先进的生物燃料和藻类研究:到2025年的技术能力目标是每天生产1万桶

埃克森美孚继续资助和开展先进生物燃料的研究。这项工作是我们在新技术方面的许多投资的一部分,这些新技术具有增加能源供应、减少排放和提高运营效率的变革潜力。

文章2018年9月17日

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先进的生物燃料和藻类研究:到2025年的技术能力目标是每天生产1万桶

2012年,来自麻省理工学院、埃克森美孚和Viridos(前身为合成基因组学公司)的研究人员在同行评议的期刊上发表了一份藻类生物燃料评估报告环境科学与技术该研究得出的结论是,如果克服关键的研究障碍,藻类生物燃料的生命周期温室气体排放量将比石油衍生燃料低约50%。相比之下,学术研究界就第一代生物燃料的碳足迹展开了激烈的争论,环保署将其定义为食用作物(如玉米)产生的生物燃料。科学文献中的许多同行评议论文表明,直接生命周期温室气体排放量低于化石燃料,但第一代生物燃料开发的间接后果,包括森林和农业用地的变化,可能导致温室气体总排放量高于石油衍生燃料。

出于这些原因,埃克森美孚正在研究第二代生物燃料,以确定它们如何最适合我们的能源未来。第二代生物燃料是指由非食用作物、作物残留物或生物产生的气体生产的燃料,因此不会从总的粮食或淡水供应中流失。例如,垃圾填埋场微生物活动释放的藻类、玉米秸秆、柳枝稷或甲烷。

生物燃料研究投资组合

我们正在资助一系列广泛的生物燃料研究项目,包括我们正在进行的藻类研究以及将替代的非食品生物质原料(即纤维素生物质)转化为先进生物燃料的项目。我们相信,我们对藻类的研究为下一代生物燃料提供了一些最大的希望,这就是为什么埃克森美孚公司已经投入数亿美元用于藻类研究。我们正在与领先的研究人员合作,并设计了我们的投资组合,以推进我们认为提供具有环境效益的先进生物燃料所需的科学。

我们的先进生物燃料研究组合包括与Viridos、科罗拉多矿业学院和密歇根州立大学的藻类生物燃料联合研究合作。我们还在探索各种生物质转化过程,可用于非食品原料,如全纤维素生物质、藻类原料和纤维素衍生糖。这些项目目前正在与可再生能源集团(REG)和威斯康星大学进行。

用于生产生物燃料的藻类

使用藻类的好处

藻类代表了对替代生物燃料来源的重大改进,原因如下:

  • 与生产乙醇和生物柴油不同,生产藻类不会与食物来源产生竞争。-燃料的困境是一个有争议的问题。
  • 由于藻类可以在微咸水(包括海水)中产生,其产生不会像乙醇那样使淡水资源紧张。
  • 藻类消耗有限公司2.考虑到用于制造肥料、提炼乙醇以及种植和运输后者的能源,从生命周期的角度来看,玉米乙醇的排放量远低于玉米乙醇。
  • 藻类每英亩可以产生比植物生物燃料更多的生物燃料——目前每年每英亩约1500加仑燃料。这几乎是每英亩甘蔗或玉米燃料的五倍。

我们也知道藻类可以用来制造生物燃料,其成分与今天的运输燃料相似。

藻类如何生长

藻类可以为重要的可再生分子提供一种多样化的、非常理想的非食物来源,这种分子可以用于生产第二代生物燃料。一些菌株的藻类可以优化生产生物柴油前体。其他藻类菌株可以作为可发酵糖的来源进行优化,其成分类似于用于制造第一代生物燃料(如乙醇)的玉米粒。

藻类如何工作流程图

用Viridos进行藻类生物学基础研究

今天,埃克森美孚公司和Viridos公司正在进行一项基础研究项目,从藻类中开发先进的生物燃料。这一共同努力正朝着生产技术能力的方向努力到2025年,每天生产10000桶藻类生物燃料.我们的目标是开发先进的藻类生物燃料选项,并确定最佳途径,使这些突破性的技术提供给消费者。自2009年我们宣布与Viridos的初始联盟以来,我们已经获得了许多深刻的见解,并取得了进展,该项目建立在此基础上。

利用Viridos公司先进的细胞工程技术,埃克森美孚公司的Viridos研究团队最近对一种藻类进行了改良,将藻类的含油量从20%提高到40%以上。在同行评议期刊上查看研究结果自然生物技术

Viridos的研究人员;La Jolla的实验室发现了一种新的增加石油产量的方法,通过鉴定一种基因开关,可以对其进行微调,以调节藻类Nannocloropsis gaditana中碳向石油的转化。该团队建立了一种概念验证方法,使藻类的细胞碳脂质含量比母体增加一倍,同时维持生长。

科学家们在实验室里研究藻类

照片- Viridos的科学家使用先进的细胞工程技术

埃克森美孚研究与工程公司研发副总裁维杰·斯瓦鲁普(Vijay Swarup)表示:“我们先进生物燃料项目的这一关键里程碑证实了我们的信念,即藻类作为可再生能源可以产生难以置信的生产力,并对我们的环境做出相应的积极贡献。”。“我们与Viridos的合作仍然是我们更广泛研究低排放技术以降低气候变化风险的重要组成部分。”

藻类被视为一种潜在的可持续燃料选择,但过去十年来,研究人员一直在开发一种含油量高且生长迅速的菌株,这是可扩展且经济高效的石油生产的两个关键特征。增长放缓是此前试图增加海藻油产量的一个不利影响。

埃克森美孚与viridos合作的一个关键目标是增加藻类的脂质含量,同时降低淀粉和蛋白质成分,而不抑制藻类的生长。限制营养物质(如氮)的可用性是增加藻类产油的一种方法,但它也会显著抑制甚至停止光合作用,阻碍藻类生长,最终导致产油量的增加。

我们与Viridos的合作仍然是我们为降低气候变化风险而进行的更广泛的低排放技术研究的重要组成部分。
Vijay Swarup博士
Vijay Swarup

埃克森美孚研究与工程公司负责研发的副总裁

在增加含油量的同时保持增长的能力是一个重要的进步。与传统生物燃料相比,藻类还有其他优势,因为它可以在盐水中生长,并在恶劣的环境条件下茁壮成长,从而减少了对食物和淡水供应的压力。

从藻类中提取的油也可以在传统炼油厂中加工,生产出与方便使用的高能量柴油没什么不同的燃料。从藻类中提取的油也有望成为化工生产的潜在原料。

自2009年以来,埃克森美孚和Viridos一直在研究和开发从藻类中提取的石油,作为一种可再生的、低排放的传统交通燃料的替代品。Swarup说,虽然这项突破是重要的一步,但这项技术要想进入商业市场还需要几年时间。

关注的焦点

高级生物燃料研究大学伙伴关系

科罗拉多矿业/藻类生物燃料学院

埃克森美孚和科罗拉多矿业学院建立了一个联合研究合作项目——由矿业化学和地球化学副教授马修·波塞维茨(Matthew Posewitz)领导,他在藻类领域工作了13年——重点是对藻类的光合过程和碳固定发展基本的新见解。这些新的见解将有助于更好地理解利用藻类生产生物燃料所面临的科学和技术挑战。

密歇根州/藻类生物燃料

埃克森美孚公司与密歇根州立大学进行了藻类生物燃料的联合研究合作,这一合作重点是推进藻类光合作用的基础科学。大卫·克雷默教授是密歇根州立大学光合作用和生物能学的约翰·汉纳杰出教授,他领导着这项工作。该伙伴关系的总体目标是提高藻类的光合作用效率,以增加生物燃料的产量。

威斯康星大学/生物质更新

埃克森美孚公司已经与威斯康辛大学建立了一个关于生物质升级过程的联合研究项目。这个项目是由George Huber教授领导的,他是生物质转化领域的主要研究者和创新者。该项目的重点是将生物质分解的初始产品转化为更有价值的最终产品。例如,可以通过快速热解或酸和酶处理等初级分解过程从生物质中产生糖或糖相关化合物。这个与威斯康星州合作的项目正在评估将这些糖转化为碳氢化合物燃料(如汽油和柴油)的催化反应。

了解更多关于埃克森美孚与大学合作的信息

研究挑战

在从藻类生产生物燃料实现大规模商业化之前,我们面临着一些重大的技术障碍。为了克服这些挑战,我们正在努力回答一些基本问题,例如:

  • 为什么藻类利用相对较少的可用光能?
  • 可以使用哪些工具来提高藻类的光利用效率和改善生产特性?
  • 你如何开发出一种能产生更多生物油的生物?

主要的挑战是藻类自然收获的光比它们能够有效转化为生物燃料的光要多得多。只有固定数量的光照射到池塘表面,我们的目标是让藻类尽可能有效地利用这些光。浪费的阳光量因藻类种类和生长条件的不同而变化很大,但可能高达80%或更多。埃克森美孚公司和Viridos公司正在进行基础研究,通过提高单个藻类细胞的光合效率,减少浪费的阳光量,提高生物产量。为了实现这一目标,Viridos团队正致力于设计藻类细胞,使其只吸收有效利用的光。

藻类生物燃料的研发是一项长期的努力。自从埃克森美孚公司和Viridos公司开始合作以来,我们学到了很多东西,我们继续建立必要的生物学工具、能力和理解,以克服技术障碍。

规模的挑战

斯瓦卢普说:“我们知道某些类型的藻类可以产生生物油。我们面临的挑战是找到并开发能够大规模生产生物油的藻类,而且要具有成本效益。”

这将需要大量的藻类来生产足够的燃料,即使只满足美国道路运输燃料需求的一小部分。随着能源需求和二氧化碳排放的增加,人口和经济将继续增长2.排放。在埃克森美孚,我们认识到需要一套综合的解决方案来提高效率、扩大供应和减少排放。技术突破将是关键,而藻类生物燃料可以为这一套解决方案做出贡献。

最终目标是在我们的炼油厂加工藻类生物油,以补充传统汽油、柴油、航空燃料和船舶燃料的供应

高级生物燃料研究的下一步是什么?

埃克森美孚与大学、政府实验室和其他公司合作,从事先进生物燃料的广泛研究。到2040年,全球对运输相关能源的需求预计将增长约25%,加快运输部门的减排将在减少全球温室气体排放方面发挥关键作用。

埃克森美孚也在积极研究其他减排技术,包括碳捕获和封存.2016年,埃克森美孚宣布与美国康涅狄格州的FuelCell Energy公司合作,推进使用碳酸盐燃料电池,在生产氢和额外电力的同时,经济地捕获发电厂的碳排放。自2000年以来,埃克森美孚已经花费了约80亿美元在其业务中开发和部署低排放能源解决方案。

走这条道路需要投入大量的时间、金钱和科学知识,以应对与发展经济、大规模先进生物燃料相关的重大挑战。此外,对成功的预测是困难的,直接取决于技术创新的速度。先进的生物燃料可能需要几十年甚至更长的时间才能达到对运输燃料行业有重大好处的规模。

我们将继续评估继续进行藻类生物学研究的最佳选择,作为藻类以外更广泛的生物燃料研究和开发项目组合的一部分。

埃克森美孚公司的科学家Megan Ruhmel在藻类实验室
照片-埃克森美孚藻类研究技术人员梅根·鲁梅尔(Megan Ruhmel)正在与Viridos合作,开发出一种完美的脂肪、健康的藻类品种,这种藻类可以转化为发动机可用的生物燃料——这是几十年来一直在制造的科学。

利用REG进行纤维素研究

埃克森美孚与可再生能源集团(REG)签署了一项协议,研究通过发酵农业废弃物等来源的可再生纤维素糖来生产生物柴油。REG已经开发了一项专利技术,利用微生物将糖转化为生物柴油,一步发酵过程类似于乙醇生产。埃克森美孚和REG生命科学公司的研究将集中于使用非食物来源的糖。

REG在利用低碳废料生产先进生物燃料方面有着悠久的创新历史。通过这项研究,两家公司将解决如何发酵现实世界中的可再生纤维素糖的挑战。这种糖含有多种糖类,包括葡萄糖和木糖,但也有可能抑制发酵的杂质。

我们的第一个挑战是在初步研究中确定技术可行性和潜在的环境效益。如果结果是积极的,我们就可以采取下一步,探索扩大努力和探索可扩展性的潜力。

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