Dyrkning af alger mere bæredygtigt til produktion af biobrændstof

Fordi fossile brændstoffer udleder forurenende stoffer, der er skadelige for både miljøet og folkesundheden, forskere udforsker flittigt mere bæredygtige alternativer. Et af disse alternativer er biobrændstoffer.

Biobrændstoffer er vedvarende energikilder skabt ved hjælp af planter som majs eller switchgrass, der kan dyrkes som årlige eller flerårige afgrøder. En anden kilde, der bruges til at skabe biobrændstof, er alger-både encellede mikroalger og makroalger som tang. Selvom algebiobrændstoffer er et mere bæredygtigt alternativ til fossile brændstoffer, der er stadig plads til at forbedre produktionen af ​​de alger, der bruges til at skabe dem.

Ken Reardon, Jud og Pat Harper professor i kemi og biologisk teknik, leder et projekt på 2,1 millioner dollars, der har til formål at øge algeudbyttet ved at forbedre kuldioxidudnyttelsen. Det treårige projekt er en del af en indsats ledet af Department of Energy's Office of Energy Efficiency &Renewable Energy for at forbedre omkostningskonkurrenceevnen og den miljømæssige bæredygtighed af mikroalgebaserede brændstoffer og produkter. Et team på fem fakultetsmedlemmer ved Colorado State University og tre forskere ved National Renewable Energy Laboratory (NREL) vil samarbejde om at nå projektmålene om 1) at forbedre leveringen af ​​CO2 til alger og 2) at øge algers forbrug af CO2.

Projektet er desuden et partnerskab med to virksomheder. New Belgium Brewing vil levere CO2 fra deres fermenteringsprocesser, og Qualitas Health, en virksomhed, der producerer omega-3 næringsstoffer fra alger, vil hjælpe med at teste den forbedrede CO2-leveringsteknologi på deres dyrkningssted i Imperial, Texas.

Levering:Bringer CO2 til algerne

Til massedyrkningsformål, mikroalger dyrkes typisk i store, lavvandede damme, der tillader lys at trænge ind i vandet til algecellerne. Ligesom planter, alger kræver sollys, CO2, og næringsstoffer til at vokse. For at levere CO2, luft sprøjtes ud, eller skubbet gennem små huller i et rør, i bunden af ​​dammen. Ved at bruge denne leveringsmetode, meget af CO2 bobler til overfladen og går til spilde, frem for at blive brugt af algerne.

For at forbedre leveringen af ​​CO2 til mikroalgekulturen, Reardon vil arbejde sammen med Travis Bailey, lektor ved Institut for Kemi- og Biologisk Teknik, og NREL partner Deanne Sammond til at designe en polymer membran indeholdende et enzym, der vil omdanne CO2 til vandopløseligt bicarbonat, som algerne kan bruge til at vokse. Denne membran overfører CO2 til vandet meget mere effektivt end sparging.

David Dandy, professor i Institut for Kemisk og Biologisk Teknik, vil udvikle en beregningsmodel, der forudsiger, hvornår og hvor i dammen, algerne vil vokse hurtigst, gør det muligt at målrette bikarbonatet til disse steder. For at undgå overskydende tilførsel af bikarbonat, et laserovervågningssystem udviklet af en NREL-partner vil registrere, når der er for meget CO2 ved dammens overflade.

"Vi vil have evnen til at levere mere bikarbonat, end det er muligt i øjeblikket, " sagde Reardon. "Vi vil være sikre på, at vi putter bikarbonatet i, hvor og hvornår algerne har mest brug for det."

Optagelse:Forbruger CO2

Når leveringsmetoden er perfektioneret, algerne vil blive modificeret for at kunne følge med stigningen i bikarbonat. Holdet udnytter to tilgange til at forbedre algerne. Den første ledes af Graham Peers, lektor ved Biologisk Institut, som vil gensplejse algerne til at optage og omsætte bikarbonat hurtigere, end de normalt ville. NREL-partner Lieve Laurens vil anvende en naturlig selektionstilgang, der involverer udvælgelse af genetisk overlegne stammer, da alger er brune i miljøer med højt bikarbonatindhold.

"Vi prøver to tilgange, så vi er sikre på at have mindst én vellykket ændring, " sagde Reardon. "Hver version kunne også bruges til forskellige applikationer."

Mens Peers' tilgang resulterer i en genetisk modificeret organisme (GMO), Laurens' gør ikke. Nogle virksomheder foretrækker at bruge GMO-frie alger i deres produkter, så oprettelsen af ​​disse to muligheder giver mulighed for mere forskelligartede applikationer.

Kvantificering af succes

Det er op til Jason Quinn at måle om leverings- og optagelsesforbedringerne er effektive eller ej. adjunkt ved Institut for Maskinteknik, og NREL-partner Ryan Davis. Brug af en livscyklusvurdering til at måle processens miljømæssige bæredygtighed og en teknoøkonomisk analyse til at estimere omkostningerne, Quinn og Davis vil afgøre, om holdet lykkedes med at forbedre omkostningskonkurrenceevnen gennem deres CO2-udnyttelsesforbedringer.

"Jeg er overbevist om, at vi vil være i stand til at øge produktiviteten af ​​et system, der vil producere mere biomasse, " sagde Reardon. "Og jeg er overbevist om, at vi vil overgå vores mål for forbedret CO2-udnyttelse."