8 L% k+ ]5 ~' `9 O% K8 B' O 藻类生物燃料作为替代能源$ s- q# S1 }0 J+ O
小型水生生物可以帮助我们应对最严峻的能源挑战。# z' s+ L- ~+ d( t
经过Katherine Gallagher编辑 % v$ ?1 q$ q* i5 Z/ a
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0 ]) F# x" _ w" j; g( h- m 科学 可再生能源化石燃料# L* T$ J! [6 I# ], d, Y; k: w) r
在这篇文章中 藻类生物燃料的重生和随后的挫折藻类生物燃料的效率有多高？利弊如何从藻类中提取油种植藻类生产生物柴油
3 {/ ~; w9 y* s5 m2 n+ ` 藻类生物燃料——指的是将类似植物的光合生物产生的能量转化为生物柴油——自20世纪50年代初就被提议作为替代能源。1
: l+ M& d4 p, W j$ [! g- G N 这个想法在20世纪70年代的能源危机期间得到了发展，实际上最终刺激了太阳能技术商业化的进一步发展，甚至在20世纪80年代和90年代，得到了美国能源部水生物种计划(ASP)的支持。 : r s8 [5 q. p9 ^) W; F7 q
从1978年到1996年，ASP投入了大约2500万美元用于从微藻中生产石油的研究，测试了数千种不同物种的营养成分、二氧化碳浓度，以及为燃料大规模生产藻类可能带来的任何工程挑战。然而，到了20世纪90年代中期，由于金融壁垒和廉价石油的兴起，该计划被终止了。2
8 _. o/ T) b U. L0 `5 M6 j 近年来，全球对燃料的需求、环境问题以及“石油峰值”的威胁重新激发了美国和世界各地对藻类生物燃料的兴趣。
/ V8 b4 a$ b& S! h& j 海藻是什么？ $ y' I) M' V6 F4 z1 G9 c. B; N. U' U. z
术语“藻类”包括能够通过光合作用(吸收来自太阳的光和二氧化碳，将其转化为能量和碳水化合物)产生氧气的各种水生生物。 ( p, D# C- }) @% `9 W
据估计，有30，000到100多万种藻类。3 & v2 F' J' ^- Q- B
生物燃料生产中使用的藻类通常是绿藻纲，这是一种水生单细胞绿藻，以其高生长率而闻名。
0 d* p( B& }: U/ k' Q! m 藻类生物燃料的重生和随后的挫折
% U: D. P4 B2 F( G 藻类生物燃料的开发被宣传为应对传统石油生产的负面财务和环境影响，大公司投入了大量资金。 + i- _& x% l; ^
一旦到了大规模保持生产力的时候，这些公司就遇到了相当多的限制，主要是因为提供足够的光线和养分以保持农场健康的费用很高。伴随着油价的再次下跌，大多数公司选择减少损失，停止藻类生物燃料的研究。 + L: U% J4 V3 q3 }2 q8 e9 ^
今天，美国能源部能源效率和可再生能源生物能源技术办公室支持生产生物燃料的技术。具体来说高级藻类系统该项目进行研究和开发，以降低从藻类生产生物燃料的相关成本。 . p8 g; v8 V! [
到目前为止，该计划的太平洋西北国家实验室已经开发出一种在短短几分钟内将藻类转化为生物原油的方法，而斯克里普斯海洋研究所的参与研究人员在藻类代谢工程方面取得了突破，以提高生物燃料生产中使用的储能脂肪分子的产量。
& i4 N9 |( k# [: s8 y 尽管像壳牌和雪佛龙这样的大公司以前投资过藻类生物燃料的研究和开发，但几乎所有的公司(除了埃克森美孚公司)近年来都停止了积极的追求。 2 D8 ^5 Z) @$ K0 T& q( S
藻类如何有助于减缓气候变化; l9 {$ D6 p' l
根据发表在《智能创新、系统和技术》丛书中的一项2020年的研究，利用藻类的生物方法可能是最有效和最经济的二氧化碳封存技术之一。藻类农场每公斤生物质可能消耗高达1.8公斤的二氧化碳，而由此产生的生物产品可用于除简单的生物燃料之外的多种产品。4
3 c7 ]0 f( w. @4 e2 _ 藻类生物燃料的效率有多高？
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fotografixx / Getty Images 2 d7 V8 ?& J$ ?" Q9 V' Y
测试不同比例的传统柴油与藻类生物柴油混合的研究表明，30%生物燃料的混合物比柴油稍微更有效。5 ; u, k0 f7 b/ k$ l
在2017年发表在《可再生和可持续能源评论》上的一项研究中，尽管使用藻类生物燃料时一氧化碳减少了10%，但发动机废气(氮氧化物)在燃料之间没有显着差异。5 , b" n% W! o ~% |* `, [, i# R
藻类生物燃料可以被大多数柴油汽车使用，而不需要对发动机或基础设施进行重大改变——问题在于藻类生物柴油的商业生产能力。 ) B$ @6 W o- X' k! Q) f9 B3 i9 h# s! d
藻类生物燃料的利弊
- F4 ^+ j8 q" p* o7 O- n: D2 L# u 藻类是一种快速生长、易于培养的可再生资源，除了生物燃料之外，它们还有多种用途。来自藻类生物质的碳氢化合物可用于不同种类的产品，如肥料和工业清洁剂。此外，培养的蛋白质可以用于人类和动物的饲料。 2 ~! r9 Z' G( Z9 I% A) S
也许最重要的是，藻类吸收大气中的二氧化碳。
& o9 d3 H1 S( p; \/ x) c' M 另一方面，在藻类生物燃料方面仍然缺乏研究，而且由于藻类通常是转基因的，因此人们对人类接触来自藻类的毒素、过敏原和来自转基因生物的致癌物存在一些担忧。6，7 : n, u) \( D" t# n# X9 m* H" [$ V
藻类也需要大量的水，经常需要肥料，并且成本很高。 ! K8 a! F$ \" c- u$ s" k
尽管如此，许多阻碍藻类生物燃料成为主流的障碍正在被顶尖人才和研究人员所解决。例如，慕尼黑工业大学的化学家们目前正在研究用盐水而不是淡水培育藻类的方法。同样，来自加州大学河滨分校的研究人员正在研究如何利用太阳能发电来种植藻类作为生物燃料。 4 o, q9 v+ R5 s1 V$ ~0 \8 k
如何从藻类中提取油
6 {4 X4 Q5 k2 M% ]- d. s& u# S& U4 J 不足为奇的是，有许多方法可以去除脂肪或油脂海藻细胞。但是你可能会惊讶的发现，没有一个是特别惊天动地的方法。例如，听说过橄榄榨汁机吗？从藻类中提取油的一种方法非常类似于榨油机使用的技术。这是从藻类中提取油的最简单和最常见的方法，并且从藻类植物中获得总可利用油的大约75%。8 ( `4 A: a% s% C; X: M% t
另一种常用的方法是己烷溶剂法。当与榨油方法结合时，该步骤可以从藻类中获得高达95%的可用油。它利用了两步过程。第一种是利用榨油法。然后，剩余的藻类不再停留在那里，而是与己烷混合，过滤并清洗，以去除油中的所有化学物质。9
6 |- ^( O5 b5 R2 B6 X) K! g9 g 超临界流体法使用频率较低，可从藻类中提取高达100%的可用油。10二氧化碳经过加压和加热，使其成分变成液体和气体。然后将其与藻类混合，藻类完全变成油。虽然它可以生产100%的可用石油，但充足的藻类供应，加上所需的额外设备和工作，使它成为最不受欢迎的选择之一。 . W0 S7 q& b& o# Y' s
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建筑摄影/盖蒂图片社 . G2 T K( G% }6 W5 c! a9 G- b
种植藻类生产生物柴油
0 U4 X$ g$ o) L& A( y- a c8 }( H. w 用于以特定方式促进藻类生长以产生最多油的方法比提取过程更多样化。不同于实际上通用的提取方法，培养藻类生物柴油使用的过程和方法有很大不同。有可能确定三种主要的方法来种植藻类，生物柴油制造商已经努力调整这些过程，以定制和完善种植过程。
; K' o: E# A4 f+ k( v) {6 j 开放式池塘养殖
: D; p& Z1 b. ~1 a+ T& P. ` 开放式池塘种植是最容易理解的过程之一，也是培养藻类生产生物柴油的最自然的方式。顾名思义，藻类是用这种方法在开放的池塘中生长的，特别是在地球上非常温暖和阳光充足的地方，希望产量最大化。虽然这是最简单的生产形式，但它有严重的缺点，比如污染的可能性相对较高。要通过这种方式真正最大限度地提高藻类产量，需要控制水温，这可能非常困难。这种方法也比其他方法更依赖于天气，这是另一个不可能控制的变量。
T. V9 M7 ]1 O 垂直成长
' B6 e3 H/ m# j2 K' B 另一种培养藻类的方法是垂直生长或闭环生产系统。这个过程是由于生物燃料公司寻求比池塘生长更快更有效地生产藻类而产生的。垂直生长将藻类放在透明的塑料袋中，塑料袋堆得很高，并被覆盖起来以保护其免受自然环境的影响。这些袋子允许从多个方向暴露在阳光下。额外的光线不是微不足道的，因为透明塑料袋允许足够的曝光率，以提高生产率。显然，藻类产量越大，提取的石油量就越大。此外，不像开放式池塘方法将藻类暴露于污染物，垂直生长方法将藻类隔离开来。
0 E7 K) U! L, X 封闭式生物反应器工厂
; @) V/ v& O& z+ C- x8 b" E# c7 @ 生物柴油公司使用的第三种提取方法是闭罐生物反应器工厂，这种方法在内部生长藻类，提高已经很高的石油产量。室内植物由大而圆的桶建造，可以在近乎完美的条件下生长藻类。藻类可以在这些桶中被操纵到最大水平生长，甚至达到每日收获的程度。可以理解的是，这种方法会产生非常高的藻类和生物柴油油产量。封闭式生物反应器工厂可以建在能源工厂附近，回收多余的二氧化碳，而不是污染空气。
! p' z5 O8 J" ?" f, @- Q1 ] 生物柴油制造商继续改进密闭容器和密闭池工艺，一些制造商还开发了一种称为发酵的选育品种。这种技术培育的藻类在封闭的容器中“吃”糖以刺激生长。发酵对种植者很有吸引力，因为它提供了对环境的完全控制。另一个优点是它不依赖于天气或类似的气候条件。然而，这一过程促使研究人员思考可持续的方法，以获得足够的糖，最大限度地提高藻类产量。 - M @0 X; x) c/ V( L$ R$ I4 r
原创者Lori Weaver 6 G, q ^; }' A
文章来源 Salian, Khushbu, and Vladimir Strezov. "Biofuels From Microalgae." Encyclopedia of Sustainable Technologies, 2017, pp. 107-120., doi:10.1016/B978-0-12-409548-9.10114-9"National Algal Biofuels Technology Review." U.S. Department of Energy, 2016, p. 4.Guiry, Michael D. "How Many Species of Algae Are There?" Journal of Phycology, vol. 48, no. 5, 2012, pp. 1057-1063., doi:10.1111/j.1529-8817.2012.01222.xVishal, Paul P.S., et al. "Role of Algae in CO2 Sequestration Addressing Climate Change: A Review." Smart Innovation, System and Technologies: Renewable Energy and Climate Change, vol. 161, 2020, pp. 257-265., doi:10.1007/978-981-32-9578-0_23Piloto-Rodríguez, Ramón, et al. "Assessment of Diesel Engine Performance When Fueled With Biodiesel From Algae and Microalgae: An Overview." Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 69, 2017, pp. 833-842., doi:10.1016/j.rser.2016.11.015Menetrez, Marc Y. "An Overview of Algae Production and Potential Environmental Impact." Environmental Science and Technology, vol. 46, no. 13, 2012, pp. 7073-7085., doi:10.1021/es300917rSpicer, Andrew, and Attila Molner. "Gene Editing of Microalgae: Scientific Progress and Regulatory Challenges in Europe." Biology, vol. 7, no. 1, 2018, p. 21., doi:10.3390/biology7010021Kumar, Ramanathan Ranjith, et al. "Lipid Extraction Methods from Microalgae: A Comprehensive Review." Frontiers in Energy Research, vol. 2, 2015., doi:10.3389/fenrg.2014.00061Sarpal, Amarjit Singh, et al. "Comparison of Oil Extraction Methods for Algae by NMR and Chromatographic Techniques." Journal of Analytical, Bioanalytical and Separation Techniques, vol. 1, no. 1, 2016, pp. 17-41., doi:10.15436/2476-1869.16.1166Levine, Robert B., et al. "Biodiesel Production from Wet Algal Biomass Through in Situ Lipid Hydrolysis and Supercritical Transesterification." Energy Fuels, vol. 24, no. 9, 2010, pp. 5235-5243., doi:10.1021/ef1008314
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