Eftersom fossila bränslen släpper ut föroreningar som är skadliga för både miljön och folkhälsan, forskare undersöker flitigt mer hållbara alternativ. Ett av dessa alternativ är biobränslen.

Biobränslen är förnybara energikällor som skapas med hjälp av växter som majs eller växter som kan odlas som årliga eller fleråriga grödor. En annan källa som används för att skapa biobränsle är alger-både encelliga mikroalger och makroalger som kelp. Även om algbiobränslen är ett mer hållbart alternativ till fossila bränslen, det återstår utrymme för att förbättra produktionen av algerna som används för att skapa dem.

Ken Reardon, Jud och Pat Harper professor i kemi och biologisk teknik, leder ett projekt på 2,1 miljoner dollar som syftar till att öka algutbytet genom att förbättra koldioxidutnyttjandet. Det treåriga projektet är en del av ett arbete som leds av Department of Energy's Office of Energy Efficiency &Renewable Energy för att förbättra kostnadskonkurrenskraften och miljömässig hållbarhet för mikroalgbaserade bränslen och produkter. Ett team med fem fakultetsmedlemmar vid Colorado State University och tre forskare vid National Renewable Energy Laboratory (NREL) kommer att samarbeta för att uppnå projektmålen 1) förbättra leveransen av CO2 till alger och 2) att öka algens förbrukning av CO2.

Projektet är också ett samarbete med två företag. New Belgium Brewing kommer att tillhandahålla CO2 från deras jäsningsprocesser, och Qualitas Health, ett företag som producerar omega-3 näringsämnen från alger, kommer att hjälpa till att testa den förbättrade CO2-leveranstekniken på deras odlingsplats i Imperial, Texas.

Leverans:För CO2 till algerna

För massodlingsändamål, mikroalger odlas vanligtvis i stora, grunda dammar som tillåter ljus att tränga in i vattnet till algcellerna. Som växter, alger kräver solljus, CO2, och näringsämnen att växa. För att tillföra CO2, luften sprutas, eller tryckt genom små hål i ett rör, ner i dammens botten. Med denna leveransmetod, mycket av CO2 bubblar upp till ytan och går till spillo, snarare än att användas av algerna.

För att förbättra leveransen av CO2 till mikroalgkulturen, Reardon kommer att arbeta med Travis Bailey, docent vid Institutionen för kemi- och bioteknik, och NREL-partnern Deanne Sammond för att designa ett polymert membran som innehåller ett enzym som omvandlar CO2 till vattenlösligt bikarbonat, som algerna kan använda för att växa. Detta membran kommer att överföra CO2 till vattnet mycket mer effektivt än spridning.

David Dandy, professor vid institutionen för kemi- och biologisk teknik, kommer att utveckla en beräkningsmodell som förutsäger när och var i dammen algerna kommer att växa snabbast, så att bikarbonatet kan riktas till dessa platser. För att undvika övertillförsel av bikarbonat, ett laserövervakningssystem som tagits fram av en NREL -partner kommer att upptäcka när det finns för mycket CO2 på ytan av dammen.

"Vi kommer att ha förmågan att leverera mer bikarbonat än vad som är möjligt för närvarande, " sa Reardon. "Vi vill vara säkra på att vi lägger bikarbonatet i var och när algerna kommer att behöva det som mest."

Upptag:Konsumerar CO2

När leveransmetoden är fulländad, algerna kommer att modifieras för att kunna hänga med i ökningen av bikarbonat. Teamet använder två metoder för att förbättra algerna. Den första kommer att ledas av Graham Peers, docent vid biologiska institutionen, som kommer att genetiskt modifiera algerna för att ta upp och metabolisera bikarbonat snabbare än de normalt skulle göra. NREL-partnern Lieve Laurens kommer att använda ett naturligt urvalssätt som innebär att välja genetiskt överlägsna stammar eftersom alger är bruna i bikarbonatrika miljöer.

"Vi försöker två metoder så vi är säkra på att ha minst en framgångsrik modifiering, ", sa Reardon. "Varje version kan också användas för olika applikationer."

Medan Peers tillvägagångssätt resulterar i en genetiskt modifierad organism (GMO), Laurens gör det inte. Vissa företag föredrar att använda GMO-fria alger i sina produkter, så att skapa dessa två alternativ möjliggör fler olika applikationer.

Kvantifiera framgång

Att mäta om leverans- och upptagsförbättringarna är effektiva eller inte är upp till Jason Quinn, biträdande professor vid institutionen för maskinteknik, och NREL-partner Ryan Davis. Med hjälp av en livscykelanalys för att mäta processens miljömässiga hållbarhet och en teknikekonomisk analys för att uppskatta kostnader, Quinn och Davis kommer att avgöra om laget lyckats förbättra kostnadskonkurrenskraften genom sina förbättringar av koldioxidutnyttjandet.

"Jag är övertygad om att vi kommer att kunna öka produktiviteten i ett system som kommer att producera mer biomassa, ", sa Reardon. "Och jag är övertygad om att vi kommer att överträffa vårt mål för förbättrat CO2-utnyttjande."