Los científicos de Texas A&M AgriLife Research están utilizando inteligencia artificial para establecer un nuevo récord mundial en la producción de algas como fuente confiable y económica de biocombustible que se puede usar como fuente de combustible alternativa para aviones a reacción y otras necesidades de transporte.
por Blair Fannin, Universidad Texas A&M
Joshua Yuan, Ph.D., científico de AgriLife Research, profesor y presidente de Biología Sintética y Productos Renovables en el Departamento de Microbiología y Patología de Plantas de la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida de Texas A&M, lidera el proyecto de investigación.
Los hallazgos del equipo se publicaron en enero en Nature Communications . La investigación en curso está financiada por la Oficina de Energía Fósil del Departamento de Energía de EE. UU. El trabajo también está siendo financiado por una donación del Dr. John ’90 y Sally ’92 Hood, quienes recientemente se reunieron con Yuan para hablar sobre su programa de investigación de biocombustibles. La donación es administrada por la Fundación Texas A&M.
El equipo del proyecto incluye a Bin Long, un estudiante graduado del Departamento de Patología y Microbiología Vegetal; Bart Fischer, Ph.D., codirector del Centro de Políticas Agrícolas y Alimentarias de Texas A&M y del Departamento de Economía Agrícola de Texas A&M; Henry Bryant, Ph.D., Departamento de Economía Agrícola; y Yining Zeng, Ph.D., científico del personal del Laboratorio Nacional de Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU.
Resolviendo las limitaciones de las algas como biocombustible
«La comercialización de biocombustibles de algas se ha visto obstaculizada por el rendimiento relativamente bajo y el alto costo de cosecha», dijo Yuan. «La limitada penetración de la luz y la mala dinámica de cultivo contribuyeron al bajo rendimiento».
Superar estos desafíos podría permitir que los biocombustibles de algas viables reduzcan las emisiones de carbono, mitiguen el cambio climático, alivie la dependencia del petróleo y transformen la bioeconomía, dijo Yuan.
Yuan ha tenido éxito anteriormente en la búsqueda de métodos para convertir rastrojos de maíz, pastos y mezquite en bioplásticos y materiales biodegradables y livianos. Su último proyecto utiliza un modelo de aprendizaje avanzado de inteligencia artificial patentado para predecir la penetración de la luz, el crecimiento y la densidad óptima de las algas. El modelo de predicción permite la cosecha continua de algas sintéticas usando hidroponía para mantener el crecimiento rápido a la densidad óptima para permitir la mejor disponibilidad de luz.
El método que Yuan y su equipo han logrado con éxito en un experimento al aire libre es de 43,3 gramos por metro cuadrado por día de productividad de biomasa, lo que sería un récord mundial. El rango objetivo más reciente del DOE es de 25 gramos por metro cuadrado por día.
«Las algas se pueden utilizar como fuente de energía alternativa para muchas industrias, incluido el biocombustible y el combustible para aviones», dijo Yuan. «Las algas son una buena fuente de combustible alternativo para esta industria. Es una materia prima alternativa para la refinería de bioetanol sin necesidad de pretratamiento. Es más económica que el carbón o el gas natural. También proporciona una forma más eficiente de captura y utilización del carbono».
Yuan dijo que las algas también se pueden usar como fuente de alimento para animales. AgriLife Research ha investigado previamente las algas como fuente de proteína para el ganado.
Las algas como energía renovable
El biocombustible de algas se considera una de las soluciones definitivas para la energía renovable, pero su comercialización se ve obstaculizada por las limitaciones de crecimiento causadas por la sombra mutua y los altos costos de cosecha.
«Superamos estos desafíos mediante el avance del aprendizaje automático para informar el diseño de un cultivo de algas semicontinuo (SAC) para mantener un crecimiento celular óptimo y minimizar el sombreado mutuo», dijo.
Yuan dijo que está utilizando una estrategia de sedimentación basada en agregación diseñada para lograr una recolección de biomasa de bajo costo y un SAC económico.
«La sedimentación basada en la agregación se logra mediante la ingeniería de una cepa de algas verdeazuladas de rápido crecimiento, Synechococcus elongatus UTEX2973, para producir limoneno, que aumenta la hidrofobicidad de la superficie celular de las cianobacterias y permite una agregación y sedimentación celular eficientes», dijo.
Hacer que las algas ahorren energía
La ampliación del SAC con un sistema de estanques al aire libre logra un rendimiento de biomasa de 43,3 gramos por metro cuadrado por día, lo que reduce el precio mínimo de venta de biomasa a aproximadamente $281 por tonelada, según el artículo de la revista. En comparación, la materia prima estándar de bajo costo para la biomasa en etanol es el maíz, que actualmente cuesta aproximadamente $6 por bushel o $260 por tonelada. Sin embargo, el proceso de Yuan no requiere un pretratamiento costoso antes de la fermentación. El maíz debe ser molido y el puré debe cocinarse antes de la fermentación.
«Las algas como fuente de combustible renovable fueron un tema candente hace una década», dijo Fischer. «Como resultado, hay mucho escepticismo. Yo estaba incluso escéptico. Sin embargo, el trabajo que está haciendo Joshua es increíblemente innovador. Estábamos emocionados de asociarnos en este proyecto. Por los niveles de productividad que obtienen, y dado el bajo costo cosecha que la variedad permite, es muy prometedora».
Yuan dijo que a pesar del potencial significativo y los esfuerzos extensos, la comercialización del biocombustible de algas se ha visto obstaculizada por la penetración limitada de la luz solar, la mala dinámica de cultivo, el rendimiento relativamente bajo y la ausencia de métodos de cosecha industrial rentables.
«Se ha demostrado que esta tecnología es asequible y ayuda a impulsar las algas como una verdadera forma alternativa de energía», dijo.
