Come funziona Algaculture

Le alghe, mostrate qui galleggianti sulla cima di uno stagno, possono sembrare umili, ma hanno il potenziale per aiutare a cambiare l'industria energetica, se solo trovassimo modi efficienti per coltivarle. Hemera / Thinkstock

Quando un'erba non è un'erba? La semplice risposta è: quando si tratta di alghe. Oggi, le alghe, che possono assumere la forma di un'erbaccia trasportata dall'acqua o di una normale schiuma di stagno, sono una promessa immensa per fornirci di tutto, dal mangime per animali al carburante per aerei.

Algaculture è la coltivazione commerciale delle alghe. Le alghe (il singolare è "alga", dal latino "alghe", ma raramente ne troverai solo una) sono semplici piante verdi che crescono nell'acqua. Il loro colore verde significa che producono il proprio cibo usando la fotosintesi, proprio come l'erba, gli alberi e il mais. Le alghe si presentano in due forme principali. Macroalghe sono alghe. Kelp cresce fino a più di 180 piedi (55 metri) di lunghezza nell'oceano [fonte: Edwards]. Nori è la varietà che troverai avvolta attorno al tuo sushi. Microalghe sono minuscole piante unicellulari che galleggiano nell'acqua, ognuna visibile solo al microscopio.

Algaculture non è una novità. Le alghe sono state coltivate per la prima volta in Giappone almeno 1.500 anni fa e la produzione di alghe è ancora un grande business lì [fonte: Guiry]. Il dulse è stato a lungo mangiato nelle isole britanniche e la spirulina microalga è stata raccolta dagli Aztechi del Messico del XVI secolo. Oltre a fornire cibo umano, le alghe sono state utilizzate per fertilizzanti. Forniscono l'addensante alimentare carragenina e altri agenti gelificanti e stabilizzanti che si presentano in tutto, dalla zuppa al dentifricio. In tutto il mondo, la produzione di alghe è un business da 6 miliardi di dollari [fonte: Food and Agriculture Organization of the United Nations].

Oggi, le alghe stanno attirando nuovo interesse e investono in ricerche di mercato a causa del loro potenziale di fornire energia e combattere le minacce ambientali. Parte della massa organica delle alghe assume la forma di olio, che può essere spremuto e convertito in biodiesel. Le alghe battono le piante terrestri a mani basse per l'efficienza con cui producono petrolio. Alcune varietà di alghe producono un olio che può essere raffinato in benzina e persino carburante per aerei. La porzione di carboidrati delle piante può essere fermentata per la produzione di etanolo.

Le alghe possono convertire l'anidride carbonica di scarto, un gas serra che si riversa dalle ciminiere, in prodotti utilizzabili. Possono aiutare a pulire l'acqua sporca, convertendo gli inquinanti in biomassa. Hanno usi aggiuntivi in ​​prodotti farmaceutici e cosmetici.

Con tutto questo potenziale, questa "erba" sembra certamente meritare uno sguardo più attento.

Contenuti

1. La promessa delle alghe
2. Coltivazione commerciale di alghe
3. Raccolta e lavorazione delle alghe
4. I molti usi per le alghe
5. Nota dell'autore

Perché le alghe hanno generato entusiasmo e attratto investimenti nella ricerca negli ultimi anni? Come tutte le piante verdi, le alghe contengono cloroplasti nelle loro cellule. Queste minuscole strutture sono cariche di clorofilla, una molecola che utilizza l'energia della luce per combinare carbonio e acqua in un semplice zucchero. Le cellule trasformano ulteriormente alcuni di questi zuccheri in proteine ​​e lipidi o olio.

Ma se le alghe fanno la stessa cosa del mais, del frumento e dei meli, perché preoccuparsi di allevarle? Dopotutto, per la maggior parte di noi, pannocchie, panini dolci e torta di mele hanno un sapore migliore delle alghe. Ecco alcune delle cose che le alghe hanno per loro:

• Produttività: Le alghe crescono molto velocemente. Le piante terrestri impiegano mesi o anni per raggiungere la maturità. Le alghe possono completare il loro intero ciclo di vita in un solo giorno. Alcune alghe possono raddoppiare la loro biomassa in appena un'ora [fonte: Jha].
• Efficienza: Quando si tratta di convertire l'energia solare in biomassa, le alghe sono tutte attività. Poiché sono supportati e prendono i loro nutrienti direttamente dall'acqua, non hanno bisogno di radici, steli o fiori. Le piante terrestri utilizzano fino al 95 percento della loro energia per costruire le strutture di cui hanno bisogno per il supporto, l'alimentazione e la riproduzione [fonte: Edwards].
• Concentrazione: Grazie alla loro efficienza, le alghe possono essere coltivate in uno spazio molto concentrato. Producono fino a 100 volte più petrolio per acro rispetto alle piante terrestri [fonte: Edwards].
• Versatilità: Si stima che ci siano più di 70.000 specie di alghe, molte delle quali non ancora classificate [fonte: Guiry]. I coltivatori possono scegliere quelli adatti alle condizioni e agli obiettivi, selezionando le varietà per uno specifico intervallo di temperatura o salinità dell'acqua, ad esempio.
• Non concorrenza: Le alghe non competono con le colture attuali per la terra o l'acqua dolce. Possono essere coltivati ​​in stagni in luoghi, come i deserti, che non sostengono le piante terrestri. Alcune varietà preferiscono l'acqua salata o inquinata.

Attratti da tutti questi vantaggi, i coltivatori di alghe hanno lavorato diligentemente per trovare modi efficienti ed economici per coltivare e raccogliere le piante. Il fattore costo è attualmente la grande sfida che deve essere superata per rendere le alghe commercialmente redditizie.

Tutta l'algicoltura richiede tre principi fondamentali: acqua, luce e sostanze nutritive.

L'acqua è la più facile. Non è necessario che sia potabile; diversi tipi di alghe crescono bene in acqua dolce, acqua salata e acqua sporca. La luce solare, perché è gratuita, è la luce preferita. Ma la luce solare raggiunge solo 3 o 4 pollici (7-10 centimetri) in una massa di alghe, quindi i coltivatori devono agitare le alghe per esporle completamente alla luce [fonte: Chemeurope.com]. Il nutriente principale è l'anidride carbonica, che può provenire dall'aria o da un'altra fonte. L'agitazione o il gorgogliamento lo dissolvono nell'acqua. Il coltivatore deve fornire altri nutrienti, come azoto e oligoelementi, se non sono già presenti nell'acqua.

Esistono tre sistemi di base per la coltivazione delle alghe, ciascuno con i suoi vantaggi e svantaggi:

1. Laghetto aperto: Il modo più semplice ed economico per coltivare le alghe è in stagni grandi e poco profondi. L'acqua è spesso divisa in corsie o piste concentriche, con ruote a pale per spostare la miscela di alghe in un cerchio. Questo aiuta a portare le alghe in superficie, dove sono esposte alla luce, e mescola i nutrienti e l'anidride carbonica nel liquido. Il metodo a laghetto aperto produce meno biomassa di alghe rispetto ad altri metodi. Perde acqua per evaporazione, quindi se ne deve aggiungere altra. E consente la contaminazione da predatori o alghe indesiderate.
2. Laghetto chiuso: Questo metodo è simile a uno stagno aperto, ma l'acqua è coperta da una serra in plexiglas. Ciò aumenta il costo, ma consente un maggiore controllo del processo. Riduce l'evaporazione e la contaminazione e prolunga la stagione di crescita. I coltivatori possono allevare alghe tutto l'anno se lo spazio è riscaldato.
3. Biofotoreattore: Un sistema completamente chiuso, il biofotoreattore è costituito da tubi di vetro o acrilico dove le alghe sono esposte alla luce. Le pompe spostano l'acqua, i nutrienti e le alghe attraverso i tubi e i serbatoi di stoccaggio. Alcuni reattori raccolgono automaticamente le alghe quando sono pronte. Questo approccio offre ai coltivatori il massimo controllo sul processo e il modo più efficiente per produrre biomassa di alghe. Ma è anche il più costoso da configurare e utilizzare.

Tutti questi sistemi sono progettati per la coltivazione di microalghe, le varietà unicellulari che galleggiano nell'acqua. I coltivatori coltivano solitamente macroalghe in mare aperto. L'acqua contiene già i nutrienti di cui hanno bisogno le alghe e fornisce buone condizioni di crescita. Il metodo tradizionale era semplicemente quello di raccogliere alghe selvatiche, e questo viene ancora fatto nelle zone costiere di tutto il mondo.

Con l'aumento della domanda, i coltivatori hanno iniziato a coltivare alghe. Per alcune varietà, come le alghe, le spore sono attaccate a corde che vengono poi ancorate nell'oceano e le alghe possono crescere. Altri tipi crescono da pezzi di alghe che vengono fissati a reti o depositati in piscine.

L'agricoltura esiste da 10.000 anni [fonte: Lienhard]. Algaculture è relativamente nuovo. Scienziati e ingegneri stanno studiando attivamente i modi migliori per allevare le alghe in modo efficiente. La raccolta delle piante è un altro argomento di intensa ricerca.

Controllo delle variabili

L'allevatore di alghe deve controllare due importanti variabili per ottenere un buon raccolto. Il livello di pH dell'acqua è importante - le alghe preferiscono un pH compreso tra 7 e 9 - leggermente alcalino. Anche la temperatura è critica. Le alghe crescono principalmente tra 60 e 80 gradi Fahrenheit (da 16 a 27 gradi Celsius) e diverse specie hanno preferenze diverse [fonte: oilgae.com].

Un operaio impila cesti di alghe raccolte sul lungomare. iStockphoto / Thinkstock

Raccogliere le microalghe significa rimuovere le piante microscopiche dall'acqua in cui crescono e concentrarle in una pasta. Il coltivatore ha quindi bisogno di rimuovere l'umidità, lasciando una biomassa densa. Le dimensioni minime delle microalghe rappresentano un problema quando si tratta di raccolta.

Un metodo è filtrazione. Il coltivatore può far scorrere l'acqua contenente le alghe attraverso una membrana di cellulosa i cui pori sono più piccoli delle cellule delle alghe. Questo può essere difficile perché i filtri si riempiono rapidamente di alghe e si intasano. I ricercatori stanno cercando modi migliori per filtrare in modo efficiente le alghe.

Flocculazione, un altro metodo di raccolta, significa far raggruppare le alghe. L'aggiunta di sostanze chimiche o tipi di alghe che si raggruppano naturalmente può far sì che le microalghe formino grumi che diventano più facili da raccogliere.

Un altro modo per raccogliere le alghe è tramite galleggiamento. Qui, il coltivatore utilizza l'aria compressa per creare una schiuma di bolle e alghe che porta le piccole piante in superficie dove possono essere eliminate.

Una centrifuga è ancora un altro metodo di raccolta. La rotazione di un contenitore pieno di acqua e alghe fa sì che le alghe si raccolgano in un'estremità.

Per raccogliere i raccolti in modo più efficace, i coltivatori di alghe a volte combinano questi metodi. Potrebbero usare la flocculazione per formare grumi di alghe, quindi separarli con flottazione o una centrifuga. Trovare un modo veramente efficiente per raccogliere le microalghe è la chiave per ridurre i costi di coltivazione.

La raccolta delle macroalghe comporta diversi problemi. La raccolta di alghe selvatiche è un processo laborioso. Alcuni tipi di alghe coltivate in condizioni controllate possono essere raccolte in reti. Le alghe allevate su corde possono essere tirate fuori e appese ad asciugare. Le foreste di alghe nei mari poco profondi possono essere falciate dalle macchine, togliendo le cime dei letti di alghe sottomarine.

Una volta raccolte, le alghe devono essere drenate dalla loro acqua ed essiccate. Una centrifuga può far fuoriuscire l'acqua, ma è relativamente costosa. Alcuni sistemi combinano raccolta e lavorazione, spargendo le alghe su filtri a nastro che lasciano defluire l'acqua, quindi rimuovendo più acqua utilizzando un mezzo capillare che estrae l'acqua dalla biomassa di alghe.

Il prossimo passo è abbattere le pareti cellulari delle alghe per estrarre l'olio all'interno. Le alghe vengono passate attraverso una pressa a vite oa pistone. Anche sostanze chimiche, impulsi elettromagnetici o ultrasuoni possono essere utilizzati per abbattere le cellule. Quando l'olio è stato drenato, la biomassa rimanente viene compressa in una torta da utilizzare come supplemento per l'alimentazione animale o come fertilizzante.

Le alghe hanno trovato una vasta gamma di utilizzi, i più eccitanti in campo energetico.

Il ronzio sulle alghe è che sono una fonte ideale di energia rinnovabile e potrebbero essere il massimo carburante verde. La ricerca del governo degli Stati Uniti e di società come Boeing, Chevron e Honeywell stanno sviluppando modi per rendere l'algicoltura una base economicamente valida per una nuova generazione di energia [fonte: Chemeurope.com]. Parte dell'attrazione è la gamma di combustibili in cui le alghe possono essere convertite.

• Biodiesel è il modo più semplice per sfruttare il potenziale energetico delle alghe. Come ogni olio vegetale, l'olio di alghe può essere trasformato chimicamente in biodiesel. Rispetto alle piante terrestri come la soia o il mais, le alghe utilizzano meno terra e acqua dolce, crescono più velocemente e hanno concentrazioni più elevate di olio.
• Carburanti raffinati per il trasporto sono un'altra area promettente per le alghe. Alcune alghe producono olio che può essere raffinato in benzina o persino carburante per aerei e senza i composti di zolfo e azoto nel petrolio. I produttori possono lavorarlo nelle stesse raffinerie delle scorte a base di petrolio. Nel 2011, il primo volo su jet commerciale alimentato da olio algale è volato da Houston a Chicago [fonte: Fehrenbacher].
• Etanolo, che viene comunemente aggiunto alla benzina, può essere prodotto dalle alghe e dalle piante terrestri. Oltre all'olio, le alghe sono costituite da carboidrati e pareti di cellulosa. Questi materiali possono essere fermentati dal lievito in etanolo o alcol di cereali.
• Metano, l'ingrediente principale del gas naturale, viene prodotto quando i batteri digeriscono le alghe. Combustibile pulito e versatile, il metano può essere utilizzato per produrre elettricità o veicoli a motore. Rappresenta un'altra opzione di biocarburante per le alghe.

Le alghe prosperano effettivamente sull'acqua inquinata, il che significa che possono essere utilizzate per il trattamento delle acque reflue. Le alghe trasformano gli inquinanti delle acque reflue urbane, industriali o agricole in sottoprodotti utilizzabili come mangimi animali o biomasse per la conversione in energia. Le alghe accumulano naturalmente metalli pesanti per la rimozione o il riciclaggio.

Poiché l'anidride carbonica, il gas serra che contribuisce al cambiamento climatico, è il cibo preferito delle alghe, le piante possono essere utilizzate per cattura del carbonio. Convertono il gas in composti di carbonio organico a una velocità molto più rapida rispetto alle piante terrestri. Una libbra (453,6 grammi) di alghe consuma 2 libbre (907,2 grammi) di anidride carbonica [fonte: Edwards]. Alimenta il gas di scarico di una centrale elettrica a carbone in una massa di alghe e lo mangiano letteralmente. I gas di scarico possono essere immagazzinati per l'eliminazione permanente dall'atmosfera o convertiti in carburante per ridurre l'uso di combustibili fossili.

Le alghe continuano a svolgere un ruolo come cibo e integratori umani. Le persone mangiano alghe nelle insalate e nel sushi e prendono integratori a base di microalghe spirulina. Le alghe forniscono proteine ​​complete, acidi grassi omega-3 e vitamine. La carageen viene estratta dall'alga rossa nota come muschio irlandese e utilizzata come addensante.

Le alghe vengono anche utilizzate come mangime per il bestiame e per animali marini come gamberetti e crostacei. La biomassa rimasta dopo che le alghe sono state lavorate a volte può essere applicata come fertilizzante organico ai campi agricoli. Le alghe trovano anche usi minori nei cosmetici e nei prodotti farmaceutici.

La ricerca sulla coltivazione, la raccolta e la lavorazione delle alghe sta avanzando su molti fronti. Dato il suo immenso valore, non c'è dubbio che questa semplice "erba" giocherà un ruolo crescente nel futuro della nostra società ed economia.

Greggio verde

Se ti sembra strano immaginare la tua macchina che corre sulle alghe, ripensaci. La materia prima che oggi convertiamo in benzina si è formata nel corso di milioni di anni dalle fioriture di alghe che si sono depositate sul fondo del mare e sono state ricoperte di sedimenti. Il calore e la compressione hanno trasformato le minuscole piante in petrolio greggio. I promotori del carburante a base di alghe lo chiamano "greggio verde" [fonte: Jha].

Prima di ricercare questo articolo, onestamente non sapevo che le alghe e le alghe fossero forme diverse della stessa piccola pianta verde. Sono sbalordito dal potenziale delle alghe in così tante direzioni: cibo, energia, controllo dell'inquinamento. I progetti pilota sembrano spuntare ovunque, dagli esperimenti sulle alghe a Long Island Sound agli sforzi per il biodiesel nel West Virginia a un progetto di assorbimento del carbonio in Oregon. Ho avuto l'impressione che potremmo essere sull'orlo di una rivoluzione delle alghe.

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fonti

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• Edwards, Mark. "Quali sono i vantaggi competitivi delle alghe?" Rivista dell'industria delle alghe. 26 maggio 2010. (24 agosto 2012) http://www.algaeindustrymagazine.com/what-are-algaes-competitive-advantages/
• Edwards, Mark. "Perché le alghe sono il modo più efficiente per catturare l'energia solare per la produzione di cibo ed energia?", Algae Industry Magazine. 29 settembre 2010. (24 agosto 2012) http://www.algaeindustrymagazine.com/algae-101-part-13-why-is-algae-the-most-efficient-way-to-capture-solar -energia-per-produzione-cibo-ed-energia /
• Fehrenbacher, Katie. "Solazyme's algae jet fuel powers United flight", Gigaom, 7 novembre 2011. (24 agosto 2012) http://gigaom.com/cleantech/solazymes-algae-jetfuel-powers-united-flight/
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• Guiry, Michael D. "The Seaweed Site: informazioni sulle alghe marine: Introduzione". (24 agosto 2012) http://www.seaweed.ie/aquaculture/introduction.php
• Jha, Alok. "'Oil from algae' promette carburante rispettoso del clima", The Guardian, 31 luglio 2008. (24 agosto 2012) http://www.guardian.co.uk/environment/2008/jul/31/biofuels.travelandtransport
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• Mehta, SK e Gaur, JP. "Uso di alghe per rimuovere gli ioni di metalli pesanti dalle acque reflue: progressi e prospettive". Recensioni critiche in biotecnologia. Vol. 25, n. 3. pagg. 113-152. Luglio-settembre 2005 (3 settembre 2012) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16294830
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