Als een luchtspiegeling aan de horizon is een innovatief proces om een ​​krachtig broeikasgas om te zetten in een voedselzekerheidsoplossing tot stilstand gekomen door economische onzekerheid. Nu evalueert een eerste-van-zijn-soort Stanford University-analyse het marktpotentieel van de aanpak, waarbij bacteriën gevoed met gevangen methaan uitgroeien tot eiwitrijk vismeel. De studie, gepubliceerd op 22 november in Nature Sustainability , constateert dat de productiekosten van methaan dat uit bepaalde bronnen in de VS wordt gewonnen, lager zijn dan de marktprijs voor conventioneel vismeel. Het wijst ook op haalbare kostenbesparingen die de aanpak winstgevend kunnen maken met behulp van andere methaanbronnen en in staat zijn om aan alle wereldwijde vraag naar vismeel te voldoen.

"Industriële bronnen in de VS stoten een werkelijk duizelingwekkende hoeveelheid methaan uit, wat oneconomisch is om op te vangen en te gebruiken met de huidige toepassingen", zegt hoofdauteur Sahar El Abbadi, die het onderzoek uitvoerde als afgestudeerde student civiele en milieutechniek.

"Ons doel is om dat paradigma om te draaien en biotechnologie te gebruiken om een ​​hoogwaardig product te creëren", voegt El Abbadi toe, die nu docent is in het programma Civic, Liberal and Global Education aan Stanford.

Twee problemen, één oplossing

Hoewel koolstofdioxide overvloediger aanwezig is in de atmosfeer, is het aardopwarmingsvermogen van methaan ongeveer 85 keer zo groot over een periode van 20 jaar en minstens 25 keer zo groot een eeuw na het vrijkomen ervan. Methaan bedreigt ook de luchtkwaliteit door de concentratie van ozon in de troposfeer te verhogen, een blootstelling waaraan jaarlijks naar schatting 1 miljoen vroegtijdige sterfgevallen worden veroorzaakt door aandoeningen van de luchtwegen. De relatieve concentratie van methaan is sinds het begin van de industriële revolutie meer dan twee keer zo snel gegroeid als die van kooldioxide, grotendeels als gevolg van door de mens veroorzaakte emissies.

Een mogelijke oplossing ligt in methaanverbruikende bacteriën die methanotrofen worden genoemd. Deze bacteriën kunnen worden gekweekt in een gekoelde, met water gevulde bioreactor die wordt gevoed met methaan onder druk, zuurstof en voedingsstoffen zoals stikstof, fosfor en sporenmetalen. De eiwitrijke biomassa die hieruit voortkomt, kan worden gebruikt als vismeel in aquacultuurvoer, waardoor de vraag naar vismeel van kleine vissen of plantaardig voer dat land, water en kunstmest nodig heeft, wordt gecompenseerd.

"Hoewel sommige bedrijven dit al doen met aardgas uit een pijpleiding als grondstof, zou een voorkeursgrondstof de methaanuitstoot zijn die wordt uitgestoten op grote stortplaatsen, afvalwaterzuiveringsinstallaties en olie- en gasfaciliteiten", zegt co-auteur Craig Criddle, een professor in civiele en milieukunde. techniek aan de Stanford School of Engineering. "Dit zou meerdere voordelen opleveren, waaronder lagere niveaus van een krachtig broeikasgas in de atmosfeer, stabielere ecosystemen en positieve financiële resultaten."

De consumptie van zeevruchten, een belangrijke wereldwijde bron van eiwitten en micronutriënten, is sinds 1960 meer dan verviervoudigd. Als gevolg hiervan zijn de wilde visbestanden ernstig uitgeput en leveren viskwekerijen nu ongeveer de helft van alle dierlijke zeevruchten die we eten. De uitdaging zal alleen maar groter worden omdat de wereldwijde vraag naar waterdieren, planten en algen tegen 2050 waarschijnlijk zal verdubbelen, volgens een uitgebreide evaluatie van de sector onder leiding van onderzoekers van Stanford en andere instellingen.

Hoewel methaangevoede methanotrofen voer voor gekweekte vis kunnen leveren, was de economische waarde van de aanpak onduidelijk, zelfs nu de prijzen van conventioneel vismeel sinds 2000 in reële termen bijna zijn verdrievoudigd. scenario's waarin methaan afkomstig is van relatief grote afvalwaterzuiveringsinstallaties, stortplaatsen en olie- en gasinstallaties, evenals aardgas dat wordt ingekocht van het commerciële aardgasnet. In hun analyse werd gekeken naar een reeks variabelen, waaronder de kosten van elektriciteit en de beschikbaarheid van arbeid.

Op weg naar winst

In de scenario's met methaan gewonnen uit stortplaatsen en olie- en gasfaciliteiten, bleek uit de analyse dat de productiekosten van methanotrofe vismeel - respectievelijk $ 1.546 en $ 1.531 per ton - lager waren dan de 10-jarige gemiddelde marktprijs van $ 1.600. Voor het scenario waarin methaan werd opgevangen uit afvalwaterzuiveringsinstallaties, waren de productiekosten iets hoger - $ 1.645 per ton - dan de gemiddelde marktprijs van vismeel. Het scenario waarin methaan werd gekocht van het commerciële netwerk leidde tot de duurste productiekosten voor vismeel - $ 1.783 per ton - vanwege de kosten van de aankoop van aardgas.

Voor elk scenario was elektriciteit de grootste kostenpost, goed voor gemiddeld meer dan 45 procent van de totale kosten. In staten als Mississippi en Texas met lage elektriciteitsprijzen daalden de productiekosten met meer dan 20 procent, waardoor het mogelijk werd om vismeel uit methaan te produceren voor $ 1.214 per ton, of $ 386 minder per ton dan conventionele vismeelproductie. De elektriciteitskosten zouden verder kunnen worden verlaagd, zeggen de onderzoekers, door reactoren te ontwerpen die warmte beter overdragen om minder koeling nodig te hebben, en door elektrisch aangedreven toepassingen over te schakelen naar die aangedreven door zogenaamd gestrand gas dat anders verspild of ongebruikt zou zijn, wat ook kan afhankelijkheid van elektriciteitsnet voor afgelegen locaties. In scenario's met methaan uit afvalwaterzuiveringsinstallaties, zou het afvalwater zelf kunnen worden gebruikt om stikstof en fosfor te leveren, evenals voor koeling.

Als dergelijke efficiënties de productiekosten voor op methanotrofe gebaseerde vismeel met 20 procent zouden kunnen verlagen, zou het proces volgens de studie winstgevend kunnen voorzien in de totale wereldwijde vraag naar vismeel met methaan dat alleen in de VS wordt gevangen. Evenzo zou het proces sojabonen en diervoeders kunnen vervangen als verdere kostenbesparingen werden bereikt.

"Ondanks tientallen jaren van proberen, heeft de energie-industrie moeite gehad met het vinden van een goed gebruik voor gestrand aardgas", zegt co-auteur Evan David Sherwin, een postdoctoraal onderzoeker in energiebronnen engineering aan Stanford. "Toen we samen naar de energie- en voedselsystemen gingen kijken, werd het duidelijk dat we minstens twee al lang bestaande problemen tegelijk konden oplossen."