El quelpo tiene el potencial de convertirse en el biocombustible del futuro. Los investigadores de USC Dornsife están probando actualmente un método diseñado para cultivar suficientes algas marinas para transformar el panorama energético. Crédito:Dan Stiles para la revista USC Dornsife.
Imagínese esto:en el océano abierto, hileras de algas cultivadas que abarcan un área del tamaño de México. Una vez cosechado y procesado, estas algas de rápido crecimiento se convertirían en un combustible que podría bombear a su automóvil. No más depender de combustibles fósiles que tardan millones de años en formarse, y cuyas emisiones a la atmósfera son el mayor contribuyente al aumento de las temperaturas de la Tierra.
Montones de evidencia científica, incluido un informe reciente del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático de las Naciones Unidas, una evaluación no política de 91 científicos de 40 países, pinta un panorama desolador para la economía. la salud y el medio ambiente si no se toman medidas agresivas para dominar el calentamiento global en la próxima década.
Para afrontar el desafío, Los investigadores de USC Dornsife han estado probando soluciones creativas, desde el biocombustible de algas marinas hasta economías energéticas completamente nuevas y el rediseño de los residuos. Estas soluciones pueden ser tanto empresariales como rentables, creando modelos de negocio innovadores que puedan impulsar el empleo y una economía sana al mismo tiempo que salvan el planeta.
Energía de la planta
En el Centro de Ciencias Marinas del Instituto Wrigley de Estudios Ambientales de la USC en la isla Santa Catalina, frente a la costa de Los Ángeles, Los investigadores están probando si las algas marinas podrían convertirse en un combustible renovable.
¿Por qué las algas? Diane Kim, director asociado de proyectos especiales del instituto, forma parte del equipo que dirige la investigación sobre biocombustibles.
Ella dice que el alga gigante común que se encuentra a lo largo de la costa de California es uno de los organismos de más rápido crecimiento en el planeta. Requerir un mínimo de recursos naturales, puede crecer de uno a dos pies por día en condiciones ideales.
"A menudo se hace referencia a las algas marinas como una 'secuoya del mar' porque puede volverse tan masiva, de hasta 100 a 150 pies de largo, ", dijo." Y estos organismos comienzan no mucho más grandes que una bacteria ".
Crecer, las algas necesitan luz solar y nutrientes. Ambos abundan en el océano, pero hay un problema.
"Hay luz cerca de la superficie y los nutrientes se encuentran más profundamente en la columna de agua, "Explica Kim. A lo largo de la costa de California, el afloramiento trae esa agua a la superficie, razón por la cual se encuentran bosques de algas tan grandes cerca de la costa. Pero ese no es el caso en mar abierto, donde las algas marinas tienen el potencial de crecer a una escala mucho mayor.
"Esto tiene el potencial de transformar el panorama energético tal como lo conocemos, "dijo Kim.
Con fondos de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada sobre Energía del Departamento de Energía de EE. UU., Investigadores del Instituto Wrigley de la USC, con la ayuda de un socio de la industria, están probando una estrategia de ciclo de profundidad utilizando un sistema a escala piloto apodado el "elevador de algas", una estructura en el océano que mueve las algas hacia arriba y hacia abajo, llevándolo a la superficie para absorber la luz solar, luego regrese a las profundidades ricas en nutrientes.
Si tiene éxito, este sistema podría ser la base para una red autónoma de granjas de algas flotantes que podrían ampliarse para producir la cantidad de biomasa de algas marinas necesaria para hacer que el costo del biocombustible de macroalgas sea competitivo con el combustible fósil.
Durante el próximo año más o menos, el equipo, que incluye a Kim, John Heidelberg, profesor asociado de ciencias biológicas y estudios ambientales, David Ginsburg, profesor asociado (enseñanza) de estudios ambientales, y muchos estudiantes de pregrado y posgrado, pondrá a prueba diferentes estrategias de ciclo de profundidad y diferentes especies de macroalgas para un crecimiento óptimo.
Una vez que puedan demostrar el crecimiento de algas marinas bajo esos parámetros, su socio de la industria, Bioenergía Marina, comenzará la comercialización. Los ingenieros químicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía están refinando un proceso para convertir las algas en biocombustible a gran escala a través de un proceso llamado licuefacción hidrotermal. La salida, anticipan, será casi neutro en carbono.
Los cálculos preliminares sugieren que si su concepto funciona, El biocombustible de algas marinas tiene el potencial de satisfacer las necesidades de todo el combustible de transporte de EE. UU.
"Esto tiene el potencial de transformar el panorama energético tal como lo conocemos, "dijo Kim.
Una nueva economía energética
El proyecto de biocombustible de algas marinas del USC Wrigley Institute continúa un legado de investigación energética en USC Dornsife que se remonta a décadas.
Ingrese a la oficina de G. K. Surya Prakash, director del Instituto de Investigación de Hidrocarburos Loker de USC Dornsife, y encontrará pistas de que un científico brillante y prolífico habita en su interior.
Una estantería llena de libros de texto de química orgánica de años enseñando fundamentos a estudiantes universitarios se extiende a lo largo de su escritorio, que está cubierto de prolijas pilas de artículos científicos de casi 2 pies de altura.
Y si miras de cerca encontrará una serie de instrumentos curiosos que revelan el trabajo de su vida:una hélice de plástico del tamaño de la palma de la mano unida a una celda de combustible que funciona con metanol; una estufa del tamaño de un plato de cena, también alimentado por metanol; y una pequeña botella de vidrio llena de lo que parece un detergente en polvo para ropa.
Un subproducto natural de la industria del biodiésel está cobrando una segunda vida. Los investigadores de USC Dornsife han inventado una forma de convertir la glicerina en un valioso conservante natural y agente antimicrobiano que se puede utilizar para fabricar cosméticos y jabones. Crédito:Universidad del Sur de California
Sosteniendo la botella Prakash, George A. y Judith A. Olah Cátedra Premio Nobel de Química de Hidrocarburos y profesora de química en USC Dornsife, explica que los modestos gránulos blancos son un producto nuevo que utiliza tecnología desarrollada en el instituto para ayudar a los grandes edificios a administrar la calidad del aire de manera más eficiente.
Las partículas, fabricado para uso comercial por la empresa enVerid con una licencia de una patente de Loker, absorber y capturar dióxido de carbono y otros contaminantes del aire.
"Piense en cualquier edificio grande, ", Dice Prakash." Miles de personas están respirando oxígeno y exhalando dióxido de carbono ".
Si los niveles de dióxido de carbono aumentan demasiado, la gente se mareará o tendrá sueño. Por lo general, Los sistemas de ventilación del edificio circularán en el aire del exterior cada dos horas para eliminar el dióxido de carbono y otros contaminantes. Ese proceso consume mucha energía, Prakash explica. Pero cuando los gránulos se colocan en el sistema HVAC, absorbe las impurezas del aire y reduce el uso de energía de un edificio entre un 20 y un 30 por ciento.
"Es una forma de compensar el dióxido de carbono que es doble, "Él dice:Reducir la cantidad de dióxido de carbono en la circulación de aire de un edificio y al mismo tiempo reducir la huella de carbono de la energía utilizada para gestionar la calidad del aire".
Prakash ha pasado cuatro décadas en USC Dornsife pensando en la energía:formas de almacenarla y formas de aprovecharla. Esos instrumentos en su oficina ilustran algunos de los usos prácticos de lo que se conoce como la economía del metanol, el concepto visionario para la creación de fuentes de energía renovables que desarrolló originalmente con el fallecido profesor de Química en Dornsife de la USC George Olah, premio Nobel y ex colega y mentor de Prakash.
El punto de partida es el dióxido de carbono, un gas natural que aumenta rápidamente en nuestra atmósfera principalmente debido a actividades humanas como la quema de combustibles fósiles y la deforestación. La economía del metanol, un modelo mediante el cual se utiliza la química para producir metanol en lugar de combustibles fósiles para el almacenamiento de energía, combustible y materias primas, busca utilizar el carbono como solución.
"La Tierra no tiene un problema energético, ", dijo Prakash." Lo que tiene es un problema de almacenamiento de energía y de portador de energía.
"La idea es que vamos a tomar dióxido de carbono y convertirlo de nuevo en algunos combustibles químicos y materias primas utilizando la energía del sol". "Dijo Prakash.
El metanol se crea fácilmente en un laboratorio, y a un costo relativamente bajo, él añade. Ya existe la infraestructura para ponerlo en uso como combustible y materia prima para reemplazar los productos derivados del petróleo.
Estados Unidos ha tardado en adoptar la tecnología, principalmente porque las compañías petroleras no tienen muchos incentivos financieros para cambiar a la alternativa de combustión más limpia. Sin embargo, países como China, Islandia, Israel y Suecia han adoptado la fuente de combustible renovable para varios usos, principalmente para transporte. (Una planta de producción de metanol renovable operada por Carbon Recycling International en Reykjavik, Islandia, lleva el nombre de Olah.)
India también está considerando cómo incorporar metanol como combustible de transporte, así como gas de cocina, para reemplazar el queroseno ampliamente utilizado. que produce contaminantes peligrosos, de ahí el prototipo de una estufa de metanol en el escritorio de Prakash.
Un catalizador ganador para el cambio
Zhiyao Lu es becario postdoctoral en el Instituto de Investigación de Hidrocarburos Loker. Antes de obtener su Ph.D. en química de USC Dornsife en 2016, estaba estudiando ciencias farmacéuticas. Pero sus intereses empezaron a cambiar. Alrededor de 2010, comenzó a ver informes que mostraban que a medida que la industria del biodiésel se expandía y el aceite vegetal se utilizaba a mayor escala, La glicerina bruta se producía en cantidades crecientes.
"Cada vez más terminaba como desperdicio o como contaminante, "Dijo Lu." Me di cuenta de que era un problema, y me fijé este objetivo para proporcionar al menos una solución para mejorar la situación ".
Puso su mirada en encontrar una manera de convertir el material de desecho en algo valioso. Trabajando con el profesor de química de USC Dornsife, Travis Williams, he developed a catalyst that enables an exceptionally efficient chemical transformation that converts glycerin into lactate. Usually derived from plants, lactate is a valuable natural preservative and antimicrobial agent with a wide range of applications. Most often it is used in cosmetics and soaps.
Lu was interested in commercializing their findings. Williams encouraged him to pursue support to translate their research. Entonces, Lu applied for the 2018 USC Wrigley Sustainability Prize, which was created by the USC Wrigley Institute to inspire and support the development of entrepreneurial businesses focused on improving the environment. He took home first place along with $7, 000 to help get the business off the ground.
On the heels of that honor, Lu was selected to participate in the National Science Foundation Innovation Corps (I-Corps) program, a seven-week curriculum that supports scientists in bringing their technology to market. Through I-Corps, Lu and Williams met with potential customers, partners and investors to learn the next steps that would take their technology from the lab to a commercial enterprise.
Como resultado, the pair's company, Catapower, will be working with World Energy, a top supplier of biodiesel in the U.S., to co-develop the chemical process into a commercial one. Ahora, they are building a demonstration of how that would work in their manufacturing plants.
Lu explains that with just a few extra steps and some additional staff, glycerin can easily be converted to lactate as part of each plant's day-to-day operations, using existing equipment.
By Lu's calculations, Catapower's process could lower the overall cost of producing lactate by 60 percent, when compared with the current commercial practice used to manufacture it.
"Our business advisor said once we start producing it, it will be like printing money, " Lu said. "I'm not as optimistic, but I think the profit margin is good enough for us to run a sustainable business."
