Production of Advanced Products from Sargassum through Integrated Conversion

Der Ozean ist nicht nur eine Quelle für Nahrung und Reisen; er ist auch eine riesige, lebendige Fabrik, die Biomasse in gewaltigen Mengen produziert. In den letzten Jahren hat eine bestimmte Art von Braunalge namens Sargassum begonnen, mit beispielloser Intensität im Atlantik und in der Karibik aufzublühen. Während dieser Überfluss ein massives Reservoir an organischem Material darstellt, wurde er weitgehend als Problem betrachtet. Wenn diese Matten an die Küsten gespült werden, verfaulen sie, setzen üble Gerüche frei und ersticken Küstenökosysteme, was lokale Gemeinschaften jährlich Millionen von Dollar an Reinigungskosten kostet. Wissenschaftler haben sich lange gefragt, ob dieses Ärgernis in etwas Nützliches verwandelt werden könnte, indem man eine Abfallentsorgungskrise in eine Quelle für Energie oder Materialien verwandelt. Um dies zu erreichen, müssen Forscher zuerst die einzigartige chemische Zusammensetzung der Alge verstehen, die sich signifikant von den Pflanzen an Land unterscheidet, und dann einen Weg entwickeln, sie in einfache Bausteine aufzubrechen, die Mikroben „essen“ können.

Ein Forschungsteam des National Laboratory of the Rockies und der University of Puerto Rico hat einen wichtigen Schritt zur Beantwortung dieser Frage unternommen. Sie entwickelten ein vollständiges System zur Verarbeitung von Sargassum, das es von einer rohen, nassen Ernte zu einem Strom aus nutzbaren Zuckern und einem festen Rückstand verarbeitet. Ihre Arbeit zeigt, dass die Alge zwar in wertvolle Produkte wie Lipide für Kraftstoffe umgewandelt werden kann, die Wirtschaftlichkeit des Prozesses jedoch stark davon abhängt, was mit dem verbleibenden festen Material geschieht. Die Studie legt nahe, dass es nicht ausreicht, die Alge lediglich in Kraftstoff umzuwandeln, um das Geschäft rentabel zu machen; der wahre Schlüssel zum Erfolg liegt darin, eine hochwertige Verwendung für den festen Abfall zu finden, der nach der Extraktion der Zucker übrig bleibt.

Die Forscher begannen damit, Tonnen von Sargassum von der Küste Puerto Ricos zu sammeln. Die Alge kam nass und schwer an, enthielt eine große Menge an Wasser, was die Verarbeitung teuer und ineffizient machen würde. Um dies zu lösen, pressten sie die Biomasse zuerst durch eine große Schneckenpresse, eine Maschine, die wie eine riesige Wringerfunktion wirkt. Dieser Schritt entfernte einen signifikanten Teil des Wassers und erzeugte einen dicken, dichten Kuchen aus Algenfeststoffen und einem Flüssigkeitsstrom, der reich an einem Zuckeralkohol namens Mannitol ist. Sie fanden heraus, dass dieses mechanische Pressen die wertvollen Zucker in der Alge nicht zerstörte, sondern sie lediglich konzentrierte, was das Material handhabbarer und lagerfähiger machte. Sie entdeckten auch, dass sie die gepresste Alge durch die Behandlung mit einer kleinen Menge Säure monatelang konservieren konnten, was das Verfaulen verhinderte und es der Anlage ermöglichte, das ganze Jahr über zu arbeiten, selbst wenn die Algenblüten nicht auf ihrem Höhepunkt waren.

Als Nächstes widmete sich das Team der schwierigen Aufgabe, die in den zähen Zellwänden der Alge gefangenen Zucker freizusetzen. Im Gegensatz zu Landpflanzen enthält Sargassum komplexe Polymere, die resistent gegen den Abbau sind. Die Forscher verwendeten Hitze und verdünnte Schwefelsäure, um diese Wände aufzuweichen und die Zucker freizusetzen. Sie testeten viele verschiedene Kombinationen von Temperatur, Zeit und Säurestärke, um den idealen Punkt zu finden. Sie stellten fest, dass höhere Temperaturen und mehr Säure benötigt wurden, um die zähen Speichersucker aufzubrechen, aber dieselben Bedingungen riskierten, die empfindlicheren Säuresucker zu zerstören. Durch sorgfältige Experimente gelang es ihnen, mehr als die Hälfte der in der Alge gebundenen Zucker in einen Flüssigkeitsstrom freizusetzen, wodurch eine Nahrungsquelle für die nächste Stufe des Prozesses geschaffen wurde.

Nachdem die Zucker freigesetzt worden waren, führten die Forscher eine spezialisierte Hefe ein, einen einzelligen Pilz, der für seine Fähigkeit bekannt ist, eine Vielzahl von Zuckern zu konsumieren und sie in Fett umzuwandeln. Sie fütterten die Hefe mit einer Mischung aus dem aus der Alge gepressten Liquid und dem säurebehandelten Zuckerstrom. Die Hefe gedieh, konsumierte die Zucker und baute Fett in ihren Zellen auf. Dieses Fett, oder Lipid, ist ein wertvoller Vorläufer für die Herstellung erneuerbarer Kraftstoffe und Chemikalien. Die Hefe hatte jedoch Schwierigkeiten mit einigen der spezifischen Zucker, die in der Alge vorkamen, und die Gesamtmenge des produzierten Fetts war durch die geringe Konzentration des Zuckerstroms begrenzt. Um dies zu überwinden, verwendeten sie ein Filtrationssystem, das die Hefezellen im Reaktor hielt, während die gebrauchte Flüssigkeit entfernt und frische Nahrung hinzugefügt wurde, wodurch die Zellen länger und effizienter arbeiten konnten.

Der kritischste Teil der Studie kam, als die Forscher das große Ganze betrachteten. Sie erstellten ein detailliertes Computermodell einer großtechnischen Fabrik, die diese Schritte jeden Tag durchführen würde. Das Modell offenbarte eine überraschende Wahrheit: Das Geld, das durch den Verkauf des von der Hefe produzierten Fettes eingenommen wurde, reichte nicht aus, um die hohen Kosten für die Ernte der Algen und den Betrieb der Fabrik zu decken. Der Prozess ergab nur dann finanziell Sinn, wenn die festen Überreste der Zuckerextraktion für einen signifikanten Betrag verkauft werden könnten. Die Forscher berechneten, dass dieser feste Rückstand fast tausend Dollar pro Tonne verkaufen müsste, um die gesamte Operation profitabel zu machen. Während die Algenfeststoffe potenziell als Düngemittel, Tierfutter oder als Komponente in Kunststoffen verwendet werden könnten, liegen die aktuellen Marktpreise für diese Produkte weit unter dem, was erforderlich wäre.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Umwandlung von Sargassum in einen Biokraftstoff technisch möglich, aber wirtschaftlich fragil ist. Die Technologie funktioniert, aber der Weg zu einer nachhaltigen Industrie hängt davon ab, das Rätsel der verbleibenden Feststoffe zu lösen. Wenn es Wissenschaftlern gelingt, einen Weg zu finden, den verbleibenden Algenkuchen in ein hochwertiges Produkt zu verwandeln, oder wenn die Kosten für die Ernte der Algen drastisch gesenkt werden können, dann könnte dieses Küstenärgernis zu einer echten Ressource werden. Bis dahin bleibt die Umwandlung von Sargassum ein vielversprechendes Konzept, das darauf wartet, dass das letzte Teil des wirtschaftlichen Puzzles an seinen Platz fällt.