Jak działa Algaculture

Pokazane tutaj glony unoszące się na szczycie stawu mogą wyglądać skromnie, ale mają potencjał, aby pomóc zmienić przemysł energetyczny - jeśli tylko znajdziemy skuteczne sposoby ich uprawy. Hemera / Thinkstock

Kiedy chwast nie jest chwastem? Prosta odpowiedź brzmi: kiedy to wodorosty. Dzisiaj algi - które mogą przybrać postać wodorozcieńczalnych chwastów lub zwykłej piany ze stawu - dają nam ogromną obietnicę, jeśli chodzi o dostarczenie nam wszystkiego, od paszy dla zwierząt po paliwo lotnicze.

Algaculture to komercyjna uprawa alg. Glony (liczba pojedyncza to „alga”, po łacinie „wodorosty”, ale rzadko można je znaleźć) to proste, zielone rośliny rosnące w wodzie. Ich zielony kolor oznacza, że ​​produkują własną żywność za pomocą fotosyntezy, podobnie jak trawa, drzewa i kukurydza. Glony występują w dwóch głównych formach. Makroalgi to wodorosty. Wodorosty osiągają w oceanie ponad 180 stóp (55 metrów) długości [źródło: Edwards]. Nori to odmiana, którą znajdziesz w swoim sushi. Mikroalgi to maleńkie, jednokomórkowe rośliny, które unoszą się w wodzie, a każda z nich jest widoczna tylko przez mikroskop.

Algaculture nie jest niczym nowym. Wodorosty po raz pierwszy uprawiano w Japonii co najmniej 1500 lat temu, a produkcja alg jest tam nadal dużym biznesem [źródło: Guiry]. Dulse od dawna jest jedzone na Wyspach Brytyjskich, a mikroalgi spirulina zostały zebrane przez Azteków z XVI-wiecznego Meksyku. Oprócz dostarczania pożywienia dla ludzi wodorosty były używane jako nawozy. Dostarczają zagęszczaczowi żywności karagenu i innych środków żelujących i stabilizujących, które pojawiają się we wszystkim, od zupy po pastę do zębów. Na całym świecie produkcja alg kosztuje 6 miliardów dolarów [źródło: Organizacja Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa].

Obecnie algi cieszą się nowym zainteresowaniem i inwestycjami w badania naukowe ze względu na ich potencjał w zakresie dostarczania energii i zwalczania zagrożeń środowiskowych. Część organicznej masy alg przybiera postać oleju, który można wycisnąć i przekształcić w biodiesel. Glony pokonują rośliny lądowe wydajnością, z jaką produkują olej. Niektóre odmiany glonów dają olej, który można przetworzyć na benzynę, a nawet paliwo do silników odrzutowych. Część roślin zawierająca węglowodany może być poddawana fermentacji w celu produkcji etanolu.

Glony mogą przekształcić odpadowy dwutlenek węgla, gaz cieplarniany wylewający się z kominów, w produkty nadające się do użytku. Mogą pomóc w oczyszczaniu brudnej wody, przekształcając zanieczyszczenia w biomasę. Mają dodatkowe zastosowania w farmaceutykach i kosmetykach.

Przy całym tym potencjale ten „chwast” z pewnością zasługuje na bliższe przyjrzenie się.

Zawartość

1. Obietnica alg
2. Komercyjna uprawa alg
3. Zbieranie i przetwarzanie alg
4. Wiele zastosowań glonów
5. Notka autora

Dlaczego w ostatnich latach algi wzbudziły zainteresowanie i przyciągnęły inwestycje w badania? Podobnie jak wszystkie rośliny zielone, zawierają algi chloroplasty w ich komórkach. Te maleńkie struktury są naładowane chlorofilem, cząsteczką, która wykorzystuje energię świetlną do łączenia węgla i wody w prosty cukier. Komórki dalej przekształcają niektóre z tych cukrów w białka i lipidy lub olej.

Ale jeśli glony robią to samo co kukurydza, pszenica i jabłonie, po co zawracać sobie głowę ich hodowlą? W końcu kolba kukurydzy, słodkie bułeczki i szarlotka smakują dla większości z nas lepiej niż wodorosty. Oto kilka rzeczy, które mają na celu glony:

• Wydajność: Algi rosną bardzo szybko. Dojrzałość roślin lądowych trwa miesiącami lub latami. Glony mogą zakończyć cały swój cykl życia w ciągu jednego dnia. Niektóre glony mogą podwoić swoją biomasę w ciągu zaledwie godziny [źródło: Jha].
• Wydajność: Jeśli chodzi o przekształcanie energii słonecznej w biomasę, glony to biznes. Ponieważ są wspierane i pobierają składniki odżywcze bezpośrednio z wody, nie potrzebują korzeni, łodyg ani kwiatów. Rośliny lądowe zużywają aż 95% swojej energii, budując struktury potrzebne do wsparcia, żywienia i rozmnażania [źródło: Edwards].
• Stężenie: Ze względu na swoją wydajność glony mogą być uprawiane na bardzo skoncentrowanej przestrzeni. Wytwarzają do 100 razy więcej oleju na akr niż rośliny lądowe [źródło: Edwards].
• Wszechstronność: Szacuje się, że istnieje ponad 70 000 gatunków glonów, z których wiele nie zostało jeszcze sklasyfikowanych [źródło: Guiry]. Hodowcy mogą wybierać odmiany dostosowane do warunków i celów, na przykład wybierając odmiany dla określonego zakresu temperatur lub zasolenia wody.
• Zakaz konkurencji: Glony nie konkurują z obecnymi uprawami o ziemię lub słodką wodę. Można je uprawiać w stawach w miejscach, takich jak pustynie, w których nie występują rośliny lądowe. Niektóre odmiany wolą słoną lub zanieczyszczoną wodę.

Przyciągnięci wszystkimi tymi zaletami, hodowcy glonów pracowali pilnie, aby znaleźć wydajne i ekonomiczne sposoby uprawy i zbioru roślin. Czynnik kosztowy jest obecnie największym wyzwaniem, któremu należy sprostać, aby glony stały się komercyjnie opłacalne.

Cała uprawa alg wymaga trzech podstaw: wody, światła i składników odżywczych.

Woda jest najłatwiejsza. Nie musi być pitna; różne rodzaje glonów dobrze rosną w wodzie słodkiej, słonej i brudnej. Preferowanym światłem jest światło słoneczne, ponieważ jest bezpłatne. Ale światło słoneczne dociera tylko do 3 lub 4 cali (7 do 10 centymetrów) masy glonów, więc hodowcy muszą poruszyć glony, aby je wszystkie wystawić na działanie światła [źródło: Chemeurope.com]. Głównym składnikiem odżywczym jest dwutlenek węgla, który może pochodzić z powietrza lub innego źródła. Pobudzenie lub bulgotanie rozpuszcza go w wodzie. Hodowca musi dostarczyć inne składniki odżywcze, takie jak azot i pierwiastki śladowe, jeśli nie są one jeszcze w wodzie.

Istnieją trzy podstawowe systemy uprawy glonów, z których każdy ma swoje zalety i wady:

1. Otwarty staw: Najprostszym i najtańszym sposobem uprawy glonów są duże, płytkie oczka wodne. Woda jest często podzielona na koncentryczne tory lub tory z kołami łopatkowymi do poruszania mieszanki alg po okręgu. Pomaga to w wydostaniu się glonów na powierzchnię, gdzie są wystawione na działanie światła, i miesza składniki odżywcze i dwutlenek węgla w cieczy. Metoda otwartego stawu produkuje mniej biomasy glonów niż inne metody. Traci wodę w wyniku parowania, więc należy dodać jej więcej. I pozwala na skażenie przez drapieżniki lub niepożądane glony.
2. Zamknięty staw: Ta metoda jest podobna do otwartego stawu, ale wodę przykrywa szklarnia z pleksiglasu. Zwiększa to koszt, ale pozwala na większą kontrolę procesu. Zmniejsza parowanie i zanieczyszczenie oraz wydłuża okres wegetacyjny. Hodowcy mogą hodować glony przez cały rok, jeśli pomieszczenie jest ogrzewane.
3. Biofotoreaktor: Całkowicie zamknięty system, biofotoreaktor składa się ze szklanych lub akrylowych rurek, w których glony są wystawione na działanie światła. Pompy tłoczą wodę, składniki odżywcze i glony przez rury i zbiorniki magazynowe. Niektóre reaktory automatycznie zbierają algi, gdy są gotowe. Takie podejście zapewnia hodowcom największą kontrolę nad procesem i najbardziej efektywny sposób produkcji biomasy alg. Ale jest to również najbardziej kosztowne w konfiguracji i obsłudze.

Wszystkie te systemy są przeznaczone do uprawy mikroalg, jednokomórkowych odmian pływających w wodzie. Hodowcy zwykle uprawiają makroalgi na otwartym morzu. Woda zawiera już składniki odżywcze potrzebne glonom i zapewnia dobre warunki wzrostu. Tradycyjną metodą było po prostu zbieranie dzikich wodorostów i nadal jest to robione na obszarach przybrzeżnych na całym świecie.

Wraz ze wzrostem popytu hodowcy zaczęli uprawiać wodorosty. W przypadku niektórych odmian, takich jak wodorosty, zarodniki są przymocowane do lin, które są następnie zakotwiczone w oceanie, a wodorosty mogą rosnąć. Inne typy wyrastają z kawałków wodorostów przymocowanych do sieci lub osadzonych w basenach.

Rolnictwo istnieje od 10 000 lat [źródło: Lienhard]. Algaculture jest stosunkowo nowa. Naukowcy i inżynierowie aktywnie badają najlepsze sposoby wydajnej hodowli glonów. Zbiór roślin to kolejny przedmiot intensywnych badań.

Kontrolowanie zmiennych

Hodowca alg musi kontrolować dwie ważne zmienne, aby uzyskać dobre plony. Ważny jest poziom pH wody - glony preferują pH od 7 do 9 - lekko zasadowe. Temperatura jest również krytyczna. Glony rosną głównie w temperaturze od 60 do 80 stopni Fahrenheita (16 do 27 stopni Celsjusza), a różne gatunki mają różne preferencje [źródło: oilgae.com].

Na nabrzeżu pracownik układa kosze z glonami. iStockphoto / Thinkstock

Zbieranie mikroalg oznacza usuwanie mikroskopijnych roślin z wody, w której rosną i koncentrowanie ich w postaci pasty. Następnie hodowca musi usunąć wilgoć, pozostawiając gęstą biomasę. Niewielki rozmiar mikroalg stanowi problem podczas zbioru.

Jedna metoda to filtrowanie. Hodowca może przepuszczać wodę zawierającą algi przez membranę celulozową, której pory są mniejsze niż komórki glonów. Może to być trudne, ponieważ filtry szybko zapełniają się glonami i zapychają się. Naukowcy szukają lepszych sposobów skutecznego filtrowania alg.

Flokulacja, inna metoda zbioru polega na zbijaniu się glonów. Dodawanie chemikaliów lub rodzajów alg, które naturalnie zbrylają się, może powodować tworzenie się przez mikroalgi kęp, które stają się łatwiejsze do zebrania.

Innym sposobem na zbieranie glonów jest flotacja. Tutaj hodowca wykorzystuje sprężone powietrze do wytworzenia piany z bąbelków i glonów, która przenosi drobne rośliny na powierzchnię, skąd można je zebrać.

Wirówka to kolejna metoda zbioru. Obracanie pojemnika wypełnionego wodą i algami powoduje gromadzenie się glonów na jednym końcu.

Aby zbierać plony najbardziej efektywnie, hodowcy algakultury czasami łączą te metody. Mogą użyć flokulacji do utworzenia skupisk glonów, a następnie oddzielić je za pomocą flotacji lub wirówki. Opracowanie naprawdę wydajnego sposobu zbierania mikroalg jest kluczem do obniżenia kosztów uprawy.

Zbieranie makroglonów wiąże się z różnymi problemami. Zbieranie dzikich wodorostów to proces pracochłonny. Niektóre rodzaje wodorostów uprawianych w kontrolowanych warunkach można zbierać w sieci. Wodorosty podniesione na linach można wyciągać i wieszać do wyschnięcia. Lasy wodorostów w płytkich morzach mogą być koszone przez maszyny, zdejmując wierzchołki podmorskich łóżek wodorostów.

Po zebraniu glony należy osuszyć z wody i wysuszyć. Wirówka może odwirować wodę, ale jest stosunkowo droga. Niektóre systemy łączą zbiory i przetwarzanie, rozprowadzając algi na filtrach taśmowych, które przepuszczają wodę, a następnie usuwając więcej wody za pomocą medium kapilarnego, które wyciąga wodę z biomasy glonów.

Następnym krokiem jest rozbicie ścian komórkowych glonów, aby wydobyć znajdujący się w nich olej. Glony przepuszczane są przez prasę śrubową lub tłokową. Do rozbicia komórek można również użyć chemikaliów, impulsów elektromagnetycznych lub ultradźwięków. Po spuszczeniu oleju pozostała biomasa jest prasowana w placek, który służy jako uzupełnienie paszy dla zwierząt lub jako nawóz.

Algi znalazły szerokie spektrum zastosowań, najbardziej ekscytujące w dziedzinie energii.

Szum na temat alg polega na tym, że są one idealnym źródłem energii odnawialnej i mogą być najlepszym ekologicznym paliwem. Badania przeprowadzone przez rząd USA i firmy takie jak Boeing, Chevron i Honeywell opracowują sposoby uczynienia algakultury ekonomicznie opłacalną podstawą nowej generacji energii [źródło: Chemeurope.com]. Częścią atrakcji jest gama paliw, w które można przetwarzać algi.

• Biodiesel to najprostszy sposób na wykorzystanie potencjału energetycznego alg. Jak każdy olej roślinny, olej z alg można chemicznie przekształcić w biodiesel. W porównaniu z roślinami lądowymi, takimi jak soja czy kukurydza, algi zużywają mniej ziemi i świeżej wody, rosną szybciej i mają większe stężenie oleju.
• Rafinowane paliwa transportowe to kolejny obszar obiecujący dla alg. Niektóre algi wytwarzają olej, który można przetworzyć na benzynę lub nawet paliwo do silników odrzutowych, bez związków siarki i azotu zawartych w ropie naftowej. Producenci mogą go przetwarzać w tych samych rafineriach, co surowce na bazie ropy naftowej. W 2011 roku pierwszy komercyjny lot odrzutowca napędzany olejem z alg poleciał z Houston do Chicago [źródło: Fehrenbacher].
• Etanol, który jest powszechnie dodawany do benzyny, może być wytwarzany zarówno z alg, jak i roślin lądowych. Oprócz oleju glony składają się z węglowodanów i ścian celulozowych. Materiały te mogą być fermentowane przez drożdże do etanolu lub alkoholu zbożowego.
• Metan, główny składnik gazu ziemnego powstaje, gdy bakterie trawią glony. Czyste i wszechstronne paliwo, metan, może być wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej lub pojazdów mechanicznych. Stanowi kolejną opcję biopaliwa dla alg.

Glony w rzeczywistości rozwijają się w zanieczyszczonej wodzie, co oznacza, że ​​mogą być wykorzystywane do oczyszczania ścieków. Glony zamieniają zanieczyszczenia ze ścieków komunalnych, przemysłowych lub rolniczych w użyteczne produkty uboczne, takie jak pasza dla zwierząt lub biomasa do konwersji w energię. Algi w naturalny sposób gromadzą metale ciężkie w celu ich usunięcia lub recyklingu.

Ponieważ dwutlenek węgla, gaz cieplarniany, który przyczynia się do zmian klimatycznych, jest ulubionym pożywieniem glonów, rośliny można wykorzystać do Wychwytywanie węgla. Przekształcają gaz w organiczne związki węgla znacznie szybciej niż rośliny lądowe. Jeden funt (453,6 grama) glonów zużywa 2 funty (907,2 grama) dwutlenku węgla [źródło: Edwards]. Wprowadź gaz odlotowy z elektrowni węglowej do masy glonów, a one dosłownie je zjadają. Gaz odpadowy może być przechowywany w celu trwałej eliminacji z atmosfery lub przekształcony w paliwo w celu ograniczenia zużycia paliw kopalnych.

Glony nadal odgrywają rolę jako pożywienie i suplementy diety dla ludzi. Ludzie jedzą wodorosty w sałatkach i sushi oraz przyjmują suplementy wykonane z mikroalg spiruliny. Algi dostarczają pełnowartościowego białka, kwasów tłuszczowych omega-3 i witamin. Carageen jest pozyskiwany z czerwonych wodorostów znanych jako irlandzki mech i używany jako zagęstnik.

Glony są również wykorzystywane jako pasza dla bydła i zwierząt morskich, takich jak krewetki i skorupiaki. Biomasa pozostała po przetworzeniu alg może być czasami stosowana jako nawóz organiczny na polach uprawnych. Algi znajdują również drobne zastosowania w kosmetykach i farmaceutykach.

Badania nad uprawą, zbieraniem i przetwarzaniem alg postępują na wielu frontach. Biorąc pod uwagę jego ogromną wartość, nie ma wątpliwości, że ten prosty „chwast” będzie odgrywał coraz większą rolę w przyszłości naszego społeczeństwa i gospodarki.

Zielona ropa

Jeśli wyobrażenie sobie samochodu poruszającego się po wodorostach wydaje się dziwne, pomyśl jeszcze raz. Surowiec, który dzisiaj przetwarzamy na benzynę, powstawał przez miliony lat z zakwitów glonów, które osiadły na dnie morza i były pokryte osadami. Ciepło i kompresja przekształciły maleńkie rośliny w ropę. Promotorzy paliwa na bazie alg nazywają je „zieloną ropą” [źródło: Jha].

Przed zbadaniem tego artykułu, szczerze mówiąc, nie wiedziałem, że algi i wodorosty to różne formy tej samej małej zielonej rośliny. Jestem zdumiony potencjałem alg w tak wielu kierunkach: pożywienie, energia, kontrola zanieczyszczeń. Wydaje się, że projekty pilotażowe pojawiają się wszędzie, od eksperymentów z wodorostami w Long Island Sound, przez wysiłki związane z biodieslem w Zachodniej Wirginii, po projekt pochłaniania dwutlenku węgla w Oregonie. Odniosłem wrażenie, że możemy być u progu rewolucji glonów.

Powiązane artykuły

• Glony
• Biopaliwa z alg: fakt czy fikcja
• Korzyści z Chlorelli
• Jak działa biodiesel z alg
• Jak można przekształcić algi w biopaliwo?
• Wodorosty morskie
• Wodorost

Źródła

• Chemeurope.com. „Algaculture”. (24 sierpnia 2012) http://www.chemeurope.com/en/encyclopedia/Algaculture.html
• Edwards, Mark. „Mała roślina, która uratowała naszą planetę”, magazyn Algae Industry. 24 kwietnia 2010. (24 sierpnia 2012) http://www.algaeindustrymagazine.com/part-one-the-tiny-plant-that-saved-our-planet/
• Edwards, Mark. „Jakie są przewagi konkurencyjne alg?” Magazyn Algae Industry. 26 maja 2010. (24 sierpnia 2012) http://www.algaeindustrymagazine.com/what-are-algaes-competitive-advantages/
• Edwards, Mark. „Dlaczego algi są najskuteczniejszym sposobem przechwytywania energii słonecznej do produkcji żywności i energii?”, Magazyn Algae Industry. 29 września 2010. (24 sierpnia 2012) http://www.algaeindustrymagazine.com/algae-101-part-13-why-is-algae-the-most-efficient-way-to-capture-solar -energia-do-produkcji-żywności i-energii /
• Fehrenbacher, Katie. „Paliwo odrzutowe z alg Solazyme'a napędza lot United”, Gigaom, 7 listopada 2011. (24 sierpnia 2012) http://gigaom.com/cleantech/solazymes-algae-jetfuel-powers-united-flight/
• Departament Rybołówstwa i Akwakultury, Organizacja Narodów Zjednoczonych. „Wprowadzenie do komercyjnych wodorostów”. (24 sierpnia 2012) http://www.fao.org/docrep/006/y4765e/y4765e04.htm
• Guiry, Michael D. "Ile jest gatunków glonów?" Journal of Phycology, czerwiec 2012. (24 sierpnia 2012) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1529-8817.2012.01222.x/abstract
• Guiry, Michael D. „The Seaweed Site: informacje o algach morskich: Wprowadzenie”. (24 sierpnia 2012) http://www.seaweed.ie/aquaculture/introduction.php
• Jha, Alok. „Olej z alg” obiecuje paliwo przyjazne dla klimatu ”, The Guardian, 31 lipca 2008. (24 sierpnia 2012) http://www.guardian.co.uk/environment/2008/jul/31/biofuels.travelandtransport
• Lienhard, John H. „Inventing Agriculture”, Engines of Our Ingenuity, nr 540. (24 sierpnia 2012) http://www.uh.edu/engines/epi540.htm
• Mehta, SK i Gaur, JP. „Użycie alg do usuwania jonów metali ciężkich ze ścieków: postęp i perspektywy”. Krytyczne recenzje w biotechnologii. Vol. 25, nr 3. str. 113-152. Lipiec-wrzesień 2005. (3 września 2012) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16294830
• oilgae.com. „Uprawa alg”. (24 sierpnia 2012) http://www.oilgae.com/algae/oil/biod/cult/cult.htmlhttp://www.oilgae.com/algae/oil/biod/cult/cult.html