 20 до 30 см, чтобы обеспечить необходимый запас солнечной энергии.
Самая большая проблема с конструкцией, определяемой солнечным светом, — это ограниченный диаметр. Feuermann et al. [ кто? ] изобрел метод сбора солнечного света с помощью конусообразного коллектора и передачи его с помощью некоторых стекловолоконных кабелей, которые адаптированы к реактору, чтобы позволить конструкции колонного реактора с более широким диаметром. — в этом масштабе потребление энергии за счет насосов и т.д. , а также СО 2 стоимости производства могут перевесить CO 2 , захваченное в реактор. [ необходима цитата ]
Промышленное использование [ править ]
Выращивание водорослей в фотобиореакторе создает узкий диапазон возможностей промышленного применения. Некоторые энергетические компании [2] уже создали исследовательские центры с фотобиореакторами из водорослей, чтобы выяснить, насколько они эффективны в сокращении выбросов CO 2 , содержащихся в дымовых газах , и сколько биомассы будет производиться. Биомасса водорослей имеет множество применений и может быть продана для получения дополнительного дохода. Сэкономленный объем выбросов может приносить доход и за счет продажи квот на выбросы другим энергетическим компаниям. [3]
Использование водорослей в пищу очень распространено в регионах Восточной Азии. [4] Большинство видов содержат только часть полезных белков и углеводов, а также много минералов и микроэлементов. Как правило, потребление водорослей должно быть минимальным из-за высокого содержания йода, что особенно проблематично для людей с гипертиреозом. Точно так же многие виды диатомовых водорослей производят соединения, небезопасные для человека. [5] Водоросли, особенно некоторые виды, которые содержат более 50 процентов масла и много углеводов, могут быть использованы для производства биодизеля и биоэтанола путем извлечения и очистки фракций. Этот момент очень интересен, потому что биомасса водорослей генерируется в 30 раз быстрее, чем некоторая сельскохозяйственная биомасса, [6], который обычно используется для производства биодизеля.
Источник