يعتبر وقود الطحالب أو الوقود الحيوي الطحلبي أو زيت الطحالب بديلاً للوقود الأحفوري السائل الذي يستخدم الطحالب كمصدر للزيوت الغنية بالطاقة. أيضا ، وقود الطحالب هي بديل لمصادر الوقود الحيوي المعروفة ، مثل الذرة وقصب السكر. تقوم العديد من الشركات والوكالات الحكومية بتمويل الجهود للحد من تكاليف رأس المال والتشغيل ، وجعل إنتاج وقود الطحالب قابلاً للتطبيق تجارياً. مثل الوقود الأحفوري ، تطلق وقود الطحالب ثاني أكسيد الكربون عند حرقه ، ولكن على خلاف الوقود الأحفوري ، فإن وقود الطحالب وغيره من أنواع الوقود الحيوي تطلق فقط ثاني أكسيد الكربون الذي تم إزالته مؤخرًا من الغلاف الجوي من خلال التمثيل الضوئي مع نمو الطحالب أو النباتات. أشعلت أزمة الطاقة وأزمة الغذاء العالمية الاهتمام بالزراعة (الزراعة الطحينية) لصنع وقود الديزل الحيوي وغيره من أنواع الوقود الحيوي باستخدام الأراضي غير المناسبة للزراعة. ومن بين الخصائص الجذابة للوقود الطحلبي أنه يمكن زراعتها بأقل تأثير ممكن على موارد المياه العذبة ، يمكن إنتاجها باستخدام المياه المالحة ومياه الصرف الصحي ، ولها نقطة وميض عالية ، وهي قابلة للتحلل البيولوجي وغير ضارة نسبيًا بالبيئة إذا انسكبت. تكلف الطحالب أكثر لكل وحدة كتلة من محاصيل الجيل الثاني الأخرى من الوقود الحيوي بسبب ارتفاع تكاليف رأس المال والتشغيل ، ولكن يُزعم أنها تنتج ما بين 10 و 100 مرة من الوقود الإضافي لكل وحدة مساحة. وتقدر وزارة الطاقة في الولايات المتحدة أنه إذا استبدلت وقود الطحالب كل الوقود النفطي في الولايات المتحدة ، فستتطلب 15،000 ميل مربع (39،000 كيلومتر مربع) ، أي ما يعادل 0.42٪ فقط من خريطة الولايات المتحدة ، أو حوالي نصف مساحة اليابسة. مين. هذا هو أقل من 1-7 مساحة الذرة المحصودة في الولايات المتحدة في عام 2000.

صرح رئيس منظمة الكتلة الحيوية الطحلبية في عام 2010 أن وقود الطحالب يمكن أن يصل إلى تكافؤ الأسعار مع النفط في عام 2018 إذا منحت إعفاءات ضريبية للإنتاج. ومع ذلك ، في عام 2013 ، قال رئيس مجلس إدارة شركة إكسون موبيل والرئيس التنفيذي ريكس تيلرسون أنه بعد الالتزام بإنفاق ما يصل إلى 600 مليون دولار على مدى 10 سنوات على التطوير في مشروع مشترك مع جينوميك جينريكس جريج فينتر في عام 2009 ، انسحبت إكسون بعد أربع سنوات (و 100 دولار) مليون نسمة) عندما أدركت أن وقود الطحالب “ربما أكثر” من 25 عاما بعيدا عن الجدوى التجارية. من ناحية أخرى ، بدأت شركة Solazyme ، و Sapphire Energy ، و Algenol ، من بين شركات أخرى ، في البيع التجاري للوقود الحيوي الطحلبي في عامي 2012 و 2013 و 2015 على التوالي. بحلول عام 2017 ، تم التخلي عن معظم الجهود أو تغييرها إلى تطبيقات أخرى ، مع بقاء عدد قليل منها فقط.

التاريخ
في عام 1942 ، كان هاردر وفون ويتش أول من اقترح أن تزرع الطحالب المجهرية كمصدر للدهون في الطعام أو الوقود. بعد الحرب العالمية الثانية ، بدأت الأبحاث في الولايات المتحدة وألمانيا واليابان وإنجلترا وإسرائيل حول تقنيات الاستزراع والنظم الهندسية لزراعة الطحالب الدقيقة على المقاييس الأكبر ، خاصة الأنواع في جنس شلوريلا. في الوقت نفسه ، أظهر HG Aach أن Chlorella pyrenoidosa يمكن تحريضه عن طريق التجويع بالنيتروجين لتجميع ما يصل إلى 70٪ من وزنه الجاف كالشحوم. وبما أن الحاجة إلى وقود بديل للوقود قد تراجعت بعد الحرب العالمية الثانية ، فقد ركزت البحوث في هذا الوقت على زراعة الطحالب كمصدر للغذاء أو ، في بعض الحالات ، لمعالجة مياه الصرف الصحي.

تم إعادة إحياء الاهتمام بتطبيق الطحالب للوقود الحيوي خلال الحظر النفطي وارتفاع أسعار النفط في السبعينات ، مما دفع وزارة الطاقة الأمريكية إلى بدء برنامج الأنواع المائية في عام 1978. وأنفق برنامج الأنواع المائية 25 مليون دولار على مدى 18 عامًا مع هدف لتطوير وقود النقل السائل من الطحالب التي من شأنها أن تكون قادرة على المنافسة بأسعار تنافسية مع الوقود المشتق من البترول. ركز البرنامج البحثي على زراعة الطحالب المجهرية في البرك الخارجية المفتوحة ، وهي أنظمة منخفضة التكلفة ولكنها معرضة للاضطرابات البيئية مثل تقلبات الحرارة والاجتياحات البيولوجية. تم جمع 3000 سلالة من الطحالب من جميع أنحاء البلاد وتم فحصها للحصول على خصائص مرغوب فيها مثل الإنتاجية العالية ، ومحتوى الدهون ، والتسامح الحراري ، وأدرجت السلالات الواعدة في مجموعة SERI الطحالب في معهد بحوث الطاقة الشمسية (SERI) في جولدن ، كولورادو واستخدامها لمزيد من البحث. من بين أهم نتائج هذا البرنامج أن النمو السريع والإنتاج المرتفع للدهون كانا “حصريين” ، لأن الأول كان يحتاج إلى مغذيات عالية وكان الأخير يحتاج إلى مغذيات منخفضة. اقترح التقرير النهائي أن الهندسة الوراثية قد تكون ضرورية لتكون قادرة على التغلب على هذا والقيود الطبيعية الأخرى من سلالات الطحالب ، وأن الأنواع المثالية قد تختلف مع المكان والموسم. وعلى الرغم من أنه ثبت بنجاح أن إنتاج الطحالب على نطاق واسع للوقود في الأحواض الخارجية أمر ممكن ، فقد فشل البرنامج في القيام بذلك بتكلفة تنافسية مع البترول ، خاصة مع هبوط أسعار النفط في التسعينات. وحتى في أفضل السيناريوهات ، قُدِّر أن نفط الطحالب غير المهمل سيكلف 59-186 دولارًا للبرميل ، في حين أن تكلفة النفط أقل من 20 دولارًا للبرميل في عام 1995. لذلك ، وفي ظل ضغط الميزانية في عام 1996 ، تم التخلي عن برنامج الأنواع المائية.

تأتي مساهمات أخرى في بحوث الوقود الحيوي الطحلبي بشكل غير مباشر من مشاريع تركز على تطبيقات مختلفة من ثقافات الطحالب. على سبيل المثال ، في تسعينات القرن الماضي ، نفذ معهد اليابان للأبحاث التكنولوجية المبتكرة من أجل الأرض (RITE) برنامجًا بحثيًا يهدف إلى تطوير أنظمة لإصلاح ثاني أكسيد الكربون باستخدام الطحالب الدقيقة. على الرغم من أن الهدف لم يكن إنتاج الطاقة ، فقد أظهرت العديد من الدراسات التي أصدرتها RITE أن الطحالب يمكن أن تزرع باستخدام غاز المداخن من محطات توليد الطاقة كمصدر ثاني أكسيد الكربون ، وهو تطور هام لأبحاث الوقود الحيوي الطحلبي. كما ساعد العمل الآخر الذي يركز على حصاد غاز الهيدروجين ، أو الميثان ، أو الإيثانول من الطحالب ، بالإضافة إلى المكملات الغذائية والمركبات الدوائية ، على نشر الأبحاث حول إنتاج الوقود الحيوي من الطحالب.

بعد حل برنامج الأنواع المائية في عام 1996 ، كان هناك هدوء نسبي في بحوث الوقود الحيوي الطحلبي. ومع ذلك ، تم تمويل مشاريع مختلفة في الولايات المتحدة من قبل وزارة الطاقة ، ووزارة الدفاع ، ومؤسسة العلوم الوطنية ، ووزارة الزراعة ، والمختبرات الوطنية ، وتمويل الدولة ، والتمويل الخاص ، وكذلك في بلدان أخرى. وفي الآونة الأخيرة ، دفع ارتفاع أسعار النفط في العقد الأول من القرن العشرين إلى إحياء الاهتمام بالوقود الحيوي الطحلبي ، وزاد التمويل الفيدرالي الأمريكي ، ويجري تمويل العديد من مشاريع الأبحاث في أستراليا ونيوزيلندا وأوروبا والشرق الأوسط وأجزاء أخرى من العالم. دخلت موجة من الشركات الخاصة المجال (انظر الشركات). في نوفمبر 2012 ، قامت شركة Solazyme و Propel Fuels بأول مبيعات تجزئة للوقود المشتق من الطحالب ، وفي مارس 2013 ، بدأت Sapphire Energy المبيعات التجارية للوقود الحيوي الطحلوي إلى Tesoro.

مكملات غذائية
يستخدم زيت الطحالب كمصدر للمكملات من الأحماض الدهنية في المنتجات الغذائية ، حيث أنه يحتوي على دهون أحادية وغير مشبعة ، خاصة EPA و DHA. ويقارن محتواه من DHA تقريبًا مع محتوى زيت السمك القائم على سمك السلمون.

الوقود
يمكن تحويل الطحالب إلى أنواع مختلفة من الوقود ، اعتمادًا على التقنية والجزء المستخدم من الخلايا. يمكن استخراج المادة الدهنية أو جزء الزيتية من الكتلة الحيوية للطحالب وتحويلها إلى وقود الديزل الحيوي من خلال عملية مماثلة لتلك المستخدمة في أي زيوت نباتية أخرى ، أو تحويلها في مصفاة إلى بدائل “جاهزة” للوقود النفطي. بدلا من ذلك أو بعد استخلاص الدهون ، يمكن تخمير محتوى الكربوهيدرات من الطحالب إلى وقود بيوإيثانول أو وقود بيوتانول.

وقود الديزل الحيوي
وقود الديزل الحيوي هو وقود ديزل مشتق من الدهون الحيوانية أو النباتية (الزيوت والدهون). وقد أظهرت الدراسات أن بعض أنواع الطحالب يمكن أن تنتج 60٪ أو أكثر من وزنها الجاف في شكل زيت. ولما كانت الخلايا تنمو في نظام تعليق مائي ، حيث تتمتع بقدرة أكبر على الوصول إلى الماء ، وثاني أكسيد الكربون والمغذيات الذائبة ، فإن الطحالب الدقيقة قادرة على إنتاج كميات كبيرة من الكتلة الحيوية والزيت القابل للاستخدام في أحواض الطحالب ذات المعدل المرتفع أو الأحماض الضوئية الضوئية. ويمكن بعد ذلك تحويل هذا الزيت إلى وقود الديزل الحيوي الذي يمكن بيعه للاستخدام في السيارات. إن الإنتاج الإقليمي للطحالب الدقيقة ومعالجتها في الوقود الحيوي سيوفر منافع اقتصادية للمجتمعات الريفية.

وبما أنها لا تحتاج إلى إنتاج مركبات بنيوية مثل السليلوز للأوراق أو السيقان أو الجذور ، ولأنها يمكن أن تزرع طافية في وسط غذائي غني ، فإن الطحالب الدقيقة يمكن أن يكون لها معدلات نمو أسرع من المحاصيل الأرضية. أيضا ، يمكنهم تحويل جزء أكبر بكثير من الكتلة الحيوية إلى النفط من المحاصيل التقليدية ، على سبيل المثال 60 ٪ مقابل 2-3 ٪ لفول الصويا. ويقدر إنتاجية كل وحدة من الزيوت من الطحالب من 58،700 إلى 136،900 لتر / هكتار / سنة ، اعتمادًا على محتوى الدهن ، الذي يتراوح من 10 إلى 23 ضعفاً مثل المحصول التالي الأعلى سعراً ، نخيل الزيت ، عند 5 950 ل. / هكتار / سنة.

ركز برنامج الأنواع المائية التابع لوزارة الطاقة الأمريكية ، 1978-1996 ، على وقود الديزل الحيوي من الطحالب المجهرية. اقترح التقرير النهائي أن الديزل الحيوي يمكن أن يكون الطريقة الوحيدة التي يمكن من خلالها إنتاج ما يكفي من الوقود لاستبدال استخدام الديزل الحالي في العالم. إذا كان وقود الديزل الحيوي المشتق من الطحالب سيحل محل الإنتاج العالمي السنوي البالغ 1.1 مليار طن من الديزل التقليدي ، فستكون هناك حاجة إلى كتلة أرض تبلغ 57.3 مليون هكتار ، مما سيكون مواتياً للغاية مقارنة بالوقود الحيوي الآخر.

Biobutanol
يمكن صنع البوتانول من الطحالب أو الدياتومات باستخدام معامل biorefinery تعمل بالطاقة الشمسية فقط. هذا الوقود له كثافة طاقة أقل بنسبة 10٪ من البنزين ، وأعلى من أي من الإيثانول أو الميثانول. في معظم محركات البنزين ، يمكن استخدام البيوتانول بدلاً من الجازولين بدون أي تعديلات. في العديد من الاختبارات ، يكون استهلاك البوتانول مشابهًا لاستهلاك البنزين ، وعندما يمزج بالبنزين ، فإنه يوفر أداءً أفضل ومقاومة للتآكل أعلى من تلك الموجودة في الإيثانول أو E85.

يمكن استخدام النفايات الخضراء المتبقية من استخراج زيت الطحالب لإنتاج البوتانول. بالإضافة إلى ذلك ، فقد تبين أن الطحالب الكبيرة (الأعشاب البحرية) يمكن تخميرها ببكتيريا من كلوستريديا إلى البيوتانول والمذيبات الأخرى.

Biogasoline
الغاز الحيوي هو البنزين المنتج من الكتلة الحيوية. مثل البنزين المنتَج تقليديًا ، فإنه يحتوي على 6 ذرات كربون (هكسان) و 12 (دوديكان) لكل جزيء ويمكن استخدامه في محركات الاحتراق الداخلي.

الميثان
يمكن إنتاج الميثان ، وهو المكون الرئيسي للغاز الطبيعي من الطحالب في طرق مختلفة ، وهي: التغويز ، الانحلال الحراري والهضم اللاهوائي. في عملية التغويز والتحلل الحراري يتم استخلاص الميثان تحت درجة حرارة عالية وضغط. الهضم اللاهوائي هو طريقة مباشرة تشارك في تحلل الطحالب إلى مكونات بسيطة ثم تحويلها إلى أحماض دهنية باستخدام الميكروبات مثل البكتيريا الحمضية تليها إزالة أي جزيئات صلبة وأخيراً إضافة بكتيريا ميثانوجينية لتحرير خليط غاز يحتوي على ميثان. وقد أظهر عدد من الدراسات بنجاح أن الكتلة الحيوية من الطحالب الدقيقة يمكن تحويلها إلى غاز حيوي عن طريق الهضم اللاهوائي. لذلك ، من أجل تحسين توازن الطاقة الكلي لعمليات زراعة الطحالب الدقيقة ، تم اقتراح لاستعادة الطاقة الموجودة في الكتلة الحيوية للنفايات عن طريق الهضم اللاهوائي إلى الميثان لتوليد الكهرباء.

الإيثانول
يستخدم نظام Algenol الذي يتم تسويقه من قبل BioFields في بويرتو ليبرتاد ، سونورا ، المكسيك مياه البحر والعادم الصناعي لإنتاج الإيثانول. كما أثبتت بورفيريدوم cruentum أنها مناسبة لإنتاج الإيثانول بسبب قدرتها على تجميع كمية كبيرة من الكربوهيدرات.

الديزل الأخضر
يمكن استخدام الطحالب لإنتاج “الديزل الأخضر” (المعروف أيضًا بالديزل المتجدد أو الزيت النباتي المعالج بالهيدروجين أو الديزل المتجدد بالهيدروجين) من خلال عملية تكرير بالهيدروجين تعمل على تكسير الجزيئات إلى سلاسل هيدروكربونية أقصر المستخدمة في محركات الديزل. وله نفس الخصائص الكيميائية مثل الديزل القائم على البترول بمعنى أنه لا يتطلب محركات أو خطوط أنابيب أو بنية تحتية جديدة للتوزيع والاستخدام. لم يتم إنتاجها بعد بتكلفة تنافسية مع البترول. في حين أن المعالجة الهيدروجينية هي الطريق الأكثر شيوعا لإنتاج الهيدروكربونات الشبيهة بالوقود عن طريق نزع الكربوكسيل / نزع الكربون ، فهناك عملية بديلة تقدم عددًا من المزايا المهمة على المعالجة الهيدروجينية. في هذا الصدد ، فإن عمل كروكر وآخرون. وليرشر وآخرون. جدير بالملاحظة بشكل خاص. بالنسبة لتكرير النفط ، تجري الأبحاث للتحول الحفزي للوقود المتجدد عن طريق نزع الكربوكسيل. بما أن الأكسجين موجود في الزيت الخام بمستويات منخفضة إلى حد ما ، بنسبة 0.5٪ ، فإن نزع الأكسجين في تكرير البترول لا يشكل مصدر قلق كبير ، ولا يتم وضع أي محفزات خاصة للأكسجين المعالجة الهيدروجينية. وبالتالي ، فإن أحد التحديات التقنية الحرجة لجعل عملية hydrodeoxygenation من عملية زيت الطحالب مجدية اقتصاديا ترتبط بالبحث وتطوير محفزات فعالة.

وقود الطائرات
تم تنفيذ تجارب استخدام الطحالب كوقود حيوي من قبل لوفتهانزا ، و Virgin Airlines في وقت مبكر من عام 2008 ، على الرغم من عدم وجود أدلة كافية على أن استخدام الطحالب هو مصدر معقول للوقود الحيوي النفاث. بحلول عام 2015 ، كانت زراعة إسترات الميثيل الأحماض الدهنية والألكونات من الطحالب ، Isochrysis ، قيد البحث كخامط وقود محتمل للوقود الحيوي.

اعتبارا من عام 2017 ، لم يكن هناك تقدم يذكر في إنتاج وقود الطائرات من الطحالب ، مع توقع أن 3 إلى 5 ٪ فقط من احتياجات الوقود يمكن توفيرها من الطحالب بحلول عام 2050. علاوة على ذلك ، فإن شركات الطحالب التي تشكلت في أوائل القرن 21 كقاعدة لل لقد أغلقت صناعة وقود حيوي للطحالب أو غيّرت تطوير أعمالها نحو سلع أخرى ، مثل مستحضرات التجميل ، أو أعلاف الحيوانات ، أو المنتجات النفطية المتخصصة.

محيط
ويركز البحث في الطحالب لإنتاج كميات كبيرة من النفط بشكل رئيسي على الطحالب المجهرية (الكائنات الحية القادرة على التمثيل الضوئي التي يقل قطرها عن 0.4 مم ، بما في ذلك الدياتومات والبكتيريا الزرقاء) على عكس الطحالب الكبيرة ، مثل الأعشاب البحرية. وقد جاء تفضيل الطحالب المجهرية إلى حد كبير بسبب هيكلها الأقل تعقيدًا ومعدلات النمو السريع والمحتوى المرتفع للنفط (بالنسبة لبعض الأنواع). ومع ذلك ، يتم إجراء بعض البحوث لاستخدام الأعشاب البحرية للوقود الحيوي ، وربما يرجع ذلك إلى توافر هذا المورد.

اعتبارا من عام 2012 بدأ الباحثون في مختلف المواقع في جميع أنحاء العالم التحقيق في الأنواع التالية لمدى ملاءمتها كمنتج للنفط الشامل:

Botryococcus braunii
شلوريلا
Dunaliella tertiolecta
الجراسيلاريا
Pleurochrysis carterae (وتسمى أيضا CCMP647).
Sargassum ، مع 10 أضعاف حجم الانتاج من Gracilaria.

كمية النفط كل سلالة من إنتاج الطحالب تختلف على نطاق واسع. لاحظ الطحالب المجهرية التالية وعائداتها الزيتية المختلفة:

Ankistrodesmus TR-87: 28-40٪ من الوزن الجاف
Botryococcus braunii: 29-75٪ dw
Chlorella sp .: 29٪ dw
بروتينات الكلوريلا (ذاتية التغذية / التغايرة): 15-55٪ من وزن الجسم
Crypthecodinium cohnii: 20٪ dw
Cyclotella DI- 35: 42٪ dw
Dunaliella tertiolecta: 36-42٪ dw
Hantzschia DI-160: 66٪ dw
Nannochloris: 31 (6–63)٪ dw
Nannochloropsis: 46 (31-68)٪ dw
Nannochloropsis والوقود الحيوي
Neochloris oleoabundans: 35-54٪ dw
Nitzschia TR-114: 28-50٪ dw
Phaeodactylum tricornutum: 31٪ dw
Scenedesmus TR-84: 45٪ dw
Schizochytrium 50-77٪ dw
Stichococcus: 33 (9–59)٪ dw
Tetraselmis suecica: 15–32٪ dw
Thalassiosira pseudonana: (21-31)٪ dw

بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لمعدل النمو المرتفع ، فقد تم التحقق من Ulva كوقود للاستخدام في دورة SOFT ، (SOFT لتدعيم التوربينات الشمسية للأوكسجين في الوقود) ، وهو نظام توليد طاقة ذو دورة مغلقة مناسب للاستخدام في المناطق القاحلة وشبه الاستوائية. المناطق.

Related Post

وتشمل الأنواع الأخرى المستخدمة كلوستريديوم saccharoperbutylacetonicum ، Sargassum ، Gracilaria ، Prymnesium parvum ، و Euglena gracilis

المغذيات ومدخلات النمو
الضوء هو ما تحتاجه الطحالب في المقام الأول للنمو لأنه العامل الأكثر تقييدًا. العديد من الشركات تستثمر لتطوير أنظمة وتقنيات لتوفير الضوء الاصطناعي. واحد منهم هو OriginOil الذي طور Helix BioReactorTM الذي يتميز بعمود دوراني دوراني مع أضواء منخفضة الطاقة مرتبة في نمط حلزون. درجة حرارة الماء تؤثر أيضا على معدلات التمثيل الغذائي والتكاثر للطحالب. على الرغم من أن معظم الطحالب تنمو بمعدل منخفض عندما تنخفض درجة حرارة الماء ، فإن الكتلة الحيوية لمجتمعات الطحالب يمكن أن تصبح كبيرة بسبب عدم وجود كائنات حية للرعي. وقد تؤثر الزيادات المتواضعة في سرعة تيار الماء أيضًا على معدلات نمو الطحالب نظرًا لزيادة معدل امتصاص المغذيات وزيادة انتشار الطبقة الحدية بالسرعة الحالية.

بخلاف الضوء والماء ، والفوسفور ، والنيتروجين ، وبعض المغذيات الدقيقة هي أيضا مفيدة وضرورية في زراعة الطحالب. النيتروجين والفوسفور هما أهم المغذيات اللازمة لإنتاج الطحالب ، ولكن هناك حاجة إلى مواد مغذية أخرى مثل الكربون والسيليكا. من بين العناصر الغذائية المطلوبة ، يعتبر الفوسفور من أهم العناصر الغذائية لأنه يستخدم في العديد من العمليات الأيضية. تم تحليل الطحالب الدقيقة tertiolecta لمعرفة أي من المغذيات يؤثر على نموها أكثر من غيرها. تركيزات الفوسفور (P) والحديد (Fe) والكوبالت (Co) والزنك (Zn) والمنجنيز (Mn) والموليبدينوم (Mo) والمغنيسيوم (Mg) والكالسيوم (Ca) والسيليكون (Si) والكبريت ( تم قياس S) التركيزات يومياً باستخدام تحليل البلازما المقترن حثيًا (ICP). من بين جميع هذه العناصر التي تم قياسها ، أدى الفوسفور إلى الانخفاض الأكثر دراماتيكية ، مع انخفاض بنسبة 84٪ على مدار الثقافة. هذه النتيجة تشير إلى أن الفوسفور ، في شكل الفوسفات ، مطلوب بكميات كبيرة من جميع الكائنات الحية لعملية التمثيل الغذائي.

هناك نوعان من وسائط التخصيب التي تم استخدامها على نطاق واسع لزراعة معظم أنواع الطحالب: المتوسطة المتوسطة والوسيط Guillard ل F / 2. قد تقلل هذه المحاليل المغذية المتوفرة تجارياً الوقت الكافي لتحضير جميع العناصر الغذائية اللازمة لزراعة الطحالب. ومع ذلك ، نظرا لتعقيدها في عملية توليد وتكلفة عالية ، فهي لا تستخدم لعمليات الثقافة على نطاق واسع. ولذلك ، فإن وسائط التخصيب المستخدمة لإنتاج كميات كبيرة من الطحالب لا تحتوي إلا على أهم العناصر الغذائية التي تحتوي على الأسمدة الزراعية بدلاً من الأسمدة المختبرية.

زراعة
تنمو الطحالب بسرعة أكبر من المحاصيل الغذائية ، ويمكن أن تنتج مئات المرات من الزيت في كل وحدة مساحة مقارنة بالمحاصيل التقليدية مثل بذور اللفت أو النخيل أو فول الصويا أو الجاتروفا. وبما أن الطحالب لديها دورة حصاد تتراوح من 1 إلى 10 أيام ، فإن زراعةها تسمح بجمع العديد من المحاصيل في إطار زمني قصير للغاية ، وهي استراتيجية تختلف عن تلك المرتبطة بالمحاصيل السنوية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن زراعة الطحالب على أرض غير مناسبة للمحاصيل الأرضية ، بما في ذلك الأراضي القاحلة والأرض ذات التربة المالحة المفرطة ، والتقليل من المنافسة مع الزراعة. وقد ركزت معظم الأبحاث على زراعة الطحالب على نمو الطحالب في مفاعلات حيوية نظيفة ولكنها باهظة الثمن ، أو في برك مفتوحة ، وهي رخيصة الثمن للحفاظ عليها ولكنها عرضة للتلوث.

نظام حلقة مغلقة
أدى عدم وجود المعدات والهياكل اللازمة لبدء نمو الطحالب بكميات كبيرة إلى تثبيط الإنتاج الواسع النطاق للطحالب لإنتاج الوقود الحيوي. يعد الاستخدام الأقصى لعمليات الزراعة والأجهزة الحالية هو الهدف.

الأنظمة المغلقة (غير المعرضة للهواء الطلق) تتجنب مشكلة تلوث الكائنات الحية الأخرى التي ينفثها الهواء. المشكلة بالنسبة لنظام مغلق هو إيجاد مصدر رخيص لثاني أكسيد الكربون المعقم. وجد العديد من المجربين أن ثاني أكسيد الكربون من مدخنة يعمل بشكل جيد للطحالب النامية. لأسباب اقتصادية ، يعتقد بعض الخبراء أن زراعة الطحالب للوقود الحيوي يجب أن تتم كجزء من التوليد المشترك ، حيث يمكنها الاستفادة من حرارة النفايات والمساعدة في امتصاص التلوث.

مفاعل حيوي ضوئي
فمعظم الشركات التي تسعى إلى الطحالب كمصدر للوقود الحيوي تضخ المياه الغنية بالمغذيات من خلال أنابيب زجاجية بلاستيكية أو بوروسيليكات (تسمى “المفاعلات الحيوية”) التي تتعرض لأشعة الشمس (ويطلق عليها أخصائيو الأشعة الضوئية أو PBR).

يعد تشغيل PBR أصعب من استخدام بركة مفتوحة ، وأكثر تكلفة ، ولكنها قد توفر مستوى أعلى من التحكم والإنتاجية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن دمج مفاعل حيوي ضوئي في نظام التوليد المزدوج الحلقي المغلق بطريقة أسهل بكثير من البرك أو الطرق الأخرى.

بركة مفتوحة
تتكون أنظمة الأحواض المفتوحة من أحواض أرضية بسيطة ، والتي عادة ما يتم خلطها بواسطة عجلة مجداف. هذه الأنظمة لديها متطلبات طاقة منخفضة ، وتكاليف تشغيل ، وتكاليف رأسمالية عند مقارنتها بأنظمة الطاقة الضوئية المغلقة ذات الحلقة المغلقة. جميع منتجي الطحالب التجارية تقريباً لمنتجات الطحالب عالية القيمة تستخدم أنظمة البرك المفتوحة.

جهاز غسيل العشب
جهاز تنقية الطحالب هو نظام مصمم بشكل أساسي لتنظيف المغذيات والملوثات خارج المياه باستخدام العشب الطحلبي. تحاكي المنشطات الأمفيتامينية الأعشاب الطحلبية لشعاب مرجانية طبيعية من خلال أخذ المياه الغنية بالمغذيات من تيارات النفايات أو مصادر المياه الطبيعية ، ونبضها على سطح مائل. تم طلاء هذا السطح بغشاء بلاستيكي خشن أو شاشة ، مما يسمح لجراثيم الطحالب الموجودة طبيعياً بتوطين واستعمار السطح. وبمجرد إنشاء الطحالب ، يمكن حصادها كل 5-15 يومًا ، ويمكنها إنتاج 18 طنًا متريًا من الكتلة الحيوية الطحلبية لكل هكتار سنويًا. وعلى النقيض من الطرق الأخرى ، التي تركز في المقام الأول على نوع واحد من أنواع الطحالب ذات الغلة العالية ، تركز هذه الطريقة على الثقافات ذات الطبيعة الطبيعية للطحالب. على هذا النحو ، فإن محتوى الدهون في الطحالب في نظام ATS عادة ما يكون أقل ، مما يجعله أكثر ملاءمة لمنتج الوقود المخمّر ، مثل الإيثانول أو الميثان أو البيوتانول. وعلى العكس من ذلك ، يمكن معالجة الطحالب المحصودة بعملية تسييل بالمياه الحرارية ، مما يمكن إنتاج وقود الديزل الحيوي ، والبنزين ، وإنتاج وقود الطائرات.

هناك ثلاث مزايا رئيسية لـ ATS على الأنظمة الأخرى. الميزة الأولى هي توثيق إنتاجية أعلى على أنظمة البرك المفتوحة. والثاني هو انخفاض تكاليف التشغيل والوقود الإنتاج. والثالث هو القضاء على قضايا التلوث بسبب الاعتماد على أنواع الطحالب التي تحدث بشكل طبيعي. وتبلغ التكاليف المتوقعة لإنتاج الطاقة في نظام ATS 0.75 دولار / كجم ، مقارنة ب photobioreactor الذي سيكلف 3.50 دولار / كجم. علاوة على ذلك ، وبسبب حقيقة أن الغرض الأساسي من المنشطات الأمفيتامينية هو إزالة المواد المغذية والملوثات من الماء ، وقد ثبت أن هذه التكاليف أقل من الطرق الأخرى لإزالة المواد المغذية ، فإن هذا قد يحفز استخدام هذه التكنولوجيا لإزالة المواد المغذية مثل الوظيفة الأساسية ، مع إنتاج الوقود الحيوي كميزة إضافية.

إنتاج الوقود
بعد حصاد الطحالب ، تتم معالجة الكتلة الحيوية عادة في سلسلة من الخطوات ، والتي يمكن أن تختلف على أساس الأنواع والمنتج المطلوب ؛ هذا هو مجال نشط للبحث ، وكذلك هو عنق الزجاجة لهذه التكنولوجيا: تكلفة استخراج أعلى من تلك التي تم الحصول عليها. أحد الحلول هو استخدام مغذيات التصفية “للأكل”. يمكن للحيوانات المحسنة توفير كل من الأطعمة والوقود. طريقة بديلة لاستخراج الطحالب هي زراعة الطحالب مع أنواع معينة من الفطريات. هذا يسبب التلبد الحيوي للطحالب مما يسمح باستخراج أسهل.

تجفيف
في كثير من الأحيان ، يتم تجفيف الطحالب ، ثم يتم استخدام مذيب مثل الهكسين لاستخراج مركبات غنية بالطاقة مثل الدهون الثلاثية من المواد المجففة. بعد ذلك ، يمكن معالجة المركبات المستخرجة إلى وقود باستخدام إجراءات صناعية قياسية. على سبيل المثال ، يتم تفاعل ثلاثي الجليسريد المستخلص بالميثانول لإنتاج وقود الديزل الحيوي عبر عملية الاستبدال. يؤثر التركيب الفريد للأحماض الدهنية لكل نوع على نوعية وقود الديزل الحيوي الناتج وبالتالي يجب أن يؤخذ في الاعتبار عند اختيار أنواع الطحالب للمادة الأولية.

إسالة الهيدروحرارية
نهج بديل يسمى تسييل الهيدروحرارية يوظف عملية مستمرة التي تحضر الطحالب الرطبة التي حصدت إلى درجات حرارة وضغوط عالية – 350 درجة مئوية (662 درجة فهرنهايت) و 3000 رطل لكل بوصة مربعة (21000 كيلو باسكال).

وتشمل المنتجات النفط الخام ، الذي يمكن تحسينه أكثر في وقود الطيران ، أو البنزين ، أو وقود الديزل باستخدام واحدة أو العديد من عمليات الترقية. تحويل عملية الاختبار بين 50 و 70 في المئة من الكربون الطحالب إلى وقود. وتشمل المخرجات الأخرى المياه النظيفة وغاز الوقود والمواد المغذية مثل النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم.

العناصر الغذائية
العناصر الغذائية مثل النيتروجين (N) ، الفوسفور (P) ، والبوتاسيوم (K) ، مهمة لنمو النبات وهي أجزاء أساسية من الأسمدة. كما يمكن اعتبار السيليكا والحديد ، بالإضافة إلى العديد من العناصر النزرة ، مغذيات بحرية مهمة لأن عدم وجود واحد يمكن أن يحد من نمو أو إنتاجية منطقة ما.

نشبع
يمكن أن ينتج عن احتراق ثاني أكسيد الكربون من خلال نظم زراعة الطحالب زيادة كبيرة في الإنتاجية والعائد (حتى نقطة التشبع). عادة ، سيتم استخدام حوالي 1.8 طن من CO2 لكل طن من الكتلة الحيوية الطحالية (الجافة) المنتجة ، على الرغم من أن هذا يختلف مع أنواع الطحالب. معمل تقطير Glenturret في برثشاير ، المملكة المتحدة – موطن The Famous Grouse Whisky – percolate CO2 الذي تم صنعه أثناء تقطير الويسكي من خلال مفاعل حيوي مجهري. كل طن من الطحالب الدقيقة يمتص طنين من ثاني أكسيد الكربون. وتقوم شركة Bioenergy الاسكتلندية ، التي تدير المشروع ، ببيع الطحالب الدقيقة كغذاء ذي قيمة عالية وغني بالبروتين لمصايد الأسماك. في المستقبل ، سوف يستخدمون بقايا الطحالب لإنتاج الطاقة المتجددة من خلال الهضم اللاهوائي.

نتروجين
النيتروجين هو ركيزة قيمة يمكن استخدامها في نمو الطحالب. يمكن استخدام مصادر مختلفة من النيتروجين كمواد مغذية للطحالب ، مع قدرات متفاوتة. ووجد أن النترات هي المصدر المفضل للنيتروجين ، فيما يتعلق بكمية الكتلة الحيوية المزروعة. اليوريا هي مصدر متاح بسهولة يعرض نتائج مماثلة ، مما يجعلها بديلاً اقتصادياً لمصدر النيتروجين في استزراع الطحالب على نطاق واسع. على الرغم من الزيادة الواضحة في النمو بالمقارنة مع وسط النيتروجين أقل ، فقد تبين أن التغيرات في مستويات النيتروجين تؤثر على محتوى الدهون داخل الخلايا الطحلبية. في دراسة واحدة حرمان النيتروجين لمدة 72 ساعة تسبب في زيادة إجمالي محتوى الأحماض الدهنية (على أساس كل خلية) بمقدار 2.4 أضعاف. تم استراز 65 ٪ من إجمالي الأحماض الدهنية إلى triacylglycerides في الأجسام النفطية ، بالمقارنة مع الثقافة الأولية ، مما يشير إلى أن الخلايا الطحلبية تستخدم تخليق دي نوفو من الأحماض الدهنية. من الضروري أن يكون محتوى المادة الدهنية في خلايا الطحالب ذات كمية عالية بما فيه الكفاية ، مع الحفاظ على التقسيم الكافي للخلايا ، لذا فإن المعلمات التي يمكنها تعظيم كلاهما تخضع للتحقيق.

مياه الصرف
مصدر محتمل للمغذيات هو مياه الصرف الصحي الناتجة عن معالجة مياه الصرف الصحي ، أو الزراعة ، أو الفيضان العادي ، وجميع الملوثات الرئيسية الحالية والمخاطر الصحية. ومع ذلك ، فإن هذه المياه العادمة لا يمكن أن تغذي الطحالب مباشرة ويجب أولاً معالجتها بالبكتيريا ، من خلال الهضم اللاهوائي. إذا لم يتم معالجة مياه الصرف قبل أن تصل إلى الطحالب ، فإنها تلوث الطحالب في المفاعل ، وعلى أقل تقدير ، تقتل الكثير من سلالة الطحالب المرغوبة. في مرافق الغاز الحيوي ، غالبا ما يتم تحويل النفايات العضوية إلى خليط من ثاني أكسيد الكربون والميثان والأسمدة العضوية. الأسمدة العضوية التي تخرج من الهضم تكون سائلة ، ومناسبة لنمو الطحالب ، ولكن يجب تنظيفها وتعقيمها أولاً.

إن استخدام المياه العادمة ومياه المحيطات بدلاً من المياه العذبة مدعوم بقوة بسبب استمرار استنفاد موارد المياه العذبة. ومع ذلك ، يمكن للمعادن الثقيلة والمعادن النزرة والملوثات الأخرى في مياه الصرف الصحي أن تقلل من قدرة الخلايا على إنتاج الدهون بشكل حيوي ، كما تؤثر في مختلف العمليات الأخرى في آلية الخلايا. وينطبق الشيء نفسه على مياه المحيطات ، ولكن توجد الملوثات بتركيزات مختلفة. وهكذا ، فإن الأسمدة الزراعية هي المصدر المفضل للمغذيات ، لكن المعادن الثقيلة مشكلة مرة أخرى ، خاصة بالنسبة إلى سلالات الطحالب المعرضة لهذه المعادن. في أنظمة البرك المفتوحة ، يمكن أن يمنع استخدام سلالات من الطحالب التي يمكن أن تتعامل مع تركيزات عالية من المعادن الثقيلة الكائنات الأخرى من إصابة هذه الأنظمة. في بعض الحالات ، تم إثبات أن سلالات من الطحالب يمكن أن تزيل أكثر من 90٪ من النيكل والزنك من مياه الصرف الصناعي في فترات زمنية قصيرة نسبياً.

تأثير بيئي
وبالمقارنة مع محاصيل الوقود الحيوي الأرضية مثل الذرة وفول الصويا ، فإن إنتاج الطحالب الدقيقة يؤدي إلى بصمة أرضية أقل بكثير نتيجة لزيادة إنتاجية الزيت من الطحالب الدقيقة مقارنة بجميع المحاصيل الأخرى. كما يمكن زراعة الطحالب على أراضي هامشية عديمة الفائدة للمحاصيل العادية وبقيمة حفظ منخفضة ، ويمكنها استخدام المياه من طبقات المياه المالحة غير المفيدة في الزراعة أو الشرب. يمكن أن تنمو الطحالب أيضًا على سطح المحيط في أكياس أو شاشات عائمة. وهكذا يمكن أن توفر الطحالب المجهرية مصدراً للطاقة النظيفة ذات تأثير ضئيل على توفير الغذاء والماء الكافيين أو الحفاظ على التنوع البيولوجي. كما لا تتطلب زراعة الطحالب أي دعم خارجي للمبيدات الحشرية أو مبيدات الأعشاب ، مما يؤدي إلى إزالة أي مخاطر لتوليد تدفقات نفايات مبيدات الآفات المرتبطة بها. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الوقود الحيوي الطحالب أقل سمية بكثير ، ويتحلل بسهولة أكبر بكثير من الوقود البترولي. ومع ذلك ، بسبب الطبيعة القابلة للاشتعال لأي وقود قابل للاشتعال ، هناك احتمال لبعض المخاطر البيئية إذا اشتعلت أو انسكبت ، كما قد يحدث في انحراف قطار أو تسرب خط أنابيب. يتم تقليل هذا الخطر مقارنة بالوقود الأحفوري ، وذلك بسبب القدرة على إنتاج الوقود الحيوي الطحلبي بطريقة محلية أكثر بكثير ، وبسبب انخفاض السمية بشكل عام ، ولكن الخطر لا يزال موجودًا على الرغم من ذلك. لذلك ، يجب معالجة الوقود الحيوي الطحلبي بطريقة مماثلة لوقود البترول في النقل والاستخدام ، مع وجود إجراءات أمان كافية في جميع الأوقات.

وقد حددت الدراسات أن استبدال الوقود الأحفوري بمصادر الطاقة المتجددة ، مثل الوقود الحيوي ، لديه القدرة على الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة تصل إلى 80٪. يمكن للنظام القائم على الطحالب التقاط ما يقرب من 80٪ من ثاني أكسيد الكربون المنبعث من محطة توليد الكهرباء عندما يكون ضوء الشمس متاحًا. على الرغم من أن ثاني أكسيد الكربون هذا سوف يتم إطلاقه لاحقًا في الغلاف الجوي عندما يتم حرق الوقود ، لكان هذا ثاني أكسيد الكربون قد دخل إلى الغلاف الجوي بغض النظر عن ذلك. وبالتالي ، تكمن إمكانية خفض إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في منع إطلاق ثاني أكسيد الكربون من الوقود الأحفوري. علاوة على ذلك ، مقارنة بالوقود مثل الديزل والبترول ، وحتى بالمقارنة مع مصادر أخرى للوقود الحيوي ، فإن إنتاج واحتراق الوقود الحيوي الطحلوي لا ينتج أي أكاسيد كبريتية أو أكاسيد نترية ، وينتج كمية مخفضة من أول أكسيد الكربون ، وهيدروكربونات غير محترقة ، ويقلل انبعاث الملوثات الضارة الأخرى. وبما أن المصادر النباتية الأرضية لإنتاج الوقود الحيوي لا تملك القدرة الإنتاجية لتلبية متطلبات الطاقة الحالية ، فقد يكون الطحالب المجهرية واحدة من الخيارات الوحيدة للتعامل مع الاستبدال الكامل للوقود الأحفوري.

كما يشمل إنتاج الطحالب الدقيقة القدرة على استخدام نفايات المياه المالحة أو تبديد تيارات ثاني أكسيد الكربون كمصدر للطاقة. هذا يفتح استراتيجية جديدة لإنتاج الوقود الحيوي بالتزامن مع معالجة مياه الصرف الصحي ، في حين أن تكون قادرة على إنتاج المياه النظيفة كمنتج ثانوي. عندما تستخدم في الطحالب المجهرية الدقيقة ، فإن الطحالب المجهرية تحصد كميات كبيرة من المركبات العضوية وكذلك ملوثات المعادن الثقيلة الممتصة من تيارات مياه الصرف التي يمكن تصريفها مباشرة في المياه السطحية والجوفية. علاوة على ذلك ، تسمح هذه العملية أيضًا باستعادة الفوسفور من النفايات ، وهو عنصر أساسي ولكنه شحيح في الطبيعة – يقدر احتياطيها بالنضوب في السنوات الخمسين الأخيرة. والاحتمال الآخر هو استخدام أنظمة إنتاج الطحالب لتنظيف التلوث من مصدر غير نقطي ، في نظام يعرف باسم جهاز تنقية العشب الطحلبي (ATS). وقد ثبت أن ذلك يحد من مستويات النيتروجين والفوسفور في الأنهار وغيرها من المسطحات المائية الكبيرة المتأثرة بالحدوث بالمغذيات ، ويجري بناء النظم التي ستكون قادرة على معالجة ما يصل إلى 110 ملايين لتر من الماء في اليوم. كما يمكن استخدام المنشطات الأمفيتامينية لمعالجة تلوث مصدر النقطة ، مثل مياه الصرف المذكورة أعلاه ، أو في معالجة مخلفات المواشي.

Share