Загрязнение окружающей среды и нехватка энергии стали важными проблемами, ограничивающими устойчивое развитие мировой экономики. Больше внимания уделяется использованию биодизельного топлива в качестве экологически чистой и возобновляемой энергии.
Биодизельное топливо не содержит компонентов серы и ароматических веществ и используется в качестве добавки к дизельному топливу, что позволяет значительно снизить выбросы оксидов серы, углеводородов, оксидов азота и других загрязняющих веществ. Как новый вид возобновляемой энергии, основной проблемой, сдерживающей его развитие, является серьезная нехватка сырья.
В настоящее время биотопливо, изготовленное из растительных масел и животных жиров, и может обеспечить около 3% необходимого дизельного топлива. Растущее использование этого сырья для производства биодизеля может привести к проблемам с поставками продовольствия в мире.
Микроводоросли являются наиболее широко распространенными и самыми крупными видами в природе, представляя собой большое количество биомассы. По сравнению с другими видами биомассы, эти водоросли имеют преимущества высокой фотосинтетической эффективности, короткого периода роста, высокой урожайности биомассы, отсутствия необходимости в пахотных землях, высокой эффективности связывания углерода, высокого содержания масла и экологически чистого ресурса. Считается одним из идеальных видов сырья для производства биодизельного топлива.
Процесс производства биодизельного топлива из микроводорослей
Процесс производства биодизельного топлива на основе микроводорослей в основном состоит из четырех этапов:
- выращивание культуры микроводорослей
- сбор урожая
- добыча нефти
- этерификация
Существующие технологии производства биодизельного топлива на основе микроводорослей требуют высоких затрат и демонстрируют низкую эффективность производства. Некоторые из этих узких мест серьезно ограничивают развитие индустриализации. В настоящее время индустрия водорослей невелика по своим масштабам, и необходимы исследования и разработки.
Культивирование микроводорослей
Водоросли: prymnesiophytes, eustigmatophytes, diatoms, зеленые водоросли, золотисто - бурые водоросли и сине-зеленые, показали потенциал накопления высоких уровней полиненасыщенных жирных кислот, известных как микроорганические липиды или масла.
Эти микроводоросли осуществляют фотосинтез с использованием воды, углекислого газа и простых неорганических элементов, источником энергии которых является солнечный свет. Полученные липиды могут быть преобразованы в биодизельное топливо путем этерификации. Микроуглеродные остатки после экстракции липидов могут быть использованы для производства кормов для животных, органических удобрений и метана.
Экстракция микроорганических липидов
Микроорганические липиды в основном распространяются в виде триглицеридов или жирных кислот в клетках. Извлечение внутриклеточных липидных компонентов также является важной частью процесса производства биодизельного топлива из микроводорослей.
Технологии экстракции микроорганических липидов включают механическое дробление, экстракцию органическими растворителями, водные ферменты, экстракцию сверхкритических жидкостей, термическое растрескивание и т.д.
Для того чтобы избежать энергоемкого процесса сушки, важным направлением исследований стало развитие технологий преобразования, использующих влажные водоросли в качестве сырья.
Производство биодизельного топлива
Методы приготовления биодизельного топлива можно разделить на физические и химические методы. Физические методы включают метод прямого смешивания и микроэмульсии, а химические методы включают термическое растрескивание и переэстерификацию.
Наиболее распространенным методом приготовления биодизеля является химический метод - переэстерификация, при которой метанол вступает в реакцию с натуральными липидами, то есть в виде триглицеридов. Вязкость нефтепродуктов, часто называемых биодизельным топливом снижается и улучшается текучесть. Таким образом биодизельная продукция соответствует требованиям к транспортному топливу.
Проблемы в производстве биодизельного топлива из микроводорослей
Использование микроводорослей для производства биодизельного топлива находится в зачаточном состоянии, хотя оно и продемонстрировало много преимуществ. В настоящее время технология производства биодизельного топлива для переработки растительного масла относительно отработана. Поскольку микроорганические липиды похожи на растительное масло, преобразование таких липидов в биодизельное топливо технически осуществимо. Однако, согласно существующим технологиям обработки микроводорослей, до коммерческого применения еще далеко.
Основные проблемы заключаются в следующем:
- Выбор энергетических микроводорослей высокого качества
- Крупномасштабные, недорогие, высокоэффективные системы культивирования и технология культивирования с низкой себестоимостью
- Оптимизация процесса разделения водорослей
Индустриализация биодизельного топлива на основе микроводорослей - это проект комплексной системной инженерии. Микропроцессорный рост для производства энергии требует крупномасштабных систем. При неправильном обращении с большим количеством носителей культуры отходов может произойти серьезное загрязнение окружающей среды.
Поэтому при планировании площадки для крупномасштабного выращивания микроводорослей следует учитывать необходимость сочетания обработки сточных вод, отходящих газов и твердых отходов. Промышленные дымовые газы, содержащие CO2, могут использоваться для выращивания автотрофных водорослей, а богатые углеродом или азотом сельскохозяйственные отходы и промышленные сточные воды - гетеротрофные водоросли.
Для одновременного снижения стоимости оборудования и энергопотребления при уборке водорослей могут быть использованы новые технологии, такие как биологическая флокуляция. Для экстракции липидов микроорганизмов некоторые новые технологии позволяют избежать этапа обезвоживания и уборки и экстракции комбайнов и, таким образом, развить экономичный процесс производства биодизеля.
Кроме того, микроводоросли богаты пигментами, белками, полисахаридами, ненасыщенными жирными кислотами и другими биоактивными веществами, которые могут быть использованы в химической, пищевой, фармацевтической, кормовой промышленности и т.д. Эти полезные компоненты должны производиться совместно с биодизельным топливом для снижения затрат на переработку.
