Valorization of digestates and vermicompost as alternative culture media for Chlorella vulgaris: biomass production, biochemical composition and biodiesel quality

De wereldwijde honger naar energie en voedsel trekt vaak in tegenovergestelde richtingen. Het verbouwen van gewassen voor brandstof vereist enorme stukken land en immense hoeveelheden water, hulpbronnen die anders mensen zouden kunnen voeden of natuurlijke ecosystemen zouden kunnen ondersteunen. Tegelijkertijd stapelt het afval dat door landbouw en industrie wordt gegenereerd — zoals de mest van vee — zich op, wat milieuproblemen veroorzaakt als het niet zorgvuldig wordt beheerd. Wetenschappers kijken al lang naar minuscule, eencellige organismen genaamd microalgen als een potentiële brug tussen deze uitdagingen. Deze microscopische plantjes kunnen snel groeien, waarbij ze koolstofdioxide absorberen en zonlicht omzetten in waardevolle oliën, eiwitten en suikers. Als ze goedkoop en efficiënt gekweekt kunnen worden, kunnen ze een duurzame bron van biobrandstof en veevoer bieden zonder te concurreren met voedselgewassen om land. Een grote hindernis is echter altijd de kosten van de vloeibare voedingssoep, of het cultuurmedium, dat nodig is om hen te voeden. Traditionele methoden vertrouwen op dure, chemisch vervaardigde ingrediënten, wat grootschalige productie economisch moeilijk maakt.

Een team onderzoekers in Mexico begon met de vraag of ze deze kostbare synthetische mengsels konden vervangen door iets dat veel toegankelijker is: de vloeibare bijproducten van afvalverwerking. Ze richtten zich op twee specifieke soorten afgeleide vloeistoffen uit afval. De eerste kwam uit vermicompost, wat in essentie bodem is die verrijkt is door regenwormen die organisch materiaal afbreken. De tweede kwam uit digestaten, de vloeibare resten nadat bacteriën koeien- en varkenmest hebben afgebroken in een zuurstofloze omgeving. De wetenschappers wilden weten of deze afvloeistoffen een specifieke soort microalg, Chlorella vulgaris, net zo goed of zelfs beter konden voeden dan de standaard laboratoriummengsels. Ze kweekten de algen in kolven met deze verschillende vloeistoffen en maten zorgvuldig hoeveel de algen groeiden, welke voedingsstoffen ze in hun cellen opsloegen en of de oliën die ze produceerden omgezet konden worden in hoogwaardige biodiesel.

De resultaten toonden aan dat de afgeleide vloeistoffen niet alleen levensvatbare alternatieven waren; in verschillende gevallen presteerden ze zelfs beter dan de dure synthetische standaard. De meest succesvolle mengeling was een blend van koeien- en varkenmest-digestaat. Wanneer de algen in deze gecombineerde vloeistof werden gekweekt, produceerden ze 43 procent meer biomassa dan die in het standaard synthetische medium. Belangrijker nog voor de brandstofproductie: de algen in deze gemengde mestvloeistof sloegen 159 procent meer lipiden op, wat de vetten zijn die in biodiesel kunnen worden omgezet. Een andere vloeistof, afkomstig van een grootschalige universiteitsvergister die alle soorten veemest verwerkt, produceerde de hoogste lipidconcentratie van allemaal, waarmee de synthetische standaard met 172 procent werd overtroffen. De onderzoekers ontdekten ook dat de algen die in deze afvloeistoffen werden gekweekt, aanzienlijk meer eiwitten en koolhydraten accumuleerden, wat suggereert dat deze organismen gedijen op de complexe voedingsstoffen die in het afval te vinden zijn.

Naast alleen de kwantiteit van de groei, veranderde de kwaliteit van de algen afhankelijk van wat ze aten. De onderzoekers analyseerden de vetzuren in de algencellen om te zien wat voor soort brandstof ze konden maken. Ze vonden dat de afgeleide media de algen stimuleerden om een grotere variëteit aan vetzuren te produceren vergeleken met het synthetische medium. Zo produceerden de algen die in de gemengde mestvloeistof werden gekweekt negen verschillende soorten vetzuurbouwstenen, terwijl de algen in het synthetische medium er slechts vier produceerden. Deze diversiteit is cruciaal omdat verschillende vetzuren bepalen hoe goed de uiteindelijke brandstof zal presteren. De studie berekende de waarschijnlijke kwaliteit van de biodiesel die van deze algenoliën gemaakt zou kunnen worden. Ze vonden dat de brandstof afgeleid van het vermicompost en de enkelvoudige type mestdigestaten aan alle vijf de internationale kwaliteitsnormen voor biodiesel voldeed. In contrast hiermee voldeed de brandstof uit het synthetische medium slechts aan vier van de vijf normen. Specifiek vertoonde de biodiesel van het koeienmest-digestaat een uitzonderlijke stabiliteit en ontstekingskwaliteit, wat het een bijzonder sterke kandidaat maakt voor brandstofproductie.

De studie benadrukte ook dat niet alle afvloeistoffen op dezelfde manier werken. Terwijl de gemengde mestvloeistof de algehele groei en vetproductie stimuleerde, resulteerde de vloeistof uit pure koeienmest in de laagste hoeveelheid algengroei. De onderzoekers suggereerden dat dit waarschijnlijk kwam doordat de koeienmestvloeistof zo donker was dat het het zonlicht blokkeerde dat de algen nodig hebben voor fotosynthese. Deze bevinding onderstreept dat het simpelweg gebruiken van afval geen magische oplossing is; de specifieke samenstelling van het afval doet er sterk toe. De donkere kleur van sommige vloeistoffen kan de groei hinderen, terwijl de voedingsbalans in andere de groei juist kan stimuleren. De onderzoekers concludeerden dat de beste aanpak afhangt van het gewenste resultaat. Als het doel is om de meeste brandstof te produceren, zijn het gemengde mest-digestaat of het universiteits-schaal digestaat superieur. Als het doel is om een zeer stabiele, hoogwaardige brandstof te produceren, is het koeienmest-digestaat de meest veelbelovende, ondanks de lagere algehele groei.

Deze bevindingen wijzen naar een toekomst waarin afvalbeheer en energieproductie naadloos samenwerken. Door de vloeibare restproducten van landbouw en compostering te gebruiken om microalgen te voeden, wordt het mogelijk om een afvalprobleem in een hulpbron te veranderen. De studie demonstreert dat deze alternatieve media een robuuste groei en hoogwaardige olieproductie kunnen ondersteunen zonder de hoge kosten van synthetische chemicaliën. Deze aanpak sluit aan bij de principes van een circulaire economie, waarbij afval uit één proces de brandstof wordt voor een ander. Hoewel het onderzoek op kleine schaal in een laboratorium werd uitgevoerd, suggereren de resultaten dat het opschalen hiervan een duurzaam pad kan bieden voor de productie van biobrandstoffen en veevoer, waardoor de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen en chemische meststoffen wordt verminderd terwijl landbouwafval wordt opgeruimd.