조류 연료, 조류 바이오 연료 또는 조류 오일은 에너지가 풍부한 오일의 원천으로 조류를 사용하는 액체 화석 연료의 대안입니다. 또한, 조류 연료는 옥수수와 사탕 수수와 같이 일반적으로 알려진 바이오 연료 원천에 대한 대안입니다. 몇몇 회사와 정부 기관은 자본 및 운영 비용을 줄이고 해조류 연료 생산을 상업적으로 실행 가능하게하기위한 노력에 자금을 지원하고 있습니다. 화석 연료와 마찬가지로 해조류 연료는 연소시 이산화탄소를 배출하지만, 화석 연료와 달리 해조류 연료 및 기타 바이오 연료는 해조류 또는 식물이 자라면서 광합성을 통해 최근 대기에서 제거 된 이산화탄소 만 배출합니다. 에너지 위기와 세계 식량 위기로 인해 농업에 적합하지 않은 토지를 사용하여 바이오 디젤 및 기타 바이오 연료를 생산하는 조류 양식 (농업 조류)에 대한 관심이 커졌습니다. 조류 연료 중 가장 매력적인 특성은 담수 자원에 미치는 영향을 최소화하면서 성장할 수 있고 염분 및 폐수를 사용하여 생산되며 인화점이 높으며 유출시 환경에 상대적으로 무해하고 생분해 성이 있다는 것입니다. 해조류는 높은 자본 및 운영 비용으로 인해 다른 제 2 세대 바이오 연료 작물보다 단위 질량 당 비용이 더 많이 들지만 단위 면적 당 10 ~ 100 배의 연료를 생산한다고 주장됩니다. 미국 에너지 부는 조류 연료가 미국의 모든 석유 연료를 대체한다면 미국지도의 0.42 %에 불과한 15,000 평방 마일 (39,000 km2)을 필요로 할 것으로 추정하고있다. 메인. 이것은 2000 년 미국에서 수확 된 옥수수 면적의 1/7 이하이다.
조류 바이오 매스기구 (Algal Biomass Organization)의 책임자는 2010 년에 조류가 생산 된 세금 공제를 받으면 2018 년에 조류 연료가 석유 가격에 도달 할 수 있다고 발표했다. 그러나 2013 년 Exxon Mobil의 회장 겸 CEO 인 Rex Tillerson은 2009 년 J. Craig Venter의 Synthetic Genomics와의 합작 투자를 통해 10 년 동안 최대 6 억 달러를 지출 한 후 Exxon은 4 년 후 ($ 100 백만 유로)가 상업적 생존력에서 25 년 이상 떨어져 있다는 것을 깨달았을 때. 다른 한편, Solazyme, Sapphire Energy, Algenol은 2012 년과 2013 년에 각각 2015 년에 조류 바이오 연료의 상업적 판매를 시작했습니다. 2017 년까지 대부분의 노력은 포기되었거나 다른 응용 프로그램으로 변경되었습니다.
역사
Harder와 Von Witsch는 1942 년에 microalgae가 식품이나 연료의 지질 원으로 재배 될 것을 제안한 최초의 사람들이었습니다. 제 2 차 세계 대전 이후 미국, 독일, 일본, 영국, 이스라엘에서 큰 스케일, 특히 클로렐라 (Chlorella) 속의 미세 조류를 재배하기위한 기술 및 공학 시스템을 배양하기위한 연구가 시작되었습니다. 한편 H. H. Aach는 Chlorella pyrenoidosa가 질소 기아를 통해 유도되어 건조 중량의 70 %를 지질로 축적 할 수 있음을 보여주었습니다. 대체 운송 연료에 대한 필요성은 2 차 세계 대전 이후 가라 앉았으므로 이번 연구는 해조류를 식량 공급원으로 배양하거나 경우에 따라 폐수 처리에 초점을 두었습니다.
생물 연료를위한 조류의 응용에 대한 관심은 1978 년 수생 생물 프로그램을 시작하기 위해 미국 에너지 부 (US Department of Energy)를 이끌고있는 1970 년대의 석유 수출입 및 유가 상승 동안 재연되었다. 수생 생물 프로그램 (Aquatic Species Program)은 18 년 동안 2 천 5 백만 달러를 목표로 해조류로부터 액체 수송 연료를 개발하는 것. 이것은 석유 유래 연료와 가격 경쟁력이 있음. 이 연구 프로그램은 비용이 적지 만 온도 변화와 생물학적 침입과 같은 환경 교란에 취약한 개방 된 야외 연못에서 미세 조류의 재배에 중점을 두었다. 전국에서 3,000 종의 조류 변종을 채집하여 높은 생산성, 지질 함량 및 열 내성과 같은 바람직한 특성을 선별했으며 골든 리서치 인더스트리스 (Golden)의 태양 에너지 연구소 (SERI)의 SERI 미세 조류 수집에 가장 유망한 균주가 포함되었습니다. 콜로라도와 더 연구에 사용. 이 프로그램의 가장 중요한 발견 가운데는 빠른 성장과 높은 지질 생산은 높은 영양물을 요구하고 후자는 낮은 영양물을 필요로하기 때문에 “상호 배타적”이라는 것이었다. 최종 보고서는 유전 공학이 조류 변종의이 자연적 한계를 극복 할 수 있어야하고, 이상적인 종은 장소와 계절에 따라 다양 할 수 있다고 제안했다. 옥외 연못에서 대규모의 조류 생산이 가능하다는 것이 성공적으로 증명되었지만, 1990 년 석유 가격이 하락하면서 석유와 경쟁 할 수있는 비용으로 프로그램을 수행하지 못했습니다. 최선의 시나리오에서조차도 추출되지 않은 해조류는 배럴당 59-186 달러, 석유는 1995 년 배럴당 20 달러 미만으로 추산된다. 따라서 1996 년의 예산 압박 하에서 수생 생물 프로그램은 포기되었다.
조류 바이오 연료 연구에 대한 다른 기여는 조류 배양의 다양한 응용 분야에 초점을 둔 프로젝트에서 간접적으로 이루어졌다. 예를 들어, 1990 년대 일본의 지구 혁신 기술 연구소 (RITE)는 미세 조류를 사용하여 CO2를 고정하는 시스템을 개발하는 목표로 연구 프로그램을 실행했습니다. 목표는 에너지 생산이 아니지만 RITE에 의해 작성된 여러 연구에서 해조류는 발전소의 배연 가스를 이산화탄소 공급원으로 사용하여 재배 할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 해조류 바이오 연료 연구의 중요한 발전입니다. 해조류로부터 수소 가스, 메탄 또는 에탄올을 추출하는 것에 중점을 둔 다른 연구는 영양 보충제와 제약 화합물뿐만 아니라 조류로부터의 바이오 연료 생산에 대한 연구에도 도움이되었다.
1996 년 Aquatic Species 프로그램이 해체 된 후 해조류 바이오 연료 연구가 상대적으로 어려움을 겪었습니다. 그럼에도 불구하고 다양한 프로젝트가 에너지 부, 국방부, 국립 과학 재단, 농무부, 국립 연구소, 주정부 기금 및 민간 기금뿐만 아니라 다른 나라에서도 미국에서 자금을 지원 받았다. 최근에 2000 년대의 유가 상승은 조류 바이오 연료에 대한 관심의 부활을 촉발 시켰고 미국 연방 기금이 증가하였으며 호주, 뉴질랜드, 유럽, 중동 및 기타 지역에서 수많은 연구 프로젝트가 자금 지원되고 있으며 민간 기업의 물결이이 분야에 진입했습니다 (회사 참조). 2012 년 11 월 Solazyme과 Propel Fuels은 조류에서 추출한 연료를 최초로 소매 판매했으며 2013 년 3 월 Sapphire Energy는 Tesoro에 조류 바이오 연료를 상업적으로 판매하기 시작했습니다.
식품 보충제
조류 기름은 특히 EPA와 DHA와 같은 단 불포화 지방과 다중 불포화 지방을 함유하고있어 식품에서 지방산 보충의 원천으로 사용됩니다. 그것의 DHA 함량은 연어를 기본으로하는 어유의 양과 대략 같습니다.
연료
조류는 사용 된 세포의 기술과 부분에 따라 다양한 형태의 연료로 전환 될 수 있습니다. 지질 또는 조류 바이오 매스의 기름진 부분은 다른 식물성 기름에 사용 된 것과 유사한 과정을 통해 추출 및 바이오 디젤로 전환되거나 정유 공장에서 석유 기반 연료의 “드롭 인 (drop-in)”대체품으로 전환 될 수 있습니다. 대안으로 또는 지질 추출 후에, 조류의 탄수화물 함량은 바이오 에탄올 또는 부탄올 연료로 발효 될 수있다.
바이오 디젤
바이오 디젤은 동물성 또는 식물성 지질 (오일 및 지방)에서 추출한 디젤 연료입니다. 연구에 따르면 일부 종의 조류는 기름 형태로 건조 중량의 60 % 이상을 생산할 수 있습니다. 세포가 물, 이산화탄소 및 용해 된 영양물에보다 효율적으로 접근 할 수있는 수성 현탁액에서 자라기 때문에 미세 조류는 높은 비율의 조류 연못이나 광 생물 반응조에서 대량의 바이오 매스와 유용한 오일을 생산할 수 있습니다. 이 오일은 자동차 용으로 판매 될 수있는 바이오 디젤로 전환 될 수 있습니다. 미세 조류의 지역 생산과 바이오 연료로의 가공은 농촌 지역 사회에 경제적 이익을 제공 할 것입니다.
그들은 잎, 줄기 또는 뿌리 용 셀룰로오스와 같은 구조 화합물을 생산할 필요가 없으며 풍부한 영양 배지에서 번식 할 수 있기 때문에 미세 조류는 육식 작물보다 빠른 성장률을 나타낼 수 있습니다. 또한 이들은 바이오 매스의 훨씬 더 많은 부분을 기존의 작물보다 기름으로 전환 할 수 있습니다. 대두의 경우 60 % 대 2 ~ 3 %. 해조류의 단위 면적당 수확량은 지질 함량에 따라 58,700 ~ 136,900 L / ha / 년으로 추정되며, 이는 다음으로 높은 수확량 인 기름 야자의 5 ~ 950 L / ha / 년.
미 에너지 부 (Department of Energy)의 수생 종 프로그램 (Aquatic Species Program), 1978-1996 년은 미세 조류 (microalgae)의 바이오 디젤에 중점을 두었습니다. 최종 보고서는 바이오 디젤이 현재의 세계 디젤 사용을 대체 할만큼 충분한 연료를 생산할 수있는 유일한 방법이라고 제안했다. 해조류에서 유래 된 바이오 디젤이 연간 총 11 억 톤의 전통적인 디젤을 대체한다면, 5730 만 헥타르의 토지가 필요할 것이며 이는 다른 바이오 연료에 비해 매우 유리할 것이다.
바이오 부탄올
부탄올은 태양열로 구동되는 바이오 리파이너리만을 사용하여 조류 또는 규조류로 만들 수 있습니다. 이 연료는 가솔린보다 10 % 적은 에너지 밀도를 가지며 에탄올 또는 메탄올보다 에너지 밀도가 높습니다. 대부분의 가솔린 엔진에서 가솔린 대신에 부탄올을 사용할 수 있습니다. 몇 가지 테스트에서 부탄올 소비는 가솔린과 유사하며 가솔린과 혼합하면 에탄올이나 E85보다 우수한 성능과 내 부식성을 제공합니다.
해조류 추출에서 남은 녹색 폐기물은 부탄올 생산에 사용될 수 있습니다. 또한, 대구 류 (해조류)는 클로스 트리 디아 (Clostridia) 속 세균에 의해 부탄올 및 다른 용매로 발효 될 수 있음이 밝혀졌다.
바이오 가솔린
바이오 가솔린은 바이오 매스에서 생산되는 가솔린입니다. 전통적으로 생산 된 가솔린과 마찬가지로, 이는 분자 당 6 (헥산)과 12 (도데 칸) 탄소 원자를 포함하며 내부 연소 엔진에 사용될 수 있습니다.
메탄
천연 가스의 주성분 인 메탄은 가스화, 열분해 및 혐기성 소화와 같은 다양한 방법으로 조류에서 생산 될 수 있습니다. 가스화 및 열분해 방법에서 메탄은 고온 및 고압하에 추출됩니다. 혐기성 소화는 조류를 단순한 성분으로 분해 한 다음 산성 박테리아와 같은 미생물을 사용하여 지방산으로 변형시킨 다음 고체 입자를 제거하고 메탄 생성 박테리아를 추가하여 메탄을 함유 한 혼합 가스를 방출하는 간단한 방법입니다. 많은 연구에서 미세 조류에서 나온 바이오 매스가 혐기성 소화를 통해 바이오 가스로 전환 될 수 있음을 성공적으로 보여주었습니다. 따라서 미세 조류 재배 작업의 전반적인 에너지 균형을 개선하기 위해 혐기성 소화를 통해 메탄으로 전기를 생산하는 폐기물 바이오 매스에 함유 된 에너지를 회수하는 것이 제안되었다.
에탄올
멕시코 Sonora의 Puerto Libertad에있는 BioFields에서 상업화중인 Algenol 시스템은 에탄올을 생산하기 위해 바닷물과 산업용 배기 가스를 사용합니다. Porphyridium cruentum은 다량의 탄수화물 축적 능력 때문에 에탄올 생산에 잠재적으로 적합하다는 것을 보여 주었다.
녹색 디젤
조류는 분자를 디젤 엔진에서 사용되는 짧은 탄화수소 체인으로 분해하는 수소 처리 정제 공정을 통해 ‘그린 디젤'(재생 가능한 디젤, 수소 처리 식물성 오일 또는 수소 유도 재생 가능 디젤이라고도 함)을 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 그것은 석유 기반의 디젤과 동일한 화학적 성질을 가지므로, 새로운 엔진, 파이프 라인 또는 인프라를 배포하고 사용하지 않아도됩니다. 그것은 석유와 경쟁 할 수있는 비용으로 아직 생산되지 못했습니다. 수소 처리는 현재 탈 카르 복 실화 / 탈 카보 닐화를 통해 연료와 같은 탄화수소를 생산하는 가장 일반적인 경로이지만, 수소 처리에 비해 여러 가지 중요한 이점을 제공하는 대체 공정이 있습니다. 이와 관련하여 Crocker et al. 및 Lercher et al. 특히 주목할 가치가있다. 석유 정제의 경우, 탈 카르 복 실화에 의한 재생 가능한 연료의 촉매 전환에 대한 연구가 진행 중이다. 산소가 0.5 % 정도의 낮은 수준으로 원유에 존재하기 때문에, 석유 정제에서의 탈산 소화는 그리 중요하지 않으며, 산소화 수소 수소 처리를 위해 특별히 제조 된 촉매도 없다. 따라서 해조류 공정의 수소 탈산 소화를 경제적으로 실현할 수있는 중요한 기술적 과제 중 하나는 효과적인 촉매의 연구 및 개발과 관련이있다.
제트 연료
조류를 바이오 연료로 사용하는 시험은 조류를 제트 바이오 연료의 합리적인 출처로 사용하는 증거는 거의 없지만 2008 년 초 Lufthansa와 Virgin Airlines가 실시했습니다. 2015 년까지, 조류로부터의 지방산 메틸 에스테르 및 알 케논의 배양 Isochrysis는 가능한 제트 바이오 연료 공급 원료로서 연구 중이다.
2017 년 현재, 조류에서 제트 연료를 생산하는 데는 거의 진전이 없었으며, 2050 년까지는 조류에서 3 ~ 5 %의 연료만을 필요로 할 것으로 예측하고 있습니다. 또한 21 세기 초반에 형성된 조류 회사 조류 바이오 연료 산업은 화장품, 동물 사료 또는 특수 오일 제품과 같은 다른 필수품에 대한 사업 개발을 마감하거나 변경했습니다.
종
해조류와 같은 거대 조류와는 달리 미세 조류 (주로 규조류와 시아 노 박테리아를 포함하여 직경 0.4mm 미만의 광합성 능력을 가진 유기체)에 초점을 맞추고있다. 미세 조류에 대한 선호도는 구조가 덜 복잡하고 성장 속도가 빠르며 유분 함량이 높기 때문에 발생합니다 (일부 종의 경우). 그러나 바이오 연료를위한 해초 사용에 대한 연구가 진행되고 있는데, 아마도이 자원의 높은 가용성 때문일 것입니다.
2012 년 현재 전세계 여러 곳의 연구원들이 대규모 석유 생산자로서의 적합성을 위해 다음과 같은 수종을 조사하기 시작했습니다.
Botryococcus braunii
클로렐라
두 나리 엘라 (Dunaliella tertiolecta)
그라 칠리 아
Pleurochrysis carterae (CCMP647이라고도 함).
Sargassum, Gracilaria의 10 배 출력.
조류가 생산하는 오일의 양은 다양합니다. 다음과 같은 미세 조류 및 다양한 유분에 유의하십시오.
Ankistrodesmus TR-87 : 건조 중량의 28-40 %
Botryococcus braunii : 29-75 % dw
클로렐라 사 (Chlorella sp.) : 29 % dw
Chlorella protothecoides (독립 영양 / 종속 영양) : 15-55 % dw
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
Nannochloropsis와 바이오 연료
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
또한 Ulva는 높은 성장률로 인해 SOFT 사이클 (SOFT는 Solar Oxygen Fuel Turbine을 나타냄)에서 사용하기위한 연료로 조사되었습니다.이 시스템은 건조하고 아열대로 사용하기에 적합한 폐회로 발전 시스템입니다 지역.
다른 종으로는 Clostridium saccharoperbutylacetonicum, Sargassum, Gracilaria, Prymnesium parvum 및 Euglena gracilis가있다
양분과 성장 입력
빛은 해조류가 성장을 위해 주로 필요로하는 것이기 때문에 가장 제한적인 요소입니다. 많은 회사들이 인공 조명을 제공하기위한 시스템 및 기술을 개발하기 위해 투자하고 있습니다. 그 중 하나는 Helix BioReactor ™를 개발 한 OriginOil입니다. 회전하는 수직 축과 나선형으로 배열 된 저에너지 조명이 특징입니다. 수온은 또한 조류의 신진 대사와 번식률에 영향을 미친다. 수온이 낮아지면 대부분의 조류가 낮은 비율로 자라지 만, 방목하는 생물이 없기 때문에 조류 지역 사회의 바이오 매스가 커질 수 있습니다. 현재의 유속은 완만 한 증가는 영양염 섭취율과 경계층 확산 속도가 현재 속도에 따라 증가하기 때문에 조류 성장 속도에도 영향을 줄 수 있습니다.
빛과 물 이외에, 인, 질소 및 특정 미량 영양소도 성장 조류에 유용하고 필수적입니다. 질소와 인은 조류 생산성에 필요한 두 가지 가장 중요한 영양소이지만 탄소와 실리카와 같은 다른 영양소가 추가로 필요합니다. 필요한 영양소 중 인은 많은 대사 과정에서 사용되기 때문에 가장 필수적인 영양소 중 하나입니다. 미세 조류 D. tertiolecta는 어떤 영양소가 성장에 가장 큰 영향을 주는지 분석하기 위해 분석되었습니다. 인, 철, 코발트, 아연, 망간, 몰리브덴, 마그네슘, S) 농도는 ICP (Inductively Coupled Plasma) 분석을 사용하여 매일 측정되었습니다. 측정되는 모든 요소 중에서 인은 문화의 과정에서 84 %의 감소와 함께 가장 극적인 감소를 가져 왔습니다. 이 결과는 인의 형태로 인은 대사를 위해 모든 유기체에 의해 대량으로 필요하다는 것을 나타냅니다.
조류의 대부분의 종을 키우기 위해 광범위하게 사용 된 2 가지 농축 배지 : Walne 배지 및 Guillard의 F / 2 배지가 있습니다. 이러한 상업적으로 이용 가능한 영양 용액은 조류를 자라기 위해 필요한 모든 영양분을 준비하는 시간을 단축시킬 수 있습니다. 그러나 생성 과정이 복잡하고 비용이 비싸기 때문에 대규모 문화 운영에는 사용되지 않습니다. 따라서 조류의 대량 생산에 사용되는 농축 배지에는 실험실 등급의 비료보다는 농업용 등급의 비료 만 사용하는 가장 중요한 영양소가 포함되어 있습니다.
경작
조류는 식용 작물보다 훨씬 빨리 자랍니다. 유채, 손바닥, 콩 또는 자트로파 같은 전통적인 작물보다 단위 면적당 수백 배의 기름을 생산할 수 있습니다. 조류는 1-10 일의 수확주기를 가지고 있기 때문에, 재배로 인해 매우 짧은 시간 내에 여러 번의 수확이 가능합니다. 이는 연간 작물과 다른 전략입니다. 또한 조류는 과도한 염분 토양을 가진 건조한 땅과 육지를 포함한 육상 작물에 부적합한 땅에서 자라서 농업과의 경쟁을 최소화 할 수 있습니다. 조류 재배에 관한 대부분의 연구는 깨끗하지만 값 비싼 광 생물 반응조 또는 유지하기가 싸지만 오염되기 쉬운 개방형 연못에서 조류를 재배하는 데 초점을 맞추고 있습니다.
폐쇄 루프 시스템
조류의 대량 생산을 시작하는 데 필요한 장비와 구조물의 부족으로 인해 바이오 연료 생산을위한 조류의 대량 생산이 광범위하게 금지되었습니다. 기존 농업 공정 및 하드웨어의 최대 사용이 목표입니다.
닫힌 시스템 (야외에 노출되지 않음)은 공기로 날아가는 다른 생물체의 오염 문제를 방지합니다. 폐쇄 형 시스템의 문제점은 살균 된 CO2의 저렴한 공급원을 찾는 것입니다. 몇몇 실험가들은 굴뚝에서 나온 이산화탄소가 조류 성장에 잘 작용한다는 것을 발견했습니다. 경제적 측면에서 일부 전문가들은 바이오 연료를위한 해조류 양식은 폐열을 활용하고 오염을 흡수 할 수있는 열병합 발전의 일환으로 수행되어야한다고 생각합니다.
광 생물 반응기
바이오 연료의 원천으로 조류를 추구하는 대부분의 기업은 햇빛에 노출 된 플라스틱 또는 붕규산 유리 튜브 ( “바이오 리액터”라고 불리는)를 통해 영양이 풍부한 물을 펌핑합니다 (소위 photobioreactor 또는 PBR).
PBR을 운영하는 것은 열린 연못을 사용하는 것보다 어렵고 비용도 많이 들지 만 더 높은 수준의 제어 및 생산성을 제공 할 수 있습니다. 또한 photobioreactor는 연못이나 다른 방법보다 훨씬 쉽게 폐 루프 열병합 발전 시스템에 통합 될 수 있습니다.
열린 연못
개방형 연못 시스템은 단순한 외륜으로 구성되며, 종종 외륜으로 섞여 있습니다. 이 시스템은 폐쇄 루프 광 생물 반응기 시스템과 비교할 때 전력 요구 사항, 운영 비용 및 자본 비용이 낮습니다. 고가 조류 제품의 거의 모든 상업용 조류 생산자는 개방형 연못 시스템을 사용합니다.
터프 스크러버
조류 스크러버는 주로 조류 잔디를 사용하여 물에서 영양분과 오염 물질을 제거하기 위해 고안된 시스템입니다. ATS는 폐수 또는 자연 수원에서 영양이 풍부한 물을 섭취하고 경 사진 표면 위로 펄싱함으로써 자연 산호초의 조류 잔디를 모방합니다. 이 표면은 거친 플라스틱 멤브레인 또는 스크린으로 코팅되어 자연적으로 발생하는 해조류 포자가 정착되어 표면을 식민하게합니다. 조류가 확립되면 5 ~ 15 일마다 수확 할 수 있으며 해마다 1 헥타르 당 18 메트 릭 톤의 조류 바이오 매스를 생산할 수 있습니다. 조류의 단일 수확 종에 주로 초점을 맞추는 다른 방법과 달리,이 방법은 자연적으로 발생하는 조류의 다종 양식에 초점을 맞 춥니 다. 따라서 ATS 시스템에서 조류의 지질 함량은 일반적으로 낮아서 에탄올, 메탄 또는 부탄올과 같은 발효 된 연료 제품에 더 적합합니다. 반대로, 수확 된 조류는 바이오 디젤, 가솔린 및 제트 연료 생산을 가능하게하는 열수 액화 공정으로 처리 될 수 있습니다.
다른 시스템에 비해 ATS의 세 가지 주요 이점이 있습니다. 첫 번째 이점은 개방형 연못 시스템보다 생산성이 높다는 점입니다. 두 번째는 운영 및 연료 생산 비용이 낮습니다. 세 번째는 자연적으로 발생하는 조류 종에 대한 의존으로 인한 오염 문제의 제거이다. ATS 시스템의 에너지 생산에 대한 예상 비용은 kg 당 $ 3.50의 광 생물 반응기와 비교하여 kg 당 0.75 달러입니다. 또한 ATS의 주요 목적은 영양소와 오염 물질을 물에서 제거하고 이러한 비용이 다른 영양 물질 제거 방법보다 낮다는 사실로 인해 영양염 제거에 대한이 기술의 사용을 장려 할 수 있습니다. 추가 기능으로서 바이오 연료 생산이 주요 기능이다.
연료 생산
조류를 수확 한 후, 바이오 매스는 전형적으로 일련의 단계로 처리되며, 이는 종 및 원하는 생성물에 따라 달라질 수있다. 이것은 연구 활동 영역이자이 기술의 병목입니다. 추출 비용은 얻은 비용보다 높습니다. 해결책 중 하나는 필터 피더를 사용하여 먹는 것입니다. 개량 된 동물은 음식과 연료를 모두 제공 할 수 있습니다. 조류를 추출하는 또 다른 방법은 특정 유형의 진균류로 조류를 자라는 것입니다. 이것은 쉽게 추출을 허용 조류의 생물 flocculation가 발생합니다.
탈수
종종 조류가 탈수 된 다음 헥산과 같은 용매를 사용하여 건조 물질에서 트리 글리세 라이드와 같은 에너지가 풍부한 화합물을 추출합니다. 그런 다음 추출 된 화합물은 표준 산업 절차를 사용하여 연료로 처리 할 수 있습니다. 예를 들어, 추출 된 트리글리세리드는 메탄올과 반응하여 트랜스 에스테르 화를 통해 바이오 디젤을 생성합니다. 각 종의 고유 한 지방산 구성은 결과 바이오 디젤의 품질에 영향을 미치므로 공급 원료에 대한 조류 종을 선택할 때 반드시 고려해야합니다.
열수 액화
Hydrothermal 액화라고 불리는 다른 방법은 젖은 조류를 고온 및 고압 (350 ° C (662 ° F) 및 3,000 파운드 / in2 (21,000 kPa))으로 수확 한 연속 공정을 사용합니다.
제품에는 원유가 포함되며, 원유는 항공 연료, 휘발유 또는 디젤 연료로 한 번 또는 여러 번의 업그레이드 프로세스를 통해 추가로 정제 될 수 있습니다. 시험 과정은 조류의 탄소 중 50 ~ 70 %를 연료로 전환 시켰습니다. 다른 산출물에는 깨끗한 물, 연료 가스 및 질소, 인, 칼륨과 같은 영양분이 포함됩니다.
영양소
질소 (N), 인 (P), 칼륨 (K)과 같은 영양소는 식물 성장에 중요하며 비료의 필수적인 부분입니다. 실리카와 철은 몇 가지 미량 원소뿐만 아니라 중요한 해양 영양물로 간주 될 수 있습니다. 부족한 부분이 생장이나 생산성을 제한 할 수 있기 때문입니다.
이산화탄소
조류 재배 시스템을 통한 이산화탄소의 버블 링은 생산성과 수율을 크게 증가시킬 수 있습니다 (포화 점까지). 전형적으로 조류 생물 종에 따라 다르지만 생성되는 조류 바이오 매스 (건조) 1 톤당 약 1.8 톤의 CO2가 이용 될 것이다. 유명한 그 라우스 위스키 (The Grouse Whiskey)의 본거지 인 영국의 퍼스 셔 (Perthshire)에 위치한 Glenturret Distillery는 마이크로 알레 바이오 리액터를 통해 위스키 증류를 통해 만들어진 이산화탄소를 여과합니다. 미세 조류 1 톤 당 2 톤의 이산화탄소를 흡수합니다. 이 프로젝트를 수행 한 스코틀랜드 바이오 에너지 (Scottish Bioenergy)는 마이크로 벌레를 어류에 단백질을 많이 함유하는 고가의 음식으로 판매합니다. 앞으로 그들은 혐기성 소화를 통해 재생 에너지를 생산하기 위해 조류 잔류 물을 사용할 것입니다.
질소
질소는 조류 성장에 활용 될 수있는 중요한 기질입니다. 질소의 다양한 소스는 다양한 용량의 조류에 대한 영양분으로 사용될 수 있습니다. 재배 된 바이오 매스의 양과 관련하여 질산염이 질소의 바람직한 공급원으로 판명되었다. 우레아는 쉽게 얻을 수있는 출처로 비슷한 결과를 보여 주므로 대규모의 조류 배양에서 질소원을 경제적으로 대체 할 수 있습니다. 질소가없는 배지에 비해 성장이 명백히 증가 했음에도 불구하고, 질소 수준의 변화는 조류 세포 내의 지질 함량에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 한 연구에서 72 시간 동안의 질소 박탈은 총 지방산 함량 (세포 당 기준)을 2.4 배 증가 시켰습니다. 초기 지방산과 비교했을 때 전체 지방산의 65 %가 유분의 트리 아실 글리세 라이드로 에스테르 화되어 조류 세포가 지방산의 새로운 합성을 이용함을 나타냅니다. 조류 세포의 지질 함량이 충분한 세포 분열 시간을 유지하면서 충분한 양으로 존재해야하기 때문에, 둘 다 최대화 할 수있는 매개 변수가 조사 중입니다.
폐수
가능한 영양원은 현재 모든 주요 오염 물질과 건강 위험 요소 인 하수, 농경지 또는 범람 범람의 처리로 인한 폐수입니다. 그러나이 폐수는 조류에 직접 먹이를 줄 수 없으며 혐기성 소화를 통해 박테리아가 먼저 처리해야합니다. 폐수가 조류에 도달하기 전에 폐수가 처리되지 않으면 반응기의 조류를 오염시킬 것이고, 최소한 원하는 조류의 대부분을 죽일 것이다. 바이오 가스 시설에서 유기 폐기물은 종종 이산화탄소, 메탄 및 유기 비료의 혼합물로 전환됩니다. 소화조에서 나오는 유기질 비료는 액체이며 해조류 성장에 거의 적합하지만 먼저 세척하고 멸균해야합니다.
담수 대신에 폐수와 해양 수를 활용하는 것은 담수 자원의 고갈 지속으로 강력하게지지되고있다. 그러나 폐수의 중금속, 미량 금속 및 기타 오염 물질은 세포가 지질을 생합성 적으로 생산하는 능력을 감소시킬 수 있으며 세포의 기계에서 다양한 다른 작용에도 영향을 줄 수 있습니다. 해양 용수도 마찬가지이지만 오염 물질은 다른 농도로 발견됩니다. 따라서 농업용 비료가 영양소의 선호되는 원천이지만 중금속은 특히 이러한 금속에 취약한 조류의 균주에 대한 문제입니다. 개방형 연못 시스템에서는 고농축 중금속을 처리 할 수있는 조류의 변종을 사용하면 다른 생물체가 이러한 시스템에 감염되는 것을 방지 할 수 있습니다. 경우에 따라서는 조류의 균주가 산업 폐수에서 니켈과 아연의 90 % 이상을 비교적 짧은 기간에 제거 할 수있는 것으로 나타났습니다.
환경 적 영향
옥수수 나 콩과 같은 육상 기반의 바이오 연료 작물과 비교할 때, 미세 조류 생산은 다른 모든 작물보다 미세 조류로부터의 높은 석유 생산성으로 인해 훨씬 덜 중요한 토지 발자국을 가져옵니다. 해조류는 또한 일반 작물에 쓸모가없고 보전 가치가 낮은 한계 지역에서 재배 될 수 있으며, 농업이나 음주에 유용하지 않은 소금 대수층의 물을 사용할 수 있습니다. 해조류는 또한 가방 표면이나 떠 다니는 스크린으로 바다 표면에서 자랄 수 있습니다. 따라서 미세 조류는 적절한 식량과 물의 공급 또는 생물 다양성의 보전에 거의 영향을주지 않으면 서 깨끗한 에너지 원을 제공 할 수있다. 조류 재배에서는 살충제 또는 제초제에 대한 외부 보조금이 필요 없으며 관련 살충제 폐기물을 발생시킬 위험이 없습니다. 또한, 조류 바이오 연료는 유독성이 훨씬 적으므로 석유 기반 연료보다 훨씬 쉽게 분해됩니다. 그러나, 가연성 연료의 인화성으로 인해, 열차 탈선이나 파이프 라인 누출시 발생할 수있는 점화 또는 유출이 발생할 경우 환경 적 위험이 발생할 수 있습니다. 이 위험은 화석 연료에 비해 감소한다. 왜냐하면 해조류 바이오 연료가보다 국지화 된 방식으로 생산 될 수 있고 독성이 낮기 때문이다. 그럼에도 불구하고 여전히 위험은 여전히 존재한다. 따라서 해조류 바이오 연료는 운송 및 사용시 석유 연료와 유사한 방식으로 취급되어야하며 항상 충분한 안전 조치를 취해야합니다.
연구에 따르면 바이오 연료와 같은 재생 가능한 에너지 원으로 화석 연료를 대체 할 경우 CO2 배출량을 최대 80 %까지 줄일 수 있습니다. 조류 기반 시스템은 태양 광이 이용 가능할 때 발전소에서 배출되는 CO2의 약 80 %를 포획 할 수 있습니다. 이 CO2는 나중에 연료가 연소 될 때 대기로 배출되지만,이 CO2는 상관없이 대기에 유입됩니다. 그러므로 총 CO2 배출량을 줄일 수있는 가능성은 화석 연료에서 이산화탄소가 배출되는 것을 방지하는 데있다. 또한, 디젤 및 석유와 같은 연료에 비해 심지어 다른 바이오 연료 원과 비교하여 조류 바이오 연료의 생산 및 연소는 황 산화물 또는 아산화 질소를 생성하지 않으며 일산화탄소, 미 연소 탄화수소 및 환원 된 탄화수소의 양을 감소시킵니다 다른 유해한 오염 물질의 배출. 생물 연료 생산의 육상 식물 공급원은 단순히 현재의 에너지 요구량을 충족시킬 수있는 생산 능력을 갖지 않기 때문에 미세 조류는 화석 연료를 완전히 대체하는 유일한 방법 중 하나 일 수 있습니다.
Microalgae 생산은 식염수 낭비 또는 폐기물 CO2 흐름을 에너지 원으로 사용하는 능력도 포함합니다. 폐수 처리와 함께 바이오 연료를 생산하는 새로운 전략을 수립하고 부산물로서 깨끗한 물을 생산할 수 있습니다. 미세 조류 생물 반응기에서 사용될 때, 수확 된 미세 조류는 유기 화합물뿐만 아니라 표면 및 지하수로 직접 배출되는 폐수 스트림으로부터 흡수 된 중금속 오염 물질을 상당량 포집합니다. 게다가이 과정은 자연에서 본질적이지만 희소 한 요소 인 폐기물에서 인의 회수를 가능케합니다. 그 저장 물질은 지난 50 년 동안 고갈 된 것으로 추정됩니다. 또 다른 가능성은 해조류 제거기 (ATS)로 알려진 시스템에서 비점 오염원을 정화하기위한 조류 생산 시스템의 사용이다. 이것은 부영양화에 의해 영향을받는 강과 다른 대규모 수역에서 질소와 인 수준을 낮추는 것으로 입증되었으며 하루에 1 억 1000 만 리터의 물을 처리 할 수있는 시스템이 건설 중입니다. ATS는 또한 위에서 언급 한 폐수와 같은 점 오염원을 처리하거나 가축 폐수를 처리하는 데 사용할 수 있습니다.