Производство на биогорива от водорасли

Производството на биогорива от водорасли е една от възможните алтернативи за производство на екологично чисто гориво, което да замени традиционно използваните горива.

Въпреки че все още технологията за добив на биогориво от водорасли търпи развитие и продължава провеждането на научно-изследователски проучвания, тя се счита за особено перспективна. Твърди се, че полученият от водораслите добив, използван за производството на биогориво, е между 7 и 31% по-висок от този на отглежданите с тази цел растения.

Като допълнително предимство на водораслите, освен високата производителност, се посочва и тяхната способност да абсорбират въглероден диоксид от въздуха, като при това произвеждат кислород. Също така остатъчният материал може да се използва за производството на фураж за животните, лекарства и хранителни добавки.

Микроводораслите

Микроводораслите са разнородна група от едноклетъчни микроорганизми, притежаващи удивителна способност за адаптиране към условията на околната среда. Широко разпространени са и се срещат почти навсякъде.

Те са ефективен преобразувател на слънчевата енергия, като трансформират видимата светлина и въглеродния диоксид (CO2) в химичната енергия на въглехидратите и освобождават кислород (О2).

Считат се за подходящи за производство на широк кръг от биогорива. Като техни предимства в сравнение с други суровини се посочват бързият им растеж, възможността за получаване на добив почти целогодишно, фактът, че могат да се развиват както в сладка, така и в солена вода.

За тяхното култивиране могат да се използват райони, неподходящи за отглеждане на селскостопански култури. Възможностите за производство на биогорива се основават на факта, че синтезираните от микроводораслите въглеводороди имат същите свойства и структури, както тези от минерален произход.

Начини на отглеждане

За култивирането на водораслите могат се използват отворени и затворени системи. Откритите включват различни водни басейни, като най-често това са плитки, изкуствено създадени езера под различна форма. Това е сравнително евтин и лесен за реализиране начин.

Често басейните са под формата на канали, разположени едни до друг с дълбочина до около 30 см, с оглед осигуряването на достатъчно слънчева светлина. Обикновено се осигурява и постоянно разбъркване, което благоприятства постъпването на достатъчно количество въглероден двуокис и хранителни вещества, което рефлектира, съответно, и във високи скорости на растеж на водораслите.

По цялата дължина на водоема се разполагат и устройства за барбутиране на СО2.

Основен недостатък на този вид отглеждане е високата чувствителност към различни външни въздействия като изменения в състава и концентрациите на хранителните вещества, температурата, светлината и др.

Необходима е и непрекъсната борба с изпаряването на водата, възможни замърсявания с бактерии и други водорасли, загуби на СО2 и т.н., което води до по-ниски добиви.

Основните предимства на затворените системи са свързани именно с възможността за прецизно регулиране на растежните условия. Техен основен недостатък е необходимостта от сравнително голямата инвестиция, но тенденцията е към намаляване.

Към затворените системи се включват различни конструкции фотобиореактори. Това са специално конструирани апарати, които се различават по дизайн, подвижност, начини на култивиране (периодично или непрекъснато) и т. н.

Фотобиореактори

Използването на фотобиореактори позволява по-добър контрол на влиянието на обкръжаващата среда и постигането на по-високи добиви на масло.

Обикновено тава са затворени системи от прозрачни тръби, плоскости и други. Като фотобиореактор може да се разглежда и водоем, над който е построена оранжерия. Всичко необходимо за растежа на водораслите се внася отвън.

Използваните тръби обикновено са с размер от 3 до 10 cm в диаметър, което позволява достатъчно количество светлина да достигне до центъра на тръбата. Дължината им обикновено варира от 25 до около 100 m.

С фотобиореакторите се постига по-добра защита от въздействието на факторите на околната среда, което води и до по-високи добиви. Култивираните водорасли са защитени от замърсяване и виреят при по-добър температурен контрол.

Добре е да се има предвид обаче, че вертикално разположените фотобиореактори е необходимо да бъдат разположени на достатъчно разстояние един от друг така, че да се избегне засенчването им.

Сред основните проблеми на фотобиореакторите е повърхностното замърсяване, дължащо се на бактерии и на други организми и произтичащите от това оперативни и конструкционни проблеми.

Въпреки по-високите инвестиционни и оперативни разходи, фотобиореакоторите са предпочитани пред отворените системи поради по-високите добиви.

Фотобиореакторите могат да бъдат системи с непрекъснат растеж на водораслите или системи с периодично събиране на водораслите.

При системите с периодично действие фотобиореакторът се зарежда с хранителни вещества и зародиши на водорасли, които се оставят да растат. Порасналата култура се събира след определен период от време. При фотобиореакторите с непрекъснато действие събирането е непрекъснато.

Фактори, влияещи върху растежа на водораслите

Известно е, че многобройните стресови фактори, като резките промени на солевите концентрации, температурата, рН, светлинната интензивност и т. н., оказват негативно влияние върху растежа на водораслите.

До известна степен тези фактори могат да бъдат контролирани в зависимост от използваните методи за отглеждане. Едно от важните условия за осигуряване на нормален растеж на водораслите е интензивността на светлинния поток. Голяма част водораслите не могат да се развиват нормално през целия ден поради стреса, предизвикан от силна светлина.

Върху скоростта на растеж оказват негативно влияние и различни генетични фактори и физиологични особености. Например акумулирането на липиди предизвиква забавяне на клетъчните деления, тъй като изисква допълнителен разход на енергия. Ето защо някои бедни на липиди видове се размножават значително по-бързо от щамове с високо липидно съдържание.

Биомасата, получена от водорасли, може да се използва за производството на различни продукти, включващи течни и газообразни биогорива като биодизел, биоетанол, биогаз, синтезен газ, водород, самолетно гориво и други.

Производството на биоетанол към момента се основава предимно на процеса ферментация, при които биомасата се разлага с помощта на бактерии и ензими. Под тяхното въздействие съдържащите се в биомасата захари се превръщат в алкохол. Производството на биогаз е предимно чрез анаеробно разлагане.

Самият процес включва използването на определени бактерии за разграждане на водораслите до метан и въглероден диоксид в среда без кислород. Водораслите могат да бъдат преработени и посредством газификация за получаването на синтезен газ, посредством пиролиза и други.

Производство на биодизел

Едно от най-честите приложения на водораслите е използването им за производство на биодизел. Традиционна суровина за производството на биодизел са маслодайните култури като рапица, слънчоглед и т. н. Отглеждането и използването им за производство на биодизел създава някои проблеми, свързани с противопоставянето им с култури, отглеждани за хранителни цели.

Като например по отношение на заемани площи и, съответно, по-ниски добиви, както и с факта, че традиционните маслодайни култури не се явяват най-добрите източници за производство на растително масло.

Данните сочат, че микроводораслите превъзхождат от 8 до 25 пъти енергетичния потенциал, получен от палмовото масло, и от 40 до 120 пъти от рапичното. Сред посочваните предимства на производството на биодизел от водорасли са високата скорост на растеж и високият добив от единица (акр) площ, както и фактът, че полученото от водорасли биогориво не съдържа сяра, не е токсично и е биоразградимо.

За производството на биодизел от водорасли се използва процесът трансестерификацията, основаващ се на превръщане на триглицеридите в алкилни естери на мастните киселини в присъствието на алкохоли (метилов или етилов) и катализатор, например киселини или основи, с получаване на глицерол като страничен продукт.

Това е добре познат метод, използван и за производство на биодизел и от маслодайни култури. Полученият продукт е нетоксичен, биоразградим и отделя значително по-малко парникови газове в сравнение със стандартното дизелово гориво.

Процесът на производство може да бъде непрекъснат или на партиди.