Einfache Algenorganismen produzieren Biomasse, die geerntet und zu Kraftstoffen und anderen Produkten weiterverarbeitet werden kann. In einem kürzlich veröffentlichten Beitrag gab Aramco die erste Charge Bioöl aus Algen bekannt. Gemeinsam mit anderen Forschern und Unternehmen erforscht das Unternehmen Möglichkeiten zur Herstellung und Nutzung kohlenstoffarmer Kraftstoffe aus Abwasser und Meeresmikroalgen.
Herstellung kohlenstoffarmer Kraftstoffe aus Abwasser und Meerwasser-Mikroalgen: Ziel der Studie
Um mehr über alternative flüssige Kraftstoffe zu erfahren , die zur Herstellung umweltfreundlicher und nachhaltiger Energie genutzt werden können. Außerdem, um den Energiebedarf von Mikroalgen und verschiedene Arten von Biokraftstoffen zu ermitteln.
- Nach Angaben der US-Organisation Studie von Kleinova et al.Biodiesel wird aus ölhaltigen Mikroben gewonnen. Sie werden als wichtige erneuerbare Alternative zur Herstellung von Diesel und Erdöl eingesetzt.
- Ein anderer Studie von Demirbas legt nahe, dass nur Mikroalgen das Potenzial für erneuerbaren Biodiesel besitzen, der den weltweiten Transportbedarf decken kann.
Was sind Mikroalgen?
Sie sind die kleinsten wurzel- und blattlosen Pflanzen der Welt und können mehr als die Hälfte des Sauerstoffs produzieren, den wir atmen. Darüber hinaus sind sie Wirtspflanzen für bioaktive Verbindungen.
Eigenschaften von Mikroalgen
- Im Allgemeinen sind Algen in 2 Gruppen eingeteilt nämlich eukaryotische und prokaryotische. Mikroalgen sind die älteste lebende Art.
- Sie verfügen über Photosynthesemechanismen ähnlich denen anderer Pflanzen aus Chlorophyll.
- Mikroalgen werden als wässrige Suspension kultiviert und haben besseren Zugang zu Wasser, Nährstoffen und Kohlendioxid.
- Faktoren, die ihre Klassifizierung bestimmen, sind ihre Pigmenttypen, ihre chemische Zusammensetzung, ihre Zellwandbestandteile und ihre morphologischen Merkmale.
- Sie haben die Potenzial zur CO2-Bindung aus vielen Quellen wie lösliche Karbonatsalze, Atmosphäre und Fabrikabgase.
Arten von Mikroalgen
- Sie können sein heterotrophe wenn sie organische Verbindungen für die Entwicklung verwenden.
- Autotrophe, wenn sie Kohlenstoff aus anorganischen Verbindungen gewinnen.
- Sie sind gekennzeichnet als photoautotroph wenn sie Licht als Energiequelle nutzen.
- Ebenso sind mixotrophe Mikroalgen Photosynthese solche, da sie Autotrophie und Heterotrophie über die Photosynthese vereinen.
Herausforderungen bei der Nutzung von Mikroalgen zur Biokraftstofferzeugung
Obwohl die Verwendung von Algen zur Herstellung von Biokraftstoffen vorteilhaft ist, sind die Verarbeitungskosten hoch. Zudem ist die Algenproduktion wenig wettbewerbsfähig, was ein entscheidendes Hindernis für ihre flächendeckende Kommerzialisierung darstellt.
- Der Aufbau einer Biokraftstoffproduktionsindustrie durch Algen und die Sicherstellung der Kostenwettbewerbsfähigkeit ist eine große Herausforderung.
- Gemäß der Jones & Mayfield-StudieBis 2030 werden rund 6 % des gesamten Energiebedarfs durch Biokraftstoffe gedeckt.
- Laut einigen Forschern enthalten Mikroalgen für die Biokraftstoffproduktion hohe Mengen an Lipiden aus Mikroalgen. Die folgenden Tabellen zeigen die genannten Daten.
Einer Studie zufolge können Riesenmuscheln die Effizienz von Solarenergie steigern.
Schritt bei der Biokraftstoffproduktion Mikroalgen
Dies umfasst 2 Hauptschritte mit jeweils mehreren Teilschritten.
Algenkultivierung
Das Algenwachstum kann 1 bis 10 Tage dauern und ermöglicht mehrere Ernten. Diese Mikroorganismen können sich selbst auf trockenen und ariden Böden entwickeln. Darüber hinaus können manche Algenarten 20- bis 30-mal höher wachsen als Nutzpflanzen . Diese Studie befasst sich mit der Kultivierung in offenen Teichen, da dies die am häufigsten angewandte Methode ist.
Offener Teich für den Anbau
Die Wahl der richtigen Technologie für die Kultivierung und Ernte von Algenbiomasse ist entscheidend. Aus wirtschaftlichen Gründen sind offene Teiche im industriellen Maßstab derzeit die einzige Option, da sie ein einfaches Design aufweisen. Sie sind in der Regel teich- oder rennbahnförmig angelegt und gewinnen CO₂ aus der Atmosphäre durch Diffusion . Das System lässt sich in drei Typen unterteilen: Rundteich, Rennbahnteich und ungerührtes offenes System.
Einschränkungen
Diese Methode führt durch Verdunstung zu Wasserverlusten und einer geringen Biomasseausbeute. Zudem können bestimmte empfindliche Algenarten in dieser Umgebung nicht gedeihen. Die Kultivierung in offenen Teichen eignet sich daher nur für sonnige Standorte mit gutem Wasserzugang, insbesondere in Küstennähe.
Geschlossenes Anbausystem
Da offene Systeme Ressourcenbeschränkungen unterliegen, wurden geschlossene Photobioreaktoren (PBRs) entwickelt. Es gibt keine direkten Wechselwirkungen zwischen der Umgebung und dem Kulturmedium . Dies führt zu relativ konstanteren und zuverlässigeren Bedingungen für die Algenzucht und -ernte.
Das geschlossene System produziert wertvolle Produkte und Feinchemikalien für zahlreiche Anwendungen. Daraus werden Biopharmazeutika, Kosmetika, Biokraftstoffe und Nahrungsergänzungsmittel hergestellt. Zu den geschlossenen Kultivierungsverfahren zählen Flachzellen, Vertikalrohre, Horizontalrohre und Rührkessel.
Einschränkungen
Dieses System ist relativ kostspielig, da es einen prozessparameterbasierten Ansatz, Luftdichtheit und Stoffaustausch umfasst. Beleuchtungssysteme benötigen eine erhebliche Menge Energie, was das System ineffizient macht. Aufgrund dieser Einschränkungen gestaltet sich die Kommerzialisierung schwierig.
Nano-Additive-Ansatz für eine schnelle Mikroalgenkultur
Einige Forscher haben kürzlich Nanoadditive in verschiedenen Stadien der Mikroalgenkultur eingesetzt . Ihr Ziel war es, die Effizienz der Biomasse- und Nebenproduktentwicklung zu steigern.
- Nanomaterialien wie Nanoröhren und Nanofasern, die mit Enzymen beschichtet sind, können zur Immobilisierung verwendet. Bestimmte Kohlenstoffstrukturen wie Kohlenstoffnanoröhren und Graphenoxid haben das Potenzial, Enzymen Stabilität und Aktivität zu verleihen.
- Darüber hinaus wurden Nanopartikel auch für Steigerung der Biokraftstoff- und Biomasseproduktion.
- Den Forschern zufolge ist es möglich, die Biomasse der Mikroalgen zu erhöhen, indem 20-30 % mit Nanopartikelanwendung.
- Um die Algenkultur zu vergrößern und so eine höhere Biomasseproduktion zu erreichen, wurden LEDs auf Gallium-Aluminium-Arsenid-Basis eingesetzt.
- Auch bei der Algenkultur werden Glasfasern eingesetzt, um die Wachstumseffizienz zu verbessern und Beleuchtungskosten zu sparen.
Biokraftstoffe im Verkehrssektor
Biokraftstoffe sind hier wichtig, da sie dazu beitragen, den steigenden Kraftstoffbedarf zu decken. Sie sind bessere Alternativen als fossile Brennstoffe und schonen die Umwelt, da sie weniger Kohlendioxidemissionen verursachen. Dies wiederum reduziert die Treibhausgasemissionen und erleichtert den Kampf gegen den Klimawandel. Benzin aus alten Algenvorkommen ist eine begrenzte Quelle, wird immer teurer und könnte zur Neige gehen.
Eine Studie belegt , dass Mikroalgen wertvolle Biokraftstoffquellen darstellen. Sie reichern beträchtliche Mengen an neutralen Lipiden an und synthetisieren diese, was von Vorteil ist. Darüber hinaus ermöglichen Mikroalgen eine ganzjährige Produktion und gewährleisten im Vergleich zu Ölsaaten eine effiziente Ölausbeute pro Anbaufläche.
Eine Studie deutete darauf hin, dass Melanin aus Tintenfischtinte Potenzial als nachhaltige Biomassequelle besitzt.
Bedeutung von Algen in der Biokraftstoffproduktion: Aspekte aus verschiedenen Studien
Zahlreiche Studien belegen die Vorteile von Mikroalgen gegenüber anderen Landpflanzen.
Studie Nr. 1
Eine Studie von Jones & Mayfield legte nahe, dass Mikroalgen zur Herstellung verschiedener Biokraftstoffe genutzt werden können. Beispielsweise zur Methanproduktion durch aerobe Vergärung von Mikroalgenöl aus Biohydrogen.
Studie Nr. 2
Die Studie von Pienkos & Darzins zeigt, dass Mikroalgen, einzellige Organismen, mithilfe von Hochgeschwindigkeitstechniken vermehrt werden können und schnell veränderliche Stämme entstehen. Die Studie belegt die Umweltfreundlichkeit und die einfachen Kultivierungsmöglichkeiten von Mikroalgen. Darüber hinaus kann die Kultivierung von Mikroalgen Abfallströme reduzieren.
Studie Nr. 3
Laut der Studie von Pittman et al. liefern Mikroalgen die höchste Biomasseausbeute pro Flächen- und Längeneinheit. Daher finden sie große Beachtung im Bereich der erneuerbaren Energieerzeugung. Sie weisen einen hohen Öl- und Stärkegehalt auf und benötigen weder spezielle landwirtschaftliche Flächen noch Süßwasser zum Überleben. Die Kultivierung mit Kohlendioxid und Abwasser ist problemlos möglich.
Studie Nr. 4
Laut der Studie von Patil et al. werden Mikroalgen gegenüber Makroalgen bevorzugt, da letztere weniger flexibel sind und nur eine einzige Verarbeitungsmethode bieten. Mikroalgen hingegen nutzen CO₂ und Sonnenlicht, um Biokraftstoffe, Futtermittel und hochwertige Bioaktivitäten zu produzieren. Bemerkenswert ist, dass Mikroalgen für über 40 % der globalen Kohlenstofffixierung verantwortlich sind, wobei marine Mikroalgen den größten Anteil an der Produktivität aufweisen.
Studie Nr. 5
Eine weitere Studie von Singh & Olsen zeigt, dass Mikroalgenbiomasse zu etwa 50 % aus Kohlenstoff (bezogen auf das Trockengewicht) besteht. Algen können innerhalb kurzer Zeit große Mengen an Biomasse produzieren, da sie für ihre Zweige, Blätter und Wurzeln keine Cellulose benötigen. Darüber hinaus ist die Biodieselherstellung aus Mikroalgen einfach: Sammlung, Extraktion und Umwandlung in Nanokatalysatoren sind unkompliziert und ermöglichen eine effiziente Biodieselproduktion. Makroalgen hingegen enthalten verschiedene Lipide, Kohlenwasserstoffe und komplexe Öle, was den Prozess deutlich verkompliziert.
Hier finden Sie eine vereinfachte und erläuterte Version des Global Energy Outlook 2024-2050.
Fazit
Mikroalgen weisen eine höhere Wachstumsrate als andere Landpflanzen auf, haben einen hohen Lipidgehalt und vermehren sich schnell. Es ist offensichtlich, dass keine einzelne Strategie eine wirksame Lösung bieten kann. Daher ist eine Kombination von Verfahren erforderlich, um die Abhängigkeit von Biokraftstoffen für die Energieerzeugung zu gewährleisten . Es ist wichtig, die Effektivität der Algen bei der Biokraftstoffverarbeitung und der Ölgewinnung sicherzustellen. Vor diesem Hintergrund wird immer deutlicher, dass kohlenstoffarme Kraftstoffe aus Abwasser und Meerwassermikroalgen die nächstbeste nachhaltige Lösung darstellen können.
Quelle : Biokraftstoffbildung aus Mikroalgen
