J-WAFS 在行动:从藻类中获取粮食和燃料
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目前,麻省理工学院机械工程系助理教授 Mathias Kolle 正领导着近期获得 J-WAFS 拨款的七大研究项目之一。Mathias 的研究目标是攻克大规模培养微藻、从中提取粮食和燃料的挑战,助力将微藻转化为供养未来世界日渐增多的人口的可持续、高能效方案。
Opening Doors 就该诱人项目及其目标采访了 Kolle 教授。
您的研究项目课题是什么?
项目名为“多功能光扩散纤维在微藻生物反应器同步光照管理和流体输送中的应用”。
项目主要内容是什么?
到 2050 年,粮食和动物饲料需求将大幅提升,届时全球人口预计将超过 91 亿。据联合国预测,这一数字将比目前人口数量增加 25% 以上。人口增长就需要越来越多的粮食供养。然而研究显示,供养世界大部分人口的主要粮食作物的产量增长率正在下降。此外,农业集约化程度加深也会引发严重的副作用。农业是诱发全球变暖的主要来源之一,对水资源造成了巨大的压力。维持生产需要大量用水,农田径流造成了严重水污染,这对全世界各地生态系统造成了威胁。
近期的微藻生产粮食、饲料和生物燃料研究显示,藻类生产可用有机物(或“生物量”)的效率远高于油棕榈、小麦和玉米等“传统”作物。
这表明微藻培养是实施未来战略、为日益增长的世界人口确保粮食和燃料安全的重要环节。
您能否解释一下什么是藻类?
微藻就是我们经常在池塘、湖泊、河流中和海岸上看到的绿色“粘性物”。它由微小的生物体组成,在显微镜下十分清晰,大小在几微米至几百微米不等。1 微米是 1 毫米的十分之一,因此微藻很小。
微藻几乎可以生长于任何水体,包括海水、淡水和半咸水。通常它们生长在水面附近,方便吸收阳光和二氧化碳(CO2),但也可以延伸至水下数米处
您要解决的问题是什么?
全世界许多公司都在开发和利用工业规模藻类培养技术,从中制取粮食和燃料,但现有方法尚无经济可行性。藻类生长在水中,在光照和二氧化碳环境下生长茂盛。这往往意味着,靠近水面生长的藻类更容易吸收光照和 CO2,可能比靠近水底、缺乏光照和 CO2 的藻类生长得更好。为了确保藻类品质高、生产时效性强,整个培养过程必须满足光照和 CO2 条件。目前采用的方法在保证整个培养期光照和 CO2 供应充足的同时,需要耗费大量能源,严重提高了生产成本。
您的项目如何克服这些挑战?
我们的研究旨在开发藻类工业规模培养新方法,既具备经济可持续性,又不会耗费大量能源。
研究的核心是开发一种新型光纤,这种光纤能够更加高效而有效地在培植微藻中输送光和 CO2 。在 J-WAFS 种子资金的支持下,我们将设计、构建和测试不同的光纤。我们的目标是控制向所有藻类输送的光线和 CO2。简言之,这些纤维会将光线和 CO2 从水面深入输送至藻类培养池中光照较差、CO2 含量较低的位置。我们估计这一方法能节约目前能源需求量的至少一半以上。
这一途径简单节能,确保了光照分布均匀、CO2 输送同步,有助于充分发挥工业规模藻类培养在粮食、饲料和生物燃料生产领域的经济和社会潜能。
利用藻类生产燃料、饲料和粮食所用的生物量有哪些益处?
大规模藻类培养有助于粮食安全:藻类可以生产营养型生物量,比油棕榈、小麦、玉米等常见作物更高效地供给燃料。因此,工业规模培养藻类不仅能更高效地出产生物燃料,还能生产出粮食和饲料所需的营养物质。
尽管近年来业内对微藻培养的兴趣渐浓,主要是受高效生物燃料生产前景的驱动——藻类效率比陆地油料作物高 40 余倍,但为生物量生产培养藻类还大大有助于粮食安全。
如果能将藻类作为重点生物量来源,我们就能将生物燃料生产来源从农业作物转向藻类水产养殖。如此一来,更多土地就可以用于种植粮食作物,而不是燃料作物,最终缓解粮食供应和价格压力。
藻类应用的另一大益处是,如果将藻场建在污水处理厂附近,藻类还能起到一定的污水处理功能,因为它们可以吸收污水中的营养物质。
藻类还能降低电厂的 CO2 排放量。例如,您可以引导电厂烟囱排出的废气流经藻类培养池,藻类会去除其中的 CO2。
该技术对中东和北非有怎样的意义?
中东大部分地区全年日照时间长,海水供应方便,具备适合培养藻类的非耕地,这意味着藻类生物燃料生产潜能巨大。
此外,中东炼油厂和电厂众多, 排放的 CO2 可以收集后供应藻类生长,污水处理厂也为数不少,是工业规模藻类培养的理想选址地。
实际上,该地区的多家机构已经积极投身藻类产业。在沙特阿拉伯,阿卜杜勒阿齐兹国王科技城正在投资创建名为“沙特阿拉伯藻类生物精炼厂”(SABA 项目)的创新项目,用以推动微藻生物燃料生产领域的研究和培训。在阿布扎比,Mazdar 理工学院藻类研究实验室和微生物环境与化学工程实验室(MECEL)正开展研究,评估和分析藻类燃料,用于航空和喷气机燃料生产。而迪拜的 Lootah Biofuels 公司正与新加坡藻类油生产商 AlgaOil 合作,开发藻类等含油量高的生物燃料原材料。
本轮 J-WAFS 拨款将于 2019 年 8 月结束,届时您的研究能否完成?
届时,我们有望在概念层面证明,这项技术能够向大规模藻类培养供应光照和 CO2。
实现这一点后,下一步就是产品商业化,可能采用研究衍生经营方式,也可能与对该领域感兴趣的现有公司合作。实际上,我们计划在过程初期就与业内多家公司洽谈,让研究与市场实际需求相适应。
全世界都在寻找新的粮食和燃料来源,满足预测的人口增势,因此这一技术属于增长性投资产业。透明市场研究公司的行业调研结果显示[1],2015 年全球藻类市场总价值为 6.08 亿美元,预计 2024 年总产量将达到 27,552 吨,市场价值 11.43 亿美元。
[1] http://www.transparencymarketresearch.com/algae-market.html