Проблемы производства биотоплива из микроводорослей: перспектива технико-экономической осуществимости стратегии биопереработки
Быстро истощающиеся ископаемые виды топлива в сочетании с постоянно растущим спросом на энергию привели к постоянному поиску альтернативных источников энергии для удовлетворения транспортных, производственных, бытовых и других потребностей растущего населения в энергии. Микроводоросли находятся в авангарде исследований в области альтернативной энергетики из-за их значительного потенциала в качестве возобновляемого сырья для биотоплива. Однако платформы с микроводорослями не нашли применения в производстве биоэнергии в промышленных масштабах из-за различных технических и экономических ограничений. В настоящем обзоре представлен подробный обзор проблем, связанных с процессами производства микроводорослей для целей биоэнергетики, с вспомогательными технико-экономическими оценками, связанными с выращиванием микроводорослей, сбором и последующими процессами, необходимыми для производства сырой нефти или биотоплива. Кроме того, обсуждаются подходы к биопереработке, которые могут повысить ценность побочных продуктов или сопутствующих продуктов при производстве микроводорослей и улучшить технико-экономические показатели производственного процесса.
графическая абстракция
Быстро истощающиеся ископаемые виды топлива в сочетании с постоянно растущим спросом на энергию привели к постоянному поиску альтернативных источников энергии для удовлетворения транспортных, производственных, бытовых и других потребностей растущего населения в энергии. Микроводоросли находятся в авангарде исследований в области альтернативной энергетики из-за их значительного потенциала в качестве возобновляемого сырья для биотоплива. Однако платформы с микроводорослями не нашли применения в производстве биоэнергии в промышленных масштабах из-за различных технических и экономических ограничений. В настоящем обзоре представлен подробный обзор проблем, связанных с процессами производства микроводорослей для целей биоэнергетики, с вспомогательными технико-экономическими оценками, связанными с выращиванием микроводорослей, сбором и последующими процессами, необходимыми для производства сырой нефти или биотоплива.Кроме того, обсуждаются подходы к биопереработке, которые могут повысить ценность побочных продуктов или сопутствующих продуктов при производстве микроводорослей и улучшить технико-экономические показатели производственного процесса.
Введение
Энергия и ее ноу-хау сыграли ключевую роль в человеческой цивилизации. Человечество сосредоточилось на поиске энергии, чтобы максимизировать производительность, и начало использовать невозобновляемые формы, такие как уголь, пар, ископаемое топливо для транспорта, дома и промышленной революции. В конце концов, ископаемое топливо занимает центральное место в ведущей мировой топливной энергетике (примерно 70–80%). Однако непревзойденная зависимость в повседневной жизни, невозобновляемость и широкое использование ископаемого топлива истощаются и, по оценкам, будут исчерпаны менее чем через 50 лет (Djandja et al., 2020). Согласно модели спроса и предложения геологических ресурсов (GeRS-DeMo), мировое производство ископаемого топлива, возможно, достигнет самого высокого уровня в 2025 году в «низких и лучших сценариях» и впоследствии снизится. С другой стороны, в «высоком сценарии» спрос на ископаемое топливо продолжает неуклонно расти до 2025 г. и может продлиться до 2075 г., прежде чем начнет снижаться (Plantinga and Scholtens, 2021; Djandja et al., 2020). Энергетический кризис привлек наше внимание к изучению альтернативных источников энергии, и многие страны, такие как Индия, Китай, Бразилия, США и Европейский Союз, предприняли прогрессивные шаги в направлении производства экологически чистой энергии (Koutra et al., 2021).
Энергия из возобновляемых источников будет играть важную роль в решении вышеперечисленных задач. В соответствии с техническими отчетами и выбранным процессом исходное сырье (биомасса) может быть преобразовано в различные формы биотоплива (твердое, газообразное, жидкое топливо).Обычно продовольственные культуры (кукуруза, зерновые, тростник, сахарная свекла и рапс) и остаточная биомасса могут использоваться в качестве сырья для производства биотоплива, и в зависимости от спроса в пищевой цепочке и экологических аспектов результаты смещаются в сторону биоматериалов и непищевых продуктов. источников (Чоудхари и др., 2021 г., Сиддики и др., 2022 г., Дебнат и др., 2021 г.). Таким образом, микроводоросли набрали обороты в качестве источника биомассы для производства устойчивого жидкого биотоплива (био-нефти) (Venkata Subhash et al., 2021, Cuevas-Castillo et al., 2020a, Cuevas-Castillo et al., 2020b; Behera et al. al., 2021; Debnath et al., 2021; Siddiki et al., 2022). Кроме того, бионефть из микроводорослей может быть преобразована в несколько видов топлива (реактивное топливо, бензин и дизельное топливо), а углеродный след микроводорослей меньше, чем у ископаемого топлива, но он является возобновляемым и экологически безопасным (Siddiki et al., 2022, Debnath et al. , 2021). В этом обзоре мы представляем обзор существующего состояния и основных проблем выращивания микроводорослей и последующей переработки. Обзор также охватывает технико-экономическую оценку (ТЭО) биомассы микроводорослей/производства биотоплива и обобщает различные энергетические подходы биопереработки к повышению ценности биомассы водорослей для повышения экономической жизнеспособности микроводорослей для производства биотоплива.
Фрагменты раздела
Микроводоросли для возобновляемого производства бионефти
Биотопливо является весьма привлекательным альтернативным источником энергии по сравнению с энергией ветра, солнца и приливов (Аниза и др., 2021 г., Хошневисан и др., 2021 г., Сиддики и др., 2022 г.). Биотопливо первого и второго поколения напрямую конкурирует с продовольствием и землей для производства биотоплива и создало еще один пробел в продовольственной безопасности. Фактически это привело к развитию биотоплива третьего поколения с использованием в качестве исходного сырья водных микроводорослей, поскольку они не конкурируют с пищей (Aniza et al., 2021; Devadas et al., 2021,
Сбор и обезвоживание микроводорослей и связанные с этим проблемы
Посткультивирование – это извлечение микроводорослей из среды культивирования. Однако.разбавленная суспензия (0,02–0,05% сухих веществ), размер (менее 30 мм), отрицательно заряженная поверхность (зета-потенциал) делают процесс сбора микроводорослей очень сложной задачей по сравнению с наземными культурами (Singh and Patidar, 2018). Концентрация биомассы после культивирования может варьироваться от ≈ 0,1 до 2 г/л в зависимости от системы культивирования. Поэтому обезвоживание разбавленной клеточной суспензии является большой проблемой. Там
Биопереработка микроводорослей: путь к коммерциализации
Текущая стоимость производства биомассы микроводорослей плюс добыча нефти выше, чем цена на сырую нефть, и, следовательно, биотопливо из микроводорослей по-прежнему не является коммерчески привлекательным по сравнению с ископаемым топливом. Культивирование, сбор и сушка микроводорослей являются высокоэнергоемкими процессами, при которых затраты энергии превышают отдачу. Существенный прогресс в технологиях с упором на повышение эффективности и снижение затрат, наряду с более высокой производительностью биомассы, имеет важное значение для улучшения
Выводы
Микроводоросли могут быть ответом на основную проблему дисбаланса в продуктах питания, топливе, биосырье и энергии в качестве устойчивой альтернативной культуры, но исследования микроводорослей все еще находятся в зачаточном состоянии. Большинство потенциальных моделей коммерциализации предлагают подходы к биопереработке, чтобы сделать производство биотоплива из микроводорослей экономичным, когда биомасса микроводорослей используется для извлечения биосырья, а повышение ценности побочного продукта (ов) может максимизировать шансы на коммерциализацию. Кроме того, технико-экономические и
Заявление об авторском вкладе CRediT
Г. Венката Субхаш: Концептуализация, Методология, Валидация, Написание — просмотр и редактирование, Визуализация, Супервизия. Мегна Раджванши: Концептуализация, Методология, Написание — просмотр и редактирование, Визуализация, Супервизия. Г. Раджа Кришна Кумар: Методология, Написание — обзор и редактирование. Ума Шанкар Сагарам: Концептуализация, методология, обзор и редактирование. Венкатеш Прасад: Концептуализация, супервизия. Шридхаран Говиндачари: Концептуализация, супервизия. Сантану Дасгупта:
Декларация о конкурирующих интересах
Авторы заявляют, что у них нет известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в этой статье.
Благодарности
Авторы благодарят Reliance Industries Limited (RIL) за предоставленную возможность написать этот обзор. Авторы должным образом выражают признательность Аджиту Сапре и команде IP за одобрение настоящего обзорного сообщения.
