Yksinkertaiset leväorganismit kehittävät biomassaa, jota voidaan kerätä ja sitten muuntaa polttoaineiden ja muiden tuotteiden valmistamiseksi. Aramco paljasti äskettäisessä viestissään tuottaneensa ensimmäisen erän biopohjaista raakaöljyä levistä. He yhdessä muiden tutkijoiden ja yritysten kanssa selvittävät tapoja tuottaa ja käyttää vähähiilisiä polttoaineita jätevedestä ja meriveden mikrolevistä.
Vähähiilisten polttoaineiden luominen jätevedestä ja meriveden mikrolevistä: tutkimuksen tavoite
Saadaksesi lisätietoja vaihtoehtoisista nestemäisistä polttoaineista , joita voidaan käyttää ympäristöystävällisen ja kestävän energian valmistukseen. Lisäksi selvittääksesi mikrolevien tarpeen energiantuotannossa ja biopolttoaineiden tyypit.
- Mukaan Kleinovan et ai., biodiesel on peräisin öljypitoisista mikrobeista. Niitä käytetään merkittävänä uusiutuvana vaihtoehtona dieselin ja öljyn tuotannossa.
- Toinen Demirbasin tutkimus ehdottaa, että vain mikrolevissä on uusiutuvan biodieselin potentiaali, joka voi vastata maailmanlaajuisiin kuljetustarpeisiin.
Mitä ovat mikrolevät?
Ne ovat maailman pienimpiä juurittomia ja lehdettömiä kasveja, jotka voivat tuottaa yli puolet hengittämästämme hapesta. Ne ovat myös bioaktiivisten yhdisteiden isäntä.
Mikrolevien ominaisuudet
- Yleensä levät ovat luokitellaan 2 ryhmään nimittäin eukaryootti ja prokaryootti. Mikrolevät ovat vanhimpia eläviä lajeja.
- Ne niillä on fotosynteesimekanismeja samanlainen kuin muiden klorofyllistä valmistettujen kasvien.
- Mikroleviä viljellään vesipitoisena suspensiona, ja niillä on enemmän pääsyä veteen, ravinteisiin ja hiilidioksidiin.
- Niiden luokittelua määrittävät tekijät ovat niiden pigmenttityypit, kemiallinen koostumus, soluseinän ainesosat ja morfologiset ominaisuudet.
- Heillä on mahdollisuus kiinnittää hiilidioksidia moniin lähteisiin kuten liukoiset karbonaattisuolat, ilmakehä ja tehtaan jätekaasut.
Mikrolevien tyypit
- Ne voivat olla heterotrofisia jos ne käyttävät orgaanisia yhdisteitä kehittämiseen.
- Autotrofinen, jos he saavat hiiltä epäorgaanisista yhdisteistä.
- Niitä luonnehditaan mm fotoautotrofinen kun he käyttävät valoa energialähteenä.
- Samoin mixotrofiset mikrolevät ovat fotosynteettinen niitä, koska ne sisältävät autotrofian ja heterotrofian fotosynteesin yli.
Mikrolevien käytön haasteet biopolttoaineiden tuotannossa
Vaikka levien käyttö biopolttoaineiden tuotannossa on edullista, mutta sillä on korkeat jalostuskustannukset. Lisäksi sen kilpailukyky on heikko, mikä on kriittinen este sen laajalle kaupallistamiselle.
- Biopolttoaineiden tuotantoteollisuuden perustaminen levien avulla ja kustannuskilpailukyvyn varmistaminen on a suuri haaste.
- Kuten kohti Jones & Mayfield tutkimus, vuoteen 2030 mennessä noin 6 % kokonaisenergiantarpeesta katetaan biopolttoaineilla.
- Joidenkin tutkijoiden mukaan biopolttoaineiden tuotantoon käytettävät mikrolevät sisältävät suuria määriä mikrolevistä peräisin olevia lipidejä. Seuraavat taulukot esittävät mainitut tiedot.
Tutkimuksen mukaan jättiläissimpukat voivat tehostaa aurinkoenergian käyttöä.
Vaihe mukana biopolttoaineiden tuotannossa Mikrolevät
Tämä sisältää kaksi päävaihetta , joihin liittyy erilaisia alivaihemenettelyjä.
Levien viljely
Levien kasvu voi kestää 1–10 päivää, ja se mahdollistaa useita satoja. Nämä mikro-organismit voivat kehittyä jopa kuivalla ja karulla maalla. Lisäksi jotkut levälajit voivat kasvaa 20–30 kertaa korkeammiksi kuin ruokakasvit . Tässä tutkimuksessa käsitellään avolammikkoviljelyä, koska se on yleisimmin käytetty menetelmä.
Avoin lampi viljelyyn
On erittäin tärkeää valita oikea teknologia leväbiomassan viljelyyn ja keräämiseen. Taloudellisista syistä teollisen mittakaavan avolammikot ovat tällä hetkellä ainoa vaihtoehto, koska niiden rakenne on yksinkertainen. Yleensä ne on kehitetty lammen tai raviradan muotoisiksi, ja diffuusion kautta CO2 kerätään ilmakehästä . Järjestelmät luokitellaan edelleen kolmeen tyyppiin: pyöreä lampi, ravitieallas ja sekoittamaton avoin järjestelmä.
Rajoitukset
Tämä menetelmä johtaa vesihäviöön haihtumisen vuoksi ja sen biomassan tuotto on alhainen. Lisäksi tietyt haavoittuvat levälajit eivät pysty menestymään tällaisessa ympäristössä. Avolammikkoviljelymenetelmä sopii erinomaisesti vain paikkoihin, joissa on paljon auringonvaloa ja helppo pääsy veteen, erityisesti rannikolla.
Suljettu viljelyjärjestelmä
Koska avoimessa järjestelmässä on resurssirajoituksia, kehitettiin suljetun järjestelmän PBR-menetelmiä. Ympäristön ja viljelyalustojen välillä ei ole suoraa vuorovaikutusta . Tämä johtaa suhteellisen tasaisempaan ja luotettavampaan ympäristöön levien viljelylle ja keräämiselle.
Suljettu järjestelmä tuottaa arvokkaita tuotteita ja hienokemikaaleja, joita käytetään useissa sovelluksissa. Niistä valmistetaan biolääkkeitä, kosmetiikkaa, biopolttoaineita ja ihmisten terveydelle tarkoitettuja lisäravinteita. Litteä paneeli, pystyputki, vaakaputki ja sekoitettu säiliö ovat suljettuja viljelymenetelmiä.
Rajoitukset
Tämä järjestelmä on hieman kallis, koska se sisältää prosessiparametreihin perustuvan lähestymistavan, ilmatiiviyden ja massansiirron. Salamajärjestelmät vaativat merkittävän määrän energiaa, mikä tekee tästä järjestelmästä tehottoman. Sen kaupallistamisesta on tullut haastavaa sen rajoitusten vuoksi.
Nano-lisäainemenetelmä nopeaan mikroleväviljelyyn
Jotkut tutkijat ovat äskettäin käyttäneet nanolisäaineita mikroleväviljelyn eri vaiheissa . Heidän tavoitteenaan oli parantaa biomassan ja sivutuotteiden kehityksen tehokkuutta.
- Nanomateriaalit, kuten nanoputket ja nanokuidut, jotka on päällystetty entsyymeillä, voivat olla käytetään immobilisointiin. Tietyt hiilirakenteet, kuten hiilinanoputket ja grafeenioksidi, voivat tarjota entsyymeille vakautta ja aktiivisuutta.
- Lisäksi nanopartikkeleita on käytetty myös biopolttoaineiden ja biomassan tuotannon lisääminen.
- Tutkijoiden mukaan on mahdollista lisätä mikrolevien biomassaa 20-30% nanohiukkassovelluksella.
- Galliumalumiiniarsenidipohjaisia LED-valoja on käytetty leväviljelmän mittakaavassa, mikä lisää biomassan tuotantoa.
- Optisia kuituja käytetään myös leväviljelyssä kasvutehokkuuden parantamiseksi ja se säästää myös valaistuskustannuksia.
Biopolttoaineet liikennealalla
Biopolttoaineet ovat tärkeitä, koska ne auttavat vastaamaan kasvaviin polttoainetarpeisiin. Ne ovat parempia vaihtoehtoja kuin fossiiliset polttoaineet ja ympäristön kannalta, koska ne tuottavat vähemmän hiilidioksidipäästöjä. Tämä puolestaan vähentää kasvihuonekaasupäästöjä ja helpottaa ilmastonmuutoksen torjuntaa. Vanhoista leväesiintymistä peräisin oleva bensiini on rajallinen lähde, ja se on tulossa kalliimmaksi ja mahdollisesti loppumassa.
Eräässä tutkimuksessa todetaan , että mikrolevät ovat arvokkaita biopolttoaineiden lähteitä. Mikrolevät keräävät ja syntetisoivat huomattavan määrän neutraaleja lipidejä, mikä on edullista. Lisäksi mikrolevät tarjoavat ympärivuotista tuotantoa ja varmistavat tehokkaan öljysadon jokaisella viljelyalueella öljykasveihin verrattuna.
Tutkimuksen mukaan seepian musteesta peräisin oleva melaniini näyttää olevan potentiaalia kestävänä biomassaresurssina.
Levien merkitys biopolttoaineiden tuotannossa: näkökohtia erilaisista tutkimuksista
On tehty lukuisia tutkimuksia, jotka osoittavat mikrolevien edut muihin maakasveihin verrattuna.
Tutkimus # 1
Jonesin ja Mayfieldin tutkimus osoitti, että mikroleviä voidaan käyttää erilaisten biopolttoaineiden tuotantoon. Esimerkiksi metaanin tuotanto aerobisella mädätysprosessilla mikroleväöljystä ja biovedystä.
Tutkimus # 2
Pienkos & Darzinsin tutkimuksessa todetaan, että he havaitsivat, että mikrolevät, yksisoluiset organismit, voidaan monistaa nopeilla tekniikoilla ja luoda nopeasti muuttuvia kantoja. Tutkimus osoitti mikrolevien ympäristöystävällisyyden ja helpot kasvatusmahdollisuudet. Lisäksi mikrolevien viljelyprosessi voi vähentää jätevirtoja.
Tutkimus # 3
Pittmanin ym. tutkimuksen mukaan mikrolevät voivat tuottaa suurimman biomassan pinta-ala- ja pituusyksikköä kohti. Tästä syystä ne ovat saaneet merkittävää huomiota uusiutuvan energian tuotannossa. Niiden öljy- ja tärkkelyspitoisuus on korkea, eikä viljelyyn tarvita erityistä maatalousmaata tai makeaa vettä selviytyäkseen. Niitä voidaan helposti kasvattaa hiilidioksidilla ja jätevedellä.
Tutkimus # 4
Patilin ym. tutkimuksen mukaan mikrolevät ovat makroleviin verrattuna edullisempia, koska jälkimmäinen on vähemmän joustava ja tarjoaa vain yhden prosessointimenetelmän. Mikrolevät puolestaan käyttävät hiilidioksidia ja auringonvaloa biopolttoaineiden, rehujen ja arvokkaiden bioaktiivisten aineiden tuotantoprosessissa. On huomionarvoista, että mikrolevät muodostavat yli 40 % maailmanlaajuisesta hiilidioksidin sitoutumisesta, ja merimikrolevät ovat vastuussa suurimmasta osasta tuottavuutta.
Tutkimus # 5
Singhin ja Olsenin toisessa tutkimuksessa mikrolevien biomassa sisältää noin 50 % hiiltä kuivapainosta. Levät voivat tuottaa suuria määriä biomassaa lyhyessä ajassa. Tämä johtuu siitä, että niiden oksien, lehtien tai juurien valmistukseen ei tarvita selluloosaa. Lisäksi biodieselin valmistaminen mikrolevistä on helppoa keräämällä, uuttamalla ja muuntamalla se nanokatalyytiksi, mikä johtaa tehokkaaseen biodieselin tuotantoon. Makrolevät puolestaan sisältävät erilaisia lipidejä, hiilivetyjä ja monimutkaisia öljyjä, mikä tekee prosessista monimutkaisen.
Tässä on yksinkertaistettu ja selitetty versio Global Energy Outlook 2024-2050 -katsauksesta.
Yhteenveto
Mikrolevillä on parempi kasvuvauhti kuin muilla maanpäällisillä viljelykasveilla, niiden lipidipitoisuus on korkea ja ne lisääntyvät nopeasti. On selvää, ettei mikään yksittäinen strategia pysty tarjoamaan tehokasta ratkaisua. Siksi tarvitaan useiden prosessien yhdistelmää, jotta voidaan varmistaa riippuvuus biopolttoaineista energiantuotannossa . On tärkeää varmistaa levien tehokkuus biopolttoaineiden jalostuksessa ja öljyn uutossa. Tämän myötä käy selvemmäksi, että jäteveden ja meriveden mikrolevistä saatavat vähähiiliset polttoaineet voivat olla seuraavaksi paras kestävä ratkaisu.
