Los nutrientes de nitrógeno y fosfato se encuentran entre los mayores costos en el cultivo de algas para biocombustibles. Los biólogos moleculares de Sandia Todd Lane y Ryan Davis han demostrado que pueden reciclar aproximadamente dos tercios de esos nutrientes críticos, y su objetivo es aumentar la tasa de reciclaje a cerca de 100por ciento.
El reciclaje de nitrógeno y fosfato tiene beneficios que van mucho más allá del costo. Si bien el nitrógeno se puede producir a través de un costoso proceso de fijación artificial de nitrógeno utilizando gas natural y nitrógeno atmosférico, el fosfato es un recurso natural limitado que puede ser tóxico a altas concentraciones.
"Tenemos una cantidad finita de fosfato en el mundo, pero tiene una gran demanda como fertilizante. La mitad de los fosfatos que ingresan a nuestros cultivos en forma de fertilizante terminan en el Golfo de México, lo que contribuye a las zonas hipóxicas,"dijo Lane. Más conocidas como" zonas muertas ", las zonas hipóxicas son áreas de baja concentración de oxígeno que matan o expulsan la vida marina.
Los modelos económicos muestran que reemplazar solo el 10 por ciento de los combustibles líquidos para el transporte con combustibles derivados de algas, aunque beneficioso para el medio ambiente en muchos sentidos, podría duplicar el consumo de fertilizantes, lo que, a su vez, elevaría el costo de los alimentos.
Pero reciclar fosfatos significa que todos ganan: productores de biocombustibles derivados de algas, agricultores y el medio ambiente ". Al reciclar fosfatos de un lote de algas al siguiente, ahorramos dinero, ya no competimos con la agricultura por un recurso no renovable y mantenemosesos fosfatos fuera del medio ambiente ", dijo Lane.
Lane y Davis están considerando otras aplicaciones para sus métodos de reciclaje de nutrientes de algas de circuito cerrado.
"Nuestro método podría usarse para eliminar los fosfatos de la escorrentía agrícola antes de que llegue al Mar de Salton", dijo Davis. La escorrentía de fertilizantes en el mar de agua salada, el lago más grande de California, ha llevado a zonas muertas que amenazan a los peces y otros animales salvajes ".Los nutrientes que de otra manera contribuirían aún más a la zona muerta podrían usarse para cultivar algas intencionalmente para biocombustibles y otros productos de base biológica ".
clave de shock osmótico para liberar fosfatos
Lane y Davis descubrieron que su método de reciclaje de nutrientes funciona en muchas materias primas diferentes de algas, incluso materias primas mixtas. Debido a que las algas tienen más diversidad genética que cualquier otro organismo, muchos métodos desarrollados en el pasado no han funcionado universalmente.
Los investigadores utilizan un proceso bastante simple, el choque osmótico, para liberar fosfato de las algas cultivadas. "Chocamos las algas con agua dulce mientras controlamos ciertas condiciones como el pH y la temperatura. Esto interrumpe la estructura interna de la célula y libera de forma naturalenzimas ", explicó Lane." Estas enzimas mastican la célula y liberan rápidamente los fosfatos ".
El siguiente paso es la fermentación para convertir el nitrógeno, que se encuentra principalmente en forma de aminoácidos, en amoníaco. Los fosfatos y el amoníaco se recombinan, con ayuda del magnesio, presente en grandes cantidades en la biomasa de algas, aformar estruvita, una sal sólida.
En 2014, un equipo de Sandia probó el método con 20 semanas de reciclaje continuo y reutilización de fosfatos y nutrientes. Pudieron transportar más del 60 al 80 por ciento de los nutrientes de un lote a otro.
"Cada dos semanas, reciclamos los nutrientes y los devolvimos al siguiente lote de algas", dijo Davis. "El proceso funcionó mejor de lo que esperábamos, ya que vimos un mayor crecimiento con los nutrientes reciclados. No estamos del todoseguro de por qué sucedió esto. Podría ser de metales traza transportados en el fosfato "
La extracción de lípidos permite el reciclaje de nutrientes
La investigación de reciclaje de nutrientes de algas es parte de un proyecto más grande financiado por la Oficina de Tecnologías de Bioenergía del Departamento de Energía, parte del programa de Eficiencia Energética y Energía Renovable. Los socios del equipo Sandia incluyen Texas A&M AgriLife Research, que cultiva cepas marinas de algas,y OpenAlgae, con sede en Texas, que patentó métodos para lisar células de algas y recuperar lípidos de algas sin usar solvente. Los aceites de algas recuperados podrían convertirse en combustible.
"Estábamos muy interesados en la extracción de lípidos de OpenAlgae porque no usa solventes, por lo que la biomasa queda en una conformación nativa que funciona muy bien con nuestro proceso", dijo Lane.
El método de OpenAlgae somete a las células de algas a pulsos electromagnéticos de alta energía que rompen las paredes celulares y hacen que las células exploten, liberando los lípidos. En este estado interrumpido, las células de algas son mucho más susceptibles al choque osmótico.
El proceso de reciclaje de nutrientes también libera más compuestos que se pueden convertir en combustibles. "Hay mucha proteína en la biomasa y absorbe el nitrógeno. A medida que liberamos el amoníaco, también estamos capturando ese carbono para que sepuede convertirse en combustible ", dijo Davis.
Reciclaje de nutrientes mejor y más fácil
Lane y Davis están trabajando para refinar aún más su método para reciclar más nutrientes, incluida una colaboración con James Liao de la Universidad de California, Los Ángeles, para refinar genéticamente su cepa de fermentación para aumentar el rendimiento y extraer diferentes productos combustibles. Liaodirige el Laboratorio de ingeniería metabólica y biología sintética y es presidente del departamento de ingeniería química y biomolecular y del departamento de bioingeniería.
Otra faceta del proyecto es el desarrollo de un sistema de reactor para capturar el amoníaco a medida que la biomasa se fermenta para liberar fosfatos. Actualmente, estos pasos se realizan por separado.
"El objetivo es un sistema de un solo recipiente", dijo Davis. "Ese será el punto de inflexión para ampliar nuestro método. Cultivamos 2 litros de algas en nuestra prueba de 20 semanas. El siguiente paso es cultivar 3.000 litrosen nuestras pistas de rodadura ". A finales de este año, Sandia abrirá tres bancos de pruebas de pistas de 1.000 litros, estanques artificiales poco profundos para el cultivo de algas.
El procesamiento en el estanque es otro objetivo. Un solo módulo que combine extracción de lípidos y reciclaje de nutrientes podría separar la biomasa en nutrientes y combustible en una instalación de cultivo.
Panorámica para fosfato de oro
Lane y Davis piensan que su método podría ayudar al medio ambiente si se aplica a la escorrentía agrícola.
El reciclaje de nutrientes es como buscar oro, o en este caso, fosfatos, en cualquier lugar donde la escorrentía agrícola cargada de fertilizante ingrese a los cuerpos de agua. La clave, dijo Lane, es obtener la escorrentía concentrada antes de que ingrese al cuerpo de agua yse diluye
"Nuestro método no puede arreglar las zonas muertas existentes", dijo Lane. "Pero puede evitar que crezcan. La ironía es que esos nutrientes son tan valiosos para las plantas en crecimiento, pero tan perjudiciales cuando fluyen hacia grandes cuerpos deagua. Isaac Asimov llamó famoso el cuello de botella de la vida de los fosfatos. "Nuestro objetivo es poner fin a ese cuello de botella".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorios Nacionales Sandia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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