Biobrandstoffen uit microalgen
René Wijffels
Wageningen University
Bioprocess Engineering Group
www.pbe.wur.nl
15 January 2008
Inleiding
Biodiesel uit oliehoudende gewassen is een potentieel hernieuwbaar en CO neutraal alternatief voor fossiele brandstoffen. Microalgen, evenals hogere plantensoorten, slaan vet op in de vorm van triacylglycerols (TAGs), die gebruikt kunnen worden om vetzuren methyl esters te synthetiseren (een vervanging voor fossiele brandstof).
Microalgen vormen een zeer aantrekkelijk alternatief ten opzichte van terrestrische oliehoudende soorten, omdat hun productiviteit veel hoger is en het geen gebieden in beslag neemt die geschikt zijn voor landbouw of andere vormen van voedselproductie, en daarom voorziet in voedselzekerheid.
Tot op heden heeft commerciële toepassing van microalgen zich geconcentreerd op toepassingen met een zeer hoge waarde per kilo (bijv. carotenoïden). Om een haalbare bron voor biodiesel te worden, moet de huidige prijs voor microalgen-productie worden verminderd met een factor twee. Bovendien zou de hoeveelheid vet uit microalgen een factor drie hoger moeten worden dan de hoeveelheid die op dit moment mogelijk is voor hoogwaardige verbindingen. Deze ambitieuze doelstellingen zijn haalbaar, omdat de potentiële productiviteit van microalgen tienmaal groter is dan die van landbouwgewassen.
Maar de beloften van verschillende bedrijven op dit gebied gecombineerd met de verwachtingen van de markt hebben geleid tot onrealistische voorspellingen voor het potentieel van microalgen. Er zijn bedrijven die beloven een hoeveelheid biodiesel uit microalgen te produceren die ofwel in de buurt, of in sommige gevallen hoger is dan de maximaal haalbare hoeveelheid. In gebieden met een hoge bestraling zou de theoretische maximale productiviteit van 280 ton droge biomassa per hectare per jaar kunnen worden geproduceerd (zie fotosynthetische efficiëntie). Als we dan een vetgehalte van 40% in de microalg aannemen, is de totale hoeveelheid olie die kan worden geproduceerd 115.000 L ha-1 jaar-1. Echter, deze productiviteit van nu nog niet realistisch. Met hoogwaardige technologie, is het wellicht mogelijk om in de orde van grootte van 20.000 L ha -1 jaar-1 olie te produceren - dit is nog steeds aanzienlijk meer dan kan worden verkregen bij gewassen voor energieproductie (de productiviteit van palmolie is 6.000 L ha -1 jaar-1).
Fotosynthetische efficiëntie
De fotosynthetische efficiëntie (photosynthetic efficiency = PE) wordt gedefinieerd als de hoeveelheid lichtenergie die tijdens de groei in chemische energie wordt omgezet door fotoautotrofie. Er zijn minimaal 10 licht fotonen (kwanta) nodig voor de productie van één mol O2. Bij een representatieve samenstelling van biomassa (CH1,78O0,36N0,12) komt dit overeen met 14 kwanta die nodig zijn om één mol CO2 te binden in biomassa op basis van ammonium als stikstofbron. Tenslotte, één mol gebonden CO2 resulteert in één Cmol biomassa (= 21,25 g droog gewicht) met een verbrandings-enthalpie van 547,8 kJ × Cmol-1.
Bij fotosynthese wordt alleen licht met een golflengte tussen 400 en 700 nm gebruikt. Dit vertegenwoordigt 42,3% van de energie van het totale spectrum van het zonlicht en het heet fotosynthetische actieve straling (photosynthetic active radiation = PAR). De gemiddelde energie-inhoud van deze kwanta is 218 kJ/mol kwanta. Door al deze gegevens te combineren is berekend dat maximaal 9% van de zonlicht-energie (rekening houdend met alle golflengten) kan worden omgezet in chemische energie zoals nieuwe biomassa. Overweging op basis van alleen de PAR geeft een rendement van 21,4%. Op basis van zonnestraling gegevens welke zijn te vinden op bijvoorbeeld http://re.jrc.ec.europa.eu/esti/index_en.htm kan worden berekend dat de theoretische maximale biomassa productiviteit in bijvoorbeeld het zuiden van Spanje 280 ton ha-1 jaar-1 is.
Het vetgehalte van microalgen
Veel soorten microalgen bevatten hoge concentraties vet. Over het algemeen induceert een voedingstekort vetaccumulatie in de cellen welke gepaard gaat met een daling van de totale (en totale vet) productiviteit. Echter, het werkelijke mechanisme dat accumulatie triggert is nog onduidelijk.
Het vetgehalte in verschillende stammen microalgen staat vermeld in tabel 1.
Tabel 1. Groei-milieu en olie-inhoud van specifieke soorten microalgen
Grootschalige productie-installaties
Een grote verscheidenheid van teeltsystemen voor microalgen zijn ontwikkeld. De meeste van de grootschalige productie-installaties voor microalgen die momenteel worden gerealiseerd zijn racebaan-vijvers (afbeelding 1 links). Vanwege hun eenvoud en de lage investeringskosten wordt meestal aangenomen dat dit de beste systemen zijn voor de productie van biobrandstoffen. Gesloten fotobioreactoren, zoals buizen fotobioreactoren (afbeelding 1 midden) en vlakke panelen reactoren (afbeelding 1 rechts), kunnen resulteren in een hogere productiviteit, maar dit gaat ten koste van hogere investeringskosten.
Afbeelding 1.
Links: Racebaan-vijver bij Nature Beta Technologies Ltd (Eilat, Israël), een dochteronderneming van Nikken Sohonsha Co (http://www.chlostanin.co.jp) (Gifu, Japan). Deze vijvers zijn meestal niet meer dan 30 cm diep en het water, met voedingsstoffen en microalgen, circuleert d.m.v. een schoepenrad.
Midden: Buizen fotobioreactor op de productielocatie van Algatechnology (http://www.algatech.com) (Ketura Arava-vallei, Israël). Buizen fotobioreactoren bestaan uit lange transparante buizen met een diameter variërend van 3 tot 6 cm en een lengte variërend van 10 tot 200 m. De cultuur-vloeistof wordt door middel van mechanische- of lucht-pompen door deze buizen gepompt.
Rechts: Vlakke panelen fotobioreactor, Sede Boker campus, Ben Gurion University of the Negev, Israël. Vlakke panelen reactoren bestaan uit een rechthoekige transparante doos met een breedte van slechts 1 tot 5 cm. Deze fotobioreactoren worden vermengd met lucht die wordt ingevoerd via een geperforeerde buis op de bodem van de reactor.
Economische haalbaarheid van microalgen voor bio-energie toepassingen
Voor Delta, een van de energiebedrijven in Nederland, hebben wij een haalbaarheidsstudie uitgevoerd naar de productie van microalgen en 3 productie-technologieën vergeleken: het open vijver systeem, het buizen systeem en een vlakke panelen fotobioreactor.
De analyse was gebaseerd op hoogwaardige technologie voor de zonne-omstandigheden in Nederland. Schattingen zijn conservatief, wat betekent dat voor het bereiken van de geraamde productiviteiten het niet nodig is om systemen of processen verder te ontwikkelen dan nu mogelijk is. In deze analyse zijn we er ook van uitgegaan dat voedingsstoffen voor het groeimedium en CO2 moesten worden ingekocht. Het eindproduct van het proces dat we ontworpen is een algenpasta met een drogestofgehalte van 20%. Naar winning van olie en verestering werd in dit proces niet gekeken.
Het ontwerp dat we hier behandelen heeft een omvang van 100 ha.
Microalgen biomassa kan goedkoper worden geproduceerd in fotobioreactoren dan in racebaan-vijvers, maar dit gaat ten koste van een hoger energieverbruik. De twee soorten fotobioreactoren, de horizontale buizen reactoren en vlakke panelen reactoren, laten bij vergelijking gelijkwaardige biomassa-productiekosten zien. Wat betreft energiebalans presteren vlakke panelen iets beter, hoewel beide systemen een negatief saldo hebben.
Er is geen praktische ervaring met de teelt van microalgen voor energiedoeleinden. Fotobioreactoren worden alleen toegepast voor de productie van waardevolle biomassa, dat wil zeggen meer dan € 100,- / kg DS. Als gevolg hiervan zijn processen nooit geoptimaliseerd voor toepassingen waarbij de waarde van de biomassa minder is dan € 1,- / kg DS. Procesontwikkeling voor de productie van microalgen voor energiedoeleinden moet nog worden gedaan. Met het oog op het analyseren van de werking van een aantal parameters op biomassa / energiekosten is een oppervlakkige analyse gemaakt om te bepalen of de kosten realistisch zouden kunnen worden verminderd. Met de huidige status van de technologie werden de productiekosten berekend op respectievelijk € 4,02 / kg biomassa en € 153,50 / GJ, maar ze zouden omlaag kunnen tot respectievelijk € 0,42 / kg biomassa en € 16,00 / GJ.
Oppervlakkige analyse toonde aan dat de productiekosten aanzienlijk kunnen worden verminderd. Er werd aangetoond dat als voedingsstoffen gratis worden verkregen, als de productie wordt gecombineerd met bijvoorbeeld de behandeling van afvalwater, of als de CO2 is verkregen uit rookgassen van een elektriciteitscentrale, productiekosten worden verminderd met € 0,77 / kg DS. De productietechnologie kan ook worden verbeterd, bijvoorbeeld door de ontwikkeling van systemen met een hogere fotosynthetische efficiëntie, de ontwikkeling van systemen waarbij minder pompenergie wordt gebruikt of waar minder energie wordt gebruikt voor het oogsten van cellen. In dat geval kunnen de productiekosten worden verlaagd met maar liefst € 3,- / kg DS.
Technologische vooruitgang kan het mogelijk maken meer realistische en economische processen te ontwikkelen. Er kan vanuit worden gegaan dat een verdubbeling van de productiviteit en het verminderen van de energie-input voor het mengen, in combinatie met de verwijdering van CO2 en nutriënten uit afvalstromen en het gebruik ervan in gebieden met een grote zonlichtintensiteit de kosten aanzienlijk kunnen verlagen. De productiekosten zouden omlaag gebracht kunnen worden naar € 0,42 / kg DS.
Als dit werd gecombineerd met het gebruik van de microalg geproduceerd in andere toepassingen (een bioraffinage-benadering) kan de commerciële productie van microalgen een realistische optie zijn voor de markt voor biobrandstoffen. Productiviteit kan aanzienlijk worden verbeterd. In het laboratorium is aangetoond dat hoge productiviteit kan worden bereikt met sterk zonlicht in fotobioreactoren met korte licht paden.
René Wijffels
Wageningen University
Bioprocess Engineering Group
www.pbe.wur.nl
15 January 2008
Inleiding
Biodiesel uit oliehoudende gewassen is een potentieel hernieuwbaar en CO neutraal alternatief voor fossiele brandstoffen. Microalgen, evenals hogere plantensoorten, slaan vet op in de vorm van triacylglycerols (TAGs), die gebruikt kunnen worden om vetzuren methyl esters te synthetiseren (een vervanging voor fossiele brandstof).
Microalgen vormen een zeer aantrekkelijk alternatief ten opzichte van terrestrische oliehoudende soorten, omdat hun productiviteit veel hoger is en het geen gebieden in beslag neemt die geschikt zijn voor landbouw of andere vormen van voedselproductie, en daarom voorziet in voedselzekerheid.
Tot op heden heeft commerciële toepassing van microalgen zich geconcentreerd op toepassingen met een zeer hoge waarde per kilo (bijv. carotenoïden). Om een haalbare bron voor biodiesel te worden, moet de huidige prijs voor microalgen-productie worden verminderd met een factor twee. Bovendien zou de hoeveelheid vet uit microalgen een factor drie hoger moeten worden dan de hoeveelheid die op dit moment mogelijk is voor hoogwaardige verbindingen. Deze ambitieuze doelstellingen zijn haalbaar, omdat de potentiële productiviteit van microalgen tienmaal groter is dan die van landbouwgewassen.
Maar de beloften van verschillende bedrijven op dit gebied gecombineerd met de verwachtingen van de markt hebben geleid tot onrealistische voorspellingen voor het potentieel van microalgen. Er zijn bedrijven die beloven een hoeveelheid biodiesel uit microalgen te produceren die ofwel in de buurt, of in sommige gevallen hoger is dan de maximaal haalbare hoeveelheid. In gebieden met een hoge bestraling zou de theoretische maximale productiviteit van 280 ton droge biomassa per hectare per jaar kunnen worden geproduceerd (zie fotosynthetische efficiëntie). Als we dan een vetgehalte van 40% in de microalg aannemen, is de totale hoeveelheid olie die kan worden geproduceerd 115.000 L ha-1 jaar-1. Echter, deze productiviteit van nu nog niet realistisch. Met hoogwaardige technologie, is het wellicht mogelijk om in de orde van grootte van 20.000 L ha -1 jaar-1 olie te produceren - dit is nog steeds aanzienlijk meer dan kan worden verkregen bij gewassen voor energieproductie (de productiviteit van palmolie is 6.000 L ha -1 jaar-1).
Fotosynthetische efficiëntie
De fotosynthetische efficiëntie (photosynthetic efficiency = PE) wordt gedefinieerd als de hoeveelheid lichtenergie die tijdens de groei in chemische energie wordt omgezet door fotoautotrofie. Er zijn minimaal 10 licht fotonen (kwanta) nodig voor de productie van één mol O2. Bij een representatieve samenstelling van biomassa (CH1,78O0,36N0,12) komt dit overeen met 14 kwanta die nodig zijn om één mol CO2 te binden in biomassa op basis van ammonium als stikstofbron. Tenslotte, één mol gebonden CO2 resulteert in één Cmol biomassa (= 21,25 g droog gewicht) met een verbrandings-enthalpie van 547,8 kJ × Cmol-1.
Bij fotosynthese wordt alleen licht met een golflengte tussen 400 en 700 nm gebruikt. Dit vertegenwoordigt 42,3% van de energie van het totale spectrum van het zonlicht en het heet fotosynthetische actieve straling (photosynthetic active radiation = PAR). De gemiddelde energie-inhoud van deze kwanta is 218 kJ/mol kwanta. Door al deze gegevens te combineren is berekend dat maximaal 9% van de zonlicht-energie (rekening houdend met alle golflengten) kan worden omgezet in chemische energie zoals nieuwe biomassa. Overweging op basis van alleen de PAR geeft een rendement van 21,4%. Op basis van zonnestraling gegevens welke zijn te vinden op bijvoorbeeld http://re.jrc.ec.europa.eu/esti/index_en.htm kan worden berekend dat de theoretische maximale biomassa productiviteit in bijvoorbeeld het zuiden van Spanje 280 ton ha-1 jaar-1 is.
Het vetgehalte van microalgen
Veel soorten microalgen bevatten hoge concentraties vet. Over het algemeen induceert een voedingstekort vetaccumulatie in de cellen welke gepaard gaat met een daling van de totale (en totale vet) productiviteit. Echter, het werkelijke mechanisme dat accumulatie triggert is nog onduidelijk.
Het vetgehalte in verschillende stammen microalgen staat vermeld in tabel 1.
Tabel 1. Groei-milieu en olie-inhoud van specifieke soorten microalgen
| Stam | Herkomst | Vetgehalte (% DS) |
Referentie |
| Ankistrosdesmus TR-87 | Zoetwater | 28-40 | Ben-Amotz and Tornabene (1985) |
| Botriococcus braunii | Zoetwater | 29-75 | Sheehan et al (1998); Banarjee et al (2002); Metzger and Largeau (2005) |
| Chlorella sp. | Zoetwater | 29 | Sheehan et al (1998) |
| Chlorella protothecoides | Zoetwater | 15-55 | Xu et al (2006) |
| Cyclotella DI-35 | 42 | Sheehan et al (1998) | |
| Dunaliella tertiolecta | Zeewater | 36-42 | Kishimoto et al (1994); Tsukahara and Sawayama (2005) |
| Hantzschia DI-160 | 66 | Sheehan et al (1998) | |
| Isochrysis sp | Zeewater | 7-33 | Sheehan et al (1998); Valenzuela-Espinoza et al (2002) |
| Nannochloropis | 31 (6-63) | Ben-Amotz and Tornabene (1985); Negoro et al. (1991); Sheehan et al (1998) |
|
| Nannochloropsis | Zeewater | 46 (31-68) | Sheehan et al. (1998); Hu et al (2006) |
| Nitzschia TR-114 | Zeewater | 28-50 | Kyle and Gladue (1991) |
| Phaeodactylum tricornutum | Zeewater | 31 | Sheehan et al. (1998) |
| Scenedesmus TR-84 | Zoetwater | 45 | Sheehan et al. (1998) |
| Stichococcus | 33 (9-59) | Sheehan et al. (1998) | |
| Tetraselmis suecica | Zeewater | 15-32 | Sheehan et al. (1998) |
| Thalassiosira pseudonana | Zeewater | 21-31 | Brown et al (1996) |
Grootschalige productie-installaties
Een grote verscheidenheid van teeltsystemen voor microalgen zijn ontwikkeld. De meeste van de grootschalige productie-installaties voor microalgen die momenteel worden gerealiseerd zijn racebaan-vijvers (afbeelding 1 links). Vanwege hun eenvoud en de lage investeringskosten wordt meestal aangenomen dat dit de beste systemen zijn voor de productie van biobrandstoffen. Gesloten fotobioreactoren, zoals buizen fotobioreactoren (afbeelding 1 midden) en vlakke panelen reactoren (afbeelding 1 rechts), kunnen resulteren in een hogere productiviteit, maar dit gaat ten koste van hogere investeringskosten.
 |
 |
 |
Links: Racebaan-vijver bij Nature Beta Technologies Ltd (Eilat, Israël), een dochteronderneming van Nikken Sohonsha Co (http://www.chlostanin.co.jp) (Gifu, Japan). Deze vijvers zijn meestal niet meer dan 30 cm diep en het water, met voedingsstoffen en microalgen, circuleert d.m.v. een schoepenrad.
Midden: Buizen fotobioreactor op de productielocatie van Algatechnology (http://www.algatech.com) (Ketura Arava-vallei, Israël). Buizen fotobioreactoren bestaan uit lange transparante buizen met een diameter variërend van 3 tot 6 cm en een lengte variërend van 10 tot 200 m. De cultuur-vloeistof wordt door middel van mechanische- of lucht-pompen door deze buizen gepompt.
Rechts: Vlakke panelen fotobioreactor, Sede Boker campus, Ben Gurion University of the Negev, Israël. Vlakke panelen reactoren bestaan uit een rechthoekige transparante doos met een breedte van slechts 1 tot 5 cm. Deze fotobioreactoren worden vermengd met lucht die wordt ingevoerd via een geperforeerde buis op de bodem van de reactor.
Economische haalbaarheid van microalgen voor bio-energie toepassingen
Voor Delta, een van de energiebedrijven in Nederland, hebben wij een haalbaarheidsstudie uitgevoerd naar de productie van microalgen en 3 productie-technologieën vergeleken: het open vijver systeem, het buizen systeem en een vlakke panelen fotobioreactor.
De analyse was gebaseerd op hoogwaardige technologie voor de zonne-omstandigheden in Nederland. Schattingen zijn conservatief, wat betekent dat voor het bereiken van de geraamde productiviteiten het niet nodig is om systemen of processen verder te ontwikkelen dan nu mogelijk is. In deze analyse zijn we er ook van uitgegaan dat voedingsstoffen voor het groeimedium en CO2 moesten worden ingekocht. Het eindproduct van het proces dat we ontworpen is een algenpasta met een drogestofgehalte van 20%. Naar winning van olie en verestering werd in dit proces niet gekeken.
Het ontwerp dat we hier behandelen heeft een omvang van 100 ha.
Microalgen biomassa kan goedkoper worden geproduceerd in fotobioreactoren dan in racebaan-vijvers, maar dit gaat ten koste van een hoger energieverbruik. De twee soorten fotobioreactoren, de horizontale buizen reactoren en vlakke panelen reactoren, laten bij vergelijking gelijkwaardige biomassa-productiekosten zien. Wat betreft energiebalans presteren vlakke panelen iets beter, hoewel beide systemen een negatief saldo hebben.
Er is geen praktische ervaring met de teelt van microalgen voor energiedoeleinden. Fotobioreactoren worden alleen toegepast voor de productie van waardevolle biomassa, dat wil zeggen meer dan € 100,- / kg DS. Als gevolg hiervan zijn processen nooit geoptimaliseerd voor toepassingen waarbij de waarde van de biomassa minder is dan € 1,- / kg DS. Procesontwikkeling voor de productie van microalgen voor energiedoeleinden moet nog worden gedaan. Met het oog op het analyseren van de werking van een aantal parameters op biomassa / energiekosten is een oppervlakkige analyse gemaakt om te bepalen of de kosten realistisch zouden kunnen worden verminderd. Met de huidige status van de technologie werden de productiekosten berekend op respectievelijk € 4,02 / kg biomassa en € 153,50 / GJ, maar ze zouden omlaag kunnen tot respectievelijk € 0,42 / kg biomassa en € 16,00 / GJ.
Oppervlakkige analyse toonde aan dat de productiekosten aanzienlijk kunnen worden verminderd. Er werd aangetoond dat als voedingsstoffen gratis worden verkregen, als de productie wordt gecombineerd met bijvoorbeeld de behandeling van afvalwater, of als de CO2 is verkregen uit rookgassen van een elektriciteitscentrale, productiekosten worden verminderd met € 0,77 / kg DS. De productietechnologie kan ook worden verbeterd, bijvoorbeeld door de ontwikkeling van systemen met een hogere fotosynthetische efficiëntie, de ontwikkeling van systemen waarbij minder pompenergie wordt gebruikt of waar minder energie wordt gebruikt voor het oogsten van cellen. In dat geval kunnen de productiekosten worden verlaagd met maar liefst € 3,- / kg DS.
Technologische vooruitgang kan het mogelijk maken meer realistische en economische processen te ontwikkelen. Er kan vanuit worden gegaan dat een verdubbeling van de productiviteit en het verminderen van de energie-input voor het mengen, in combinatie met de verwijdering van CO2 en nutriënten uit afvalstromen en het gebruik ervan in gebieden met een grote zonlichtintensiteit de kosten aanzienlijk kunnen verlagen. De productiekosten zouden omlaag gebracht kunnen worden naar € 0,42 / kg DS.
Als dit werd gecombineerd met het gebruik van de microalg geproduceerd in andere toepassingen (een bioraffinage-benadering) kan de commerciële productie van microalgen een realistische optie zijn voor de markt voor biobrandstoffen. Productiviteit kan aanzienlijk worden verbeterd. In het laboratorium is aangetoond dat hoge productiviteit kan worden bereikt met sterk zonlicht in fotobioreactoren met korte licht paden.