Водоросли

Водоросли, биотопливо, водоросли или водоросли являются альтернативой жидким ископаемым топливам, которые используют водоросли в качестве источника энергосберегающих масел. Кроме того, водорослевое топливо является альтернативой общеизвестным источникам биотоплива, таким как кукуруза и сахарный тростник. Несколько компаний и государственные учреждения финансируют усилия по сокращению капитальных и эксплуатационных расходов и делают производство топлива из водорослей коммерчески жизнеспособным. Как и ископаемое топливо, водоросли выделяют CO2 при сжигании, но, в отличие от ископаемого топлива, водорослевое топливо и другие биотоплива выпускают только CO2, недавно удаленный из атмосферы с помощью фотосинтеза по мере роста водорослей или растений. Энергетический кризис и мировой продовольственный кризис вызвали интерес к альгакультуре (фермерским водорослям) для производства биодизеля и других видов биотоплива с использованием земли, непригодной для сельского хозяйства. Среди привлекательных характеристик водорослей — это то, что их можно выращивать с минимальным воздействием на ресурсы пресной воды, они могут быть получены с использованием солевого раствора и сточных вод, имеют высокую температуру вспышки и являются биологически разлагаемыми и относительно безвредными для окружающей среды, если они пролились. Водоросли стоят больше на единицу массы, чем другие культуры биотоплива второго поколения из-за высоких капитальных и эксплуатационных расходов, но, как утверждается, дают от 10 до 100 раз больше топлива на единицу площади. По оценкам Министерства энергетики Соединенных Штатов, если бы водорослевое топливо заменило все нефтяное топливо в Соединенных Штатах, это потребовало бы 15 000 квадратных миль (39 000 км2), что составляет всего 0,42% от карты США или около половины площади суши Мэн. Это меньше, чем 1/7 площади кукурузы, собранной в Соединенных Штатах в 2000 году.

Руководитель организации биогазовой водоросли Алгала заявил в 2010 году, что водорослевое топливо может достичь паритета цены с нефтью в 2018 году, если будет предоставлено налоговое кредитование на производство. Однако в 2013 году председатель и главный исполнительный директор Exxon Mobil Рекс Тиллерсон заявил, что после того, как компания потратила до $ 600 млн в течение 10 лет на развитие совместного предприятия с синтетической геномикой Дж. Крейга Вентера в 2009 году, Exxon отступил через четыре года (и 100 долларов США) миллион), когда он понял, что водорослевое топливо «вероятно, дальше», чем на 25 лет от коммерческой жизнеспособности. С другой стороны, Solazyme, Sapphire Energy и Algenol, в частности, начали коммерческую продажу биотоплива на водорослях в 2012 и 2013 годах и 2015 году, соответственно. К 2017 году большинство усилий было отменено или изменено на другие приложения, и осталось всего несколько.

история
В 1942 году Хардер и фон Витч первыми предложили выращивать микроводоросли как источник липидов для продуктов питания или топлива. После Второй мировой войны в США, Германии, Японии, Англии и Израиле начались исследования по методам культивирования и инженерным системам выращивания микроводорослей в больших масштабах, особенно видов в роде Chlorella. Между тем, HG Aach показал, что Chlorella pyrenoidosa может быть вызвана голодом азота, чтобы накопить до 70% его сухой массы в виде липидов. Поскольку потребность в альтернативном транспортном топливе сократилась после Второй мировой войны, исследования в это время были сосредоточены на выращивании водорослей в качестве источника пищи или, в некоторых случаях, для очистки сточных вод.

Интерес к применению водорослей для биотоплива возобновился во время нефтяного эмбарго и роста цен на нефть в 1970-х годах, что привело к тому, что Министерство энергетики США начало программу по водным видам в 1978 году. Программа водных видов использовала 25 миллионов долларов в течение 18 лет с целью разработки жидкого транспортного топлива из водорослей, которое было бы конкурентоспособным по цене с нефтепродуктами. В рамках исследовательской программы основное внимание уделялось культивированию микроводорослей в открытых открытых прудах, которые являются недорогими, но уязвимыми для экологических нарушений, таких как температурные колебания и биологические инвазии. Было собрано 3000 штаммов водорослей со всей страны и проведено скрининг на предмет желательных свойств, таких как высокая продуктивность, содержание липидов и термальная толерантность, а наиболее перспективные штаммы были включены в коллекцию микроводорослей SERI в Исследовательском институте солнечной энергии (SERI) в Golden, Колорадо и используется для дальнейших исследований. Среди наиболее значительных результатов программы было то, что быстрый рост и высокое производство липидов были «взаимоисключающими», поскольку первые требовали высоких питательных веществ, а последний требовал низких питательных веществ. В заключительном докладе было указано, что генная инженерия может потребоваться для преодоления этого и других естественных ограничений штаммов водорослей и что идеальные виды могут варьироваться в зависимости от места и сезона. Несмотря на то, что было успешно продемонстрировано, что крупномасштабное производство водорослей для топлива в открытых прудах было осуществимо, программа не смогла сделать это по цене, которая была бы конкурентоспособной с нефтью, особенно, поскольку цены на нефть снизились в 1990-х годах. Даже в лучшем случае было оценено, что неэкстрагированное масло из водорослей обойдется в 59-186 долларов за баррель, а в 1995 году стоимость нефти составит менее 20 долларов за баррель. Поэтому в условиях бюджетного давления в 1996 году была отменена Программа по водным видам.

Другие вклады в исследования биогаза водорослей косвенно коснулись проектов, направленных на различные применения водорослевых культур. Например, в 1990-х годах Японский научно-исследовательский институт инновационной технологии для Земли (RITE) реализовал исследовательскую программу с целью разработки систем для исправления CO2 с использованием микроводорослей. Хотя целью было не производство энергии, в нескольких исследованиях, проведенных RITE, было показано, что водоросли можно выращивать с использованием дымовых газов с электростанций в качестве источника CO2, что является важным развитием исследований биогаза водорослей. Другие работы, посвященные сбору газообразного водорода, метана или этанола из водорослей, а также пищевым добавкам и фармацевтическим соединениям, также помогли провести исследование по производству биотоплива из водорослей.

После расформирования Программы по водным видам в 1996 году наблюдалось относительное затишье в исследованиях биотоплива в водорослей. Тем не менее, различные проекты финансировались в США Департаментом энергетики, Министерством обороны, Национальным научным фондом, Департаментом сельского хозяйства, Национальными лабораториями, государственным финансированием и частным финансированием, а также в других странах. В последнее время рост цен на нефть в 2000-х годах вызвал оживление интереса к биотопливу на водорослях, а федеральные фонды США увеличились, многочисленные исследовательские проекты финансируются в Австралии, Новой Зеландии, Европе, на Ближнем Востоке и в других частях мира и волна частных компаний вышла на поле (см. компании). В ноябре 2012 года Solazyme и Propel Fuels сделали первые розничные продажи топлива, полученного из водорослей, а в марте 2013 года Sapphire Energy начала коммерческие продажи биотоплива на водорослях в Тесоро.

Пищевые добавки
Алгальное масло используется как источник добавок жирных кислот в пищевых продуктах, поскольку оно содержит моно- и полиненасыщенные жиры, в частности, EPA и DHA. Его содержание DHA примерно эквивалентно содержанию рыбьего жира на лососе.

Топлива
Водоросли могут быть преобразованы в различные виды топлива, в зависимости от техники и части используемых клеток. Липид или масляную часть биомассы водорослей можно экстрагировать и превращать в биодизель в процессе, аналогичном способу, используемому для любого другого растительного масла, или превращать на нефтеперерабатывающем заводе в «каплевые» замены для нефтяных топлив. Альтернативно или после экстракции липидов углеводное содержание водорослей может быть ферментировано в биоэтаноле или бутанольном топливе.

Биодизель
Биодизель — это дизельное топливо, полученное из липидов животных или растений (масла и жиры). Исследования показали, что некоторые виды водорослей могут давать 60% или более своего сухого веса в виде масла. Поскольку клетки растут в водной суспензии, где они имеют более эффективный доступ к воде, СО2 и растворенным питательным веществам, микроводоросли способны продуцировать большое количество биомассы и пригодного для использования масла в высокоскоростных водорослевых прудах или фотобиореакторах. Затем это масло можно превратить в биодизель, который можно продать для использования в автомобилях. Региональное производство микроводорослей и переработка в биотопливо обеспечит экономические выгоды для сельских общин.

Поскольку они не должны создавать структурные соединения, такие как целлюлоза для листьев, стеблей или корней, и поскольку их можно выращивать, плавая в богатой питательной среде, микроводоросли могут иметь более высокие темпы роста, чем наземные культуры. Кроме того, они могут превращать гораздо более высокую долю своей биомассы в нефть, чем обычные культуры, например 60% против 2-3% для соевых бобов. По оценкам, на единицу площади урожая нефти из водорослей составляет от 58,700 до 136,900 л / га в год, в зависимости от содержания липидов, что в 10-23 раза выше, чем следующая самая высокая урожайность, масличная пальма, при 5 950 л / га / год.

В Программе водных видов спорта США, 1978-1996 годы, основное внимание уделялось биодизелю из микроводорослей. В заключительном докладе было указано, что биодизель может быть единственным жизнеспособным методом, позволяющим производить достаточное количество топлива для замены нынешнего мирового использования дизельного топлива. Если бы биодизель, полученный из водорослей, должен был заменить ежегодное мировое производство 1,1 млрд. Тонн обычного дизельного топлива, тогда потребуется земельная масса в 57,3 млн. Гектаров, что было бы весьма выгодно по сравнению с другими видами биотоплива.

Биобутанол
Бутанол может быть изготовлен из водорослей или диатомовых водорослей с использованием только биоресурсов на солнечной энергии. Это топливо имеет плотность энергии на 10% меньше, чем бензин, и больше, чем у этанола или метанола. В большинстве бензиновых двигателей бутанол можно использовать вместо бензина без каких-либо модификаций. В нескольких тестах потребление бутанола аналогично потреблению бензина, а при смешивании с бензином обеспечивает лучшую производительность и коррозионную стойкость, чем у этанола или E85.

Зеленые отходы, оставшиеся от экстракции водорослей, могут быть использованы для производства бутанола. Кроме того, было показано, что макроводоросли (водоросли) могут быть ферментированы бактериями рода Clostridia до бутанола и других растворителей.

Биобензин
Биогазолин — это бензин, полученный из биомассы. Как и традиционно производимый бензин, он содержит между 6 (гексаном) и 12 (додекановыми) атомами углерода на молекулу и может использоваться в двигателях внутреннего сгорания.

метан
Метан, основная составляющая природного газа, может быть получена из водорослей различными способами, а именно газификацией, пиролизом и анаэробным расщеплением. В методах газификации и пиролиза метан экстрагируется при высоких температурах и давлении. Анаэробное расщепление является прямым методом, связанным с разложением водорослей на простые компоненты, а затем превращением его в жирные кислоты с использованием микробов, таких как ацидогенные бактерии, с последующим удалением любых твердых частиц и, наконец, добавлением метаногенных бактерий для выпуска газовой смеси, содержащей метан. В ряде исследований успешно показано, что биомасса микроводорослей может быть превращена в биогаз путем анаэробного сбраживания. Поэтому для улучшения общего энергетического баланса операций по выращиванию микроводорослей было предложено восстановить энергию, содержащуюся в биомассе отходов, путем анаэробного переваривания до метана для выработки электроэнергии.

Этиловый спирт
Система Algenol, которая коммерциализируется BioFields в Пуэрто-Либертаде, Сонора, Мексика, использует морскую воду и промышленные выхлопы для производства этанола. Porphyridium cruentum также показал, что он потенциально подходит для производства этанола из-за его способности аккумулировать большое количество углеводов.

Зеленый дизель
Водоросли могут использоваться для производства «зеленого дизельного топлива» (также известного как возобновляемое дизельное топливо, гидроочистительное растительное масло или водородный возобновляемый дизель) посредством процесса гидроочистки нефтеперерабатывающего завода, который разбивает молекулы на более короткие углеводородные цепи, используемые в дизельных двигателях. Он обладает такими же химическими свойствами, как дизель на нефтяной основе, что означает, что для распределения и использования не требуются новые двигатели, трубопроводы или инфраструктура. Он еще должен производиться по цене, конкурентоспособной с нефтью. Хотя гидроочистка в настоящее время является наиболее распространенным путем получения топливных углеводородов путем декарбоксилирования / декарбонилирования, существует альтернативный процесс, предлагающий ряд важных преимуществ перед гидроочисткой. В этой связи работа Крокера и др. и Lercher et al. особенно примечательно. Для нефтепереработки проводятся исследования по каталитической конверсии возобновляемых видов топлива путем декарбоксилирования. Поскольку кислород присутствует в сырой нефти при довольно низких уровнях, порядка 0,5%, дезоксигенирование при нефтепереработке не вызывает особой озабоченности, и ни один катализатор специально не готовят для гидроочистки оксигенатов. Следовательно, одна из важнейших технических проблем, связанных с тем, чтобы сделать гидродезоксигенирование процесса водорослей экономически осуществимым, связана с исследованием и разработкой эффективных катализаторов.

Реактивное топливо
Испытания использования водорослей в качестве биотоплива были проведены Lufthansa и Virgin Airlines уже в 2008 году, хотя мало доказательств того, что использование водорослей является разумным источником для биотоплива с реактивным топливом. К 2015 году культивирование метиловых эфиров жирных кислот и алкенов из водорослей Isochrysis было исследовано как возможное сырье для биотоплива.

По состоянию на 2017 год был достигнут небольшой прогресс в производстве реактивного топлива из водорослей с прогнозом, что к 2050 году из водорослей можно было бы обеспечить от 3 до 5% потребностей в топливе. Кроме того, водоросли, которые образовались в начале XXI века в качестве основы для индустрия биотоплива водорослей либо закрыла, либо изменила свое развитие бизнеса по отношению к другим товарам, таким как косметика, корм для животных или специальные нефтепродукты.

вид
Исследования водорослей для массового производства нефти сосредоточены главным образом на микроводорослеях (организмы, способные к фотосинтезу диаметром менее 0,4 мм, включая диатомовые и цианобактерий), в отличие от макроводорослей, таких как морские водоросли. Предпочтение микроводорослей вызвано главным образом их менее сложной структурой, быстрыми темпами роста и высоким содержанием масла (для некоторых видов). Тем не менее, некоторые исследования проводятся с использованием морских водорослей для биотоплива, вероятно, из-за высокой доступности этого ресурса.

С 2012 года исследователи из разных мест по всему миру начали исследовать следующие виды для их пригодности в качестве масляных производителей нефти:

Botryococcus braunii
Хлорелла
Dunaliella tertiolecta
Gracilaria
Pleurochrysis carterae (также называемый CCMP647).
Sargassum, с 10-кратным выходным объемом Gracilaria.

Количество масла, которое производит каждый штамм водорослей, сильно варьируется. Обратите внимание на следующие микроводоросли и их различные нефтепродукты:

Ankistrodesmus TR-87: сухая масса 28-40%
Botryococcus braunii: 29-75% dw
Chlorella sp .: 29% dw
Chlorella protothecoides (автотрофный / гетеротрофный): 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
Nannochloropsis и биотопливо
Neochloris oleoabundans: 35-54% dw
Nitzschia TR-114: 28-50% dw
Phaeodactylum tricornutum: 31% dw
Scenedesmus TR-84: 45% dw
Шизохитрий 50-77% dw
Stichococcus: 33 (9-59)% dw
Tetraselmis suecica: 15-32% dw
Thalassiosira pseudonana: (21-31)% dw

Кроме того, благодаря высокой скорости роста Ульва исследовалась как топливо для использования в SOFT-цикле (SOFT означает солнечную кислородную топливную турбину), замкнутую систему выработки энергии, пригодную для использования в засушливых, субтропических регионы.

Другие используемые виды включают Clostridium saccharoperbutylacetonicum, Sargassum, Gracilaria, Prymnesium parvum и Euglena gracilis

Питательные вещества и факторы роста
Свет — это то, что водоросли в первую очередь нуждаются в росте, поскольку это наиболее ограничивающий фактор. Многие компании инвестируют средства для разработки систем и технологий для обеспечения искусственного освещения. Одним из них является OriginOil, который разработал Helix BioReactorTM, который оснащен вращающимся вертикальным валом с низкоэнергетическими лампами, расположенными в виде спирали. Температура воды также влияет на метаболические и репродуктивные показатели водорослей. Хотя большинство водорослей растут с низкой скоростью, когда температура воды снижается, биомасса водорослевых сообществ может стать крупной из-за отсутствия выпасных организмов. Небольшое увеличение скорости потока воды может также влиять на темпы роста водорослей, поскольку скорость поглощения питательных веществ и диффузия пограничного слоя возрастают с увеличением скорости течения.

Помимо света и воды, фосфор, азот и некоторые микроэлементы также полезны и важны для выращивания водорослей. Азот и фосфор являются двумя наиболее важными питательными веществами, необходимыми для продуктивности водорослей, но также необходимы другие питательные вещества, такие как углерод и диоксид кремния. Из необходимых питательных веществ фосфор является одним из наиболее важных, так как он используется в многочисленных метаболических процессах. Были проанализированы микроводоросли D. tertiolecta, чтобы выяснить, какое питательное вещество влияет на его рост больше всего. Концентрации фосфора (P), железа (Fe), кобальта (Co), цинка (Zn), марганца (Mn) и молибдена (Mo), магния (Mg), кальция (Ca), кремния (Si) и серы ( S) измеряли ежедневно с использованием анализа индуктивно связанной плазмы (ICP). Среди всех этих элементов, измеряемых, фосфор привел к наиболее резкому снижению, причем на 84% в течение культуры. Этот результат указывает на то, что фосфор в виде фосфата требуется в больших количествах всеми организмами для метаболизма.

Существуют две обогатительные среды, которые широко используются для выращивания большинства видов водорослей: среды Уолн и среды F / 2 Гилларда. Эти коммерчески доступные питательные растворы могут сократить время для приготовления всех питательных веществ, необходимых для выращивания водорослей. Однако из-за их сложности в процессе генерации и высокой стоимости они не используются для крупномасштабных операций в области культуры. Поэтому обогатительные среды, используемые для массового производства водорослей, содержат только самые важные питательные вещества с удобрениями сельскохозяйственного назначения, а не лабораторными удобрениями.

возделывание
Водоросли растут гораздо быстрее, чем продовольственные культуры, и могут производить в сотни раз больше нефти на единицу площади, чем обычные культуры, такие как рапс, ладони, соевые бобы или ятрофа. Поскольку водоросли имеют цикл сбора урожая в течение 1-10 дней, их культивация позволяет проводить несколько урожаев в очень короткие сроки, что отличается от стратегии, связанной с однолетними культурами. Кроме того, водоросли можно выращивать на суше, непригодной для наземных культур, включая засушливые земли и земли с чрезмерно засоленной почвой, что сводит к минимуму конкуренцию с сельским хозяйством. Большинство исследований по выращиванию водорослей сосредоточено на выращивании водорослей в чистых, но дорогостоящих фотобиореакторах или в открытых прудах, которые дешевы для поддержания, но подвержены загрязнению.

Замкнутая система
Отсутствие оборудования и структур, необходимых для начала выращивания водорослей в больших количествах, препятствует широкомасштабному массовому производству водорослей для производства биотоплива. Целью является максимальное использование существующих сельскохозяйственных процессов и оборудования.

Закрытые системы (не подверженные воздействию открытого воздуха) избегают проблемы загрязнения другими организмами, взорванными воздухом. Проблема для закрытой системы заключается в поиске дешевого источника стерильного СО2. Несколько экспериментаторов обнаружили, что CO2 из дымовой трубы хорошо работает для выращивания водорослей. По соображениям экономии некоторые эксперты считают, что водоросли для производства биотоплива должны быть сделаны как часть когенерации, где она может использовать отработанное тепло и способствовать поглощению загрязнения.

фотобиореакторах
Большинство компаний, преследующих водоросли как источник биотоплива, питаются питательными веществами, богатыми питательными веществами, через пластиковые или боросиликатные стеклянные трубки (так называемые «биореакторы»), которые подвергаются воздействию солнечного света (и так называемые фотобиореакторы или PBR).

Запуск PBR сложнее, чем использование открытого пруда, и более дорогостоящий, но может обеспечить более высокий уровень контроля и производительности. Кроме того, фотобиореактор может быть интегрирован в систему когенерации с замкнутым контуром намного легче, чем пруды или другие методы.

Открытый пруд
Открытые прудовые системы состоят из простых в подземных прудах, которые часто смешиваются лопастным колесом. Эти системы имеют низкую потребляемую мощность, эксплуатационные расходы и капитальные затраты по сравнению с фотобиореакторными системами с замкнутым контуром. Почти все производители коммерческих водорослей для высокоценных водорослевых продуктов используют открытые прудовые системы.

Турборубка
Вольфрамовый скруббер — это система, предназначенная в первую очередь для очистки питательных веществ и загрязняющих веществ из воды с использованием водорослевых дерн. ATS имитирует водорослевые дерны естественного кораллового рифа, принимая богатую питательными веществами воду из потоков отходов или природных источников воды и пульсируя ее по наклонной поверхности. Эта поверхность покрыта грубой пластиковой мембраной или экраном, что позволяет естественным спорам водорослей оседать и колонизировать поверхность. Как только водоросли будут созданы, его можно собирать каждые 5-15 дней и производить 18 миллионов тонн биомассы водорослей на гектар в год. В отличие от других методов, которые фокусируются прежде всего на одном высокопродуктивном виде водорослей, этот метод фокусируется на естественных поликультурах водорослей. Таким образом, содержание липидов в водорослей в системе ОВД обычно ниже, что делает его более подходящим для ферментированного топливного продукта, такого как этанол, метан или бутанол. С другой стороны, собранные водоросли можно обрабатывать гидротермическим процессом сжижения, что позволило бы получать биодизель, бензин и производство реактивного топлива.

Существует три основных преимущества ATS над другими системами. Первым преимуществом является более высокая производительность по сравнению с системами открытых прудов. Второй — более низкие эксплуатационные расходы и затраты на производство топлива. В-третьих, устранение проблем загрязнения из-за зависимости от естественных видов водорослей. Прогнозируемые затраты на производство энергии в системе ОВД составляют 0,75 долл. США / кг по сравнению с фотобиореактором, стоимость которого составит 3,50 долл. США / кг. Кроме того, из-за того, что основная цель ОВД заключается в удалении питательных веществ и загрязняющих веществ из воды, и эти затраты, как было показано, ниже, чем другие методы удаления питательных веществ, это может стимулировать использование этой технологии для удаления питательных веществ в качестве основной функцией, а производство биотоплива является дополнительным преимуществом.

Производство топлива
После сбора водорослей биомасса обычно обрабатывается в несколько этапов, которые могут различаться в зависимости от вида и желаемого продукта; это активная область исследований, а также является узким местом этой технологии: стоимость извлечения выше, чем полученная. Одним из решений является использование фильтрующих фидеров для их «съедания». Улучшенные животные могут обеспечить как продукты питания, так и топливо. Альтернативным методом для извлечения водорослей является выращивание водорослей с определенными типами грибов. Это приводит к биофлокуляции водорослей, что позволяет облегчить извлечение.

дегидратация
Часто водоросли дегидратируют, а затем растворитель, такой как гексан, используют для извлечения богатых энергией соединений, таких как триглицериды из высушенного материала. Затем экстрагированные соединения могут быть переработаны в топливо с использованием стандартных промышленных процедур. Например, экстрагированные триглицериды подвергают взаимодействию с метанолом для получения биодизеля путем переэтерификации. Уникальный состав жирных кислот каждого вида влияет на качество получаемого биодизеля и поэтому должен учитываться при выборе видов водорослей для сырья.

Гидротермальное сжижение
В альтернативном подходе, называемом гидротермальным сжижением, используется непрерывный процесс, который подвергает заготовку влажных водорослей воздействию высоких температур и давлений — 350 ° C (662 ° F) и 3000 фунтов на квадратный дюйм (21 000 кПа).

Продукты включают сырую нефть, которая может быть дополнительно усовершенствована в авиационное топливо, бензин или дизельное топливо с использованием одного или многих процессов модернизации. Процесс испытания превратил от 50 до 70 процентов углерода водорослей в топливо. Другие результаты включают чистую воду, топливный газ и питательные вещества, такие как азот, фосфор и калий.

Питательные вещества
Питательные вещества, такие как азот (N), фосфор (P) и калий (K), важны для роста растений и являются важными компонентами удобрения. Силикагель и железо, а также несколько микроэлементов также могут считаться важными морскими питательными веществами, поскольку отсутствие одного может ограничить рост или продуктивность в районе.

Углекислый газ
Бурение CO2 через системы культивирования водорослей может значительно повысить производительность и урожайность (до точки насыщения). Как правило, около 1,8 т CO2 будет использоваться на тонну биомассы водорослей (сухой), хотя это зависит от видов водорослей. Ликеро-водочный завод Glenturret в Пертшире, Великобритания, является домом для знаменитого виски Grouse — перколят CO2, произведенный во время перегонки виски через биореактор микроводорослей. Каждая тонна микроводорослей поглощает две тонны CO2. Scottish Bioenergy, которые управляют проектом, продают микроводоросли в качестве высокой ценности, богатой белками пищи для рыболовства. В будущем они будут использовать остатки водорослей для производства возобновляемой энергии путем анаэробного сбраживания.

азот
Азот — ценный субстрат, который можно использовать в выращивании водорослей. Различные источники азота могут использоваться в качестве питательного вещества для водорослей с различными способностями. Было обнаружено, что нитрат является предпочтительным источником азота в отношении количества выращенной биомассы. Мочевина — это легкодоступный источник, который показывает сопоставимые результаты, что делает его экономичным заменителем источника азота в крупномасштабном культивировании водорослей. Несмотря на явное увеличение роста по сравнению с безвредной средой, было показано, что изменения уровней азота влияют на содержание липидов в клетках водорослей. В одном исследовании лишение азота в течение 72 часов приводило к увеличению общего содержания жирных кислот (в расчете на одну клетку) в 2,4 раза. 65% всех жирных кислот этерифицировали до триацилглицеридов в масляных телах по сравнению с исходной культурой, что указывает на то, что в клетках водорослей использовался de novo синтез жирных кислот. Жизненно важно, чтобы содержание липидов в клетках водорослей было достаточно высокого количества, сохраняя при этом адекватное время деления клеток, поэтому параметры, которые могут максимизировать оба, исследуются.

Сточные Воды
Возможным источником питательных веществ является сточная вода от обработки сточных вод, сельскохозяйственного или пойменного стока, все в настоящее время основные загрязнители и риски для здоровья. Однако эта сточная вода не может напрямую кормить водоросли и должна быть сначала обработана бактериями путем анаэробного сбраживания. Если сточная вода не будет обработана до того, как она достигнет водорослей, она загрязнит водоросли в реакторе и, по крайней мере, убьет большую часть желаемого штамма водорослей. В биогазовых установках органические отходы часто превращаются в смесь двуокиси углерода, метана и органических удобрений. Органическое удобрение, которое выходит из варочного котла, является жидким и почти подходит для роста водорослей, но его сначала нужно очистить и стерилизовать.

Использование сточных вод и океанских вод вместо пресной воды настоятельно рекомендуется из-за продолжающегося истощения ресурсов пресной воды. Однако тяжелые металлы, следовые металлы и другие загрязняющие вещества в сточных водах могут уменьшить способность клеток к биосинтезу липидов, а также воздействовать на различные другие работы в аппарате клеток. То же самое верно для океанской воды, но загрязняющие вещества находятся в разных концентрациях. Таким образом, удобрение минеральных удобрений является предпочтительным источником питательных веществ, но тяжелые металлы снова являются проблемой, особенно для штаммов водорослей, которые восприимчивы к этим металлам. В системах открытых прудов использование штаммов водорослей, которые могут иметь дело с высокими концентрациями тяжелых металлов, может помешать другим организмам заражать эти системы. В некоторых случаях даже было показано, что штаммы водорослей могут удалять более 90% никеля и цинка из промышленных сточных вод за относительно короткие промежутки времени.

Воздействие на окружающую среду
По сравнению с наземными культурами биотоплива, такими как кукуруза или соевые бобы, производство микроводорослей приводит к значительно менее заметному загрязнению почвы из-за более высокой продуктивности нефти из микроводорослей, чем все другие масличные культуры. Водоросли также могут выращиваться на маргинальных землях, бесполезных для обычных культур и имеющих низкую природоохранную ценность, и могут использовать воду из соляных водоносных горизонтов, которая не полезна для сельского хозяйства или питья. Водоросли также могут расти на поверхности океана в мешках или плавающих экранах. Таким образом, микроводоросли могут обеспечить источник чистой энергии, мало влияя на обеспечение достаточного питания и воды или сохранение биоразнообразия. Выращивание водорослей также не требует внешних субсидий инсектицидов или гербицидов, устраняя риск возникновения связанных с ними потоков отходов пестицидов. Кроме того, биотопливо водорослей гораздо менее токсично и деградирует гораздо легче, чем топливо на основе нефти. Однако из-за легковоспламеняющейся природы любого горючего топлива существует опасность для некоторых опасных факторов окружающей среды, если они воспламеняются или разливаются, что может произойти в результате крушения поезда или утечки трубопровода. Эта опасность снижается по сравнению с ископаемым топливом из-за возможности производства биотоплива на водорослей гораздо более локализованным образом и из-за более низкой токсичности в целом, но опасность все еще сохраняется. Таким образом, биологические виды водорослей следует обрабатывать аналогичным образом с использованием нефтяных топлив при транспортировке и использовании с достаточными мерами безопасности на месте в любое время.

Исследования показали, что замена ископаемого топлива возобновляемыми источниками энергии, такими как биотопливо, способна сократить выбросы CO2 до 80%. Система на основе водорослей может захватывать приблизительно 80% СО2, выделяемого на электростанции при наличии солнечного света. Хотя этот CO2 позже будет высвобожден в атмосферу, когда топливо будет гореть, этот CO2 попал бы в атмосферу независимо. Таким образом, возможность сокращения общего объема выбросов CO2 заключается в предотвращении выброса CO2 из ископаемых видов топлива. Кроме того, по сравнению с топливом, таким как дизельное топливо и нефть, и даже по сравнению с другими источниками биотоплива, производство и сжигание биотоплива из водорослей не образует оксидов серы или оксидов азота, а также уменьшает количество монооксида углерода, несгоревших углеводородов и уменьшает выброс других вредных загрязнителей. Поскольку наземные растительные источники производства биотоплива просто не имеют производственных мощностей для удовлетворения текущих потребностей в энергии, микроводоросли могут быть одним из единственных вариантов подхода к полной замене ископаемых видов топлива.

Производство микроводорослей также включает в себя возможность использования солевых отходов или сточных потоков CO2 в качестве источника энергии. Это открывает новую стратегию производства биотоплива в сочетании с очисткой сточных вод, а также способна производить чистую воду в качестве побочного продукта. При использовании в микроальгальном биореакторе собранные микроводоросли будут захватывать значительное количество органических соединений, а также загрязняющих веществ из тяжелых металлов, абсорбированных из потоков сточных вод, которые в противном случае были бы непосредственно выгружены в поверхностные и грунтовые воды. Кроме того, этот процесс также позволяет извлекать фосфор из отходов, что является существенным, но редким элементом в природе, запасы которого, по оценкам, истощены за последние 50 лет. Другая возможность — использование систем производства водорослей для очистки неточечного источника загрязнения в системе, известной как скруббер для водорослей (ОВД). Было продемонстрировано снижение уровня азота и фосфора в реках и других крупных водоемах, затронутых эвтрофикацией, и строятся системы, которые будут способны обрабатывать до 110 миллионов литров воды в день. ОВД также может использоваться для лечения загрязнения точечного источника, такого как упомянутые выше сточные воды, или для очистки сточных вод.