燃料应用的藻类生物技术

写这本书的目的是为了证明从藻类中生产生物燃料的合理性，从而最大限度地减少化石燃料技术的排放，减少其对环境的影响。此外，利用藻类减少全球二氧化碳循环的二氧化碳排放量是现有生物量转化技术的替代方案。这本书涵盖了最有效的藻类-油转化技术、燃料特性及其对不同技术的思考。我们希望，这里的主题不仅有助于科学界更透彻地了解化石燃料的替代品，也有助于整个民间社会以及国家和国际一级的决策者。

沼气是通过厌氧方法生产的，该方法涉及在无氧环境中对生物质进行活消化。本书的第二部分介绍了厌氧过程中的藻类技术，厌氧过程利用动物肥料、食物垃圾和生物能源产品通过生物过程产生沼气。一般来说，沼气可以用来产生热量和电力，它加入天然气网络甚至被视为一种汽车燃料。它由30-40%的CO2含量和45-65%的CH4组成。CH4作为温室气体的危害是CO2的20倍，将其转化为能源对于保护环境影响至关重要。从这个意义上说，燃烧沼气是一种减少温室气体的战略。

微藻生产生物柴油时，油脂提取后会产生大量残留物。从这些残渣中可以获得动物饲料或生物乙醇产品。另一种可从微藻生物质残渣中获得的替代生物燃料是热解或水热过程中产生的生物油。其中，用于生物燃料生产的微藻因藻类生物质的高热值约为24MJ/kg而脱颖而出。生物物质的有机成分可以在燃料生产中通过热化学应用进行热分解，如直接燃烧、气化、热解和液化。通过水热液化过程，微藻在有催化剂或无催化剂的情况下转化为液态原油。反应在280-370°C和10-25 MPa压力下对水中的湿生物质进行。近年来，利用微藻水热液化法生产生物油受到了广泛关注。与主要由脂肪含量获得的生物柴油相比，水热液化不仅转化脂肪含量，还转化碳水化合物和蛋白质。

本研究采用海藻油酯交换反应制备生物柴油。对于生物柴油的生产，将从淡水中生长的原鞘小球藻类藻类中获得的油添加到全自动闭环系统高科技金字塔光生物反应器中，以适应低酸值（0.23 mg KOH/g）的石油生产。因此，采用了碱催化剂酯交换反应。在酯交换反应中，使用99.7%纯度的甲醇作为乙醇，99.9%纯度的氢氧化钾（KOH）作为催化剂。为了确定海藻油生产生物柴油的最适宜条件，进行了一系列实验室规模的初步实验。优化研究结果表明，甲醇/油摩尔比为6:1，KOH用量为油质量的0.75%，反应温度为60°C，反应时间为60分钟，是生产生物柴油的最佳条件。在此条件下，甲酯的产率为96.4%，最终生物柴油产品的运动粘度和密度值分别为4.493 mm2/s和882 kg/m3。对生产的生物柴油进行物理和化学分析后，确定其酯含量超过96%，甲醇、单甘油酯、双甘油酯和三甘油酯的游离甘油和总甘油含量远低于EN 14214和ASTM 6751生物柴油标准中规定的最大值。然而，粘度、密度、闪点、十六烷值、酸值、硫和水含量等特性均符合规定标准。此外，除了具有所生产生物柴油的标准燃料特性外，其十六烷值高（57）和良好的冷滤堵塞点（-11℃），使其成为重要的替代柴油发动机燃料。

多年来，藻类被生产或评估为畜牧业的营养补充剂，而不是替代能源。由于近年来受油价上涨的影响，生物质能研究加速，藻类已开始被视为一种有前景的能源。尽管在实验室研究、中试和小规模实验（也称为第三代生物燃料技术）方面取得了成功，并旨在利用自然界中的许多藻类物种作为能源，但如果不能在大规模的当地生产中创建理想的工艺，就无法获得理想的产量。一般来说，藻类可能含有约15-77%的脂肪，尽管其体积因物种而异。与其他油料植物相比，它们的高含油量和生长效率使藻类对生物柴油和沼气生产具有吸引力。从藻类中生产这些燃料有潜力应对日益增长的全球能源需求，并通过光合作用将大气中足够多的二氧化碳转化为高效产品，在一定程度上有助于防止全球变暖。

本书的目的是提供有关微生物燃料电池（MFC）系统的一般信息，MFC是一种重要类型的环保能源转换系统的燃料电池，是化石燃料技术的替代品。此外，本研究的主要动机之一是纳入有关微生物燃料电池的学术文献，这是近年来非常流行的研究领域。在此背景下，讨论了MFC的历史、原则和不同的方法。然后，检查组成系统的材料（阳极、阴极、膜等）。最后，讨论并介绍了可通过材料设计改变的不同类型的微生物燃料电池。

由于藻类是含有叶绿素的简单生物，因此在地球上任何可以利用光进行光合作用的地方都可以找到它们。虽然通常使用池式开放系统，但封闭式光生物反应器也用于藻类培养。室外游泳池的低投资和运营成本使该系统在业界更受欢迎。然而，控制生产条件的困难和污染风险似乎是该系统的缺点。有必要对基本方面进行比较，例如大规模培养系统中有效使用光、温度、藻类培养中的水动力平衡以及保持培养的连续性。每种藻类的理想生长都是在特定条件下的培养基中进行的。例如，螺旋藻在高pH和碳酸氢盐浓度下生长最好，小球藻在富含营养的培养基中生长最好，杜氏盐藻在高盐度下生长最好。

由于MFC降解简单的碳水化合物，即葡萄糖、醋酸盐和丁酸盐，以及无数有机物质，如猪场废水、生活废水和粪便污泥废物，因此微生物催化反应产生的生化能将产生的废物转化为能量。它承诺可持续的废水处理，以平衡运营成本。本章回顾了微生物燃料电池处理食品工业废水的优势，该废水在工业领域造成了高度有机污染。

众所周知，藻类燃料的使用并不普遍，因为它们不符合必要的燃料标准。从传统生物质资源中获得的石油产品数量超过了从藻类中获得的。然而，生态学可以为提高藻类目前的采油效率提供更多帮助。根据物种的不同，可以通过生产脂肪酸和生物燃料获得有效的结果。单个物种产生的燃料量应与组合物种产生的石油量进行加权。为了提高生产燃料的质量，遗传多样性的存在，特别是在两种类型的藻类混合物中，是不可避免的。本研究强调了在遗传多样性人群中获得的脂质。

能源正在成为当今最昂贵的生产投入之一。能源储备开始耗尽，其污染影响已在世界各地显现。因此，迫切需要可再生能源而不是化石燃料。其中一种能源是藻类生物量，这被视为生物燃料生产的前景。

许多微藻的产油量各不相同。因此，藻类种类的选择非常重要。在选择合适的藻类生产物种时，有效的特征是生长和生产力、最小污染和易于收获。然而，藻类结构中碳水化合物、脂肪和蛋白质的百分比提供了从该藻类物种中获取油脂产量的初步信息。

微藻被认为是最有效地利用水和太阳能的生物群体，引起了研究人员的关注。许多国家仍在继续研究如何从实验室环境中的发酵剂培养物到室外池塘和光生物反应器高效生产微藻。除了已知的微藻种类外，正在进行研究，以寻找营养丰富且易于生产的新微藻种类。当然，这些研究还包括更经济的藻类生产研究。水产养殖中作为幼虫食物产生的藻类可以用作食物支持，也可以用于生产营养药品和药物，如食用色素、土壤肥料和植物病害。藻类油和藻类生物量对可再生能源越来越感兴趣，特别是近年来，这方面的研究仍在继续。所有这些问题的实现都基于众所周知的藻类生理学和成功的藻类培养。

CO2是燃烧产生的气体，在SOx、CO和NOx等温室气体中占有重要份额，并导致全球变暖。藻类生产的生物柴油在生物碳循环中转化二氧化碳，从而加速碳循环，从而减少温室气体效应。生物柴油中的C16-C18甲酯的降解特性类似于葡萄糖（糖），在高达10000 mg/L的情况下不会表现出任何负面的微生物影响，它们在自然界中会迅速分解。28天内，水中40%的柴油和95%的生物柴油可以降解。在生物柴油的生产中，打破甘油三酯键的催化剂可以使酯游离。

本章提供读者在建立藻类业务之前的运营阶段所需的基本经济信息。这个主题已经用简单的例子加以加强。

为了更好地评估我们世界的水资源潜力，我们现在将研究对生物技术产业产生重大影响的各种水产品，从研究材料到营养添加剂。