藻类生物燃料重启：新的资金，新的专利，新的机会
William & 玛丽的科学家们正在重新启动他们的藻类生物燃料计划，旨在利用新工艺、新资金和新专利设备带来的机会。
生物燃料合作涉及来自威廉玛丽大学威廉斯堡校区以及该大学弗吉尼亚海洋科学研究所的许多研究人员。Chesapeake Algae Project（简称ChAP）是一个早期的项目，由包括挪威国家石油公司（Statoil）在内的许多外部合作者参与。
该倡议保留了ChAP倡议的原始概念。我们的目标仍然是设计一种环境上的“双价”：从水道中清除多余的藻类——从藻类吸收的土地径流中去除多余的营养物质——然后将收获的藻类用作燃料。
俄亥俄州托莱多市最近发生的水紧急事件是由于托莱多的饮用水水源伊利湖的藻类过度生长造成的，而威廉玛丽公司正在开发的技术将有助于防止这种情况的发生。
参与藻类合作的物理学教授比尔·库克（Bill Cooke）说，保守的数字表明，这一过程每年能够从一英亩的水面上生产150吨干藻生物量。他补充说，在科罗拉多州戈尔登的国家可再生能源佳博体育开发的基于热分解的新技术，使合作者能够从预计的150吨干河胶中生产2000加仑的液体燃料。
研究和研究生/专业研究副教务长、CSX物理和应用科学教授Dennis Manos解释说，热解是一种通用的过程，可以生产各种各样的燃料——液体和气体——作为最终产品。“绿色”汽油在任何辛烷值你选择，丁醇，柴油和其他都可以通过应用化学工程方法藻类生物质生产。
“通过热解，你创造了相当于天然气替代品的东西。这种天然气替代品基本上改变了你的生物质的碳氢化合物含量，”马诺斯说。“这个过程允许你将气体产品本身作为燃料，或者通过化学工程方法将该产品转化为液体燃料。我们完全不知道最终能生产出哪种燃料。”
正如藻类提供生物燃料一样，藻类也从环境中带走有害物质。这些东西含有大量的磷和氮，这些营养物质如果过量，就会在切萨皮克形成“死区”——就像托莱多取水的伊利湖西部盆地一样。每英亩150吨的产量预计含有大约1%的氮和10%的磷。
去除营养物是赚钱的。进入切萨皮克河的大部分氮和磷来自非点源——主要是已开发的土地。一项旨在减少流入海湾的过剩氮和磷的运动导致了养分信用交易安排的出现。在养分信用交易中，房地产开发商将购买信用，产生现金，通常用于支付农民停止耕种部分土地的费用，从而减少养分流入水道。
相比之下，藻类生物燃料过程会去除生态系统中已经存在的营养物质，因为，正如马诺斯所说，“它清洁水的方式与牡蛎清洁水的方式大致相同。”氮和磷随海藻一起离开了水。
目前的营养物交易市场使氮和磷的去除成为藻类生物燃料计划潜在的有利可图的副产品。例如，库克说，从生态系统中去除磷的成本约为每磅2万美元。藻类可以吸收大量的磷，一英亩的基质表面可以生长大量的藻类。
“我们每年每英亩应该生产大约400磅的磷，”库克说。“利用这些补救措施节省下来的钱，再加上未来信贷带来的潜在现金流——这是一种产量相当高的作物。”
为了让种植藻类的农民获得良好的回报，必须扩大营养信用体系，将从水中提取的氮和磷的价值纳入其中。目前，只有“上游”补救措施，如土地储备和下水道系统改善，才有资格获得信贷。“这是公共政策的一个漏洞，”马诺斯说。“这个问题需要解决。”
与其他绿色燃料计划相比，William & 玛丽的方法提供了许多优势。种植野生藻类既不需要使用饮用水，也不需要像种植玉米或柳枝稷那样占用原本可以用于种植粮食作物的农业用地。与更常见的选择，然后仔细培育特定藻类物种的方法相比，种植野生藻类的资源消耗要少得多。
库克解释说：“标准的方法是种植一种你想种植的特定种类的藻类，因为你知道它会产生大量的脂质来生产生物柴油。”“所以一旦你决定要种植什么藻类，你就把它放在一个沟道里，让它与其他东西分开，你必须给它营养，给它阳光，以及它生长所需的一切，然后收获它。”
威廉玛丽团队设计了漂浮在池塘、溪流和其他水道上的平台，这些地方已经富含藻类。马诺斯说：“我们在这些环境中种植藻类，部分原因是藻类非常想在这些环境中生长。”
自由漂浮的硅藻在四分之一英寸的聚乙烯屏幕基质上形成菌落，这些基质悬挂在漂浮的平台上。该大学的技术转移主管杰森·麦克德维特（Jason McDevitt）致力于为该平台的设计申请专利。
麦克德维特解释说，这项专利取决于一项简单的设计创新。研究人员发现，与预期相反，藻类在垂直屏幕上和在水平屏幕上一样快乐地生长。
麦克德维特说：“这与其他人的做法不同。”“其他方法是在水平垫上种植藻类；我们把它种在垂直的垫子上。这种垂直结构允许我们每平方米表面积有更多的生长基质，因为我们生长在水中。”
该专利列出了藻类生物燃料计划的核心成员作为发明人：库克和马诺斯，加上物理学校长教授吉恩·特雷西；威廉玛丽学院物理系研究科学家卡尔·库什纳（Karl Kuschner）；以及VIMS的洛雷塔和刘易斯·格鲁克斯曼海洋科学教授埃米特·达菲。达菲还担任史密森学会Tennenbaum海洋观测站的主任。
科学家们在马托阿卡湖和约克河的平台上工作时发现，藻类种群并不像他们最初想象的那样多样化。对约克河生长的初步普查记录了数百种藻类，但库克说，研究科学家夏洛特·克拉克（Charlotte Clark）的测量显示，80%的生长是由一种Melosira代表的。
Cooke说：“如果你看一串Melosira，它看起来就像项链上的小珠子。”“它看起来像一长串珠子，每个珠子的直径可能是10到20微米。”
尽管藻类在生长时很合作，但它们不会自己收割。手工采集藻类是一项乏味、潮湿、泥泞的工作，即使是在实验数量上也是如此。在弗吉尼亚创新技术中心的资助下，库克正在研究水下收割机的原型。
库克说：“有水下收割机很重要，因为当藻类在水下时，它们是茂密的。”“它很突出。它到处乱转。但是当你把它从水里捞出来的时候，它会掉下来，变成糊状，当你把它刮掉的时候，你就刮掉了大部分的基础作物。”
收割机的目标是设计一种小型的水下割草机，这种机器不仅可以将Melosira修剪得很近，在基质上留下足够的东西来重新生长，而且还可以收集收获。
除了收获机的开发工作，创新技术中心还允许研究人员将来自弗吉尼亚理工大学的农业经济学家库尔特·斯蒂芬森（Kurt Stephenson）引入团队。Manos希望获得额外的资金，以限制藻类生物燃料计划。
“在挪威国家石油公司的资助下，我们已经做了几年的初步工作。我们要观察连续三年的藻类生长情况。”“现在我们希望得到能源部或其他实体的资助，以获得最终的水产养殖数据，从而真正开展业务。”