معلومة

ما هي معوقات تعديل الطحالب لإفراز الوقود؟

ما هي معوقات تعديل الطحالب لإفراز الوقود؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لقد كنت أقرأ قليلا عن وقود الطحالب. يبدو أن بعض الأشخاص قاموا ببعض الأعمال ثم قرروا أنه صعب للغاية. يذكر هذا الرابط عمل شركة Exxon:

https://en.wikipedia.org/wiki/Algae_fuel#Commercial_Viability

وهذا الرابط التالي يوضح الرئيس التنفيذي السابق لشركة Exxon يتحدث عن كيف أرادوا طحالب معدلة وراثيًا لتفرز الزيت ، لذلك لم يكن عليهم قتلها وحصادها. ثم قال إنهم واجهوا مشكلة منخفضة المستوى في العلوم الأساسية ، لكنه لم يقدم مزيدًا من التفاصيل.

https://youtu.be/vGv0R3zJ3cc؟t=4m26s

أي شخص يعرف ما كانت هذه المشكلة؟


15 مزايا وعيوب استخدام الطحالب كوقود حيوي

هناك عدة أسباب وجيهة للنظر إلى الوقود الحيوي اليوم كبديل للمنتجات التي نستخدمها حاليًا. يمكن أن تتقلب أسعار النفط بسرعة ، مما يؤدي أحيانًا إلى خلق سعر للوقود يؤثر سلبًا على الأسر في جميع أنحاء العالم. قد ترغب بعض الدول في البحث عن طرق لتقليل اعتمادها على المنتجات الأجنبية. يمكننا حتى النظر في إعادة المحاصيل النقدية إلى الموارد الغذائية (مثل الذرة) لتجنب السؤال الأخلاقي المتمثل في استخدام الأراضي الزراعية للوقود بدلاً من الجوع.

هذه كلها عناصر إيجابية يجب مراعاتها عند النظر إلى موارد الوقود الحيوي من الطحالب. يستخدم هذا المنتج الطبيعي عملية التمثيل الضوئي لإنتاج زيوت تستهلك ثاني أكسيد الكربون. ينمو في كل من المفاعلات الحيوية ذات الخزانات المغلقة وأنظمة البركة المفتوحة. بعض السلالات منتجة للغاية بحيث يمكن حصاد الزيت الذي تنتجه كل يوم.

هناك مزايا اقتصادية وبيئية يجب مراعاتها مع هذه الصناعة النامية ، في حين أن هناك عيوبًا يجب أن نتجنبها أيضًا. هذا هو السبب في أنه من الضروري مراجعة إيجابيات وسلبيات الوقود الحيوي الطحالب.

قائمة الايجابيات للوقود الحيوي من الطحالب

1. يوفر الوقود الحيوي احتراقًا محايدًا للكربون.
تعتبر بنية الوقود الحيوي من الطحالب مفيدة لأنها تمتص الكثير من الكربون الذي تطلقه لأن هذا هو ما تستخدمه في الغذاء. إذا استخدمنا الوقود الحيوي من الطحالب ، فسينتهي بنا الأمر بنتيجة حيث سيكون صافي استهلاكنا كما لو أننا لم نزرع الطحالب في المقام الأول. هذا يعني أنه يمكننا الوصول إلى مصدر وقود متجدد بطبيعته دون إحداث تأثير سلبي على بيئتنا. حتى لو استهلكنا مستويات عالية منه ، فإن حياد وجوده يعني أننا سنخفض الانبعاثات مقارنة بالمستويات التي هي عليها اليوم.

2. ستعمل مع نظامنا الحالي للوقود.
ميزة أخرى لاستخدام الوقود الحيوي من الطحالب هي أنه سيصبح بديلاً مباشرًا وفوريًا للوقود الذي نستخدمه بالفعل في مختلف الصناعات. يمكن تكرير المنتج بطريقة مماثلة للمنتجات البترولية ، مما يعني أنه يصبح مفيدًا ضمن بنيتنا التحتية الحالية. جربت كل من كانتاس ويونايتد إيرلاينز استخدام مزيج من وقود الطحالب الحيوي مع ما يصل إلى 40٪ من الخلائط وأكملتا تجارب ناجحة للمنتج.

3. إنه متوفر بكثرة حتى بدون معالجة تجارية.
تمتلك الطحالب القدرة على مضاعفة حجمها خلال فترة 24 ساعة. يمكن أن تنمو في العديد من المواقع أيضًا ، بما في ذلك مصادر المياه الموجودة حول محطات الطاقة ومصانع الورق. من المحتمل أن نتمكن من الوصول إلى موارد طاقة باستخدام هذا الوقود الحيوي أكثر مما لو واصلنا التركيز على المنتجات البترولية. نظرًا لأنه من المتوقع أن تختفي احتياطيات النفط الخام والفحم والغاز الطبيعي خلال 60-80 عامًا ، فقد يكون هذا المنتج بديلاً واقعياً.

4. يمكن أن تنتج العديد من المنتجات الثانوية ، مثل الهيدروكربونات البترولية.
يمكننا استخدام الهيدروكربونات المصنوعة من مواد نباتية بنفس الطريقة التي نستخدم بها الهيدروكربونات المصنوعة من المواد البترولية. يتضمن ذلك القدرة على صنع الأسمدة والمنظفات الصناعية ومنتجات الصابون ومخزون الأعلاف. تنمو الطحالب بوفرة كافية بحيث يمكن أن تكون عمليات المصفاة مربحة على الفور إذا توفرت طرق الزراعة التجارية. هذه المرونة تعني أن الوقود الحيوي الطحالب هو بديل لوقود الديزل.

5. هو مصدر متجدد.
على عكس أنواع الوقود الأخرى التي نستخدمها اليوم والتي تعتمد على الوقود الأحفوري ، فإن الطحالب قابلة للتجديد. عندما نريد الحصول على المزيد منه ، فكل ما نحتاج إليه هو أن ننمو أكثر. وجدت دراسة نشرتها Water Resources في عام 2011 أن سلالات الطحالب الأكثر قابلية للحياة يمكن أن تخلق كتلة حيوية كافية من خلال الزراعة التجارية لتحل محل ما يقرب من 48 ٪ من المنتجات البترولية التي تستوردها الولايات المتحدة كل عام.

6. إنها منتجة للغاية من وجهة نظر سلسلة التوريد الشاملة.
نحن بالفعل نصنع العديد من أنواع الوقود الحيوي من المنتجات الطبيعية الأخرى ، مثل قصب السكر والذرة وعشب التبديل. تقدم الطحالب ما يقرب من 80 مرة من الزيت لكل فدان أكثر من قصب السكر أو الذرة أو الحشائش. إنه أقرب إلى أن يكون محايدًا للكربون من هذه الخيارات الأخرى ، وله ميزة عدم كونه جزءًا من السلسلة الغذائية البشرية العادية.

7. إنه محصول يمكننا زراعته بمستويات عالية من الكفاءة.
يمكن أن تنمو الطحالب في أي مناخ تقريبًا. طالما أن هناك ما يكفي من ضوء الشمس ، فسيكون لديها القدرة على النمو. لا داعي للقلق بشأن إخلاء مساحة الغابات أو تحويل أراضي المحاصيل لإنشاء مورد الوقود هذا. يمكن أن تنمو حتى في المساحات التي قد تكون غير فعالة لأشكال الزراعة الأخرى.

قائمة سلبيات الوقود الحيوي من الطحالب

1. يتطلب إنتاج كميات كبيرة من الماء.
سواء كانت الطحالب تنمو في بركة مفتوحة أو مفاعل حيوي مغلق ، يجب أن يكون لديها مصدر مياه كبير متاح لها لزيادة النمو. عندما تحافظ على درجات الحرارة عند المستويات المناسبة لتشجيع هذه النتيجة ، يبدأ السائل في التبخر. هذا هو السبب في أن هذا الوقود الحيوي يستخدم مياهًا أكثر بكثير من الموارد الأخرى التي تستخدم التقنيات الحالية. على الرغم من أن مياه الصرف الصحي المعاد تدويرها وأساليب الزراعة الطبيعية يمكن أن تقلل من هذا العيب إلى حد ما ، إلا أنه لا يزال هناك خطر حدوث تحويل المياه إذا تم السعي وراء هذه الفرصة.

2. يتطلب استخدام الأسمدة بشكل كبير.
لا يمكننا زراعة الطحالب بكميات هائلة إلا عندما يكون هناك ما يكفي من الأسمدة المتاحة للمنتجين. سيتطلب الأمر ما يصل إلى 15 مليون طن متري من النيتروجين لإنتاج ما يكفي من الطحالب لإنتاج 39 مليار لتر من وقود الديزل الحيوي من خلال هذا الجهد ، إلى جانب مليوني طن متري من الفوسفور ، وهو ما يمثل نصف ما هو مستخدم بالفعل في أراضي المحاصيل الأمريكية اليوم. تأتي بعض هذه العناصر الغذائية من المنتجات القائمة على البترول ، وهي ليست محايدة للكربون. هناك أيضًا خطر الجريان السطحي الذي يمكن أن يؤثر على المجاري المائية المحلية.

يواجه Anderson Lake State Park في واشنطن مشاكل مع الجريان السطحي بشكل متكرر خلال أشهر الصيف ، على الرغم من أن الأرض المحيطة بالمياه لم تعد تستخدم لرعي الماشية. إن نمو الطحالب حول مورد مماثل سيكون مشكلة أكبر بكثير يجب إدارتها.

3. تكاليف الإنتاج عالية باستخدام التقنيات الحالية.
كان Solix قادرًا على إنتاج وقود الديزل الحيوي من الطحالب في وقت مبكر من عام 2009 باستخدام التقنيات الحالية ، لكنه جاء بسعر مرتفع. ستحتاج إلى دفع حوالي 33 دولارًا للغالون بسبب مستويات الطاقة المطلوبة لتدوير الغازات والمواد داخل المفاعلات الحيوية لتشجيع النمو. تشير التقديرات في ذلك الوقت إلى أن سعر هذا المورد قد ينخفض ​​في النهاية إلى 5.50 دولارات للغالون. إذا كان من الممكن أيضًا بيع المنتجات الثانوية لهذا المنتج التجاري ، فقد ينخفض ​​السعر إلى 3.50 دولارًا أمريكيًا إلى 4 دولارات أمريكية للغالون الواحد. هذا لا يزال يعادل سعر النفط الخام عند 150 دولارًا للبرميل.

الهدف الحالي لهذه الصناعة ، وفقًا لمكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة ، هو الوصول إلى هدف التسعير هذا بحلول عام 2030.

4. يستغرق السماح للطحالب بإنتاج الوقود الحيوي الذي يمكننا استخدامه وقتًا طويلاً.
على الرغم من أنه يمكنك حصاد بعض سلالات الطحالب على أساس يومي ، فإن هذا لا يعني أنك ستتلقى منتج وقود حيوي يمكنك استخدامه على الفور. هناك العديد من الخطوات التي يجب اتباعها قبل أن يصبح هذا المنتج الطبيعي مصدر وقود صالح للاستخدام. تعتبر معصرة الزيت من أسرع الطرق وأسهلها ، حيث تستخرج ما يصل إلى 75٪ من الزيت من الطحالب. يمكن لمذيبات الهكسين أن تستخلص ما يصل إلى 95٪ من الزيت ، بينما يمكن للسوائل فوق الحرجة أن تستخلص 100٪.

ثم يجب عليك تنقية الزيت باستخدام سلاسل الأحماض الدهنية من خلال عملية تسمى استرة. يستخدم هذا التحول محفزًا لتكوين خليط من الوقود والجليسرول يمكن بعد ذلك تنقيته لإزالة الجلسرين. لا يزال بإمكاننا إنتاج الوقود البترولي بشكل أسرع.

5. لديها قضايا الملاءمة الإقليمية.
المناخات المتغيرة الموجودة في جميع أنحاء المناطق الجغرافية لعالمنا تملي أنواع المحاصيل التي يمكننا زراعتها. ستنمو نباتات الوقود الحيوي بشكل أفضل في مناطق معينة من المناطق الأخرى إذا كنت تستخدم طرق الزراعة الخارجية. على الرغم من أن الطحالب لها بعض الفوائد مع تحمل الطقس ، إلا أنها لا تتمتع بالمرونة للنمو في الأماكن التي يوجد بها برودة شديدة. يمكنك زراعة الليمون في ألاسكا ، لكن يجب أن يحدث ذلك في الداخل. هذا يعني أنه سيكلف أكثر على المدى الطويل.

6. إنه ليس دائمًا منتجًا موفرًا للطاقة.
عندما تقوم بإنتاج الوقود الحيوي مثل الديزل الحيوي من الطحالب ، فإن الأمر يتطلب طاقة تعادل عدة جالونات من الوقود القائم على البترول لإنتاج جالون واحد من الصنف الصديق للبيئة. باستخدام تقنيات الزراعة الحالية ، يمكن أن يتطلب الأمر ما يقرب من 120 ٪ من الطاقة لإنتاج جالون من الوقود الحيوي من الطحالب مقارنةً بالطاقة التي يحتوي عليها. هذه النسبة هي أحد الأسباب التي تجعل المستخدمين الأوائل لهذا المورد يحاولون خفض تكلفة الجالون في أسرع وقت ممكن.

7. قد يؤدي إلى اختلافات في جودة الوقود الحيوي الذي يصل إلى السوق.
يتم ضغط الزيت الموجود في الطحالب وتصفيته وتنقيته ثم تحويله إلى وقود. على الرغم من أن المحاصيل المختلفة تستخدم نفس التقنيات ، إلا أن قدرة هذا المورد على توليد الطاقة يمكن أن تختلف بشكل كبير. على أحد طرفي الطيف ، ينتج متوسط ​​فدان الذرة 18 جالونًا من الإيثانول. إذا قمت بتحويل زيت النخيل إلى وقود ، فستحصل على 635 جالونًا لكل فدان. توفر الطحالب القدرة على توليد 10000 جالون من وقود الديزل الحيوي لكل فدان ، ولكن فقط إذا تم استخدام أنواع معينة في إنشائه.

8. سيكون لديها نفس القضايا التي نراها في الزراعة الأحادية.
عندما يزرع المزارعون محصولًا واحدًا بطريقة مركزة ، فإن ذلك يزيد من مخاطر الآفات وتلوث المياه الذي يؤثر على جودة الوقود النهائي الذي يصل إلى السوق. ستؤثر قضايا الزراعة الأحادية على إنتاج الطحالب أيضًا. سيستقر المزارعون في نهاية المطاف على السلالات التي تنتج معظم النفط ، مما يحد من التنوع الذي سيكون متاحًا. يمكن أن تؤدي النتيجة إلى مشاكل في مكافحة الآفات أو تلوث المياه أو خسارة كاملة. إذا أصاب المرض الطحالب ولم يكن هناك أي نوع آخر ، فإن مزايا هذا المنتج ستختفي على الفور.

تعتبر إيجابيات وسلبيات وقود الديزل الحيوي الطحالب مشجعة لأنه يمنحنا فرصة للحصول على بديل وقود مثبت آخر. على الرغم من أن سعر هذا الوقود لا يزال باهظ الثمن ، إلا أن هناك العديد من المشاريع البحثية التي تعمل الآن لخفض هذه التكاليف. في السنوات العشر القادمة ، قد نجد أن منتجات وقود الديزل الحيوي المصنوعة من الطحالب تهيمن على المضخة ، مما يساعدنا على خلق عالم أنظف مع كل ميل نقوده.


خلفية

خضعت بدائل الوقود الحيوي المستدامة لبحث معمق لعقود من أجل استبدال الوقود الأحفوري للتنقل في المستقبل [29]. يستمر التحقيق في إمكانية استخدام الطحالب الدقيقة لإنتاج الوقود الحيوي. تكنولوجيا الطحالب غير مستدامة اقتصاديًا ويمكن أن تسهم فقط في التخفيف من تغير المناخ في ظل ظروف معينة [28]. من حيث إمكانية خفض التكاليف ، فإن العامل المشترك الأكثر أهمية هو زيادة متوسط ​​الإنتاجية (العائد) [24]. على الرغم من أنه في السنوات الأخيرة ، تم تحقيق بعض الغلات الأعلى من خلال استراتيجيات الزراعة المختلفة باستخدام سلالات الطحالب الطبيعية مثل Tetraselmis suecica و Nannochloropsis oculata [33 ، 38] ، لا يزال الوقود الحيوي الطحالب غير قادر على منافسة الوقود الأحفوري اقتصاديًا [3 ، 10]. Ketzer et al. [13] خلص في مراجعتهم إلى أنه يمكن تحقيق عائد أعلى للطاقة للاستثمار (EROI) ، من وجهة نظر بيولوجية ، من خلال تعزيز كفاءة تحويل الصور ، مما يؤدي إلى زيادة إنتاج الكتلة الحيوية والطاقة. لذلك ينصب تركيز البحث حاليًا على زيادة وتعديل تراكم أو إطلاق منتجات الطاقة أو سلائفها (مثل الدهون والكحول والهيدروكربونات) في الطحالب الدقيقة الضوئية من خلال الهندسة الوراثية. على الرغم من أن تطبيق الهندسة الوراثية لتحسين الأنماط الظاهرية لإنتاج الطاقة في الطحالب الدقيقة حقيقية النواة لا يزال في مهده ، فقد تم تحقيق تقدم كبير في تطوير أدوات التلاعب الجيني مؤخرًا باستخدام أنظمة نماذج الطحالب الدقيقة ، ويتم استخدامها لمعالجة التمثيل الغذائي المركزي للكربون في هذه الكائنات [ 26]. من المحتمل أن يمتد العديد من هذه التطورات إلى الكائنات الحية ذات الصلة صناعياً ، وأن هذا سيكون تقدمًا بحثيًا رئيسيًا فيما يتعلق بتسويق الوقود الحيوي الطحالب [7 ، 10].

تحرير الجينوم الدقيق المستند إلى CRISPR / Cas9 لسلالات الطحالب الصناعية مثل النانوكلوروبسيس، التي تتراكم الزيت كمصدر للزيوت الشبيهة بالنباتات لإنتاج الوقود الحيوي أثناء الحرمان من النيتروجين ، تم إجراؤها بواسطة Wang et al. [34] ، فتح الفرص لتطبيقات التكنولوجيا الحيوية القائمة على الطحالب الدقيقة. هندسة التمثيل الغذائي كلاميدوموناس رينهاردتي تم تقديمه كخيار للاستفادة المثلى من إنتاج الوقود الحيوي ، بسبب تحقيق عوائد أعلى من التربينويدات [36]. في الآونة الأخيرة ، أشارت دراسة مشتركة أيضًا كلاميدوموناس رينهاردتي كالهيكل التالي للبيولوجيا التركيبية المستدامة [6]. علاوة على ذلك ، تم استخدام هندسة البروتين مؤخرًا لتعزيز إنتاج الأيزوبوتانول في سلالة البكتيريا الزرقاء أحادية الخلية متزامن PCC 6803 [21 ، 19 ، 20 ، 37].

إن استخدام سلالات الطحالب الدقيقة GE لإطلاق سلائف الوقود الحيوي إلى مرق الاستزراع للفصل المباشر دون حصاد الخلية قد تم التحقيق فيه بدقة في مشروع الوقود الضوئي (http://www.photofuel.eu). تم استخدام استراتيجيات هندسة التمثيل الغذائي بواسطة Liu و Miao et al. [20] لإنتاج 1-بيوتانول متزامن. بعد اختيار الإنزيمات والمحفزات ، تم إنتاج 836 مجم لتر -1 من 1-بيوتانول في دورق. من خلال تحسين ظروف الزراعة ، لوحظ عيار داخل القارورة يبلغ 2.1 جم لتر -1 وعاير تراكمي أقصى قدره 4.7 جم لتر -1 في الزراعة طويلة الأجل. تظهر هذه السلالات ذات النشاط الأيضي المعزز أو المعدل إمكانية كبيرة لاستغلال التكنولوجيا الحيوية. نظرًا لوجود نقاش عام مثير للجدل حول الهندسة الوراثية الزراعية في أوروبا [5 ، 17] ، فلا يمكن استبعاد احتمال وجود مخاوف مماثلة بشأن تأثير الطحالب الدقيقة المعدلة وراثيًا على البيئة وصحة الإنسان. ما إذا كان مثل هذا النقاش سينشأ حول موضوع الطحالب ، وكيفية معالجة ذلك ، سوف يلعب دورًا رئيسيًا في تنفيذ وتسويق الطحالب الدقيقة المهندسة ، بما في ذلك تطبيقها لإنتاج الوقود الحيوي [4].

أُجريت هذه الدراسة داخل مشروع الوقود الضوئي H2020 التابع للاتحاد الأوروبي (EU) ، من أجل التحقيق في شروط ومتطلبات تنفيذ تقنية جديدة لإنتاج الوقود الحيوي من الطحالب الدقيقة الهندسية. كان الهدف من العمل هو اكتساب نظرة ثاقبة على آراء ومواقف الخبراء الأوروبيين وأصحاب المصلحة فيما يتعلق بمعرفتهم وتصورهم ووجهات نظرهم حول هذه التكنولوجيا بالإضافة إلى مفهومهم فيما يتعلق بقبولها العام.


تواجه الطحالب كوقود للمستقبل توقعات كبيرة - وعقبات

Anne C. Mulkern ، مراسلة E&E

تاريخ النشر: الخميس 17 سبتمبر 2009

سان دييجو - Tim Zenk محاط باللون الأخضر. في معمل بالقرب من ساحل كاليفورنيا ، تملأ ظلال الزمرد والليمون والشارتريوز أطباق بتري وأكواب وأكياس بلاستيكية بطول 14 قدمًا وأحواض سباحة دوامة طويلة.

عندما ينظر زينك حوله ، يرى أيضًا الذهب.

داخل المختبر الذي تبلغ مساحته 70 ألف قدم مربع يوجد الآلاف من سلالات الطحالب ، وهي المادة اللزجة التي تنمو في المستنقعات وأحواض السباحة المتسخة. تريد Sapphire Energy ، الشركة الريادية حيث يعمل Zenk كنائب رئيس لشؤون الشركة ، تحويل السائل الأخضر إلى وقود للسيارات والشاحنات والطائرات وربما أكثر من ذلك بكثير. قال زينك إن الطحالب يمكن أن تغير في يوم من الأيام مزيج الطاقة في البلاد ، مما يقلل من بعض الحاجة إلى النفط ويساعد في الحد من تغير المناخ.

إنه رهان كبير مع مخاطر عالية. قام أصحاب رؤوس الأموال ، بما في ذلك ذراع التمويل لبيل جيتس ، بضخ مبلغ إجمالي قدره 100 مليون دولار لشركة Sapphire Energy. وقالت إكسون موبيل إن شركة إكسون موبيل استثمرت هذا الصيف 600 مليون دولار في شراكة بحثية مع شركة سان دييغو للتكنولوجيا الحيوية Synthetic Genomics Inc. يمكن أن يتضخم هذا الاستثمار إلى مليارات الدولارات.

يفحص تيم زينك ، نائب رئيس شؤون الشركات في شركة Sapphire Energy ، سلالات من الطحالب في قسم من معمل الشركة. تصوير Anne C. Mulkern.

الآن الكونجرس يلقي نظرة. تعد الطحالب واحدة من أكثر الكائنات الحية الأساسية ، وهي تنمو بسرعة وتتغذى على ثاني أكسيد الكربون وتنتج دهونًا يمكن أن تتحول إلى وقود. يمكن أن يصنع هذا الوقود دون استخدام الأرض اللازمة للمحاصيل ، أو استخدام المحاصيل اللازمة للغذاء.

هذا يجعل الطحالب ساخنة في عالم الاحترار.

وقال كينيث جرين الباحث المقيم في معهد أمريكان إنتربرايز المحافظ: "الوقود الحيوي من الطحالب هو الوقود السائل الواعد الذي يلوح في الأفق". "ستتفكك الكيمياء ، وستكون القدرة على زراعة الوقود السائل في جميع أنحاء البلاد حدثًا يغير قواعد اللعبة."

ومع ذلك ، قد تمر سنوات قبل أن يتضح ما إذا كانت الطحالب قادرة على تلبية التوقعات. قال جرين ومحللون آخرون إن القدرة على إخراج الأبحاث من المختبر إلى السوق هي على بعد حوالي عقد من الزمان. قبل أن يحدث ذلك ، يجب على رواد الأعمال إيجاد طريقة لخفض تكلفة تحويل الطحالب إلى وقود.

يعمل الباحثون ورجال الأعمال على تسريع هذه العملية. قال ستيفن مايفيلد ، أحد مؤسسي Sapphire Energy ورئيس مختبر Mayfield Lab في معهد Scripps للأبحاث في سان دييغو ، إن التحدي يكمن في إيجاد ورعاية وحتى إنتاج سلالات من الطحالب يمكن زراعتها وحصدها بثمن بخس على نطاق عالمي. وقال إن هذا النوع من الهندسة يستخدم بالفعل لجعل الذرة والمحاصيل الغذائية الأخرى رخيصة بما يكفي لإطعام سكان العالم.

قال مايفيلد: "يبدو الأمر كما لو أننا في مرحلة تصنيع أول سيارة". لكنه واثق من أن التطورات ستأتي بسرعة. مع تقدير تكلفة وقود الطحالب بحوالي 10 دولارات للغالون في الوقت الحالي ، قال مايفيلد ، إنه يحتاج فقط إلى جعل الطحالب أكثر كفاءة بثلاث مرات للتنافس اقتصاديًا مع البنزين. قال مايفيلد: "من السهل جدًا القيام بذلك".

لجعل البحث أسرع ، جمعت مايفيلد في وقت سابق من هذا العام باحثين في الطحالب في كونسورتيوم يسمى مركز سان دييغو للتكنولوجيا الحيوية للطحالب ، أو SD-CAB. وهي توحد خبراء من جامعة كاليفورنيا وسان دييغو ومعهد سكريبس للأبحاث ومعهد سكريبس لعلوم المحيطات.

يأمل مايفيلد أن يعمل هؤلاء العلماء قريبًا مع خبراء طحالب آخرين. تقدم SD-CAB هذا الأسبوع بطلب للحصول على منحة وزارة الطاقة التي ستوفر 50 مليون دولار على مدى ثلاث سنوات. في تقديم الطلب ، تعاون SD-CAB مع مختبر لورانس بيركلي الوطني بجامعة نبراسكا ، جامعة جونز هوبكنز ، جامعة روتجرز ، جامعة برينستون ، جامعة كورنيل ، جامعة كاليفورنيا ، ديفيس وكلية بروكلين في نيويورك. سيؤدي الفوز بالمنحة إلى مساهمات مالية كبيرة من تسعة شركاء من الشركات.

لكن هناك تحديات سياسية يمكن أن تقزم التحديات العلمية. وقال مايفيلد إن الإيثانول أصبح الوقود الحيوي المحبوب لأن أعضاء مجلس الشيوخ من ولايات حزام الذرة أيدوه. يمكن أن تنمو الطحالب في العديد من الأماكن ولكن ليس لها موطن رسمي.

وقال مايفيلد: "لا يوجد أعضاء في مجلس الشيوخ عن ولايات زراعة الطحالب ليعودوا إلى الكونجرس ويقولون: توقفوا عن إعطاء أموال للذرة وأعطوها للطحالب".

يحاول Sapphire و SD-CAB بناء حلفاء سياسيين. تزور سينثيا وارنر ، رئيسة شركة Zenk و Sapphire ، واشنطن العاصمة كثيرًا للتحدث إلى المشرعين وجماعات الدفاع عن السياسات. سيكون كلاهما في المدينة اليوم للترويج لرحلة عبر البلاد بواسطة شاحنة هجينة تعمل بالكهرباء تستخدم وقود الطحالب.

قال زينك إن أبحاث الطحالب تحتاج في النهاية إلى مليارات الدولارات لبناء مشاريع تجريبية تختبر الجدوى التجارية لوقود الطحالب. وقد لا تأتي هذه الأموال بدون مشهد سياسي يدعم صنع الوقود من الطحالب.

وقال زينك "أحد أهداف سياستنا هنا هو خلق مصلحة وطنية في الطحالب". "إذا لم تكن هناك مصلحة وطنية ، فهذا لا يحدث".

تنتقل الطحالب إلى مركز الصدارة

حتى سنوات قليلة مضت ، كما أخبرها مايفيلد وزينك ، كانت أبحاث الطحالب مخفية في الغالب في المختبرات ، مقاطعة مايفيلد - واصفًا نفسه - "رجال العلم المهووسين". كان مايفيلد يدرس جينات الطحالب منذ حوالي 25 عامًا.

قال مايفيلد إن مجموعة من الأحداث دفعت الطحالب إلى دائرة الضوء. بدأ الكثير من الناس يدركون أن تغير المناخ كان يحدث بالفعل. ثم ارتفعت أسعار النفط.

قال مايفيلد: "قال الناس بعد ذلك ،" يا إلهي ، علينا أن نبدأ التكنولوجيا الخضراء ".

وُلدت شركة Sapphire Energy في مقهى في سان فرانسيسكو قبل حوالي ثلاث سنوات ، عندما تحدثت مجموعة من الأصدقاء كانوا أيضًا علماء ورجال أعمال عن مخاطر الإيثانول وتناقشوا حول الكائنات البيولوجية التي يمكن تحويلها إلى وقود بشكل أفضل. لقد اعتبروا كل شيء من البكتيريا إلى الخميرة إلى الطحالب.

قال زينك إن الثلاثة أطلعوا على الأبحاث حول الاستخدامات الصناعية للطحالب ووجدوا أن مايفيلد كتب عددًا كبيرًا من الأوراق الأكاديمية. تحدث رجال الأعمال إلى مايفيلد ، واستقروا على الطحالب ، وأنشأوا متجرًا في سان دييغو.

حصلت الشركة الوليدة على براءات اختراع. قال زينك إنه عندما بدأوا ، كان مجال الملكية الفكرية مفتوحًا إلى حد ما ، لكن لدى Sapphire الآن أكثر من 200 براءة اختراع في المنطقة. وقال زينك إن الياقوت أقامت "سياج اعتصام أبيض" حول تقنيتها.

بعد العمل التمهيدي لإثبات ما يشتبهون فيه بشأن إمكانات الطحالب ، أعلنت Sapphire منذ حوالي عام عن وجودها وتمويلها بقيمة 100 مليون دولار لرأس المال الاستثماري. وقالت الشركة إنها طورت تقنية خاصة بهندسة الطحالب بحيث تكون الزيوت التي تنتجها مماثلة جزيئيًا للنفط الخام.

ثم تولى الرئيس أوباما منصبه وبدأ الكونجرس في الضغط للتعامل مع تغير المناخ.

قال زينك: "يمكنك أن ترى نوعًا من محاذاة النجوم هذه". بالإضافة إلى المخاوف المتعلقة بالمناخ ، قال ، "لدينا بالفعل قضايا تتعلق بأمن الطاقة. لدينا أشياء جيوسياسية يتعين علينا معالجتها كأمة لإخراجنا من الفوضى التي نحن فيها. نحن نؤمن الآن كأمة علينا أن نجد إمدادات بديلة من النفط الخام من أجل الاستمرار في النمو وتطوير اقتصاداتنا في العالم ".

وأضاف زينك: "هذا صحيح حقًا في بقعة الطحالب الحلوة". "ليس هناك حقًا أي تقنية أخرى يمكنها حقًا ادعاء ذلك."

قامت شركة Exxon Mobil بتمويل أبحاث الطحالب في يوليو ، حيث اختارت شركة يقودها J. Craig Venter ، الذي عمل على ترتيب تسلسل الجينوم البشري (جرينواير، 14 يوليو). قال روب يونغ المتحدث باسم إكسون موبيل في اتفاقية الشراكة الخاصة به ، إنه وضع سلسلة من المعالم التي إذا تم الوفاء بها ستؤدي إلى ضخ مليارات الدولارات.

ترى شركة النفط أن الوقود المصنوع من الطحالب منتج يمكن معالجته في نهاية المطاف في مصافي التكرير وإرساله إلى محطات الوقود ، ولا يتطلب تطوير بنية تحتية جديدة. يقر يونغ بأن ذلك ربما يكون قد انقضى عشر سنوات وأن "هناك بعض العقبات التي يتعين التغلب عليها".

وأضاف يونج: "إن التصميم الكامل لهذا البرنامج هو إنتاج شيء فعال من حيث التكلفة".

قال Green من AEI إن استثمار Exxon Mobil البالغ 600 مليون دولار ليس مبلغًا كبيرًا لشركة بحجمها. في الوقت نفسه ، قال ، "إنهم ليسوا شركة معروفة بإهدار الأموال".

يزيد دخول Exxon Mobil إلى ساحة الطحالب من تفاؤل أولئك مثل الباحثين Zenk و SD-CAB.

قال زينك: "لقد قرروا أن الطحالب هي تقنية قابلة للتطبيق". "إنه يثبت صحة ما نعتقد أنه حقيقي".

لن تتحدث شركة Exxon Mobil عن أهدافها الإنتاجية أو الجدول الزمني لوقود الطحالب. أعلنت شركة Sapphire عن تقديرات توقيت صارمة. وقالت الشركة إنها ستنتج مليون جالون من وقود الديزل ووقود الطائرات سنويًا بحلول عام 2011 ، وهو مبلغ لا تزال شركة Zenk تعترف به صغيرًا وتعكس شركة البحث والتطوير. تستهلك الولايات المتحدة 378 مليون جالون من البنزين يوميًا في استخدام المركبات.

وقالت سافير إنها ستنتج 100 مليون جالون بحلول عام 2018 ، وهو مستوى قال زينك إنه يساوي مصفاة صغيرة. بحلول عام 2025 تخطط لإنتاج مليار جالون من الوقود سنويًا. قال زينك إن الشركة أصدرت جدولها الزمني في أبريل / نيسان جزئياً لجذب انتباه الكونجرس وإدارة أوباما.

قال زينك: "أردنا أن يفهم صانعو السياسة أن الجدول الزمني أضيق". "إنها ليست 10 إلى 20 سنة."

صنع "مصمم الطحالب"

يوجد البحث عن الكنز في مختبر Sapphire Energy ، حيث يعمل حوالي 100 شخص في وقت متأخر من المساء.

يقوم الباحثون هناك بإنشاء سلالات جديدة من الطحالب عن طريق تعديل حمضها النووي. كل يوم ، ينظرون إلى 8000 سلالة جديدة.

العمل دقيق. يضع الباحثون قطرات من 92 سلالة مختلفة على أطباق بتري وتحميلها في آلات تعمل 18 ساعة كل يوم ، بحثًا عن سلالات نجا منها الحمض النووي الجديد. ثم تنتقل هذه السلالات من خلال سلسلة من الاختبارات لتحديد مدى قوتها ، وما إذا كان بإمكانها الازدهار في الهواء الطلق في المياه المالحة ، وما إذا كانت مقاومة للهجوم من الحيوانات المفترسة ، ومدى سهولة حصادها. من المهم أيضًا وجود نسبة عالية من الدهون.

ينتهي المطاف بأفضل السلالات في نوع من الصوبة الزجاجية ، غرفة في الجزء الخلفي من المختبر بسقف مفتوح وتتدفق فيها أشعة الشمس في سان دييغو. تملأ الطحالب الأكياس البلاستيكية الكبيرة التي يبلغ ارتفاعها حوالي 7 أقدام عند طيها إلى نصفين. في أحد الأيام الأخيرة ، أمسك زينك بكيس وأشار إلى الزيت الأخضر بداخله.

وعاء من الطحالب في Sapphire Energy يحاكي ظروف أحواض أكبر بكثير في منشأة اختبار أخرى في Imperial Valley بكاليفورنيا. تصوير Anne C. Mulkern

قال زينك: "هذا واحد يضخها ويخرجها".

في مختبر UCSD على بعد حوالي ميلين ، تعمل أستاذة البيولوجيا الجزيئية سوزان غولدن وباحثوها مع مجموعة من سلالات الطحالب الطافرة ، كل واحدة تفتقد أحد الجينات الموجودة عادة في الكائن الحي. قال غولدن إن المكتبة تحتوي على 2451 سلالة ، وتلتقط 88 في المائة من الجينوم. يمكن أن تكشف دراسة هذه السلالات عن طرق لجعل الطحالب تنمو وقودًا بشكل أكثر كفاءة. قال مايفيلد إن الحيلة هي تحديد الجينات الأكثر أهمية ، مثل تلك التي يمكن أن تجعل الطحالب تنتج المزيد من الدهون أو تنمو بشكل أسرع.

قال غولدن إن أبحاث جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو تتضمن نقل الجينات إلى الطحالب لإجبارها على صنع اللبنات الكيميائية الدقيقة اللازمة للوقود.

قال غولدن: "أنت بحاجة إلى مزيج من المواد الكيماوية للوقود لمحرك نفاث يختلف عن الذي تحتاجه لشاحنة أكثر مما تحتاجه في بعض سيارات الركاب". "يمكنك الخروج بمزيج من البنزين الحيوي ، ومزيج آخر يعمل بالديزل الحيوي ، وآخر يعمل بوقود الطائرات. يمكنك بالفعل جعل الخلايا تصنع الخليط الذي تريده."

وأضاف غولدن: "في هذه المرحلة ، نصنع طحالب مصممة".

يتم اختبار عمل المختبر في الميدان. تنقل Sapphire Energy نتائجها إلى برك الطحالب في Las Cruces ، N.M. تعمل هذه الحالة بشكل جيد كأرض اختبار بسبب عدد من محطات الطاقة القريبة التي تعمل بالفحم والتي تنفث ثاني أكسيد الكربون الذي تحتاجه الطحالب. يستخدم باحثو جامعة كاليفورنيا في سان دييغو برك من الطحالب في إمبريال فالي بكاليفورنيا ، على بعد حوالي 120 ميلًا شرق سان دييغو.

قال ستيف كاي ، عميد قسم العلوم البيولوجية في جامعة كاليفورنيا ، وعضو مؤسس آخر في SD-CAB: "نحن نعلم بالفعل عن السلالات التي تنتج أطنانًا من النفط". "لقد حدد مختبري سلالات جديدة من الطحالب التي تنمو بشكل جيد حقًا في وادي إمبريال ، كما لم نتخيلها أبدًا. هذا يشبه حمأة الطحالب السميكة التي تصل إلى ركبتيك."

يلعب الكونجرس دورًا رئيسيًا

قال زينك من Sapphire إن العلم يحتاج إلى بيئة سياسية أكثر ملاءمة للتقدم حقًا.

مع تبني مجلس الشيوخ لتشريع المناخ ، يعمل مؤيدو وقود الطحالب على التأثير على السياسات التي من شأنها دعم البحث. وقال زينك ، لأن ليس لديهم الحلفاء السياسيين المعروفين مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي والصناعات الأخرى ، فإن الاستراتيجية هي التحدث عن العدالة.

قال زينك من Sapphire: "لا يمكن أن يكون لهذه التقنيات الأخرى للطاقة حافز أفضل منا". "ما نبحث عنه هو التكافؤ."

وقال زينك إن الاستراتيجية الأخرى هي إيجاد حلفاء بين الصناعات الأخرى ، مؤكدا أن الطحالب "مجرد حقل نفط فوق الأرض" لا ينافس الإيثانول أو أي من أنواع الوقود المتجددة الأخرى.

وقال زينك إن الطحالب ربطت أيضا بالفحم وشكلت شراكات "مع عدد كبير من محطات توليد الكهرباء التي تعمل بالفحم." لم يقل أي منها. قال زينك لأن الطحالب تأكل ثاني أكسيد الكربون ، يمكن أن توجد برك الطحالب بالقرب من مرافق تعمل بالفحم وتبتلع جزءًا من انبعاثاتها الكربونية.

قال زينك "نحن قصة جيدة لهم". "نحن نضع قوتهم الخضراء".

لجنة البيئة والأشغال العامة في مجلس الشيوخ بصدد كتابة مشروع قانون المناخ لكنها لم تذكر بعد ماذا سيكون فيه. أشارت رئيسة اللجنة ، باربرا بوكسر (ديمقراطية من كاليفورنيا) ، إلى الطحالب في جلسات الاستماع الأخيرة ، بما في ذلك جلسة واحدة في 30 يوليو قالت فيها "الخطوات التي نتخذها لمعالجة ظاهرة الاحتباس الحراري ، بما في ذلك الحوافز لتطوير الطاقة النظيفة ، مثل طاقة الرياح ، والطاقة الشمسية ، والطاقة الحرارية الأرضية ، ووقود الطحالب. ستقلل من اعتمادنا على النفط الأجنبي. "

في جلسة استماع في أوائل شهر يوليو حول دور النقل في تغير المناخ ، قال بوكسر إنه "في ولايتي ، يقوم رواد الأعمال بالفعل بخطوات كبيرة في تطوير سيارات كهربائية وهجينة عالية الكفاءة ونظيفة ، وأنواع وقود متجددة متطورة تعتمد على الطحالب". كما دعا بوكسر رئيس Sapphire Warner للإدلاء بشهادته في جلسة استماع للجنة مايو حول فرص العمل وتغير المناخ.

هناك أموال جديدة للطحالب. يتضمن مشروع قانون مجلس الشيوخ الذي يمول وزارة الطاقة للسنة المالية 2010 35 مليون دولار "لاستراتيجية شاملة للبحث والتطوير والنشر تركز على الوقود الحيوي من الطحالب". جاء ذلك إلى حد كبير لأن السيناتور بايرون دورغان (DN.D) وبوب بينيت (من ولاية يوتا) ، رئيس مجلس الإدارة والعضو البارز في اللجنة الفرعية لتخصيصات الطاقة والمياه ، يدعمان الطحالب ، كما قال تيم بيكينبو ، الشريك مع K & ampL Gates وأحد جماعات الضغط. لطاقة الياقوت.

قام دورغان بجولة في مشروع أريزونا للطحالب يستخدم الكربون من مصنع الفحم ، وفي جلسة استماع في مايو حول إعادة الاستخدام المفيد لثاني أكسيد الكربون تحدث عن كيفية تناول الطحالب لبعض غاز الكربون في المصنع.

قال دورغان في تلك الجلسة: "الطحالب هي أسرع النباتات نموًا في العالم". "يمكنهم مضاعفة حجمهم في فترة زمنية قصيرة جدًا. يمكنهم النمو في مياه الصرف الصحي وتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود سائل يتوافق مع هيكل الوقود الحالي لدينا."

جاءت الأموال من خلال نسخة مجلس النواب من وزارة الطاقة وفاتورة الإنفاق على المياه أيضًا. حصل النائبان برايان بيلبراي (جمهوري من كاليفورنيا) وسوزان ديفيس (ديمقراطية من كاليفورنيا) على 750 ألف دولار أمريكي لتمويل SD-CAB.

وقالت ديفيس في طلبها: "يُنظر إلى الطحالب على نطاق واسع على أنها أكثر المصادر الواعدة لوقود النقل البديل المتجدد". "يمكن زراعة الطحالب على أرض لا تنافس إنتاج الغذاء ، كما هو الحال بالنسبة للمحاصيل الصفية التقليدية مثل الذرة عند استخدامها كمصدر للوقود الحيوي."

وقال بيلبراي في طلبه إن "الوقود الذي يعتمد على الطحالب لديه القدرة على توفير مليارات الجالونات من وقود السيارات ووقود الطائرات النظيف والمتجدد ويمكن توزيعه باستخدام البنية التحتية الحالية للوقود".

There are bills in the House and Senate to extend to algae fuels tax credits that exist for other renewable power sources. There is also talk, Peckinpaugh said, about changing a 2007 energy law that mandated an increase in the production of biofuels from non-food crops, such as cornstalks and switch grass. Called the renewable fuels standard, it mandated that the amount of biofuels in gasoline grow to 36 billion gallons by 2022 from 4.7 billion gallons in 2007. Of that total, 21 billion gallons must come from plants other than corn or sugar. Algae does not qualify as a biofuel under the law as it was written, and some lawmakers want to change that.

Another political goal might prove challenging to obtain.

If Congress creates a cap-and-trade system in which businesses buy and sell carbon pollution credits, Sapphire and SD-CAB want businesses to be able to invest in algae fuel projects in lieu of paying for greenhouse gas emissions. That option, called the offset program in the House climate bill, allows businesses to fund efforts that reduce carbon dioxide at levels equal to what the company is emitting.

Under the language in the House bill, neither Sapphire nor SD-CAB work qualify as an offset. In that legislation, offset projects must be new, starting after the cap-and-trade system begins in order to qualify.

But the Senate, Peckinpaugh said, "is a whole new ballgame."


Microalgae as a Biofuel Source

Triacylglycerol is the primary form of energy storage in microalgal cells, which comprises 60�% of the dry cell weight (Hu et al., 2008 Scott et al., 2010). Each TAG molecule consists of a glycerol backbone to which three fatty acid (FA) moieties are anchored. Each FA molecule is classified, depending on the degree of unsaturation, as either saturated FA (SFA), monosaturated FA (MUFA), or polyunsaturated FA (PUFA). Therefore, relative abundance of these diverse FAs in TAG decides the utility of TAG molecules for specific applications, including their use as transportation fuel, high-value nutrient supplements, emulsifiers, and industrial polymers. Microalgae-derived biomass can supply a wide range of biofuels such as biodiesel, bioethanol, biohydrogen, biomethane, and bioelectricity. Among all projected applications, microalgae-derived oils are the most promising for the production of biofuel (Shuba and Kifleb, 2018). Therefore, current microalgal studies worldwide primarily focus on enhancing lipid accumulation in microalgae under diverse growth conditions for higher oil production.


Hydrogen-making Algae's 'Achilles' Heel' Discovered

Scientists have discovered how oxygen stops green algae from producing hydrogen. The findings could help those working towards &lsquosolar H2-farms&rsquo in which microorganisms produce hydrogen fuel from sunlight and water.

An international team of scientists from Oxford University and universities in Germany report their results in two new papers, one in the journal JACS وواحد في PNAS.

For years scientists have been interested in how we could, potentially, produce hydrogen from just sunlight and water to power vehicles and other devices. One option is to use photosynthetic microorganisms that are able to produce hydrogen as well as starch. Green algae are one of the microorganisms that many have suggested could be turned into living hydrogen factories.

&lsquoThe hydrogen-producing enzyme found in green algae, known as an iron-iron hydrogenase, has evolved a structure that makes it particularly susceptible to attacking oxygen molecules,&rsquo said Professor Fraser Armstrong from Oxford University&rsquos Department of Chemistry, an author of both papers. &lsquoBecause oxygen is a major by-product of the hydrogen-making photosynthetic process in such organisms, the build-up of oxygen, which rapidly attacks the active site of the enzyme, quickly brings the hydrogen-making process to an irreversible halt. Our work has revealed the mechanism of this process.&rsquo

The team used electrochemical kinetic methods to determine the order of events in which oxygen attacks the active site of an iron-iron hydrogenase found in the green algae Chlamydomonas reinhardtii. They combined their observations with data obtained from X-ray absorption spectroscopy. By measuring ripples in the photoelectron energy spectrum of the enzyme under X-ray bombardment they were able to deduce the nature of the damage caused to the active site following attack by oxygen.

Yet while the research reported in PNAS shows just how destructive oxygen is to the enzyme powering green algae&rsquos hydrogen-making process, the team&rsquos research reported in JACS shows that similar hydrogenases produced by other microorganisms may possess greater tolerance to oxygen, sufficient perhaps to survive in the presence of oxygen released during photosynthetic hydrogen production.

Professor Armstrong said: &lsquoIt shows that whilst we may have found a major obstacle along one route to the biological production of hydrogen, this knowledge could help us to identify new routes where nature could suggest an answer to the problem of oxygen&rsquos destructive effect on hydrogen-producing enzymes.&rsquo

The team will shortly be publishing the results of similar research into nickel-iron hydrogenases, enzymes related to those that enable blue-green algae to produce hydrogen.

The research was carried out by an international team including Professor Fraser Armstrong, Gabrielle Goldet, Caterina Brandmayr, and Kylie Vincent from Oxford&rsquos Department of Chemistry with researchers from Ruhr Universität Bochum (Germany), and Freie Universität Berlin (Germany).

مصدر القصة:

المواد المقدمة من University Of Oxford. ملاحظة: يمكن تعديل المحتوى حسب النمط والطول.


From Hype to Reality – Not All Algae Are Created Equally

Algae biofuels are often considered one of those technologies --- like hydrogen fuel cells --- that are always "ten years away." Well, one company says it might have just cracked the code and could be supplying lots of algae jet fuel and diesel in the coming years.

In the race for algae biofuel commercialization, people usually compare open ponds with photobioreactors. Solazyme, however, bypasses photosynthesis (and conventional wisdom) by growing algae in dark fermentation tanks.

Grow algae in dark tanks?! Isn't that like putting solar panels on the dark side of the moon?!

Most algae strains are photosynthetic and utilize the sun to transform C02 into useable energy. Among the most productive and fastest growing organisms on the planet, algae can double in size daily and account for approximately 60% of the oxygen production on Earth. Some strains comprise up to 50% of their body weight as a lipid (oil).

Excitement for algae in recent years has largely been driven by their superior yields. For example, corn ethanol --- the dominant feedstock for ethanol in the United States --- yields the equivalence of 270 gallons of gasoline per acre per year. Algae's yields are somewhere between 1500-8000 gallons per acre per year --- depending upon the strain's genetics, growth method, access to key nutrients, and location.

In addition to superior yields, interest in algae has been driven by the fact that algae can thrive in wastewater, greywater, or salt water, can grow on marginal or desert land, consumes C02 as a feedstock, and could possible be used for wastewater remediation.

Algae also completely bypasses the "food vs. fuel" issues, Indirect Land Use Changes (see Inconvenient Truth: Biofuels Have a Carbon Footprint), downstream petroleum infrastructure incompatabilities, fresh water limitations, questionable energy and GHG emission balances, and all the other reasons why corn ethanol and most other First Generation biofuels are unsuitable candidates to ever wean us off our crack-like addiction to petroleum.

Although many of us believe in algae's long-term prospects, its short-term viability has been limited by unfavorable economics --- calling many to conclude that algae biofuels are all sizzle and little steak.

Although open ponds and photo-bioreactors (PBRs) have very different cap-ex and op-ex cost structures, both systems are defined by an algae lifecycle that goes something like this:

An algae strain must identified and/or optimized for maximum growth and potential to ward of invasive species. The correct location must be found and as the algae grow, they need a constant supply of nutrients, C02, heat, and light which requires the consistent movement of water. Once the algae grows to a sufficient mass, it must be harvested, dewatered, and dried before extraction of the oil can commence. These steps are energy and capital intensive.

Once the oil is extracted, it is relatively simple to upgrade the fuel into jet fuel or diesel using traditional refinery techniques but still costs an additional .25-.40/gal. Taken together, algae grown via open ponds and PBRs are estimated to currently cost $8-$30/gal. (see Biofuels 2010: Spotting the Next Wave).

While some companies like Synthetic Genomics are attempting to genetically modify algae strains to secrete the lipids as they grow (known as "wet extraction") and others like OriginOil have developed a technology platform that reduces the aforementioned steps using fancy centrifuges and electromagnetic pulses, there are significant questions about the ability of these systems to scale.

Which brings us to Solazyme.

By growing their algae in dark vessels, the company does not incur the energy costs of providing the algae artificial light. Heterotrophic fermentation requires a fraction of the amount of water as a PBR or open pond. These strains of algae do not require C02 --- which is widely accepted among algae experts as the one of the two largest logistical obstacle for photosynthetic algae commercialization. The other is removing the water, which isn't an issue when growing it in dark vessels.

Solazyme will basically feed their algae sugar until they are large, round, and ready to explode with oil --- kind of like Violet Beauregarde in Charlie in the Chocolate Factory. The company has not disclosed its extraction method but claims that it will only cost several cents per gallon.

While Solazyme will need copious amounts of sugar to feed the algae which could catapult the company into the "food vs. fuel" debate --- Solazyme has a supply agreement with second generation pioneer BlueFire Energy to obtain sugars derived from cellulosic (i.e. non-food) sources.

Given that the company is using fermentation --- a well established technology used to make beer and ethanol--- creating and scaling facilities will not be as big of an impediment as the 150 or so other approaches that vacilliate from flooding the Arizona desert with seawater to extracting algae oil from live fish (see Live Fuels).

Solazyme has a few other tricks up its sleeve.

It is among the most well capitalized advanced biofuel companies raking in more than $100M since inception. It recently received an additional $22M in DOE financing for its demonstration-scale facility to prove it is ready to scale to a commercial plant.

In the coming months, Solazyme will ايصال 20,000 gallons of algae jet fuel to the U.S. Navy. While 20,000 gallons will hardly scare the Saudis into turning Ghawar into an algae R&D lab, this number needs to be placed in the context of the fact that few --- if any --- other algae company has ever produced more than a few hundred gallons in their entire company's operating history.

Additionally, Solazyme is already selling nutraceuticals, powered oils, and oleochemicals for $3-$10/lb. The company anticipates that its total levelized costs will come down to $1.50-$2.00/gal by 2012.

We have even heard grumblings that the company is in the early stages of engineering on a 100 MGY commercial facility that would open in 2013.


Bacteria Transformed into Biofuel Refineries

The bacteria responsible for most cases of food poisoning in the U.S. has been turned into an efficient biological factory to make chemicals, medicines and, now, fuels. Chemical engineer Jay Keasling of the University of California, Berkeley, and his colleagues have manipulated the genetic code of الإشريكية القولونية, a common gut bacteria, so that it can chew up plant-derived sugar to produce diesel and other hydrocarbons, according to results published in the January 28 issue of طبيعة سجية. (Scientific American is part of Nature Publishing Group.)

"We incorporated genes that enabled production of biodiesel&mdashesters [organic compounds] of fatty acids and ethanol&mdashdirectly," Keasling explains. "The fuel that is produced by our بكتريا قولونية can be used directly as biodiesel. In contrast, fats or oils from plants must be chemically esterified before they can be used."

Perhaps more importantly, the researchers have also imported genes that allow بكتريا قولونية to secrete enzymes that break down the tough material that makes up the bulk of plants&mdashcellulose, specifically hemicellulose&mdashand produce the sugar needed to fuel this process. "The organism can produce the fuel from a very inexpensive sugar supply, namely cellulosic biomass," Keasling adds.

ال بكتريا قولونية directly secretes the resulting biodiesel, which then floats to the top of a fermentation vat, so there is neither the necessity for distillation or other purification processes nor the need, as in biodiesel from algae, to break the cell to get the oil out.

This new process for transforming بكتريا قولونية into a cellulosic biodiesel refinery involves the tools of synthetic biology. For example, Keasling and his team cloned genes from Clostridium stercorarium و Bacteroides ovatus&mdashbacteria that thrive in soil and the guts of plant-eating animals, respectively&mdashwhich produce enzymes that break down cellulose. The team then added an extra bit of genetic code in the form of short amino acid sequences that instruct the altered بكتريا قولونية cells to secrete the bacterial enzyme, which breaks down the plant cellulose, turning it into sugar the بكتريا قولونية in turn transforms that sugar into biodiesel.

The process is perfect for making hydrocarbons with at least 12 carbon atoms in them, ranging from diesel to chemical precursors&mdashand even jet fuel, or kerosene. But it cannot, yet, make shorter chain hydrocarbons like gasoline. "Gasoline tends to contain short-chain hydrocarbons, say C8, with more branches, whereas diesel and jet fuel contain long-chain hydrocarbons with few branches," Keasling notes. "There are other ways to make gasoline. We are working on these technologies, as well."

After all, the U.S. alone burns some 530 billion liters of gasoline a year, compared with just 7.5 billion liters of biodiesel. But Keasling has estimated in the past that a mere 40.5 million hectares of Miscanthus giganteus&mdasha more than three-meter tall Asian grass&mdashchewed up by specially engineered microbes, like the بكتريا قولونية here, could produce enough fuel to meet all U.S. transportation needs.* That's roughly one quarter of the current amount of land devoted to raising crops in the U.S.

بكتريا قولونية is the most likely candidate for such work, because it is an extremely well-studied organism as well as a hardy one. & مثلبكتريا قولونية tolerated the genetic changes quite well," Keasling says. "It was somewhat surprising. Because all organisms require fatty acids for their cell membrane to survive, if you rob them of some fatty acids, they turn up the fatty acid biosynthesis to make up for the depletion."

بكتريا قولونية "grows fast, three times faster than yeast, 50 times faster than الميكوبلازما, 100 times faster than most agricultural microbes," explains geneticist and technology developer George Church at Harvard Medical School, who was not involved in this research. "It can survive in detergents or gasoline that will kill lesser creatures, like us. It's fairly easily manipulated." Plus, بكتريا قولونية can be turned into a microbial factory for almost anything that is presently manufactured but organic&mdashfrom electrical conductors to fuel. "If it's organic, then, immediately, it becomes plausible that you can make it with biological systems."

The idea in this case is to produce a batch of biofuel from a single colony through بكتريا قولونية's natural ability to proliferate and, after producing the fuel, dispose of the بكتريا قولونية and start anew with a fresh colony, according to Keasling. "This minimizes the mutations that might arise if one continually subcultured the microbe," he says. The idea is also to engineer the new organism, deleting key metabolic pathways, such that it would never survive in the wild in order to prevent escapes with unintended environmental impacts, among other dangers.

But ranging outside of its natural processes, بكتريا قولونية is not the most efficient producer of biofuel. "We are at about 10 percent of the theoretical maximum yield from sugar," Keasling notes. "We would like to be at 80 to 90 percent to make this commercially viable. Furthermore, we would need a large-scale production process," such as 100,000 liter tanks to allow mass production of microbial fuel.

Nevertheless, several companies, including LS9, which helped with the research, as well as Gevo and Keasling-founded Amyris Biotechnologies, are working on making fuel from microbes a reality at the pump&mdashnot just at the beer tap.

*Erratum (1/28/10): This sentence was edited after publication to correct a measurement conversion error in the number of hectares stated.


WATER QUALITY ASSURED

The role of water in maintaining the health of humans and animals is obvious, but reliable sources and the quality of water remain major concerns in many parts of the world (2). Many countries need cost-effective, energy-efficient, low-impact, and robust technologies to monitor and to improve water quality through purification and desalination. Ways to purify water that reduce the use of chemicals, which negatively affect the environment, are desired (3).

Resource-limited environments would also benefit from methods to assess water quality that are portable, sensitive, and easy to implement. However, the allowable concentration of many contaminates in water suitable for human consumption often falls below the detection limit of existing assays, increasing the risk of false-negative reports (4). For example, in Chile, two sources of arsenic, antimony, and tellurium are hydrothermal and discharge streams from geysers, as well as the water used in copper production and purification—processes that introduce these toxic elements at unsafe levels for downstream farming and urban users. Chileans test drinking water using a variety of analytical methods that have been approved by the U.S. Environmental Protection Agency. The choice of analytical method depends on the water source and the suspected concentration range of the toxic element(s). Because concentrations are often higher near the Andes mountains and areas farther from cities, the cost, speed, and feasibility of analysis are major hurdles. Typically, results are not available for 1 week to 1 month after testing. In eastern Africa, similar obstacles prevent testing for high fluoride concentrations, because contaminated waters run through under-resourced villages with very little capacity to detect fluoride and other contaminants.

Recent efforts in water purification include coagulation-flocculation, oxidation, adsorption, ion exchange, and membrane processes to remove arsenic. A biologically inspired system for heavy-metal remediation centers is the use of spider silk, which is created by the self-assembly of water-soluble protein components. A nanotechnology-based water purifier created using ash from rice production has shown promise in filtering out microorganisms (www.sa-lives.com/images/lives_final_opt.pdf).

Microfluidics and paper-based devices offer low-cost, robust, portable, and easy to use technology for detection and monitoring of (bio)toxic substances in water (5). A standard cell phone with an LED bulb as the light source has been used to visualize السل الفطري tagged with fluorescent makers, with the images sent to experts for analysis (6). Such cell phone–based approaches could be used to monitor bacteria in both drinking water and food in the field. Emerging technologies for the electrochemical detection of arsenic in water samples are very promising but are limited in moving from the lab to the field. Lab-on-a-chip technologies could facilitate the translation of electrochemistry to low-resource settings. Another major limitation of detection technologies is sample preparation and handling, which constitute more than 80% of the cost.

Regardless of the technology, goals must be defined based on the realities in each country in terms of scientific and manufacturing capabilities and willingness to solve a problem in a reasonable amount of time with limited resources. Biomedical engineers can bring their skills to develop approaches with increased sensitivity and lower cost. One area with powerful advances is in customizing cell phones, which are becoming extremely common in developing countries. These portable platforms could be used by rural community members to detect, document, report, and map hot spots of water-borne pathogens and contaminants.


Algal Biofuel Reactors on a Chip to Revolutionize Renewable Energy Research

Most of the world’s oil reserves are buried kilometers under the Earth’s surface.

With nations worldwide slowly waking up to its ecological impacts, our newest sources of oil may lie far below Cayuga’s waters, stored in a group of green, slimy organisms: algae.

Algae are valuable because the natural oils they produce are remarkably similar to diesel. Using a simple conversion process, these oils can be used in vehicles that currently operate on fossil fuels. The issue, however, is efficiency. Often the species of algae that produces the most oil is also the slowest at reproducing, making it unfeasible for any real cultivation.

Using metabolic engineering, Prof. David Stern, plant biology, managed to transfer the metabolic pathway of Botryococcus, a species of algae that produces large quantities of usable oil, into another species of algae that has a fast rate of reproduction. Despite the improvements, there was still not enough oil.

“We buy and produce so much oil that to make a dent in the market, one would need to produce massive amounts of biofuel,” Stern said. “Scaling up is always challenging.”

Rather than abandon this pathway and seeking out a more effective species, Stern decided to turn to genetic engineering to increase the cell’s net oil production. In order to find a new, improved variant of the species, scientists must manipulate the algae’s genes. However, as Stern admits, the scientific community is still unsure of which gene in the algae’s genome is responsible for the effects the team desires. Deducing the combination of genes to alter is thus, a mammoth task.

“How many genetic changes would it take to optimize oil production and reproduction in an algal species? Would it be one, 10, 20?” Stern said.

In addition to this combinatorial problem, not all variation created in a cell would be beneficial. Without knowing what each gene in the algae genome does, mutating the algae without serious negative consequences, such as cell death, becomes ever more challenging. Stern uses the problem of solving a Rubik’s cube as an analogy. “If you try to solve all of the sides at once, it’s overwhelming.”

Instead of focussing on a single mutant strain at a time, Stern realized that the team would need to create and screen a large number of strains.

To do so, the researchers built an entire research facility on a microchip the size of quarter. The chip features hundreds of thousands of individualized compartments, or “bioreactors,” each capable of holding an algal cell. The compartments allowed the team to create different growth environments and experiment with different genetically modified strains of algae.

“As we can create hundreds of thousands of these tiny droplets, we can put single cells in every one of these bioreactors and grow them to see how fast they are growing and how much oil they are producing,” Stern said.

Stern could then screen millions of cells for improvements in reproductive and oil production rates at the same time. Furthermore, the chip’s plastic construction makes it easy and cheap for other research teams to experiment with.

“[We would] recover the variants that were performing significantly better than the average. One could then use the best variant from screening, and mutagenize and screen it again. This creates the effect of rapid evolution,” Stern said.

Without the chip, it could take researchers a lifetime to go through only a fraction of these combinations. Instead, scientists can now screen millions of algae mutants at a time with multiple chips, searching for that one “miracle mutant.”

Stern, though, insists that the path to such a breakthrough is riddled with obstacles.

“We’ve barely scratched the surface of the potential for on-chip algal screening. The major barriers are higher throughout and creating highly accurate detection of the biological properties of interest,” Stern said.

In addition to these issues, funding is becoming harder to attain for those involved in biofuel research.

“The price of oil has declined drastically because of fracking, which has created a daunting barrier to entry for new energy technologies,” Stern said. “This has led to failure or drastic repositioning of companies formed to develop algal biofuels for example by switching to specialty oils for cosmetics or food products.”

Stern also believes that, under the current presidential administration, it will become increasingly difficult for environmentally concerned researchers like himself to receive funding, given the rising incentives that make investing in traditional oil a better alternative.

And yet, Stern remains optimistic about the future of biofuels.

“While our project did not deliver a commercially viable algal strain in four years, it has advanced our knowledge in this area of metabolic engineering, and has shown promise for on-chip screening of algae. We learned a lot.”

The Sun, now for iPhone

Click Here to Donate To The Sun

We are an independent, student newspaper. Help keep us reporting with a tax-deductible donation to the Cornell Daily Sun Alumni Association, a non-profit dedicated to aiding The Sun. For each gift received during the March 1 to June 30, 2021 period from anyone who has never previously contributed to the Alumni Association, a group of generous alums will match it dollar-for-dollar.

متعلق ب

Engineering Professor Part of Team That Received $2 Million Grant to Research Biofuel

By Rochelle Li October 25, 2018

If the project is successful, Prof. Thomas Avedisian, engineering, said biofuel has the potential to be turned into environmentally friendly fuel that could decrease pollution caused by cars and trucks.

First-Confirmed Toxic Algae Bloom in Ithaca Resolved for Now

By John Yoon August 23, 2017

This year the presence of the toxic algal blooms — taking the form of a smelly, green, floating slime — was confirmed for the first time in Ithaca and Tompkins County.


شاهد الفيديو: اهم التعديلات التي توفر من استهلاك الوقود!!! (قد 2022).