Production of Advanced Products from Sargassum through Integrated Conversion

De oceaan is niet alleen een bron van voedsel en reizen; het is ook een enorme, levende fabriek die biomassa produceert in overweldigende hoeveelheden. In de afgelopen jaren is een specifiek type bruine zeewier genaamd Sargassum met ongekende intensiteit gaan bloeien in de Atlantische Oceaan en de Caraïben. Hoewel deze overvloed een enorme reserve aan organisch materiaal vertegenwoordigt, wordt het grotendeels als een probleem beschouwd. Wanneer deze matten aanspoelen, rotten ze, verspreiden ze een stinkende geur en verstikken ze kustecosystemen, wat lokale gemeenschappen jaarlijks miljoenen dollars aan opruimkosten kost. Wetenschappers vragen zich al lang af of dit ongemak kan worden getransformeerd in iets nuttigs, door een afvalbeheerscrisis om te vormen tot een bron van energie of materialen. Om dit te doen, moeten onderzoekers eerst de unieke chemische samenstelling van het zeewier begrijpen, die aanzienlijk verschilt van de planten op het land, en vervolgens een manier ontwikkelen om het af te breken in eenvoudige bouwstenen die microben kunnen eten.

Een team onderzoekers van het National Laboratory of the Rockies en de University of Puerto Rico heeft een belangrijke stap gezet richting het beantwoorden van deze vraag. Zij ontwikkelden een compleet systeem om Sargassum te verwerken, waarbij ze het bewegen van een ruwe, natte oogst naar een stroom bruikbare suikers en een vaste residu. Hun werk demonstreert dat hoewel het zeewier kan worden omgezet in waardevolle producten zoals lipiden voor brandstof, de economie van het proces sterk afhangt van wat er met het overgebleven vaste materiaal gebeurt. De studie suggereert dat het simpelweg omzetten van het zeewier in brandstof niet genoeg is om de business levensvatbaar te maken; de echte sleutel tot succes ligt in het vinden van een hoogwaardig gebruik voor het vaste afval dat overblijft nadat de suikers zijn geëxtraheerd.

De onderzoekers begonnen door tonnen Sargassum te verzamelen van de kust van Puerto Rico. Het zeewier kwam nat en zwaar aan, met een grote hoeveelheid water die het verwerken duur en inefficiënt zou maken. Om dit op te lossen, persten ze de biomassa eerst door een grote schroefpers, een machine die werkt als een gigantische wringer. Deze stap verwijderde een aanzienlijk deel van het water, waardoor een dikke, dichte koek van zeewiersoliën en een vloeibare stroom ontstond die rijk is aan een suikeralcohol genaamd mannitol. Ze ontdekten dat dit mechanische persen de waardevolle suikers in het zeewier niet vernietigde, maar ze simpelweg concentreerde, waardoor het materiaal gemakkelijker te hanteren en op te slaan was. Ze ontdekten ook dat ze het geperste zeewier maandenlang konden bewaren door het te behandelen met een kleine hoeveelheid zuur, wat het rotten voorkwam en de faciliteit in staat stelde het hele jaar door te werken, zelfs wanneer de zeewierbloeien niet op hun piek zijn.

Vervolgens pakte het team de moeilijke taak aan om de suikers te ontsluiten die gevangen zitten in de taaie celwanden van het zeewier. In tegenstelling tot landplanten bevat Sargassum complexe polymeren die resistent zijn tegen afbraak. De onderzoekers gebruikten hitte en verdund zwavelzuur om deze wanden te verzachten en de suikers vrij te laten komen. Ze testten veel verschillende combinaties van temperatuur, tijd en zuurgraad om het ideale punt te vinden. Ze ontdekten dat hogere temperaturen en meer zuur nodig waren om de taaie opslagsuikers af te breken, maar dat dezezelfde omstandigheden het risico liepen de meer delicate zuquers te vernietigen. Door zorgvuldige experimenten slaagden ze erin om meer dan de helft van de ingesloten suikers vrij te laten in een vloeibare stroom, wat een voedingsbron creëerde voor de volgende fase van het proces.

Nadat de suikers waren vrijgekomen, introduceerde het team een gespecialiseerde gist, een eencellige schimmel die bekend staat om haar vermogen om een grote verscheidenheid aan suikers te eten en ze om te zetten in vet. Ze voedden de gist met een mengsel van de vloeistof die uit het zeewier werd geperst en de met zuur behandelde suikerstroom. De gist gedijde, consumeerde de suikers en bouwde vet op in haar cellen. Dit vet, of lipide, is een waardevolle precursor voor het maken van hernieuwbare brandstoffen en chemicaliën. De gist had echter moeite met enkele specifieke suikers die in het zeewier aanwezig waren, en de totale hoeveelheid geproduceerd vet werd beperkt door hoe verdund de suikerstroom was. Om dit te overwinnen, gebruikten ze een filtratiesysteem dat de gistcellen binnen de reactor hield terwijl de gebruikte vloeistof werd verwijderd en verse voeding werd toegevoegd, waardoor de cellen langer en efficiënter konden werken.

Het meest kritieke deel van de studie kwam toen de onderzoekers naar het grote plaatje keken van de kosten. Ze bouwden een gedetailleerd computermodel van een grootschalige fabriek die deze stappen elke dag zou uitvoeren. Het model onthulde een verrassende waarheid: het geld dat verdiend werd met de verkoop van het door de gist geproduceerde vet, was niet voldoende om de hoge kosten van het oogsten van het zeewier en het draaien van de fabriek te dekken. Het proces was alleen financieel rendabel als de vaste resten van de suerextractie voor een aanzienlijk bedrag verkocht konden worden. De onderzoekers berekenden dat dit vaste residu bijna duizend dollar per ton moest verkopen om de gehele operatie winstgevend te maken. Hoewel de zeewiersoliden potentieel gebruikt kunnen worden als meststof, veevoer of een component in plastics, liggen de huidige marktprijzen voor deze producten veel lager dan wat vereist is.

De studie concludeert dat het omzetten van Sversargassum in een biobrandstof technisch mogelijk is, maar economisch fragiel is. De technologie werkt, maar de weg naar een duurzame industrie hangt af van het oplossen van de puzzel van de residuele vaste stoffen. Als wetenschappers een manier kunnen vinden om de overgebleven zeewierkoek in een hoogwaardig product te veranderen, of als de kosten van het oogsten van het zeewier drastisch kunnen worden verlaagd, dan kan dit kustongemak een werkelijke bron worden. Tot die tijd blijft de conversie van Sargassum een veelbelovend concept dat wacht tot het laatste stukje van de economische puzzel op zijn plaats valt.