Algakultur

Algakultur är en form av vattenbruk som involverar odling av alger .

Majoriteten av alger som avsiktligt odlas faller in i kategorin mikroalger (även kallad fytoplankton , mikrofyter eller planktonalger ). Makroalger , allmänt kända som sjögräs , har också många kommersiella och industriella användningsområden, men på grund av sin storlek och de specifika kraven i miljön där de behöver växa, lämpar de sig inte lika lätt för odling (detta kan dock ändras, med tillkomsten av nyare tångodlare, som i grunden är algskrubber som använder uppåtgående luftbubblor i små behållare).

Kommersiell och industriell algodling har många användningsområden, inklusive produktion av näringsämnen som omega-3-fettsyror (som algolja) eller naturliga livsmedelsfärgämnen och färgämnen , livsmedel , gödningsmedel , bioplaster , kemiska råvaror ( råvara ) , proteinrika djur/ vattenbruksfoder , läkemedel och algbränsle , och kan också användas som ett medel för föroreningskontroll .

Den globala produktionen av odlade vattenväxter, överväldigande dominerad av sjögräs, ökade i produktionsvolym från 13,5 miljoner ton 1995 till drygt 30 miljoner ton 2016. Odlade mikroalger bidrar redan till ett brett spektrum av sektorer i den framväxande bioekonomin . Forskning tyder på att det finns stora potentialer och fördelar med algodling för utvecklingen av ett framtida hälsosamt och hållbart livsmedelssystem .

Odla, skörda och bearbeta alger

Monokultur

De flesta odlare föredrar monokulturell produktion och går långt för att upprätthålla renheten i sina kulturer. De mikrobiologiska föroreningarna är dock fortfarande under utredning.

Med blandkulturer kommer en art att dominera över tid och om en icke-dominant art tros ha särskilt värde är det nödvändigt att skaffa rena kulturer för att kunna odla denna art. Enskilda artkulturer är också välbehövliga för forskningsändamål.

En vanlig metod för att erhålla rena kulturer är seriell spädning . Odlare späder antingen ett vildprov eller ett labbprov som innehåller de önskade algerna med filtrerat vatten och inför små alikvoter (mått på denna lösning) i ett stort antal små odlingsbehållare. Spädning följer en mikroskopisk undersökning av källkulturen som förutspår att några av de växande behållarna innehåller en enda cell av den önskade arten. Efter en lämplig period på ett ljusbord använder odlare återigen mikroskopet för att identifiera behållare för att starta större kulturer.

Ett annat tillvägagångssätt är att använda ett speciellt medium som utesluter andra organismer, inklusive invasiva alger. Dunaliella är till exempel ett vanligt odlat släkte av mikroalger som frodas i extremt salt vatten som få andra organismer kan tolerera.

Alternativt kan blandade algkulturer fungera bra för larver blötdjur . Först filtrerar kultivatorn havsvattnet för att ta bort alger som är för stora för larverna att äta. Därefter tillför kultivatorn näringsämnen och eventuellt luftar resultatet. Efter en eller två dagar i växthus eller utomhus är den resulterande tunna soppan av blandade alger klar för larverna. En fördel med denna metod är lågt underhåll.

Växande alger

Se även: Tångodlare och Odling av mikroalger i kläckerier
En anläggning för odling av mikroalger
Mikroalger används för att odla artemia , som producerar vilande ägg (bilden). Äggen kan sedan kläckas på begäran och matas till odlade fisklarver och kräftdjur.

Vatten, koldioxid , mineraler och ljus är alla viktiga faktorer i odlingen och olika alger har olika krav. Grundreaktionen för algtillväxt i vatten är koldioxid + ljusenergi + vatten = glukos + syre + vatten. Detta kallas autotrofisk tillväxt. Det är också möjligt att odla vissa typer av alger utan ljus, dessa typer av alger konsumerar socker (som glukos). Detta är känt som heterotrofisk tillväxt.

Temperatur

Vattnet måste vara i ett temperaturområde som kommer att stödja den specifika algarten som odlas mestadels mellan 15˚C och 35˚C.

Lätt och blanda

I ett typiskt algodlingssystem, som en öppen damm, tränger ljus endast igenom de översta 3 till 4 tum (76–102 mm) av vattnet, även om detta beror på algdensiteten. När algerna växer och förökar sig blir kulturen så tät att den hindrar ljuset från att nå djupare ner i vattnet. Direkt solljus är för starkt för de flesta alger, som bara kan använda cirka 1 ⁄ 10 av den mängd ljus som de får från direkt solljus; Men att utsätta en algkultur för direkt solljus (snarare än att skugga den) är ofta den bästa vägen för stark tillväxt, eftersom algerna under ytan kan utnyttja mer av det mindre intensiva ljuset som skapas från skuggan av algerna ovanför.

För att använda djupare dammar ska odlarna röra om vattnet och cirkulera algerna så att de inte blir kvar på ytan. Skovelhjul kan röra om vattnet och komprimerad luft som kommer från botten lyfter upp alger från de lägre regionerna. Agitation hjälper också till att förhindra överexponering för solen.

Ett annat sätt att tillföra ljus är att placera ljuset i systemet. Glödplattor tillverkade av plast- eller glasskivor och placerade i tanken ger exakt kontroll över ljusintensiteten och fördelar den jämnare. De används dock sällan på grund av höga kostnader.

Lukt och syre

Lukten som förknippas med myrar , träsk och andra stillastående vatten kan bero på syrebrist orsakad av sönderfall av avlidna algblomningar . Under anoxiska förhållanden bryter bakterierna i algkulturer ner det organiska materialet och producerar svavelväte och ammoniak , vilket orsakar lukten. Denna hypoxi leder ofta till att vattenlevande djur dör. I ett system där alger avsiktligt odlas, underhålls och skördas, är det troligt att varken övergödning eller hypoxi inträffar.

Vissa levande alger och bakterier producerar också luktande kemikalier, särskilt vissa cyanobakterier (tidigare klassade som blågröna alger) som Anabaena . De mest kända av dessa luktframkallande kemikalier är MIB ( 2-metylisoborneol) och geosmin . De ger en unken eller jordig lukt som kan vara ganska stark. Cyanobakteriernas slutliga död frigör ytterligare gas som fångas i cellerna. Dessa kemikalier kan detekteras vid mycket låga nivåer – i miljarddelarsintervallet – och är ansvariga för många "smak- och luktproblem" vid behandling och distribution av dricksvatten . Cyanobakterier kan också producera kemiska gifter som har varit ett problem i dricksvatten.

Näringsämnen

Näringsämnen som kväve (N), fosfor (P) och kalium (K) fungerar som gödningsmedel för alger och är i allmänhet nödvändiga för tillväxt. Kiseldioxid och järn, samt flera spårämnen, kan också anses vara viktiga marina näringsämnen eftersom bristen på ett sådant kan begränsa tillväxten av, eller produktiviteten i, ett visst område. Koldioxid är också viktigt; vanligtvis krävs en tillförsel av CO 2 för snabb algtillväxt. Dessa grundämnen måste lösas i vattnet, i biotillgängliga former, för att alger ska växa.

Metoder

Odling av makroalger

Det här avsnittet är ett utdrag från sjögräsodling .
Undervattens Eucheuma- odling i Filippinerna
A seaweed farmer stands in shallow water, gathering edible seaweed that has grown on a rope
En tångbonde i Nusa Lembongan (Indonesien) samlar ätbara tång som har växt på ett rep.

Tångodling eller kelpodling är bruket att odla och skörda tång . I sin enklaste form består den av hantering av naturligt funna partier. avancerade form består den av att helt kontrollera algernas livscykel . De sju mest odlade tångtaxa är Eucheuma spp., Kappaphycus alvarezii , Gracilaria spp., Saccharina japonica , Undaria pinnatifida , Pyropia spp. och Sargassum fusiforme . Eucheuma och K. alvarezii odlas för karragenan (ett gelningsmedel) ; Gracilaria odlas för agar ; medan resten odlas för mat. De största tångproducerande länderna är Kina, Indonesien och Filippinerna. Andra anmärkningsvärda tillverkare inkluderar Sydkorea, Nordkorea, Japan, Malaysia och Zanzibar ( Tanzania ). Tångodling har ofta utvecklats som ett alternativ för att förbättra ekonomiska förhållanden och minska fisketrycket och överexploaterade fiske.

Global produktion av odlade vattenlevande växter, överväldigande dominerade av tång, växte i produktionsvolym från 13,5 × 10 ^ 6 T (13 300 000 långa ton; 14 900 000 korta ton) 1995 till drygt 30 × 10 ^ 6 T (30 000 000 långa ton; 33 000 000 korta ton) 2016. Från och med 2014 var tång 27 % av allt marint vattenbruk .

Tångodling är en kolnegativ gröda, med stor potential för att mildra klimatförändringarna . IPCC:s specialrapport om havet och kryosfären i ett förändrat klimat rekommenderar "ytterligare forskningsuppmärksamhet" som en mildrande taktik.

Öppna dammar

Raceway damm används för att odla mikroalger. Vattnet hålls i konstant rörelse med ett motordrivet skovelhjul .

Dammar och sjöar av racerbana är öppna för väder och vind. Öppna dammar är mycket känsliga för kontaminering av andra mikroorganismer, såsom andra alger eller bakterier. Därför väljer odlare vanligtvis slutna system för monokulturer. Öppna system erbjuder inte heller kontroll över temperatur och belysning. Växtsäsongen är till stor del beroende av plats och, bortsett från tropiska områden, är den begränsad till de varmare månaderna.

Öppna dammsystem är billigare att konstruera, som minst kräver endast en dike eller damm. Stora dammar har den största produktionskapaciteten i förhållande till andra system med jämförbar kostnad. Odling av öppen damm kan också utnyttja ovanliga förhållanden som bara passar specifika alger. Dunaliella salina växer till exempel i extremt salt vatten; dessa ovanliga medier utesluter andra typer av organismer, vilket tillåter tillväxt av rena kulturer i öppna dammar. Öppen odling kan också fungera om det finns ett system för att bara skörda de önskade algerna, eller om dammarna ofta inokuleras innan invasiva organismer kan föröka sig markant. Det senare tillvägagångssättet används ofta av Chlorellabönder , eftersom tillväxtförhållandena för Chlorella inte utesluter konkurrerande alger.

Det förra tillvägagångssättet kan användas i fallet med vissa kedjekiselalger eftersom de kan filtreras från en vattenström som strömmar genom ett utloppsrör . Ett " kuddfodral " av en finmaskig trasa knyts över utloppsröret så att andra alger kan fly. Kedjekiselalgerna hålls i påsen och matar räklarver (i östra kläckerier ) och inokulerar nya tankar eller dammar.

Att omsluta en damm med en genomskinlig eller genomskinlig barriär förvandlar den effektivt till ett växthus. Detta löser många av problemen i samband med ett öppet system. Det tillåter att fler arter odlas, det gör att de arter som odlas förblir dominerande och det förlänger växtsäsongen – om den värms upp kan dammen producera året runt. Dammar med öppen löpbana användes för att avlägsna bly med hjälp av levande Spirulina (Arthospira) sp .

Fotobioreaktorer

Alger kan också odlas i en fotobioreaktor (PBR). En PBR är en bioreaktor som innehåller en ljuskälla. Praktiskt taget vilken genomskinlig behållare som helst skulle kunna kallas en PBR; termen används dock oftare för att definiera ett slutet system, i motsats till en öppen tank eller damm.

Eftersom PBR-system är stängda måste kultivatorn tillhandahålla alla näringsämnen, inklusive CO
2 .

En PBR kan arbeta i " batch mode", vilket innebär att reaktorn fylls på efter varje skörd, men det är också möjligt att odla och skörda kontinuerligt. Kontinuerlig drift kräver exakt kontroll av alla element för att förhindra omedelbar kollaps. Odlaren tillhandahåller steriliserat vatten, näringsämnen, luft och koldioxid i rätt mängd. Detta gör att reaktorn kan fungera under långa perioder. En fördel är att alger som växer i " loggfasen " i allmänhet har högre näringsinnehåll än gamla " åldrande " alger. Algkultur är odling av alger i dammar eller andra resurser. Maximal produktivitet uppstår när "växlingskursen" (tiden för att byta ut en volym vätska) är lika med "fördubblingstiden" (i massa eller volym) för algerna.

PBR kan hålla kulturen i suspension, eller så kan de tillhandahålla ett substrat på vilket kulturen kan bilda en biofilm. Biofilmbaserade PBR:er har fördelen att de kan ge mycket högre avkastning för en given vattenvolym, men de kan drabbas av problem med celler som separerar från substratet på grund av det vattenflöde som krävs för att transportera gaser och näringsämnen till kulturen.

Olika typer av suspenderade kultur-PBR inkluderar:

Biofilm PBR inkluderar packad bädd och porösa substrat PBR. Packade bäddar PBRs kan ha olika former, inklusive platt platta eller rörformiga. I Porous Substrate Bioreactors (PSBRs) exponeras biofilmen direkt i luften och tar emot sitt vatten och näring genom kapillärverkan genom själva substratet. Detta undviker problem med att celler blir suspenderade eftersom det inte finns något vattenflöde över biofilmytan. Kulturen kan bli kontaminerad av luftburna organismer, men att försvara sig mot andra organismer är en av funktionerna i en biofilm.

Skörd

Alger kan skördas med hjälp av mikrosilar, genom centrifugering , genom flockning och genom skumflotation .

Att avbryta koldioxidtillförseln kan göra att alger flockas av sig själva, vilket kallas "autoflockning".

"Chitosan", ett kommersiellt flockningsmedel, som oftare används för vattenrening, är mycket dyrare. De pulveriserade skalen av kräftdjur bearbetas för att förvärva kitin , en polysackarid som finns i skalen, från vilken kitosan härrör via deacetylering . Vatten som är mer bräckt eller saltlösning kräver större mängder flockningsmedel. Flockning är ofta för dyrt för stora operationer.

Alun och järnklorid är andra kemiska flockningsmedel.

Vid skumflotation luftar kultivatorn vattnet till ett skum och skummar sedan algerna från toppen.

Ultraljud och andra skördemetoder är för närvarande under utveckling.

Oljeutvinning

Huvudartikel: Algbränsle

Algoljor har en mängd olika kommersiella och industriella användningsområden och utvinns genom en mängd olika metoder. Uppskattningar av kostnaden för att utvinna olja från mikroalger varierar, men kommer sannolikt att vara cirka tre gånger högre än för att utvinna palmolja .

Fysisk utvinning

I det första steget av utvinningen måste oljan separeras från resten av algerna. Den enklaste metoden är mekanisk krossning . När alger torkas behåller den sitt oljeinnehåll, som sedan kan "pressas ut" med en oljepress . Olika stammar av alger motiverar olika metoder för oljepressning, inklusive användning av skruv, expeller och kolv. Många kommersiella tillverkare av vegetabilisk olja använder en kombination av mekanisk pressning och kemiska lösningsmedel för att utvinna olja. Denna användning används ofta även för utvinning av algolja.

Osmotisk chock är en plötslig minskning av det osmotiska trycket , detta kan göra att celler i en lösning spricker. Osmotisk chock används ibland för att frigöra cellulära komponenter, såsom olja.

Ultraljudsextraktion , en gren av sonokemi , kan avsevärt påskynda extraktionsprocesser. Med hjälp av en ultraljudsreaktor används ultraljudsvågor för att skapa kavitationsbubblor i ett lösningsmedelsmaterial. När dessa bubblor kollapsar nära cellväggarna, orsakar de resulterande stötvågorna och vätskestrålarna dessa cellväggar att gå sönder och släpper ut sitt innehåll till ett lösningsmedel. Ultraljudsbehandling kan förbättra grundläggande enzymatisk extraktion.

Kemisk extraktion

Kemiska lösningsmedel används ofta vid utvinningen av oljorna. Nackdelen med att använda lösningsmedel för oljeutvinning är farorna med att arbeta med kemikalierna. Försiktighet måste iakttas för att undvika exponering för ångor och hudkontakt, som båda kan orsaka allvarliga hälsoskador. Kemiska lösningsmedel utgör också en explosionsrisk.

Ett vanligt val av kemiskt lösningsmedel är hexan , som används flitigt i livsmedelsindustrin och är relativt billigt. Bensen och eter kan också separera olja. Bensen är klassificerat som cancerframkallande .

En annan metod för kemisk lösningsmedelsextraktion är Soxhlet- extraktion. I denna metod extraheras oljor från algerna genom upprepad tvättning, eller perkolering , med ett organiskt lösningsmedel som hexan eller petroleumeter , under återflöde i ett speciellt glas. Värdet med denna teknik är att lösningsmedlet återanvänds för varje cykel.

Enzymatisk extraktion använder enzymer för att bryta ner cellväggarna med vatten som fungerar som lösningsmedel. Detta gör fraktionering av oljan mycket lättare. Kostnaderna för denna extraktionsprocess uppskattas vara mycket större än hexanextraktion.

Superkritisk CO 2 kan också användas som lösningsmedel. I denna metod CO 2 flytande under tryck och upphettas till den grad att den blir superkritisk (med egenskaper som både en vätska och en gas), vilket gör att den kan fungera som ett lösningsmedel.

Andra metoder utvecklas fortfarande, inklusive sådana för att extrahera specifika typer av oljor, till exempel de med hög produktion av långkedjiga mycket omättade fettsyror.

Algkultursamlingar

Specifika algstammar kan förvärvas från algkultursamlingar, med över 500 kultursamlingar registrerade hos World Federation for Culture Collections.

Användning av alger

Dulse är en av många ätbara alger.

Mat

Algakultur kan bli en viktig del av ett hälsosamt och hållbart matsystem

Flera arter av alger föds upp för föda. Mikroalger kan användas för att skapa mikrobiellt protein .

Lab manipulation

Australiska forskare vid Flinders University i Adelaide har experimenterat med att använda marina mikroalger för att producera proteiner för mänsklig konsumtion, skapa produkter som " kaviar ", veganska hamburgare, falskt kött , sylt och andra påläggsprodukter . Genom att manipulera mikroalger i ett laboratorium kunde innehållet av protein och andra näringsämnen ökas och smakerna ändras för att göra dem mer välsmakande. Dessa livsmedel lämnar ett mycket lättare koldioxidavtryck än andra former av protein, eftersom mikroalgerna absorberar snarare än producerar koldioxid , vilket bidrar till växthusgaserna .

Gödsel och agar

I århundraden har sjögräs använts som gödningsmedel . Det är också en utmärkt källa till kalium för tillverkning av kaliumklorid och kaliumnitrat . Även vissa mikroalger kan användas på detta sätt.

Både mikroalger och makroalger används för att göra agar .

Föroreningskontroll

Med oro över den globala uppvärmningen söks nya metoder för grundlig och effektiv avskiljning av CO 2 . Koldioxiden som en kolbränsleförbränningsanläggning producerar kan matas in i öppna eller slutna algsystem, fixera CO 2 och påskynda algtillväxten. Orenat avloppsvatten kan tillföra ytterligare näringsämnen, vilket gör två föroreningar till värdefulla varor.

Avfall med hög renhet CO 2 såväl som sekvestrerat kol från atmosfären kan användas, med potentiella betydande fördelar för att mildra klimatförändringar .

Algodling studeras för uran/plutonium-bindning och rening av gödselavrinning.

Energiproduktion

Näringsliv, akademi och regeringar undersöker möjligheten att använda alger för att tillverka bensin, biodiesel, biogas och andra bränslen. Alger i sig kan användas som biobränsle och dessutom användas för att skapa väte. Se Algbränsle .

Mikroalger forskas också för väteproduktion – t.ex. mikrodroppar för algceller eller synergistiska algbakteriella flercelliga sfäroida mikrobiella reaktorer som kan producera såväl syre som väte via fotosyntes i dagsljus under luft.

Mikrogeneration

Detta avsnitt är ett utdrag från Algbioreaktor § Mikrogenerering .
The Bio-Intelligent Quotient (BIQ) House i Hamburg
BIQ House [ de ] byggdes 2013 i Tyskland drivs helt av alger. Det bioniska huset har en värmeväxlare som odlar mikroalger i sina glaspaneler för att kunna användas som en resurs för att förse byggnaden med energi och värme. Detta producerar koldioxidfri el, vilket är dubbelt så effektivt som solceller . Green Power House i Montana, USA använde nyutvecklad algvattenbruksteknologi i ett system som använder solljus och träskräp från en timmerfabrik för att ge näringsämnen till åtta algdammar av AACT som täcker dess golv. Identifierade utmaningar för algfasader inkluderar hållbarheten hos mikroalgpaneler, behovet av underhåll samt bygg- och underhållskostnader År 2022 rapporterade nyhetsmedier om utvecklingen av algbiopaneler av ett företag för hållbar energigenerering med oklar lönsamhet.

Andra användningsområden

Chlorella , särskilt en transgen stam som bär på en extra kvicksilverreduktasgen, har studerats som ett medel för miljösanering på grund av dess förmåga att reducera Hg 2+
till det mindre toxiska elementära kvicksilvret.

Odlade stammar av en vanlig korall mikroalger endosymbionts forskas som ett potentiellt sätt att öka korallers termiska tolerans för klimattålighet och blekningstolerans .

Odlade mikroalger används i forskning och utveckling för potentiella medicinska tillämpningar, särskilt för mikrobotar som biohybridmikrosimmare för riktad läkemedelsleverans .

Odlade alger tjänar många andra syften, inklusive kosmetika, djurfoder, bioplastproduktion, färgämnen och färgämnen, produktion av kemisk råvara och farmaceutiska ingredienser.

Se även

Källor

Definition of Free Cultural Works logo notext.svg, FAO, FAO. Den här artikeln innehåller text från ett gratis innehållsverk. Licensierad under CC BY-SA 3.0 IGO ( licensförklaring/tillstånd) . Text hämtad från Kortfattat, The State of World Fisheries and Aquaculture, 2018 <a i=6>​, För att lära dig hur du lägger till öppen licenstext till Wikipedia-artiklar, se denna instruktionssida . För information om återanvändning av text från Wikipedia , se användarvillkoren .

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Algaculture&oldid=1136438766 "