Eenvoudige algenorganismen produceren biomassa die geoogst en vervolgens verwerkt kan worden tot brandstoffen en andere producten. In een recent bericht onthulde Aramco dat ze de eerste partij biocrude uit algen hadden geproduceerd. Samen met andere onderzoekers en bedrijven onderzoeken ze manieren om koolstofarme brandstoffen te produceren en te gebruiken uit microalgen in afvalwater en zeewater.
Het creëren van koolstofarme brandstoffen uit afvalwater en zeewatermicroalgen: doel van de studie
Om meer te weten te komen over alternatieve vloeibare brandstoffen die gebruikt kunnen worden voor de productie van milieuvriendelijke en duurzame energie. Ook om de behoeften van microalgen voor energieproductie en de verschillende soorten biobrandstof te bepalen.
- Volgens de studie door Kleinova et al., biodiesel is afkomstig van olieachtige microben. Ze worden gebruikt als een belangrijk hernieuwbaar alternatief voor de productie van diesel en petroleum.
- Nog een studie door Demirbas suggereert dat alleen microalgen het potentieel hebben om hernieuwbare biodiesel te produceren, waarmee aan de wereldwijde vraag naar transport kan worden voldaan.
Wat zijn microalgen?
Het zijn de kleinste wortel- en bladloze planten ter wereld die meer dan de helft van de zuurstof die we inademen kunnen produceren. Ook zijn ze een gastheer voor bioactieve verbindingen.
Kenmerken van microalgen
- Over het algemeen zijn algen ingedeeld in 2 groepen namelijk eukaryotisch en prokaryotisch. Microalgen zijn de oudste levende soorten.
- Ze hebben fotosynthesemechanismen vergelijkbaar met die van andere planten die uit chlorofyl bestaan.
- Microalgen worden gekweekt als waterige suspensie en hebben meer toegang tot water, voedingsstoffen en koolstofdioxide.
- Factoren die hun classificatie bepalen, zijn het type pigment, de chemische samenstelling, de bestanddelen van de celwand en morfologische kenmerken.
- Ze hebben de potentieel om CO2 voor veel bronnen vast te leggen zoals oplosbare carbonaatzouten, de atmosfeer en afvalgassen van fabrieken.
Soorten microalgen
- Ze kunnen zijn heterotroof als ze organische verbindingen gebruiken voor hun ontwikkeling.
- autotrofe, als ze koolstof uit anorganische verbindingen verkrijgen.
- Ze worden gekenmerkt als fotoautotroof wanneer ze licht als energiebron gebruiken.
- Op dezelfde manier zijn mixotrofe microalgen fotosynthetisch die welke autotrofie en heterotrofie boven fotosynthese incorporeren.
Uitdagingen bij het gebruik van microalgen voor de productie van biobrandstof
Hoewel het gebruik van algen voor de productie van biobrandstof voordelig is, heeft het hoge verwerkingskosten. Ook heeft het een lage concurrentiekracht, wat een kritieke barrière is voor de brede commercialisering ervan.
- Het opzetten van biobrandstofproductie-industrieën door middel van algen en het waarborgen van kostenconcurrentie is een grote uitdaging.
- Volgens de Jones & Mayfield-studieTegen 2030 zal ongeveer 6% van de totale energievraag worden gedekt door biobrandstoffen.
- Volgens sommige onderzoekers bevatten microalgen voor biobrandstofproductie grote hoeveelheden lipiden van microalgen. De volgende tabellen tonen de genoemde gegevens.
Uit onderzoek blijkt dat reuzenschelpen de benutting van zonne-energie kunnen verbeteren.
Stap betrokken bij de productie van biobrandstof microalgen
Dit omvat 2 belangrijke stappen , die elk weer verschillende subprocedures bevatten.
Kweek van algen
Algen kunnen 1 tot 10 dagen groeien en meerdere oogsten opleveren. Deze micro-organismen kunnen zich zelfs op droge en dorre grond ontwikkelen. Bovendien kunnen sommige soorten algen 20 tot 30 keer hoger groeien dan voedselgewassen . Deze studie bespreekt de teelt in open vijvers, aangezien dit de meest gebruikte methode is.
Open vijver voor teelt
Het is cruciaal om de juiste technologie te kiezen voor het kweken en oogsten van algenbiomassa. Vanwege economische overwegingen zijn open vijvers op industriële schaal momenteel de enige optie, omdat ze een eenvoudig ontwerp hebben. Over het algemeen worden ze aangelegd in de vorm van een vijver of een racebaan, waarbij CO2 door diffusie uit de atmosfeer wordt opgevangen . Het systeem wordt verder onderverdeeld in drie typen: ronde vijver, racebaanvijver en ongeroerde open systemen.
Beperkingen
Deze methode leidt tot waterverlies door verdamping en een lage biomassaopbrengst. Bovendien kunnen bepaalde kwetsbare algensoorten niet gedijen in deze omgeving. De open vijvercultuur is alleen ideaal voor plaatsen met veel zonlicht en gemakkelijke toegang tot water, met name langs de kust.
Gesloten teeltsysteem
Omdat open systemen beperkingen kennen qua beschikbare middelen, zijn gesloten fotobioreactoren (PBR's) ontwikkeld. Hierbij is er geen directe interactie tussen de omgeving en het kweekmedium . Dit resulteert in een relatief stabielere en betrouwbaardere omgeving voor de teelt en oogst van algen.
Het gesloten systeem produceert waardevolle producten en fijne chemicaliën die in een aantal toepassingen worden gebruikt. Biofarmaceutica, cosmetica, biobrandstoffen en supplementen voor de menselijke gezondheid worden ervan gemaakt. Plat paneel, verticale buis, horizontale buis en geroerde tank zijn typen gesloten teeltmethoden.
Beperkingen
Dit systeem is vrij kostbaar omdat het een procesparameterbenadering, luchtdichtheid en massaoverdracht omvat. Bliksemsystemen verbruiken een aanzienlijke hoeveelheid energie, waardoor dit systeem inefficiënt is. De commercialisering ervan is vanwege deze beperkingen lastig gebleken.
Nano-additievenbenadering voor snelle microalgenkweek
Recent hebben enkele onderzoekers nanotoevoegingen toegepast in verschillende stadia van de microalgenkweek . Hun doel was om de efficiëntie van de biomassa- en bijproductontwikkeling te verbeteren.
- Nanomaterialen zoals nanotubes en nanovezels die met enzymen zijn gecoat, kunnen gebruikt voor immobilisatieBepaalde koolstofstructuren, zoals koolstofnanobuisjes en grafeenoxide, kunnen stabiliteit en activiteit voor enzymen bieden.
- Bovendien zijn nanodeeltjes ook gebruikt voor verhoging van de productie van biobrandstoffen en biomassa.
- Volgens de onderzoekers is het mogelijk om de biomassa van microalgen te vergroten door 20-30% met toepassing van nanodeeltjes.
- LED-lampen op basis van galliumaluminiumarsenide worden gebruikt om de algencultuur op te schalen en zo een hogere biomassaproductie te realiseren.
- Optische vezels worden ook gebruikt bij het kweken van algen om de groei-efficiëntie te verbeteren en om verlichtingskosten te besparen.
Biobrandstoffen in de transportsector
Biobrandstof is hier belangrijk omdat het helpt bij het voldoen aan de groeiende vraag naar brandstof. Het zijn betere alternatieven dan fossiele brandstoffen en voor het milieu omdat ze minder koolstofdioxide-uitstoot produceren. Dit vermindert op zijn beurt de uitstoot van broeikasgassen en maakt de strijd tegen klimaatverandering een stuk makkelijker. Benzine uit oude algenafzettingen is een beperkte bron en wordt steeds duurder en raakt mogelijk op.
Uit een onderzoek blijkt dat microalgen waardevolle bronnen van biobrandstof zijn. Microalgen accumuleren en synthetiseren een aanzienlijke hoeveelheid neutrale lipiden, wat voordelig is. Bovendien bieden microalgen het hele jaar door productie en zorgen ze voor een efficiënte olieopbrengst per geteeld gebied in vergelijking met oliezaden.
Uit onderzoek is gebleken dat melanine uit inkt van inktvissen potentie heeft als duurzame biomassa-grondstof.
Belang van algen bij de productie van biobrandstoffen: aspecten uit verschillende onderzoeken
Er zijn talrijke onderzoeken gedaan die de voordelen van microalgen ten opzichte van andere landplanten aantonen.
Onderzoek # 1
Uit een onderzoek van Jones & Mayfield bleek dat microalgen gebruikt kunnen worden voor de productie van verschillende soorten biobrandstoffen. Een voorbeeld hiervan is de methaanproductie door aerobe vergisting van microalgenolie, oftewel biohydrogen.
Onderzoek # 2
Het onderzoek van Pienkos & Darzins toont aan dat microalgen, eencellige organismen, met behulp van snelle technieken kunnen worden vermenigvuldigd en dat er snel veranderende stammen kunnen ontstaan. De studie toonde de milieuvriendelijkheid en de eenvoudige kweekmogelijkheden van microalgen aan. Bovendien kan het kweekproces van microalgen de afvalstromen verminderen.
Onderzoek # 3
Volgens het onderzoek van Pittman et al. kunnen microalgen de hoogste biomassaopbrengst per oppervlakte- en lengte-eenheid leveren. Dit is de reden waarom ze veel aandacht hebben gekregen voor de opwekking van hernieuwbare energie. Ze hebben een hoog olie- en zetmeelgehalte en vereisen geen specifieke landbouwgrond voor de teelt of zoet water om te overleven. Ze kunnen gemakkelijk worden gekweekt met koolstofdioxide en afvalwater.
Onderzoek # 4
Volgens de studie van Patil et al. hebben microalgen de voorkeur boven macroalgen, omdat macroalgen minder flexibel zijn en slechts één verwerkingsmethode bieden. Microalgen daarentegen gebruiken CO2 en zonlicht voor de productie van biobrandstoffen, veevoer en waardevolle bioactieve stoffen. Het is opmerkelijk dat microalgen verantwoordelijk zijn voor meer dan 40% van de wereldwijde koolstofbinding, waarbij mariene microalgen het meest productief zijn.
Onderzoek # 5
Uit een ander onderzoek van Singh & Olsen blijkt dat microalgenbiomassa ongeveer 50% koolstof bevat, gemeten naar droog gewicht. Algen kunnen in korte tijd grote hoeveelheden biomassa produceren. Dit komt doordat ze geen cellulose nodig hebben voor hun takken, bladeren of wortels. Bovendien is het verzamelen, extraheren en omzetten van microalgen in nanokatalysatoren een eenvoudig proces, wat resulteert in een efficiënte biodieselproductie. Macroalgen daarentegen bevatten diverse lipiden, koolwaterstoffen en complexe oliën, waardoor het proces complexer is.
Hieronder vindt u een vereenvoudigde en toegelichte versie van de Global Energy Outlook 2024-2050.
Conclusie
Microalgen hebben een betere groeisnelheid dan andere landbouwgewassen, bevatten veel lipiden en vermenigvuldigen zich snel. Het is duidelijk dat geen enkele strategie op zichzelf een effectieve oplossing kan bieden. Daarom is een combinatie van processen nodig om de afhankelijkheid van biobrandstoffen voor energieproductie te waarborgen . Het is belangrijk om de effectiviteit van algen te garanderen bij de verwerking van biobrandstoffen en de winning van olie. Hierdoor wordt het steeds duidelijker dat koolstofarme brandstoffen uit microalgen in afvalwater en zeewater de beste duurzame oplossing kunnen zijn.
