Denne rapporten er skrevet som en oppgave for Fakultet for biovitenskap i oktober 2008 av stud.scient. Janus Houe Magnussen, Anders Odderup Lundby Madsen og Anne Hess. Sitering skal være basert på vitenskapelig standard og kilden (Magnussen et al., 2008).
Københavns Universitet
Fakultet for biovitenskap
Biologi-Bioteknologi
Janus Houe Magnussen, Anders Odderup Lundby Madsen og Anne Hess
Prosjektrapport
Veiledere: Poul Erik Jensen, Vagn Olsen og Bjarke Veierskov
22. Oktober 2008
"The oljelense er over og vil ikke tilbake ...
Vi må venne seg til en annen livsstil. "
Kong Abdullah, Saudi-Arabia, 1998.
Resume
Vår nåværende forbruk av fossilt brensel i transportsektoren er generelt ikke anses å være bærekraftig, delvis på grunn av minskende ressurser og deres innvirkning på miljøet. Det er derfor behov for en bærekraftig og CO2-nøytralt alternativ. Biodrivstoff fra landbruk avlinger (mais, sukker, soya, og så videre) er gjenbrukbare og CO2-nøytralt alternativ, kan disse alternativene ikke erstatte dagens typer drivstoff. Som vi ser i denne rapporten gjør biodrivstoff fra alger som et reelt alternativ på grunn av høy avkastning og lav pris og at produksjon som ikke er i konflikt med gjeldende matproduksjon. Som land avlinger ved hjelp av alger sollys til å lage biomasse, men de er bare mye bedre på det enn konvensjonelle avlinger. Det er derfor grunn til biodrivstoff kommer fra alger er et reelt alternativ til konvensjonelle fossile drivstoff til transport.
Innhold
1 Problem Analysis
2 Oppgave Formulering
3 Definisjon og metode
4 Generell informasjon om alger
5 Dyrking av alger og betingelser for optimal vekst
5,1 Raceway Dammer
5,2 tubular fotobioreaktor
5.3 Sammenligning av de to systemene
5.4 Landskap
6 Fra suppe alger til biodrivstoff
7 Biprodukter
8 Lønnsomhet
8.1 Økonomisk
8.2 Miljøvennlig
9 Quality of biodrivstoff fra alger
10 Potensialet for biodrivstoff fra alger
11 Discussion.
12 Konklusjon.
13 Perspectives.
Bibliografi
1 Problem Analysis
Verdenssamfunnet i dag står overfor en rekke umiddelbare problemer. En viktig av disse er en raskt voksende energiforbruk. Det økte energiforbruket skyldes delvis blir vi flere og flere folk og at folk i gjennomsnitt bruker mer energi, herunder energi i transport. Et stort problem for olje som vår eneste reelle kilde til energi til transport er at det er en sterk dwindling ressurs. Det er mange ulike anslag for når oljen tar slutt, og variasjonen er ganske stor inkludert, men alle er enige om at det er en evig kilde. En konsekvens av denne sterke etterspørselen, drevet spesielt av Kinas og Indias stor industriell vekst, er prisen på drivstoff øker. Et annet problem med brenning av fossilt brensel er skaden den forårsaker til miljøet. Av miljøskade inkluderer partikkel forurensning, som stadig utgjør helsefare spesielt i store byer, dannelse av sur nedbør gjennom utslipp av svovel partikler (svovelsyre) og NOx-forbindelser (salpetersyre) og CO2-utslipp bidrar til global oppvarming. Derfor er det behov for å finne alternativer til oljeproduksjon.
Vi har tidligere prøvd det med alternative energikilder, og med suksess, for en stor del av vår kraftkrevende næringer, men særlig i en sektor henger etter, og dette er den nevnte transport. Alternative energikilder kan inkludere nevner kjernekraft, vindkraft og solceller som er bra, fornybar og CO2-nøytrale energikilder, men hvis energien i form av elektrisitet og derfor ikke veldig nyttig i transport, forutsatt at vi fortsetter å kjøre bil ser ut som de gjør nå. Og nettopp denne antakelsen er relevant i problemet vårt. For man kunne virkelig tenke gjennom hele vår levemåte, slik at vi bodde nærmere arbeid, kutte ned på den samlede produksjonen, osv. men i prosjektet vårt, arbeider vi bare basert på antagelsen om at vi vil fortsette å kjøre i biler og fortsatt har en generell høy produktivitet. Det er i denne sammenheng funnet en rekke alternativer, er nøkkelen trolig ulike typer biodrivstoff, hydrogen og elektriske kjøretøy. Biler kjører på hydrogen og elektrisitet i form av et batteri er i seg selv gode alternativer, likevel er det en rekke problemstillinger knyttet til disse teknologiene. Blant annet er det problemet at bilene vi bruker i dag ikke kan direkte kjøres på hydrogen eller elektrisitet, og den totale kjøretøyet flåten var dermed erstattes. En annen og kanskje mer vesentlig problem med hensyn til biler som kjører på hydrogen er at i forbindelse med hydrogen produksjon (splitting av vann inn i dihydrogen og oksygen) blir brukt mye energi og at dette ofte kommer fra brenning av fossile brensler. I forbindelse med vårt prosjekt der vi vil fokusere på alternativ energi til transport og med hensyn til våre forutsetninger, er at teknologien ikke er særlig relevant. Et annet alternativ, biobrensel er drivstoff utvunnet av biologisk materiale som har bodd mer nylig. Det er den sistnevnte definisjonen er svært forskjellig biodrivstoff produsert fra fossile brensler. Biodrivstoff faller i tre kategorier: 1 2 og 3 generasjon. 1. generasjons biodrivstoff er en allerede testet og tilgjengelig teknologi, har vi nå kan finne på enkelte stasjoner. Problemet med dette er at produksjon av bioetanol bruker bestanddelene av avlinger som vi selv ville spise (for eksempel korn, soyabønner, sugarcane, etc.), har denne konkurransen fått betydelig kritikk fordi det vil få matvareprisene til å stige og skape mangel på de resterende mat (Grundwald, 2008). 2. generasjons biodrivstoff basert på prinsippet av 1 generasjon, men denne prisen i stedet for spiselige deler av anlegget til å bruke uspiselige (fra eksempelet før: planter fra mais, soya, sukkerrør). Teknisk sett er det vanskeligere å hente ut nyttig materiale fra disse delene, slik de finnes i form av cellulose og andre faste materialer. Forskning på dette feltet har avanserte, men mangler fortsatt et stykke før den kan brukes på et kommersielt nivå. Den nyeste teknologien er 3 generasjon biodrivstoff. Denne typen drivstoff hentet fra alger. Det fine med denne teknologien i forhold til 2 generasjon, er at ved å dyrke alger ikke tar opp landet, fordi alger kan vokse i prinsippet og dyrkes overalt (f.eks i reservoarer i havet). I tillegg deres økende alger biomasse betydelig raskere enn vanlige planter som brukes for 1. og 2. generasjons biodrivstoff (UN Chronicle, 2000). Som det også skjedde med 2nd generasjons biodrivstoff er at teknologien er langt fra klar for kommersiell bruk, men forskning så langt viser gode resultater (Xiufeng et al., 2007).
Det er mange ulike interessenter i energisektoren som trakk i motsatt retning. På den ene siden OPEC-landene, som man kunne forvente ville ha en interesse for en videreføring av dagens olje-avhengighet. På den andre siden alle andre land som ikke produserer (nok) olje. Mens utviklingsland kan dra nytte av ulike nye energiformer, hvis de førte til den generelle drivstoff prisen falt det vil si hvis vi kunne produsere biodrivstoff til konkurransedyktige priser.
2 Oppgave Formulering
Som en konsekvens av økt energiforbruk og synkende olje-reservene, sier verden overfor store miljøutfordringer og en tidlig energi mangel. Spesielt, vil det være et problem for transportsektoren siden sin energi nesten utelukkende består av olje, og dette er vanskelig å direkte erstatte olje som energikilde. Som løsninger på disse problemene er en rekke alternative energikilder, inkludert 3dje generasjons biodrivstoff synes å være fornuftig.
Formålet med dette prosjektet er å undersøke hvilke muligheter det er for produksjon av 3 generasjons biodrivstoff som erstatning for konvensjonell transport brensel.
· Hvordan er dyrking av alger og transformasjon til biodrivstoff? Hvordan kunne et anlegg skal bygges?
• Hvilke produkter er alger i produksjon og transformasjon?
· Hva er fremtiden for 3. generasjons biodrivstoff?
3 Definisjon og metode
Vi vil i denne rapporten fokusere utelukkende på biodrivstoff fra alger (3. generasjon biodrivstoff) for transport. I mengde og i form av å erstatte konvensjonell transport brensler vil vi se på hele verden transport energibruk.
Som en metode vi vil bruke skriftlige kilder (hovedsakelig vitenskapelige artikler) og kontakt med aktuelle ledere fra Shell, henholdsvis Danmark, Neri (National Environmental Research Institute) og AlgaeLink.
4 Generell informasjon om alger
Bilde 1 viser en lysmikroskopisk bilde av alger Haematococcus Pluvialis (Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology, 2000).
Alger er en gruppe av eukaryote, fotoautotrofe organismer som oppstår enten som en enkelt levende celle eller som komplekse vegetasjon, slik som tang. De lever i både saltvann og ferskvann, og fungere som mikroskopiske planter, som planter på land, krever at visse vilkår er oppfylt, slik at de kan leve og formere seg. Disse forholdene består av settet (sol) lys, karbondioksid, vann, oksygen og forekomst av næringsstoffer. Dermed alger i en posisjon til å utføre fotosyntese, som resulterer i glukose og oksygen. Glukose fra fotosyntesen omdannes via åndedrett til ATP energi som algene bruker til å vokse og reprodusere (celledeling). ATP'en råtner og er herved gitt ut energien kan brukes til å konvertere uorganisk materiale til organisk materiale. Dette gjør at alger bygge opp store molekyler som cellulose til celleveggene. Næringsstoffer kan være, for eksempel fosfater og nitrater. Fosfat leveres hovedsakelig fra kloakk og landbruk, men også fra organisk materiale som falne blader. Fosfat er avgjørende for alger når den brukes til bygging av DNA, RNA og ATP. Nitrater kan blant annet komme fra jordbruk, fant flertallet i atmosfæren (som består av 79% N). Men bare noen alger bruke denne nitrat, som bare noen arter er i stand til å konvertere den ved hjelp av oksygen til ammoniakk (nitrogen fiksering). Dette brukes for å bygge proteiner og aminosyrer.
Alger er naturlig forekommende og finnes i hele havet, innsjøer og generelt fuktige steder. Mikroalger, som vi håndtere denne oppgaven, er i stand til å flyte i vannet til tross for en noe høyere tetthet enn vann. Dette skyldes stadig skyves opp og rundt på grunn av strømninger i vannet og også på grunn av deres ulike struktur. De utgjør en av de viktigste kildene mat i vannet og danner den nedre delen av næringskjeden. Fôr organisk materiale som blir utnyttet av små plankton som lever i de øvre akvifer med planktoniske alger. Planktoniske dyr forbruker energi fra organisk materiale, og dermed gjør oksygen produsert av alger, brukt og karbondioksid, nitrogen og andre næringsstoffer utgitt. Disse stoffene blir deretter brukt, blant annet av de gjenstående alger (Neri, 1999).
Alger har, som nevnt tidligere, annerledes struktur. De kan deles inn i ulike arter som grønne alger og Kiselalger. Øjealger er en klasse med mer enn 500 arter av fargeløs, grønn eller rød encellede alger med flagg eller. Mange av disse algene har en øjeplet, så vidt vi vet tillater dem å orientere seg. Kiselalger er kjernefysisk avtale organismer. De har evnen til å binde luften gratis nitrogen i spesielle celler heterocytter. Cellene er uten oksygen, som fikser nitrogen og konvertere den til ammoniakk. Kiselalger har to skall dannet av silisium, der de kan absorbere næringsstoffer og skille ut avfallsstoffer. De inneholder også olje dråper som blant annet bidrar til å holde dem flytende i vannet (Neri, udatert).
I motsetning til i vårt prosjekt er alger ofte sett på som et stort problem. De er viktige bidragsytere til oksygenmangel i innsjøer, elver og hav. Dette skjer på grunn av en kombinasjon av naturlige alger blomstrer og et stadig mer unaturlig innganger av næringsstoffer (Hänselt, 2006). Algene formere seg raskt og alger er ikke spises vil dø til slutt. De døde algene synker til bunns og det er en opphopning av dødt organisk materiale. Dessuten er dette materialet maten base for eksempel ormer og blåskjell, er det også mat for bakterier. Disse organismene trenger oksygen for å bryte ned materialet og kan skape store oksygenmangel. Siden alger ulike behov, er det klart skifte i oppblomstring av ulike arter gjennom hele året. Det er spesielt i denne veksten til problemer med oksygenmangel i innsjøer, blant annet forekomme. Den største oppblomstringer av alger skjer over våren (Neri, udatert).
5 Dyrking av alger og betingelser for optimal vekst.
Når et anlegg for produksjon av alger til form, det er mange faktorer spiller inn. Du vil fra produsent, har så god avkastning så raskt som mulig, så det åpenbart gjør en masse krav til deres fysiske egenskaper, og krav til mediet som alger er i. Som beskrevet i forrige kapittel, alger, både som alle andre fotosyntetiske organismer, vekst og reproduksjon av et visst antall faktorer, inkludert den tilgjengelige mengden (sol) lys, vann og næringsstoffer, og det totale antallet alger på mellomlang (som en vekst-hemmer). I denne seksjonen vil vi beskrive hvordan dyrking av alger er og svare på følgende spørsmål: Hvilke betingelser for optimal vekst (lys, vann, mat)? Hvordan dette funker, og disse kan direkte konvertert til alger produksjon av biodrivstoff i øyet? Er det noen geografiske optimale steder?
Over hele kloden, er det alger, fra de mest ekstreme temperaturer steder, for de fleste salter og til de stedene med høyest pH svingninger. Alger kan leve i en stor variasjon av miljøer. Men det er stor variasjon i hvor "godt" de bor i forhold til hvor mye reproduksjon og biomasse økning kan observeres. Vi starter med å se på hvordan lysforholdene skal være. Det er konkludert med at for å holde kostnadene nede, må lyskilden være sollys. Hvis vi deretter se på sammensetningen av en optimal vekst media må ha, må være basert på de gitte Alges egen komposisjon. Men generelt for alle mikro-alger trengs nitrogen (N), fosfor (P), jern forbindelser og i noen tilfeller, silisium (Si). Imidlertid bør det tilføyes at spesielt fosfor leveres i store mengder overskudd, som noe av beløpet vil danne forbindelser med jern, og derfor ikke lenger være tilgjengelige for alger (Chisti, 2007). Et annet stoff som er essensielt for alger vekst er karbon (C). Mikroalger tørrvekt består av ca. 50% karbon (Sanchez Miron et al., 1999). Og de fleste av karbon får alger fra CO2 relasjoner. Så hvis du har til å produsere for eksempel 1 tonn alger biomasse vil bli standard rundt. 1,8 tonn CO2, se nedenfor:
1 tonn alger biomasse ≈ 0,5 t C = 500 kg C = 500000 g. C.
500000 g. C ∙ 12.0107 g/mol-1 =
41629,55 C mol
1C + 2O → CO 2:
41,629.55 mol ∙ 2 O = 83259 mol O:
83259mol O ∙ 15,9994 g / mol =
1332095 g O = 1,332 t O:
1332 tonn O + 0,5 tonn C = 1,832 tonn CO2
Det må være matet store mengder CO2 til anlegget på dagtid (i sollys), men at inngangen er holdt under oppsikt da de ikke ønsket å danne kullsyre, da dette ville "bruke" en del av mengden av karbon, og acidify vekst miljø med risiko for å slå ihjel på alger.
En måte å få disse mengder CO2 ved å plassere anlegget på et eksisterende kraft, eventuelt brenning av fossilt brensel. Vi kunne koble alger anlegget til kraftverk stabelen, og dermed bli billig hvis ikke fri av CO2. Eksperimenter med denne metoden har gitt lovende resultater (Yun et al., 1997).
Vi vil i de følgende avsnittene undersøke de to metodene i dag eksisterer for storskala produksjon av alger. Nemlig "Raceway Dammer" og "tubulær fotobioreaktor".
5,1 Raceway Dammer
Vi kunne ikke finne en dansk betegnelse for Raceway dammer, så vi bruker det engelske uttrykket gjennom denne delen og senere.
Raceway Dammer er en delvis lukket system hvor vannet sirkulerer rundt i en stor bane (se fig. 5.1). Emnet er ca 0,3 meter dype og kan bygges i betong eller stemplet jord, muligens foret med hvit plast på undersiden. Et sted på sporet ligger tre elementer. En motorisert vann hjul sikrer sirkulasjon av systemet for å unngå å generere sediment og til inngangen av næringsstoffer kommer rundt. I tillegg er det et avløp kuk, hvor alger massen kan samles og et pek-inngang som gir næring til miljøet. Denne typen system for dyrking er mye brukt, og det er planter som dekker 440.000 m2 (Spolaore et al., 2006). De brukes i dag primært for dyrking av alger til mat. En stor fordel med dette systemet er relativt billig pris for virkemåten av anlegget sammenliknet med andre type system. Men det er også mange ulemper knyttet til denne type anlegg: kjølevann foregår bare gjennom fordamping. Det er derfor et betydelig tap av vann til dette, og det kan være store svingninger i temperaturen i løpet av dagen, og i løpet av sesongene. Et annet stort problem er åpen struktur. Det er ofte sett i Raceway dammer at vannet blir forurenset med uønskede alger stammer og andre organismer som lever på alger (zooplakton særlig). Så selv om det er en fordel av lav pris adferd, finnes det en rekke hindringer som vi anser som foretrekker mer ned.
Fig. 5.1 viser en skjematisk oversikt over en Raceway tjern. (Chisti 2007)
5,2 tubular fotobioreaktor
Ellers Raceway dammer er rørformede fotobioreaktorer et helt lukket system (se fig. 5.2 på neste side). Det har vært slik (nesten) helt utelukke risikoen for forurensing av alger medium. Systemet består av en lang rekke klare rør av enten plast eller glass. Det er i disse rørene, er alger som fanger opp lyset og har en diameter på ikke mer enn 10 cm. Denne begrensningen skyldes det større røret, desto større blir overskygget for lys til alger, som ligger i sentrum. Væsken i disse rørene sirkulerer som i første runde systemet. Igjen, det er et trykk for å tappe tang suppe med, men det er også en annen enhet tilkoblet. Her kommer alger suppen gjennom og fylles med CO2 og andre næringsstoffer som kan kjøles ned og blir så pumpet tilbake i rørene.
For å oppnå størst vekst i dette systemet, er det viktig at rørene er orientert mot solen. De bør ikke skygge hverandre, og det vanligste er at de er slått ned langs bakken, og med en hvit bakgrunn (for å skape refleksjon, albedo). Man kan lage systemer som ikke er avhengig av sollys, men av elektrisk lys, men disse systemene er for dyre for kommersiell storskala produksjon (Pulz, 2001).
Sedimentering av alger unngås som i Raceway dammer ved røring med enten en mekanisk kvern eller en luftpumpe.
Det er minst to problemer med lukket system. 1: Det vil være knyttet til fotosyntesen generert mye oksygen (opptil 10 g O2 m-3 ∙ ∙ min-1) og når du opp til disse nivåene av oppløst oksygen i vannet, kan den direkte hemme fotosyntese og med intense sollyset fotooxidative forårsake skade på alger (Molina Grima et al., 2001). Dette betyr at det må afiltes på ulike stasjoner hvor overskydne kan boble av oksygen. Dette betyr at det er en naturlig begrensning på lengden av rørene. Grunnen til at det må være spesifikke "stasjoner" til afiltningen, er at vi ønsker å unngå direkte kontakt med luft til alger kjøttkraft å hindre den tidligere nevnte forurensning. 2: Det er behov for kjølesystem. Dette kan gjøres relativt enkelt og billig i varmeoverføring rør med vann (varme-exchange-system), eller ved fordamping av vann sprayes på utsiden av rørene.
Fig. 5.2 viser en skjematisk oversikt over en fotobioreaktor (Chisti, 2007).
5.3 Sammenligning av de to systemene
Tabell 5.3 sammenlikner to metoder for produksjon av alger, der vi ser på produksjon på 100.000 kg. Biomasse pr. år.
Raceway Dammer (R)
Fotobioreaktor (R)
Årlig produksjon biomasse (kg)
100.000 (R)
100.000 (F)
Volumenmetrisk produksjon (kg / m-3 day-1)
0,117 (R)
1,535 (F)
Land produktivitet (kg / m-2 day-1)
0,035 (R)
0,072 (F)
Biomasse konsentrasjoner i alger løsning (kg / m-3)
0,14 (R)
4.00 (F)
Tabell 5.3 etter Chisti 2007
Resultatene fra virkelige eksperimenter i storskala produksjon. Som vist i tabellen (Tabell 5.3), alle resultatene fra de ulike variablene i fotobioreaktorens favør. Den volumenmetriske produksjonen er mer enn 13 ganger større for fotobioreaktoren (se boks 5.3). På grunn av disse gunstige forholdene avkastningen er mye høyere pr. enhet område for nettopp denne teknologien. For å transformere alger suppe til biobrænstof det er viktig å ha alger vaskes av. Dette kan gjøres ved mekanisk filtrering eller sentrifugering, men er relativt kostbar. Men det er betydelig billigere for alger kjøttkraft avledet fra fotobio reaktorer når biomasse konsentrasjonen er nesten 30 ganger større enn for alger suppe i Raceway dammer
5.4 Landskap
Vi har tidligere nevnt at lys er en viktig faktor i optimal dyrking av alger. Så det ville være logisk å konkludere med at mer lys algene får det bedre. Bortsett fra denne antakelsen skulle ekvator egen ideelle steder for dyrking av planter. Det er ikke fullt så sammen. Lysmætning og fotoinhibition er to faktorer som spiller inn. Lysmætning er punktet der lysintensiteten er på et nivå slik at biomassen veksttakten er høyest. For eksempel den Diatomèr alger Phaeodactylum tricornutum's lysmætningspunkt på 185 μE m-2 s-1 (Mann & Myers, 1968). Den gjennomsnittlige lysintensitet ved ekvator områder ved middagen er ca. 2000 μE m-2 s-1, og er dermed vesentlig høyere enn algens lysoptimum. Så kunne man tenke seg at mer enn nødvendig lys gjorde eller ment for, men igjen viser det ikke til å være sant. Fotoinhibition er et uttrykk for for mye lys kan være skadelig for organismen fotosyntetisk vekstrate.
Man kan ikke si noe om hvor på jorden en plante ville fungere best når det er så mange faktorer som spiller inn. Med hensyn til mengden lys som vi har sett at det er ikke nødvendigvis den beste, der den er sterkest. Det avhenger derfor av den bestemte alger, velger de å arbeide med, hvor mye lys, varme og mat, er nødvendig for optimal vekst.
6 Fra suppe alger til biodrivstoff
Når du skal forvandle en gitt biomasse til et produkt som du kan bruke til noe nyttig, det er mange ting å ta hensyn til. Dette gjelder selvsagt også når det gjelder å produsere biodrivstoff for transport fra alger masse. Her er det spesielt viktig, hvor mye energi du får ut i forhold til hvor mye energi det tar å produsere drivstoffet. I tillegg må produktet består av en rekke spesifikke substanser, slik at drivstoff er egnet for motorer, må det fungere, så det ikke skader miljøet, ikke for giftig og så det ikke fyller eller veier for mye. Det siste kriteriet innebærer at det må ha litt energi lagret pr. volum eller vekt.
Det er en lang rekke prosesser for å konvertere alger til ulike typer biobrensel. Noen av dem krever at du først tømme alger for væske, som kan bli kostbare. For eksempel kan du ved sentrifugering skiller vann fra. Denne metoden, men som nevnt tidligere, for dyr som skal brukes i praksis. Hvorfor de prøver å finne andre og billigere måter å gjøre det. Her er de forskjellige typer kjemiske flokkulering eller flokkulering i bruk av transgene alger når algene klynge sammen slik at de lett kan bli sortert etter. Du kan også sortere dem ved hjelp av apoptose, dvs. en pre-programmert celledød, bruker transgene alger (Gressel, 2008).
Andre metoder har den fordelen at vannet ikke kan fjernes fra alger masse. Dette gjelder, for eksempel, er det på engelsk heter liqefaction som, som navnet antyder, går utover det å transformere alger i en væske.
Den har gjort en rekke eksperimenter med termisk LNG, som har blitt forvandlet alger med høyt trykk og temperatur med og uten katalysator. Forvandlingen var som følger:
Først fylte alger og ønsket mengde katalysator at her var 0-5 masse% natriumkarbonat (Na2CO3) i en autoklav hvor de resterende luftrom ble fylt med nitrogen til luft ut av systemet. Trykket i autoklav ble økt til 3 MPa (~ 30atm) for å unngå vannet fordampet, og dermed burde ha brukt mer energi til oppvarming. Autoclave deretter varmet opp med en elektrisk oppvarmet til en temperatur på 300-340 ° C, som ble holdt på den tiden det ville holde alger masse og olje i den. I nevnte forsøk, var det 30-60 minutter. Man on deretter kjøles ned til romtemperatur og trykket reduseres til atmosfærisk trykk, mens utviklet gassen ble overført til en pose. Da åpnet man autoklav og tok ut innholdet. En så oljen er separert fra ved å løse det i triklormethan (kloroform) var fordampet ved 40 ° C. Vannet fasen og sedimenter ble også demontert for videre etterforskning.
Forsøkene viste at en av de sett av omstendigheter som ble brukt, har de beste olje og så mye energi ut, ved å holde alger masse og olje i autoklav i 30 minutter ved en temperatur på 340 ° C og 5% masse lagt natrium (YF Yang et al., 2004).
7 Biprodukter
Forskning i prosessen med å konvertere alger til biodrivstoff er fortsatt et nytt område. Dette betyr at det er noen bud for ulike metoder for produksjon og transformasjon. Det er derfor også en rekke produkter, både skadelig og nyttig avhengig av hvilken metode som brukes.
Biprodukter fra konvertering av alger til biodrivstoff inkludere i de fleste tilfeller drivhusgassene metan, hydrogen og karbondioksid. Dette er noen ganske dårlige produkter på miljøet som vi umiddelbart vil unngå. Hydrogen og metan kan brukes med omhu. Hydrogen kan for eksempel brukes til drivstoff, og dermed skape enda en kilde til energi. Metan kan også brukes som energi i transport. Med hensyn til CO karbondioksid, er situasjonen ikke så kritisk. I løpet av den voksende bekymringen alger store mengder karbondioksid. Dette fører faktisk en nøytral med hensyn til innholdet av karbondioksid i atmosfæren (Yang YF et al., 2004).
Algaelink, et selskap i Holland, som produserer biodiesel fra alger ved hjelp av en relativt ny tilnærming til å transformere alger. Denne metoden krever ingen kjemikalier, og de resterende biprodukter er derfor helt naturlig og nyttig å, for eksempel kosttilskudd produsenter eller farmasøytiske selskaper (kollega, 2008). Biprodukter omfatter betakaroten og astaxanthin. Betakaroten er en forløper til vitamin A, og du kjenner det fra gulrøtter. Kroppen lagrer betakaroten i leveren, og her er det konverteres som nødvendig for å vitamin A. Det er en viktig antioksidant for kroppen, blant annet reduserer risikoen for kreft, beskytter mot infeksjoner og styrker huden og slimhinnene i tarmen, luftrør og urinveisinfeksjon (Bionordic, 2000). Astaxanthin er også en naturlig antioksidant og finnes i tillegg til alger også i sjømat som laks, ørret og reker. Det er også funnet i noen få fugler som flamingoer. Det fungerer som et rødt pigment, som også er sett i, for eksempel reker, men ved å binde seg til forskjellige proteiner kan også vises som grønn, gul, blå eller brune. Astaxanthin er viktig for kroppens immunforsvar. Det motvirker blant annet leddgikt, hjerte-og karsykdommer og solbrenthet. Det er for tiden på et eksperimentelt stadium i den medisinske industrien, og har vist positiv effekt på både stress og Alzheimers og Parkinsons sykdom, delvis fordi stoffet kan krysse blod-hjerne barrieren. I naturen, har fisk, som laks fôr med astaxanthin, og få den naturlige rødlig farge. I lakseoppdrett har ingen tilgang til vitaminer og er stedet fôres fargestoffer som skal markedsføres like god som villaksen. Man har ikke engang i stand til å danne astaxanthin og er derfor avhengig astaxanthinholdige mat eller kosttilskudd. Disse matvarer inneholder fisk og skalldyr. Forsøk derfor også med tillegg av astaxanthin i fôr til fisk og skalldyr i oppdrett som en måte å gjøre forholdene så naturlig som mulig (Alga Technologies, 2004).
Et annet produkt som kan brukes i farmasøytisk feltet er steroler (kollega, 2008), som sammen med tri-glyseridene og fosfolipider er en av de tre gruppene av forskjellige fettstoffer. De mest kjente waxy fett gruppen inne steroler er kolesterol, først og fremst finnes i kjøtt, melk, egg og smør. Også steroler også visse hormoner og forløpere for vitamin D (Scmedes, 2000).
Foruten de ovennevnte produktene kan ha noen transformasjon metoder også oppstå produkter (tørr enheter) som kan brukes i strømmer for dyr.
8 Lønnsomhet
8.1 Økonomisk
For å lage biodrivstoff fra alger for et reelt alternativ, er det viktig at prisen er den samme som eller billigere enn oljebaserte transport brensel. Vi vil i dette avsnittet undersøke kostnadene for produksjonen og sammenligne med dagens pris på bensin, siden dette er den mest brukte transport drivstoff. For eksempel utgifter i USA i 2003 476 giga liter (International Energy Agency, 2006). Med prisene på bensin i dag koster en GJ av bensin (95 oktan) 306 pounds. Hvis vi sammenligner dette med en beregnet kostnad på en GJ fra Fischer Tropsch [1] Biobrensel kl 52-67 dkr. GJ, ser ut til biodrivstoff er svært konkurransedyktige på jakt etter fossile brensler
[1] Fischer Tropsch teknologien er en kjemisk prosess der biomasse, kull eller gass omdannes til flytende drivstoff (Fischer & Tropsch, 1930). Dette drivstoffet kan brukes til å drive biler og fly og mer.
8.2 Miljøvennlig
Vi har nu set at det rent økonomisk er rentabelt, men hvad med de miljømæssige perspektiver? Et af de væsentlige problemer med forbrændingen af fossile brændstoffer er den store udledning af CO2 og de miljømæssige konsekvenser dette medfører. Dette problem viser sig ikke at eksistere med hensyn til afbrændingen af biobrændstof. Denne teknologi er nemlig CO2 neutral, det vil sige at den mængde CO2 der udledes ved forbrændingen er den samme mængde, som blev fikseret fra atmosfæren eller forbrændingsanlæg ved dyrkningen af algerne (Chisti, 2007)
9 Kvaliteten af biobrændstof fra alger
Som tidligere nævnt er det vigtigt at brændstoffet, man står med til sidst, har en række egenskaber som følge af den kemiske sammensætning, der passer til de motorer, den skal drive, at den indeholder nok energi pr. volumen- og masseenhed og at den ikke er for giftig eller forurenende på nogen måde. Derfor må man også undersøge at disse kriterier er opfyldt. I tidligere nævnte forsøg vedrørende termokemisk liquefaction så man på hvad olien indeholdt.
Man ser, at algeolien har et relativt stort indhold af C17, C18 –alkaner, n-naphtalin og nogle andre stoffer. Disse er typiske komponenter i det man kalder heavy oil, hvilket vil sige at termokemisk liquefied olie fra alger kan klassificeres som heavy oil. (Y.F. Yang et al. 2004)
Heavy oil er egentlig en olie af dårlig kvalitet, da det kræver yderligere omdannelse heraf, hvis man skal ende med en mere brugbar olie (Barman, 2005). Derudover giver forbrænding af heavy oil en række produkter der er skadelige for miljøet (Batelle, 2003). Dog skal det nævnes, at heavy oil er en vigtig energiressource (Ke-Jian, 1997) og at opgradering heraf til produkter af høj værdi er af stigende interesse kommercielt og økonomisk (Barman, 2005).
Alt i alt er termokemisk liquefaction altså ikke umiddelbart en bæredygtig metode til omdannelse af alger. Hvis man kan finde en metode til opgradering af heavy oil til kvalitetsolie, som er miljøvenlig og økonomisk rentabel, vil liquefaction blive en bæredygtig metode, men som det ser ud nu, er den det ikke.
Som før nævnt findes der en række andre omdannelsesmetoder. De fleste af disse kræver, at man dræner algerne for væske og er derfor mere omkostningsfulde, men det er muligt, at nogle af disse kan bruges til at producere biobrændstof af høj kvalitet.
10 Potentialet for biobrændstof fra alger
I dette afsnit vil vi undersøge kvantiteten af biobrændstof fra alger, der skal til for at erstatte konventionelt brændstof. Det har ikke været muligt at finde oplysninger om brændstofmængder fra hele verden (da dette tal sandsynligvis ikke er ret godt kendt), men data fra USA synes delvist at være repræsentativt. Dog kunne man forestille sig, at amerikaneren gennemsnitligt bruger mere benzin (primært) end en gennemsnitlig europæer på grund af kulturelle forskelle, lavere benzinpriser og meget mere. Skulle man erstatte den samlede mængde brændstof til det amerikanske marked, ville man, som tidligere nævnt, skulle bruge ca. 0,5 milliard m3 om året. Biobrændstof fra konventionelle afgrøder udgør ikke en realistisk mulighed. Det ses i tabel 10 nedenfor.
Tabel 10 viser forskellige afgrøders mulighed for at erstatte 50 % af det nuværende amerikanske forbrug af brændstof til transportsektoren (Chisti, 2007).
Som det ses ud fra den fjerde kolonne, der viser hvor stor en procentdel af det samlede amerikanske landbrugsland, der skulle bruges, for at afgrøden (kolonne 1) kunne erstatte 50 % af det nuværende behov, er det reelt kun biobrændstof fra alger (i dette tilfælde biodiesel), der er tilstrækkeligt. Ser man på eksempelvis oliepalmen, som har vist sig at være en højudbytteplante med hensyn til olieindhold, skulle 25 % af USA’s nuværende landbrugsareal beplantes med denne afgrøde for at erstatte 50 %. Ser man derimod på mikroalger, ligger niveauet på mellem 1-3 % af nuværende arealer (variationen skyldes forskelligt procentindhold af olie i algen), hvilket må siges at være realistisk. Resultatet stammer fra storskalaforsøg i fotobioreaktorer, som er omtalt tidligere i rapporten. Grunden til denne store forskel på alger og alle de andre afgrøder er i høj grad algers hurtige vækst. De fleste alger har fordoblet deres biomasse på under 24 timer, og olieindholdet i visse alger kan komme så højt som 80 % -masse. Dog er det ikke alle af disse olier, der kan omdannes, men mange er konvertible til biodiesel produktion (Chisti, 2007).
11 Diskussion
Vores kilder har primært været videnskabelige tidsskrifter, men også hjemmesider fra forskellige organisationer og firmaer og et enkelt patent. Vi har ikke vurderet, at der skulle være nogen svagheder hos vores kilder, som for eksempel partiskhed. Det eneste sted hvor man kunne komme i tvivl om troværdighed, kunne være hos Shell og AlgaeLink (da disse er private firmaer, der gerne vil fremstå som miljørigtige virksomheder, og måske derfor tegner et glansbillede af netop deres teknologi), men disse kilder brugte vi kun med særlig påpasselighed. Da det område, vi i vores projekt har undersøgt, stadig er relativt nyt, har projektets metodik den svaghed, at det er svært at finde materiale, der peger i samme retning. Vi kunne med fordel have haft en ekspert på området som kontaktperson.
Vores første afgrænsning var, at vi udelukkende ville fokusere på biobrændstof fra alger. Dette har betydet, at omfanget af projektet blev skåret betydeligt ned og overskueliggjorde hele projektets område. Vores anden afgrænsning var, at vi ville fokusere på energi til transportsektoren, og da biobrændstof fra alger allerede er orienteret mod transportsektoren, var dette en naturlig afgrænsning for vores projekt, og det havde derfor ingen større betydning.
12 Konklusion
Målet med projektet og den dertilhørende rapport var at undersøge mulighederne for om biobrændstof udvundet af alger kunne erstatte konventionelt transportbrændstof. Alger er væsentligt bedre end landafgrøder med henblik på biomasseforøgelse og det eneste reelle alternativ, og den bedste måde at dyrke alger på i storskala er i det system, der hedder rørformet bioreaktor. For at opnå optimal vækst skal en række næringsstoffer tilføres algernes vækstmedie. Der findes ikke nogen generel optimal placering for et anlæg, da det i høj grad afhænger af, hvilken alge man vælger at arbejde med. Teknologien til omdannelse af alger til biobrændstof findes, men der kan dog stilles spørgsmål til hvorvidt produktet er af høj nok kvalitet. Dette afhænger også af hvilken metode man vælger til at omdanne algerne, da der findes flere. Med hensyn til biprodukter fra produktionen kan vi slutte, at der dannes gavnlige stoffer, som kunne bruges i forskellige sektorer. Blandt disse kan nævnes betakarotin og astaxanthin som er vigtige stoffer i forbindelse med især immunforsvaret.
Beregninger viser, at brændstof fra alger økonomisk set sagtens kan konkurrere med konventionelle brændstoffer. I vores eksempel viste en sammenligning af en estimeret pris på biobrændstof og normale benzinpriser, at biobrændstoffet var 5-6 gange billigere.
13 Perspektivering
Man kunne ud fra vores konklusion undersøge de resterende metoder til omdannelsen og se på, om produktet ville få den ønskede kvalitet. Som det er nu, er vi nemlig et stykke vej fra at kunne bruge slutproduktet direkte i bilen. Man kunne tilmed undersøge, om heavy oil på en miljøvenlig måde kunne omdannes til olie af høj kvalitet.
Problemerne ved vores forbrug af fossile brændstoffer er mange. Fortsætter vi i denne retning, vil konsekvenserne være omfattende, fastslår flere eksperter. Man er derfor nødt til at finde på nye alternativer. For at disse nye alternativer kan få vind i sejlene, kræver det folkelig såvel som politisk opbakning. Danmark skal være vært for en stor klimakonference i 2009, hvor der skal findes en afløser til Kyotoaftalen og man kunne håbe på seriøs støtte til nye tiltag, der kan forbedre klimasituationen herunder forskning og udvikling i biobrændstof fra alger.
Litteraturliste
Algatech
Astaxanthin - a superb natural antioxidant (2004)
http://algatech.com/astax.htm
(citeret d. 11/10/08)
Battelle
http://www.battelle.org/Environment/publications/envupdates/Fall2003/article9.stm
(u.å.)
(citeret d. 11/10/08)
Barman, Bhajendra N.
Characterization of feeds, intermediates, and products from heavy oil processes by high-temperature simulated distillation and thin-layer chromatography with flame ionization detection
Energy & Fuels Vol. 19, 2005
Bionordic
Beta-caroten (Bionordic, 2000)
http://www.bionordic.dk/indhold/html/vlignstoffer/betacaroten.html
(citeret d. 11/10/08)
Carbon Dioxide Information Analysis Centre
http://cdiac.esd.ornl.gov/trends/emis/tre_glob.html, 2004
(citeret d. 31/10/08)
Chisti, Yusuf
Biodiesel from microalgae
Biotechnology Advances Vol. 25, 2007 pp. 294–306
DMU
Giftige alger og algeopblomstringer
Temarapport nr. 27 fra DMU, 1999
http://www2.dmu.dk/1_viden/2_Publikationer/3_Temarapporter/rapporter/87-7772-476-3.pdf
(citeret d. 11/10/08)
DMU
Hvorfor opstår algeopblomstringer
Danmarks miljøundersøgelser, u.å.
http://www.dmu.dk/foralle/Vand/Giftige+alger+i+havet/Hvorfor+opst%C3%A5r+algeopblomstringer.htm
(citeret d. 11/10/08)
Energy Information and Bureau of Labour Statistics
Monthly annual Brent spot prices, u.å.
Fischer, Franz & Tropsch, Hans
Process for the production of paraffin-hydrocarbons with more than one carbon atom
Patended Feb. 11, 1930, patentnummer: 1,746,464
The Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology
Red lips from algae, 2000
http://www.igb.fraunhofer.de/WWW/Presse/Jahr/2000/en/PI_Algae.en.html
(citeret d. 31/10/08)
Grundwald, Michael
The clean energy scam
Time, 2008
http://www.time.com/time/printout/0,8816,1725975,00.html
(citeret d. 15/9/08)
Hänselt, Nikolaj
Klimaændringer vil føre til øget opblomstring af alger
Ingenøren, 2006
http://ing.dk/artikel/72582
(citeret d. 11/10/08)
GeoHive
Current world population, u.å.
http://www.geohive.com/earth/population1.aspx
(citeret d. 31/10/08)
Gressel, Jonathan
Transgenics are imperative for biofuel crops
Plant Science Vol. 174, 2008 pp. 246–263
International Energy Agency
Energy Policies of IEA Countries, 2003
http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2000/compendium_2003.pdf
(citeret d. 31/10/08)
Ke-Jian, Liao og Guo-Min, Liu
Esmaoc as pour point depressant for crude oil and heavy oil products
Petroleum science and technology Vol. 15, 1997 pp. 373-379
Mann J. E. og Myers J.
On pigments, growth and photosynthesis of Phaeodactylum tricornutum.
J Phycol Vol. 4, 1968 pp. 349–55
Molina Grima E, Fernández J, Acién Fernández FG og Chisti Y.
Tubular photobioreactor design for algal cultures.
Journal of Biotechnology Vol. 92, Issue 2, 2001, pp. 113-131
National Geographic
World Oil, 2004
http://ngm.nationalgeographic.com/2004/06/world-oil/roberts-text
(citeret d. 31/10/08)
Pulz O.
Photobioreactors: production systems for phototrophic microorganisms.
Applied Microbiology and Biotechnology Vol. 57, Nr. 3, 2001
Sánchez Mirón A., Contreras Gómez A., García Camacho F., Molina Grima E. og Chisti Y.
Comparative evaluation of compact photobioreactors for large-scale monoculture of microalgae.
Journal of Biotechnology Vol. 70, 1999, Issues 1-3, pp. 249-270
Scmedes, Anne
Om fedtstoffets opbygning
http://www.netdoktor.dk/madogkrop/artikler/fedtopbygning.htm
Sidst opdateret: 26. 01. 2000
(citeret d. 11/10/08)
Spolaore P, Joannis-Cassan C, Duran E og Isambert A.
Commercial applications of microalgae
Journal of Bioscience and Bioengineering Vol. 101, Issue 2, 2006, pp. 87-96
UN Chronicle
Globeglance, Energy: 2000
Volume 37, nummer 2, 2000
US Department of Energy
http://www.eia.doe.gov/emeu/international/contents.html
(citeret d. 31/10/08)
Ven, Marco van de
Algaelink develops new extraction method
Algaelink, 2008
http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/story?id=51772
(citeret d. 11/10/08)
Yang, Y.F., Feng, C. P., Inamori, Y. og Maekawa, T
Analysis of energy conversion characteristics in liquefaction of algae
Resources, Conservation and Recycling Vol. 43, 2004, pp. 21–33
Yun Y. S., Lee S. B., Park J. M., Lee C. I. og Yang J. W.
Carbon dioxide fixation by algal cultivation using wastewater nutrients
Journal of Chemical Technology & Biotechnology Vol. 69, 1997, pp. 451–455
Xiufeng Li, Han Xu, Qingyu Wu
Large-Scale Biodiesel Production From Microalga Chlorella protothecoides Through Heterotrophic Cultivation in Bioreactors
Biotechnology and Bioengineering, Vol. 98, No. 4, 2007, pp. 764-771
