Переработка азота и фосфатов дает преимущества, выходящие далеко за рамки затрат. Хотя азот можно производить с помощью дорогостоящего процесса искусственной фиксации азота с использованием природного газа и атмосферного азота, фосфат является ограниченным природным ресурсом, который может быть токсичным при высокой концентрации.
"У нас ограниченное количество фосфатов в мире, но они пользуются большим спросом в качестве удобрений. Половина фосфатов, которые попадают в наши посевы в виде удобрений, попадает в Мексиканский залив, создавая зоны гипоксии », – сказал Лейн. Гипоксические зоны, более известные как «мертвые зоны», – это области с низкой концентрацией кислорода, которые убивают или вытесняют морскую жизнь.
Экономические модели показывают, что замена всего 10 процентов жидкого транспортного топлива топливом, полученным из водорослей, хотя и полезна для окружающей среды во многих отношениях, может удвоить потребление удобрений, что, в свою очередь, приведет к увеличению стоимости продуктов питания.
Но переработка фосфатов означает, что выигрывают все: производители биотоплива на основе водорослей, фермеры и окружающая среда. «Перерабатывая фосфаты из одной партии водорослей в другую, мы экономим деньги, больше не конкурируем с сельским хозяйством за невозобновляемый ресурс и не допускаем попадания этих фосфатов в окружающую среду», – сказал Лейн.
Лейн и Дэвис рассматривают другие варианты применения своих методов рециркуляции питательных веществ для водорослей с обратной связью.
«Наш метод можно использовать для удаления фосфатов из сельскохозяйственных стоков до того, как они достигнут Солтон-Си», – сказал Дэвис. Сток удобрений в соленое море, самое большое озеро Калифорнии, привел к появлению мертвых зон, угрожающих рыбам и другим животным. "Те питательные вещества, которые в противном случае могли бы еще больше способствовать формированию мертвой зоны, можно было бы использовать для преднамеренного выращивания водорослей для производства биотоплива и других товаров на биологической основе."
Осмотический шок – ключ к высвобождению фосфатов
Лейн и Дэвис обнаружили, что их метод рециркуляции питательных веществ работает с множеством различных видов сырья для выращивания водорослей, даже с смешанным сырьем. Поскольку водоросли обладают большим генетическим разнообразием, чем любой другой организм, многие методы, разработанные в прошлом, не работали повсеместно.
Исследователи используют довольно простой процесс, осмотический шок, чтобы высвободить фосфат из культивируемых водорослей. "Мы поражаем водоросли пресной водой, контролируя при этом определенные условия, такие как pH и температура. Это нарушает внутреннюю структуру клетки и высвобождает естественные ферменты », – пояснил Лейн. "Эти ферменты пережевывают клетку и быстро высвобождают фосфаты."
Следующим шагом является ферментация для преобразования азота, который в основном находится в форме аминокислот, в аммиак.
Затем фосфаты и аммиак рекомбинируются – с помощью магния, присутствующего в больших количествах в биомассе водорослей – с образованием струвита, твердой соли.
В 2014 году команда Sandia подтвердила этот метод с 20-недельной непрерывной переработкой и повторным использованием фосфатов и питательных веществ.
Они могли переносить от 60 до 80 процентов питательных веществ от партии к партии.
«Каждые две недели мы перерабатывали питательные вещества и возвращали их в следующую партию водорослей», – сказал Дэвис. «Процесс сработал лучше, чем мы ожидали, поскольку мы увидели ускоренный рост за счет переработанных питательных веществ. Мы не совсем уверены, почему это произошло. Это может быть следы металлов, перенесенные в фосфат."
Экстракция липидов позволяет рециркулировать питательные вещества
Исследование по переработке питательных веществ из водорослей является частью более крупного проекта, финансируемого Управлением биоэнергетических технологий Министерства энергетики, который является частью программы энергоэффективности и возобновляемых источников энергии. Партнерами команды Sandia являются Texas A&M AgriLife Research, которая занимается выращиванием морских штаммов водорослей, и OpenAlgae из Техаса, которая запатентовала методы лизиса клеток водорослей и восстановления липидов водорослей без использования растворителей. Восстановленные масла водорослей можно превратить в топливо.
«Мы были очень заинтересованы в экстракции липидов OpenAlgae, потому что она не использует растворителей, поэтому биомасса остается в естественной форме, которая очень хорошо работает с нашим процессом», – сказал Лейн.
Метод OpenAlgae подвергает клетки водорослей воздействию электромагнитных импульсов высокой энергии, которые разрывают стенки клеток и вызывают взрыв клеток с высвобождением липидов. В этом нарушенном состоянии клетки водорослей гораздо более восприимчивы к осмотическому шоку.
В процессе рециркуляции питательных веществ также выделяется больше соединений, которые можно превратить в топливо. "В биомассе много белка, который впитывает азот. По мере того, как мы выделяем аммиак, мы также улавливаем этот углерод, чтобы его можно было превратить в топливо », – сказал Дэвис.
Лучшая и легкая переработка питательных веществ
Лейн и Дэвис работают над дальнейшим усовершенствованием своего метода для повторного использования большего количества питательных веществ, в том числе в сотрудничестве с Джеймсом Ляо из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, чтобы генетически усовершенствовать штамм ферментации для увеличения урожайности и извлечения различных топливных продуктов. Ляо руководит лабораторией метаболической инженерии и синтетической биологии и является председателем отдела химической и биомолекулярной инженерии и отдела биоинженерии.
Еще одним аспектом проекта является разработка реакторной системы для улавливания аммиака при ферментации биомассы с высвобождением фосфатов. В настоящее время эти шаги выполняются отдельно.
«Наша цель – система одного банка», – сказал Дэвис. "Это станет переломным моментом для расширения масштабов нашего метода. За 20-недельный тест мы вырастили 2 литра водорослей.
Следующим шагом будет увеличение объема наших дорожек на 3000 литров.«Позже в этом году Sandia откроет три испытательных стенда на 1000 литров, мелкие искусственные пруды для выращивания водорослей.
Еще одна цель – обработка берегов пруда. Единый модуль, сочетающий экстракцию липидов и переработку питательных веществ, может разделить биомассу на питательные вещества и топливо на предприятии по выращиванию.
Добыча фосфатного золота
Лейн и Дэвис считают, что их метод может помочь окружающей среде, если его применить к сельскохозяйственным стокам.
Переработка питательных веществ похожа на промывку золота – или, в данном случае, фосфатов – везде, где богатые удобрениями сельскохозяйственные стоки попадают в водоемы. По словам Лейна, главное – получить концентрированный сток до того, как он попадет в водоем и разбавит его.
«Наш метод не может исправить существующие мертвые зоны», – сказал Лейн. "Но это может помешать им расти. Ирония заключается в том, что эти питательные вещества так ценны для выращивания растений, но так опасны, когда попадают в большие водоемы. Исаак Азимов назвал фосфаты узким местом в жизни.’Мы стремимся положить конец этому узкому месту."