Sådan fungerer algakultur

Alger, der vises her flydende på toppen af ​​en dam, kan se ydmyge ud, men har potentialet til at hjælpe med at ændre energiindustrien - hvis vi kun finder effektive måder at dyrke dem på. Hemera / Thinkstock

Hvornår er et ukrudt ikke et ukrudt? Det enkle svar er: når det er tang. I dag har alger - som kan have form af et vandbåret ukrudt eller almindelig damskum - et enormt løfte om at forsyne os med alt fra dyrefoder til jetbrændstof.

Algaculture er den kommercielle dyrkning af alger. Alger (ental er "alge", latin for "tang", men du finder sjældent bare en) er enkle grønne planter, der vokser i vand. Deres grønne farve betyder, at de producerer deres egen mad ved hjælp af fotosyntese, ligesom græs, træer og majs. Alger findes i to hovedformer. makroalger er tang. Tare vokser til mere end 55 meter lang i havet [kilde: Edwards]. Nori er den sort, du finder pakket rundt om din sushi. mikroalger er små, encellede planter, der flyder i vandet, hver eneste synlig gennem et mikroskop.

Algakultur er ikke noget nyt. Tang blev først dyrket i Japan for mindst 1.500 år siden, og algeproduktion er stadig en stor forretning der [kilde: Guiry]. Dulse er længe blevet spist på de britiske øer, og mikroalgerne spirulina blev høstet af aztekerne i det 16. århundrede Mexico. Ud over at levere menneskelige fødevarer er tang brugt til gødning. De giver madfortykningsmiddels karragen og andre geleringsmidler og stabilisatorer, der dukker op i alt fra suppe til tandpasta. På verdensplan er algeproduktion en forretning på 6 milliarder dollars [kilde: De Forenede Nationers fødevare- og landbrugsorganisation].

I dag tiltrækker alger ny interesse og investerer igen på grund af deres potentiale til at levere energi og bekæmpe miljøtrusler. En del af den organiske masse af alger har form af olie, der kan presses ud og omdannes til biodieselbrændstof. Alger slår landplanter ned i effektiviteten, som de producerer olie med. Nogle alger sorterer en olie, der kan raffineres til benzin og endda jetbrændstof. Carbohydratdelen af ​​planterne kan fermenteres til ethanolproduktion.

Alger kan omdanne kuldioxid affald, en drivhusgas, der hældes fra rygestokke, til anvendelige produkter. De kan hjælpe med at rense snavset vand og omdanne forurenende stoffer til biomasse. De har yderligere anvendelser inden for lægemidler og kosmetik.

Med alt dette potentiale synes dette "ukrudt" bestemt at se nærmere på.

Indhold

1. Løftet om alger
2. Kommerciel dyrkning af alger
3. Høst og forarbejdning af alger
4. De mange anvendelser til alger
5. Forfatterens note

Hvorfor har alger skabt spænding og tiltrukket forskningsinvesteringer i de senere år? Som alle grønne planter indeholder alger kloroplaster i deres celler. Disse små strukturer er fyldt med chlorophyll, et molekyle, der bruger lysenergi til at kombinere kulstof og vand i et simpelt sukker. Cellerne transformerer yderligere nogle af disse sukkerarter til proteiner og lipider eller olie.

Men hvis alger gør det samme som majs-, hvede- og æbletræer, hvorfor gider det da at hæve dem? Når alt kommer til alt smager majs på kobberen, søde ruller og æblepai bedre end tang til de fleste af os. Her er nogle af de ting, alger har gået for dem:

• Produktivitet: Alger er superhurtigt voksende. Landplanter tager måneder eller år at nå modenhed. Alger kan gennemføre hele deres livscyklus på en enkelt dag. Nogle alger kan fordoble deres biomasse på blot en time [kilde: Jha].
• Effektivitet: Når det kommer til konvertering af solenergi til biomasse, er alger alle forretninger. Fordi de understøttes af og tager deres næringsstoffer direkte fra vandet, behøver de ingen rødder, stængler eller blomster. Landplanter bruger så meget som 95 procent af deres energi på at bygge de strukturer, de har brug for til støtte, fodring og avl [kilde: Edwards].
• Koncentration: På grund af deres effektivitet kan alger dyrkes i et meget koncentreret rum. De producerer op til 100 gange mere olie pr. Acre end landplanter [kilde: Edwards].
• Alsidighed: Det anslås, at der er mere end 70.000 arter af alger, hvoraf mange endnu ikke er klassificeret [kilde: Guiry]. Dyrkerne kan vælge dem, der er egnede til forhold og mål, ved at vælge sorter til et specifikt temperaturområde eller for eksempel saltholdighed.
• Ikke-konkurrence: Alger konkurrerer ikke med de nuværende afgrøder om jord eller ferskvand. De kan dyrkes i damme steder, som ørkener, der ikke opretholder jordplanter. Nogle sorter foretrækker saltvand eller forurenet vand.

Tiltrukket af alle disse fordele har algedyrkere arbejdet intenst med at finde frem til effektive og økonomiske måder at dyrke og høste planterne på. Omkostningsfaktoren er i øjeblikket den store udfordring, der skal overvindes for at gøre alger kommercielt bæredygtige.

Al algakultur kræver tre grundlæggende: vand, lys og næringsstoffer.

Vand er det nemmeste. Det behøver ikke være drikkeligt; forskellige typer alger vokser pænt i frisk vand, saltvand og snavset vand. Sollys, fordi det er gratis, er det foretrukne lys. Men sollys når kun 7 til 10 centimeter ind i en masse af alger, så avlere skal agitere algerne for at udsætte det hele for lyset [kilde: Chemeurope.com]. Det vigtigste næringsstof er kuldioxid, der kan komme fra luften eller anden kilde. Omrøring eller bobling opløser det i vandet. Landbrugeren skal levere andre næringsstoffer, som kvælstof og sporstoffer, hvis de ikke allerede er i vandet.

Der er tre grundlæggende systemer til dyrkning af alger, hver med sine fordele og ulemper:

1. Åben dam: Den enkleste og billigste måde at dyrke alger på er i store, lavvandede damme. Vandet er ofte opdelt i koncentriske baner eller baner med skovlehjul for at flytte alge blandingen i en cirkel. Dette hjælper med at bringe alger til overfladen, hvor de udsættes for lys, og blander næringsstoffer og kuldioxid i væsken. Open-dam-metoden producerer mindre alge biomasse end andre metoder. Det mister vand til fordampning, så der skal tilføjes mere. Og det muliggør forurening af rovdyr eller uønskede alger.
2. Lukket dam: Denne metode ligner en åben dam, men vandet er dækket af et Plexiglas drivhus. Dette hæver omkostningerne, men giver større kontrol over processen. Det reducerer fordampning og forurening og forlænger vækstsæsonen. Dyrkere kan hæve alger året rundt, hvis rummet opvarmes.
3. Biophotoreactor: Et fuldstændigt lukket system, biofotografeaktoren består af glas eller akrylrør, hvor algene udsættes for lys. Pumper bevæger vand, næringsstoffer og alger gennem rørene og opbevaringstanken. Nogle reaktorer høster automatisk algerne, når de er klar. Denne fremgangsmåde giver producenterne mest kontrol over processen og den mest effektive måde at fremstille alge biomasse på. Men det er også det dyreste at konfigurere og betjene.

Alle disse systemer er designet til dyrkning af mikroalger, de encellede sorter, der flyder i vand. Dyrkere dyrker normalt makroalger i det åbne hav. Vandet indeholder allerede de næringsstoffer algerne har brug for og giver gode vækstbetingelser. Den traditionelle metode var simpelthen at høste vildt tang, og det gøres stadig i kystområder over hele verden.

Med øget efterspørgsel begyndte producenterne at dyrke tang. For nogle sorter, såsom tang, er sporer knyttet til reb, der derefter forankres i havet, og tang får lov til at vokse. Andre typer vokser fra stykker tang, der er fastgjort til garn eller deponeret i puljer.

Landbruget har eksisteret i 10.000 år [kilde: Lienhard]. Algakultur er relativt ny. Forskere og ingeniører studerer aktivt de bedste måder at opdrage alger effektivt på. Høsting af planter er et andet emne for intens forskning.

Kontrol af variablerne

Alger landmanden skal kontrollere to vigtige variabler for at få en god afgrøde. Vandets pH-niveau er vigtigt - alger foretrækker en pH på 7 til 9 - let alkalisk. Temperaturen er også kritisk. Alger vokser for det meste mellem 60 og 80 grader Fahrenheit (16 til 27 grader celsius), og forskellige arter har forskellige præferencer [kilde: oilgae.com].

En arbejder stabler kurve med høstede alger ved vandet. iStockphoto / Thinkstock

Høst af mikroalger betyder, at de mikroskopiske planter fjernes fra det vand, de vokser i, og koncentreres dem til en pasta. Dyrkeren skal derefter fjerne fugtigheden og efterlade en tæt biomasse. Den lille størrelse af mikroalger udgør et problem, når det kommer til høst.

En metode er filtrering. Dyrkeren kan føre vandet, der indeholder algerne, gennem en cellulosemembran, hvis porer er mindre end algencellerne. Dette kan være vanskeligt, fordi filtre hurtigt bliver fyldt med alger og bliver tilstoppede. Forskere leder efter bedre måder til effektivt at filtrere alger.

flokkulering, en anden høstmetode betyder at få algene til at klumpe sig sammen. Tilsætning af kemikalier eller typer alger, der naturligt klumper sig, kan forårsage, at mikroalger danner klumper, der bliver lettere at samle.

En anden måde at høste alger på er ved flotation. Her bruger avleren komprimeret luft til at skabe en skum af bobler og alger, der bringer de små planter til overfladen, hvor de kan skimmes af.

En centrifuge er endnu en høstmetode. At spinde en beholder fyldt med vand og alger får algene til at samles i den ene ende.

For at høste deres afgrøder mest effektivt kombinerer algakulturavlere undertiden disse metoder. De kan muligvis bruge flokkulering til at danne alge-klumper og derefter adskille dem med flotation eller en centrifuge. At komme med en virkelig effektiv måde at høste mikroalger på er en nøgle til at nedbringe omkostningerne ved dyrkning.

Høst af makroalger indebærer forskellige problemer. At samle vildt tang er en arbejdsintensiv proces. Nogle typer tang, der dyrkes under kontrollerede forhold, kan samles i redskaber. Kelp hævet på reb kan trækkes ud og hænges op til tørre. Tørrskove i lavt hav kan klippes af maskiner, der tager toppe af undersjøiske tare.

Når algerne er høstet, skal der tappes for vandet og tørres. En centrifuge kan spinde vand ud, men er relativt dyr. Nogle systemer kombinerer høst og forarbejdning, spreder algerne på båndfiltre, der lader vandet løbe igennem og fjerner derefter mere vand ved hjælp af et kapillærmedium, der trækker vand ud af biomassen fra alger.

Det næste trin er at nedbryde cellevæggene i algerne for at udvinde olien inde. Algene anbringes gennem en skrue eller stempelpresse. Kemikalier, elektromagnetiske impulser eller ultralyd kan også bruges til at nedbryde cellerne. Når olien er aftapnet, komprimeres den resterende biomasse til en kage, der kan bruges som supplement til dyrefoder eller som gødning.

Alger har fundet en lang række anvendelser, de mest spændende inden for energifeltet.

Det brummer om alger er, at det er en ideel kilde til vedvarende energi og kan være det ultimative grønne brændstof. Forskning fra den amerikanske regering og virksomheder som Boeing, Chevron og Honeywell udvikler måder til at gøre algakultur til et økonomisk bæredygtigt fundament for en ny generation af energi [kilde: Chemeurope.com]. En del af attraktionen er den række brændstoffer, som alger kan konverteres til.

• Biodiesel er den enkleste måde at udnytte algens energipotentiale på. Som enhver vegetabilsk olie kan olie fra alger kemisk omdannes til biodieselbrændstof. Sammenlignet med landplanter som sojabønner eller majs, bruger alger mindre jord og ferskvand, vokser hurtigere og har højere koncentrationer af olie.
• Raffineret transportbrændstof er et andet lovende område for alger. Nogle alger producerer olie, der kan raffineres til benzin eller endda jetbrændstof og uden svovl- og kvælstofforbindelser i olie. Producenter kan behandle det i de samme raffinaderier som oliebaseret lager. I 2011 fløj den første kommercielle jetfly drevet af algeolie fra Houston til Chicago [kilde: Fehrenbacher].
• ethanol, der ofte sættes til benzin, kan produceres fra alger såvel som landplanter. Foruden olie består alger af kulhydrater og cellulosevægge. Disse materialer kan fermenteres med gær til ethanol eller kornalkohol.
• Metan, den vigtigste ingrediens i naturgas, produceres, når bakterier fordøjer alger. Et rent og alsidigt brændstof, metan, kan bruges til at producere elektricitet eller el-køretøjer. Det repræsenterer en anden biobrændstofindstilling for alger.

Alger trives faktisk med forurenet vand, hvilket betyder, at de kan bruges til spildevandsrensning. Alger forvandler forurenende stoffer fra kommunalt, industrielt eller landbrugsspildevand til anvendelige biprodukter som dyrefoder eller biomasse til konvertering til energi. Alger akkumuleres naturligt tungmetaller til fjernelse eller genanvendelse.

Fordi kuldioxid, den drivhusgas, der bidrager til klimaændringer, er algens foretrukne mad, kan planterne bruges til kulstoffangst. De omdanner gassen til organiske kulstofforbindelser på en langt hurtigere klip end landplanter. Et pund (453,6 gram) alger forbruger 907,2 gram 2 pund kuldioxid [kilde: Edwards]. Før affaldsgassen fra et kulfyrende kraftværk i en masse alger, og de spiser bogstaveligt talt det op. Affaldsgas kan opbevares til permanent eliminering fra atmosfæren eller konverteres til brændstof for at reducere brugen af ​​fossile brændstoffer.

Alger fortsætter med at spille en rolle som menneskelig mad og kosttilskud. Folk spiser tang i salater og sushi og tager kosttilskud fremstillet af mikroalger spirulina. Alger leverer komplet protein, omega-3 fedtsyrer og vitaminer. Carageen udvindes fra rød tang kendt som irsk mose og bruges som fortykningsmiddel.

Alger bruges også som foder til kvæg og til havdyr som rejer og skaldyr. Den biomasse, der er tilbage efter at alger er forarbejdet, kan undertiden anvendes som organisk gødning på landbrugsmarker. Alger finder også mindre anvendelse i kosmetik og farmaceutiske produkter.

Forskning i dyrkning, høst og forarbejdning af alger skrider frem på mange fronter. I betragtning af dens enorme værdi er der ingen tvivl om, at dette enkle "ukrudt" vil spille en voksende rolle i fremtiden for vores samfund og økonomi.

Grøn råolie

Hvis det synes underligt at forestille sig, at din bil kører på tang, skal du tænke igen. Råmaterialet, vi konverterer til benzin i dag, blev dannet over millioner af år fra algeopblomstringer, der satte sig ned i bunden af ​​havet og var dækket af sediment. Varme og komprimering omdannede de små planter til råolie. Promotorer af algebaseret brændstof omtaler det som "grønt råolie" [kilde: Jha].

Før jeg undersøgte denne artikel, vidste jeg ærligt ikke, at alger og tang var forskellige former for den samme lille grønne plante. Jeg er forbløffet over algens potentiale i så mange retninger: mad, energi, forureningskontrol. Pilotprojekter ser ud til at dukke op overalt, fra tang eksperimenter i Long Island Sound til biodieselindsats i West Virginia til et kulstofabsorptionsprojekt i Oregon. Jeg har fået indtryk af, at vi meget godt kan være på randen af ​​en algerrevolution.

relaterede artikler

• Alger
• Alge biobrændstoffer: fakta eller fiktion
• Fordele ved Chlorella
• Sådan fungerer algerbiodiesel
• Hvordan kan alger omdannes til biobrændstof?
• søgræs
• Tang

Kilder

• Chemeurope.com. "Algaculture." (24. august 2012) http://www.chemeurope.com/en/encyclopedia/Algaculture.html
• Edwards, Mark. "Den lille plante, der reddede vores planet," Magazine for algeindustrien. 24. april 2010. (24. august 2012) http://www.algaeindustrymagazine.com/part-one-the-tiny-plant-that-saved-our-planet/
• Edwards, Mark. "Hvad er algens konkurrencefordele?" Alge Industry Magazine. 26. maj 2010. (24. august 2012) http://www.algaeindustrymagazine.com/what-are-algaes-kompetitive- Ulemper/
• Edwards, Mark. "Hvorfor er alger den mest effektive måde at fange solenergi til fødevarer og energiproduktion på?", Alge Industry Magazine. 29. september 2010. (24. august 2012) http://www.algaeindustrymagazine.com/algae-101-part-13-why-is-algae-the-most-efficient-way-to-capture-solar -Energi-for-mad-og-energi-produktion /
• Fehrenbacher, Katie. "Solazymes alger jetbrændstof driver United flight," Gigaom, 7. november 2011. (24. august 2012) http://gigaom.com/cleantech/solazymes-algae-jetfuel-powers-united-flight/
• Fiskeri- og akvakulturafdeling, De Forenede Nationer. "Introduktion til kommercielle tang." (24. august 2012) http://www.fao.org/docrep/006/y4765e/y4765e04.htm
• Guiry, Michael D. "Hvor mange arter af alger er der?" Journal of Phycology, juni 2012. (24. aug. 2012) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1529-8817.2012.01222.x/abstract
• Guiry, Michael D. "Seaweed Site: information om marine alger: Introduktion." (24. august 2012) http://www.seaweed.ie/aquaculture/introduction.php
• Jha, Alok. "'Olie fra alger' lover klimavenligt brændstof," The Guardian, 31. juli, 2008. (24. august, 2012) http://www.guardian.co.uk/miljø/2008/jul/31/biofuels.travelandtransport
• Lienhard, John H. "Opfindelse af landbrug," Motorer til vores opfindsomhed, nr. 540. (24. august 2012) http://www.uh.edu/engines/epi540.htm
• Mehta, SK og Gaur, JP. "Brug af alger til fjernelse af tungmetalioner fra spildevand: Fremskridt og udsigter." Kritiske anmeldelser inden for bioteknologi. Vol. 25, nr. 3. s. 113-152. Juli-september 2005. (3. september 2012) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16294830
• oilgae.com. "Dyrkning af alger." (24. august 2012) http://www.oilgae.com/algae/oil/biod/cult/cult.htmlhttp://www.oilgae.com/algae/oil/biod/cult/cult.html