Forskere afslører, hvordan man forvandler et ansvar for global opvarmning til en rentabel fødevaresikkerhedsløsning

Som et fatamorgana i horisonten er en innovativ proces til at omdanne en potent drivhusgas til en fødevaresikkerhedsløsning blevet standset af økonomisk usikkerhed. Nu evaluerer en første af sin slags Stanford University-analyse markedspotentialet af tilgangen, hvor bakterier fodret med indfanget metan vokser til proteinrigt fiskemel. Undersøgelsen, offentliggjort 22. november i Nature Sustainability , konstaterer, at produktionsomkostninger, der involverer metan fanget fra visse kilder i USA, er lavere end markedsprisen for konventionelt fiskemel. Det fremhæver også gennemførlige omkostningsreduktioner, der kunne gøre tilgangen rentabel ved at bruge andre metankilder og i stand til at imødekomme al global efterspørgsel efter fiskemel.

"Industrielle kilder i USA udsender en virkelig svimlende mængde metan, som er uøkonomisk at opfange og bruge med nuværende applikationer," sagde studielederforfatter Sahar El Abbadi, der udførte forskningen som kandidatstuderende i civil- og miljøteknik.

"Vores mål er at vende det paradigme ved at bruge bioteknologi til at skabe et produkt af høj værdi," tilføjede El Abbadi, som nu er underviser i Civic, Liberal and Global Education-programmet på Stanford.

To problemer, én løsning

Selvom kuldioxid er mere udbredt i atmosfæren, er metans globale opvarmningspotentiale omkring 85 gange så stort over en 20-årig periode og mindst 25 gange så stort et århundrede efter dets frigivelse. Metan truer også luftkvaliteten ved at øge koncentrationen af ​​troposfærisk ozon, hvis eksponering forårsager anslået 1 million for tidlige dødsfald årligt på verdensplan på grund af luftvejssygdomme. Metans relative koncentration er vokset mere end dobbelt så hurtigt som kuldioxidens koncentration siden begyndelsen af ​​den industrielle revolution, i høj grad på grund af menneskedrevne emissioner.

En potentiel løsning ligger i metanforbrugende bakterier kaldet metanotrofer. Disse bakterier kan dyrkes i en afkølet, vandfyldt bioreaktor tilført metan under tryk, oxygen og næringsstoffer såsom nitrogen, fosfor og spormetaller. Den proteinrige biomasse, der opnås, kan bruges som fiskemel i akvakulturfoder, hvilket opvejer efterspørgslen efter fiskemel lavet af små fisk eller plantebaseret foder, der kræver jord, vand og gødning.

"Selvom nogle virksomheder allerede gør dette med naturgas fra rørledninger som råmateriale, ville en foretrukken råvare være metan, der udledes på store lossepladser, spildevandsrensningsanlæg og olie- og gasanlæg," sagde studiets medforfatter Craig Criddle, professor i civil og miljø. ingeniør ved Stanford's School of Engineering. "Dette ville resultere i flere fordele. herunder lavere niveauer af en potent drivhusgas i atmosfæren, mere stabile økosystemer og positive økonomiske resultater."

Forbruget af fisk og skaldyr, en vigtig global kilde til protein og mikronæringsstoffer, er steget mere end firedoblet siden 1960. Som følge heraf er de vilde fiskebestande stærkt udtømte, og dambrug leverer nu omkring halvdelen af ​​al den animalske fisk og skaldyr, vi spiser. Udfordringen vil kun vokse, efterhånden som den globale efterspørgsel efter vandlevende dyr, planter og alger sandsynligvis vil fordobles i 2050, ifølge en omfattende gennemgang af sektoren ledet af forskere ved Stanford og andre institutioner.

Mens methanfodrede metanotrofer kan give foder til opdrættede fisk, har økonomien i tilgangen været uklar, selv om priserne på konventionelt fiskemel er næsten tredoblet i reelle termer siden 2000. For at tydeliggøre tilgangens potentiale til at imødekomme efterspørgslen rentabelt, modellerede Stanford-forskerne scenarier, hvor metan hentes fra relativt store spildevandsrensningsanlæg, lossepladser og olie- og gasanlæg, samt naturgas indkøbt fra det kommercielle naturgasnet. Deres analyse så på en række variabler, herunder omkostningerne ved elektricitet og tilgængelighed af arbejdskraft.

Mod at skabe overskud

I scenarierne, der involverer metan opsamlet fra lossepladser og olie- og gasanlæg, fandt analysen, at metanotrofe fiskemelsproduktionsomkostninger - henholdsvis $1.546 og $1.531 pr. ton - var lavere end den 10-årige gennemsnitlige markedspris på $1.600. For scenariet, hvor metan blev opsamlet fra spildevandsrensningsanlæg, var produktionsomkostningerne lidt højere - $1.645 pr. ton - end den gennemsnitlige markedspris for fiskemel. Scenariet, hvor metan blev købt fra det kommercielle net, førte til de dyreste produktionsomkostninger for fiskemel – 1.783 USD pr. ton – på grund af omkostningerne ved at købe naturgas.

For hvert scenarie var elektricitet den største udgift, der i gennemsnit tegnede sig for over 45 procent af de samlede omkostninger. I stater som Mississippi og Texas med lave elpriser faldt produktionsomkostningerne med over 20 procent, hvilket gjorde det muligt at producere fiskemel fra metan for 1.214 dollars pr. ton, eller 386 dollars mindre pr. ton end konventionel fiskemelsproduktion. Elektricitetsomkostningerne kan reduceres yderligere, siger forskerne, ved at designe reaktorer, der bedre overfører varme til at kræve mindre køling, og skifte elektrisk drevne applikationer til dem, der drives af såkaldt strandet gas, der ellers ville være spildt eller ubrugt, hvilket også kan reducere afhængighed af netelektricitet til fjerntliggende steder. I scenarier, der involverer metan fra spildevandsrensningsanlæg, kan selve spildevandet bruges til at levere nitrogen og fosfor samt afkøling.

Hvis effektivitetsgevinster som disse kunne nedbringe produktionsomkostningerne for et metanotrof-baseret fiskemel med 20 procent, kunne processen ifølge undersøgelsen med fordel levere den samlede globale efterspørgsel efter fiskemel med metan fanget i USA. På samme måde kunne processen erstatte sojabønner og dyrefoder, hvis yderligere omkostningsreduktioner blev opnået.

"På trods af årtiers forsøg, har energiindustrien haft problemer med at finde en god brug for strandet naturgas," sagde studiets medforfatter Evan David Sherwin, en postdoc-forsker i energiressourceteknik ved Stanford. "Da vi begyndte at se på energi- og fødevaresystemerne sammen, blev det klart, at vi kunne løse mindst to langvarige problemer på én gang."