利用藻类生产生物柴油的研究进展

简介

生物燃料约占能源消耗的10%。生物燃料是石油化石燃料的环保替代品。一种可以为柴油运输提供燃料的生物燃料是甲酯，它可以从藻类[1]中发现的脂类或脂肪酸中产生。藻类是自养生物通过吸收氧气和光线进化而形成的。藻类通常存在于海洋中，因为它依赖水生存。藻类可分为四个界:细菌界、植物界、色素界和原生动物界。细菌王国允许细菌通过降解甲胺形成氨来依靠藻类生存，这使得细菌能够生长。植物王国由绿藻组成，这种藻类可以通过光合作用[4]来制造自己的食物。Chromista王国由可以在大多数环境中生存的铬铁矿组成。此外，这个王国的一些物种可以形成色素和酶，导致有机物质恶化[5]。 The species in the Protozoa kingdom feed on the nutrients in their environment and can be parasitic [6]. Among these different kingdoms of algae, the one most used to make ethanol is brown algae, which is a part of the Chromista kingdom [7].

海洋产品如何帮助我们制造更好的生物燃料?

藻类可以用来制造乙醇等生物燃料。藻类可以经历气化、液化、热解、发酵等过程。藻类产生的油含有三酰甘油结构，并含有脂类，这是一种脂肪酸，用于生产生物柴油[8]。这些脂肪酸可以使藻类产生乙醇等生物燃料。虽然乙醇被广泛用作生物燃料，但乙醇并不是首选的生物燃料，因为它与水发生反应，可能会导致发动机损坏。因此，疏水生物燃料更受青睐。然而，由于成本低廉，乙醇被广泛用作生物燃料。

海藻转化为生物柴油的方法

这种三酰基甘油结构导致粘度高于石油。为了降低这种粘度水平，藻类生物量经历了一个称为酯交换的过程。酯交换作用为藻类引入了一个官能团，反应中使用了一种催化剂，如酶，生成甘油和甲酯，这是一种首选的生物燃料，因为它们不与水反应。有两种类型的酯交换过程:直接酯交换和常规酯交换。直接酯交换涉及去除脂质含量，不需要任何额外的预处理。然而，传统的酯交换反应需要预处理，即在将官能团引入藻类[7]之前提取脂类。直接酯交换是首选，因为它需要更少的步骤和成本低于传统的酯交换。

厌氧消化

藻类厌氧消化可以产生CH4和CO2。这个过程包含四个步骤。第一步是水解，藻类的有机物通过细菌分解成氨基酸和糖。下一步是发酵，用产酸细菌将这些糖和氨基酸转化为氢和二氧化碳等产品。在下一阶段，通过去除氢和增加氧来氧化乙酸生成、氢和二氧化碳。最后一步是甲烷发生，如图1[7]所示，利用细菌产生CH4和CO2。

气化和液化

在液化中，可能需要预处理，因为它将藻类降解成更小的碎片，允许更快和更有效的转化反应。这种预处理包括增加藻类表面积的物理预处理，破坏藻类结构的化学预处理，或减少藻类聚合的生物预处理。液化的类型有直接液化和间接液化。直接液化允许溶剂直接影响生物质，而间接液化使用催化剂影响生物质[10]。气化是间接液化的一种。气化是利用催化剂，控制温度和压力[11]，将藻类转化为CO、H、CO2、CH4和焦油。热化学液化是直接液化的一种。热化学液化是利用催化剂，在高压高温下将藻类转化为生物燃料[12]。

发酵

藻类中含有的糖可以通过发酵过程转化为生物乙醇。除了生产乙醇外，该工艺还可以生产丙酮和丁醇。该工艺需要进行预处理，以增加生产[7]的产品数量。有许多不同的预处理方法，如物理，化学，物理化学和生物。物理处理涉及到藻类的破碎，化学处理涉及到使用氧化和溶剂来交替藻类的化学结构，生物处理涉及到对藻类[13]上的细菌和酶的处理。这些预处理方法提高了发酵效果。

热解

热解是在没有氧气参与的情况下分解藻类以生产生物燃料的过程。常规热解缓慢加热藻类产生生物炭，而快速热解和闪速热解快速加热藻类产生生物油和合成气[7]。

藻类生物燃料的改进方法

将藻类转化为生物燃料是一个昂贵的过程，需要大量的能源。研究已经进行，以改善藻类，使其更可取。为了改善藻类，许多研究人员试图通过直接增加藻类[14]的脂质产量来培育藻类以改善其表型。
工程师们已经找到了改变藻类DNA结构的技术，以允许藻类的增殖生长。然而，如果工程师不能控制这些放在藻类中的基因，这可能是一个问题，这就是为什么需要对这个主题进行进一步的研究。

结论

化石燃料向我们的环境中释放温室气体，导致气候变化。为了防止这种对环境的进一步破坏，人们发现生物燃料是一种高效和环保的替代品。生物燃料可以从海洋垃圾、塑料和藻类中生产。藻类可以通过各种过程转化为生物燃料，包括增强藻类或生物燃料生产的效率。这些工艺可以进一步研究，以提高其整体产量，以取代化石燃料和石油。

作者

Raj Shah博士是纽约Koehler Instrument Company的董事，在那里他已经工作了27年。他是IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSTMC，物理研究所，能源研究所和皇家化学学会的同行选举的研究员。作为美国材料试验协会(ASTM)鹰奖获得者，Shah博士最近与人合编了畅销书《燃料和润滑油手册》，详情可在https://bit.ly/3u2e6GY上查阅
他在宾夕法尼亚州立大学(The Pennsylvania State University)获得化学工程博士学位，是伦敦特许管理学院(The Chartered Management Institute)的研究员。Shah博士还是科学委员会的特许科学家，能源研究所的特许石油工程师和英国工程委员会的特许工程师。Shah博士最近被Tau beta Pi(美国最大的工程学会)授予“杰出工程师”的荣誉。他是Farmingdale大学(机械技术)、奥本大学(摩擦学)和石溪大学(化学工程/材料科学与工程)的顾问委员会成员。作为纽约州立大学石溪分校材料科学和化学工程系的兼职教授，Raj还发表了超过475篇论文，并在石油行业活跃了30多年。
更多关于Raj的信息可以在https://bit.ly/3sayVgT上找到
Sharon Lin女士和Blerim Gashi是纽约州立大学石溪分校(SUNY, Stony Brook University)化学工程专业的学生，Shah博士是该大学外部顾问委员会的主席。他们也是纽约霍茨维尔科勒仪器公司不断增长的实习计划的一部分，该计划帮助学生探索替代能源领域的机会。

参考文献

1.萨默维尔，C.(2007)。生物燃料。当代生物学，17(4)。https://doi.org/10.1016/j.cub.2007.01.010
2.Guiry, m.d.(2012)。有多少种藻类?心理学杂志，48(5)，1057-1063。https://doi.org/10.1111/j.1529-8817.2012.01222.x
3.Cirri, E.， & Pohnert, G.(2019)。平衡浮游微生物群的藻类-细菌相互作用。植物学报，23(1)，100-106。https://doi.org/10.1111/nph.15765
4.植物界。生物文章，教程和在线词典。(2021年7月23日)。检索于2022年2月3日，从https://www.biologyonline.com/dictionary/plantae
5.戈登，D.(2007)。新西兰的Chromista王国。海洋生物多样性，15(4)，14-15。https://doi.org/https://niwa.co.nz/publications/wa/vol15-no4-december2007/kingdomchromista-in-new-zealand
6.(2019, 3月2日).原生动物和藻类的特征。科学。检索于2022年2月3日，从https://sciencing.com/characteristics-protozoa-algae-8124201.html
7.阿德尼伊，o.m.，阿齐莫夫，U，和Burluka, A.(2018)。藻类生物燃料:现状与未来应用。可再生能源与可持续能源评论，90,316-335。https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.067
8.Borowitzka, m.a.， & Moheimani, n.r.(2010)。来自藻类的可持续生物燃料。全球变化的减缓和适应战略，18(1)，13-25。https://doi.org/10.1007/s11027-0109271-9
9.Lyberatos, G.， & Skiadas i.v.(1999)。厌氧消化模型研究综述。全球巢学，1(2)，63-76。https://doi.org/https://journal.gnest.org/sites/default/files/Journal%20Papers/Lyberatos.pdf
10.宋超，张超，张晟，林浩，金勇，Ramakrishnan, M.，杜勇，张勇，郑浩，& Barceló， D.(2020)。循环经济视角下农林废弃物热化学液化转化为生物燃料和化学品。全环境科学，749,141972。https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141972
11.Sikarwar, V. S.， Zhao, M.， Fennell, P. S.， Shah, N.和Anthony, E. J.(2017)。生物燃料气化生产研究进展。能源与燃烧科学进展，61,189-248。https://doi.org/10.1016/j.pecs.2017.04.001
12.杨玉芳，冯春平，稻盛勇，前川涛(2004)。藻类液化过程能量转换特性分析。资源保护与循环利用，43(1)，21-33。https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2004.03.003
13.Kucharska, K.， Rybarczyk, P.， hozowacz, I.， Łukajtis, R.， Glinka, M.， & kamizynski, M.(2018)。木质纤维素材料作为发酵过程底物的预处理。分子学报，23(11)，2937。https://doi.org/10.3390/molecules23112937
14.乔治安娜，D. R. &梅菲尔德，s.p.(2012)。利用生物多样性和合成生物学生产藻类生物燃料。自然杂志，488(7411)，329-335。https://doi.org/10.1038/nature11479
15.Purton, S.， Szaub, J. B.， Wannathong, T.， Young, R.， & Economou, C. K.(2013)。藻类叶绿体基因工程研究进展与展望。植物生理学报，28(4)，491 - 491。https://doi.org/10.1134/s1021443713040146