Som en hägring vid horisonten har en innovativ process för att omvandla en potent växthusgas till en livsmedelssäkerhetslösning stoppats av ekonomisk osäkerhet. Nu utvärderar en först i sitt slag Stanford University-analys marknadspotentialen för tillvägagångssättet, där bakterier som matas med infångad metan växer till proteinrikt fiskmjöl. Studien publicerades 22 november i Nature Sustainability , finner produktionskostnaderna för metan som fångas från vissa källor i USA är lägre än marknadspriset för konventionellt fiskmjöl. Den lyfter också fram möjliga kostnadsminskningar som skulle kunna göra tillvägagångssättet lönsamt med andra metankällor och som kan möta all global efterfrågan på fiskmjöl.

"Industrikällor i USA släpper ut en verkligt häpnadsväckande mängd metan, vilket är oekonomiskt att fånga och använda med nuvarande applikationer", säger studiens huvudförfattare Sahar El Abbadi, som genomförde forskningen som doktorand i civil- och miljöteknik.

"Vårt mål är att vända på det paradigmet genom att använda bioteknik för att skapa en högvärdig produkt", tillade El Abbadi, som nu är föreläsare i programmet Civic, Liberal and Global Education vid Stanford.

Två problem, en lösning

Även om koldioxid är rikligare i atmosfären, är metans globala uppvärmningspotential cirka 85 gånger så stor under en 20-årsperiod och minst 25 gånger så stor ett sekel efter dess utsläpp. Metan hotar också luftkvaliteten genom att öka koncentrationen av troposfäriskt ozon, vars exponering orsakar uppskattningsvis 1 miljon förtida dödsfall årligen i världen på grund av luftvägssjukdomar. Metans relativa koncentration har ökat mer än dubbelt så snabbt som koldioxidens koncentration sedan början av den industriella revolutionen, till stor del på grund av människodrivna utsläpp.

En potentiell lösning ligger i metankonsumerande bakterier som kallas metanotrofer. Dessa bakterier kan odlas i en kyld, vattenfylld bioreaktor som matas med trycksatt metan, syre och näringsämnen som kväve, fosfor och spårmetaller. Den proteinrika biomassan som blir resultatet kan användas som fiskmjöl i vattenbruksfoder, vilket kompenserar efterfrågan på fiskmjöl från småfisk eller växtbaserat foder som kräver mark, vatten och gödningsmedel.

"Medan vissa företag redan gör detta med naturgas i rörledningar som råvara, skulle ett föredraget råmaterial vara metan som släpps ut vid stora deponier, avloppsreningsverk och olje- och gasanläggningar", säger studiens medförfattare Craig Criddle, professor i civil och miljö. ingenjör vid Stanfords School of Engineering. "Detta skulle resultera i flera fördelar. inklusive lägre nivåer av en potent växthusgas i atmosfären, stabilare ekosystem och positiva ekonomiska resultat."

Konsumtionen av skaldjur, en viktig global källa till protein och mikronäringsämnen, har ökat mer än fyrdubblats sedan 1960. Som ett resultat av detta är bestånden av vilda fiskar kraftigt uttömda, och fiskodlingar står nu för ungefär hälften av all animalisk skaldjur vi äter. Utmaningen kommer bara att växa eftersom den globala efterfrågan på vattenlevande djur, växter och alger sannolikt kommer att fördubblas till 2050, enligt en omfattande översyn av sektorn ledd av forskare vid Stanford och andra institutioner.

Medan metanotrofer som matas med metan kan ge foder till odlad fisk har ekonomin i tillvägagångssättet varit oklar, även om priserna på konventionellt fiskmjöl nästan har tredubblats i reala termer sedan 2000. För att klargöra tillvägagångssättets potential att möta efterfrågan lönsamt, modellerade Stanford-forskarna scenarier där metan hämtas från relativt stora avloppsreningsverk, deponier och olje- och gasanläggningar, samt naturgas som köps från det kommersiella naturgasnätet. Deras analys tittade på en rad variabler, inklusive kostnaden för el och tillgång på arbetskraft.

Mot att göra vinst

I scenarierna som involverar metan som fångas upp från deponier och olje- och gasanläggningar, fann analysen att metanotrofa produktionskostnader för fiskmjöl - $1 546 respektive $ 1 531 per ton - var lägre än det 10-åriga genomsnittliga marknadspriset på 1 600 $. För scenariot där metan fångades upp från avloppsreningsverk var produktionskostnaderna något högre – 1 645 USD per ton – än det genomsnittliga marknadspriset på fiskmjöl. Scenariot där metan köptes från det kommersiella nätet ledde till de dyraste produktionskostnaderna för fiskmjöl – 1 783 USD per ton – på grund av kostnaden för att köpa naturgas.

För varje scenario var el den största kostnaden, och stod för över 45 procent av den totala kostnaden i genomsnitt. I stater som Mississippi och Texas med låga elpriser sjönk produktionskostnaderna med över 20 procent, vilket gjorde det möjligt att producera fiskmjöl från metan för 1 214 dollar per ton, eller 386 dollar mindre per ton än konventionell fiskmjölsproduktion. Elkostnaderna skulle kunna minskas ytterligare, säger forskarna, genom att designa reaktorer som bättre överför värme för att kräva mindre kylning, och byta eldrivna applikationer till de som drivs av så kallad strandad gas som annars skulle gå till spillo eller oanvändas, vilket också kan minska beroende av elnät för avlägsna platser. I scenarier som involverar metan från avloppsreningsverk skulle själva avloppsvattnet kunna användas för att tillhandahålla kväve och fosfor samt kyla.

Om effektivitetsvinster som dessa skulle kunna sänka produktionskostnaden för ett metanotrofbaserat fiskmjöl med 20 procent, skulle processen lönsamt kunna tillgodose den totala globala efterfrågan på fiskmjöl med metan som fångats enbart i USA, enligt studien. På samma sätt kan processen ersätta sojabönor och djurfoder om ytterligare kostnadsminskningar uppnås.

"Trots decennier av försök har energiindustrin haft problem med att hitta en bra användning för strandad naturgas", säger studiens medförfattare Evan David Sherwin, en postdoktor i energiresursteknik vid Stanford. "När vi började titta på energi- och livsmedelssystemen tillsammans blev det klart att vi kunde lösa minst två långvariga problem samtidigt."