Creating a social platform and upscaling a photobioreactor for the growth of a phototrophic microbial community at extreme alkaline conditions

Daisy Rycquart Marc Strous
Deze thesis beschrijft het onderzoek naar het creëeren van een sociaal platform voor biobrandstoffen in de maatschappij. De innovatieve technologie waarbij algen uit sodameren werden gebruikt, werd geïntroduceerd in een lagere school. De kinderen kregen meer kennis en bewustzijn waardoor deze interdisciplinaire thesis aantoont dat het op langere termijn de potentie heeft om als sociaal platform te dienen voor biobrandstoffen en hun toepassingen.

Gaan kinderen ons van fossiele brandstoffen afhelpen?

Dat de mens zijn energiehonger moeilijk kan stillen, is geen nieuws. Ondanks de ontwikkelingen van alternatieve energiebronnen, zijn we nog steeds afhankelijk van fossiele brandstoffen. We hebben tegenwoordig zonnepanelen op onze daken en zien windmolens opduiken langs de kustlijn en snelwegen, maar dat blijkt niet voldoende. Hoe zorgen we ervoor dat de minder bekende alternatieven ook worden omarmd door de maatschappij? Kunnen kinderen ons hierbij helpen? Want fossiele brandstoffen compleet uit ons leven bannen lijkt jammer genoeg nog steeds een ver-van-mijn-bed-show.

Letterlijk: ‘GROENE’ energie

Naast de gekende alternatieve energiebronnen, zijn er ook minder bekende. Toepassingen met algen zijn hiervan een voorbeeld. Dit keer gaat het niet om de groene poedertjes die je kan kopen bij de drogist, of het zeewier dat je bij de sushi krijgt. Het gaat hier om het kweken van algen en ze daarna bewerken tot biobrandstoffen, letterlijk ‘groene’ energie dus. Dat gebeurt omdat algen hetzelfde groeimechanisme hebben als planten, namelijk: fotosynthese. Ze gebruiken CO2 als voedingsbron en zetten deze om in zuurstof om hieruit hun energie te halen. Dat komt nu net goed uit, aangezien er te veel CO2 is en bijdraagt aan de opwarming van de aarde. Doordat algen deze CO2 opnemen en omvormen tot zuurstof, zuiveren ze eigenlijk onze lucht. Op grote schaal zou dit dus enorm gunstig kunnen zijn.

De technologie om algen te gebruiken en om te vormen tot biobrandstoffen is niet nieuw. U zal zich afvragen: Waarom wordt dit dan nog niet op grote schaal toegepast? Dat komt omdat de technologie te duur is en dus economisch gezien niet kan opboksen tegen de goedkopere fossiele brandstoffen. Gelukkig blijven onderzoekers niet stilzitten en hebben ze momenteel in Canada een nieuw perspectief op de algentechnologie die het verschil kan maken voor onze toekomst.

Uit recent onderzoek in Canada blijkt dat ze ook algen kunnen gebruiken die groeien in sodameren. Deze sodameren bieden een unieke omgeving voor de algen, waardoor ze productiever zijn. De algen zijn robuuster en kunnen dus beter tegen een stootje en daarnaast groeien ze sneller en krijg je dus meer biomassa. Hoe meer biomassa je op korte tijd verkrijgt, hoe meer biobrandstoffen je kunt produceren. Op die manier wordt de productietechnologie goedkoper en op grote schaal toepasbaar. Dat is veelbelovend voor onze planeet, maar er is natuurlijk nog werk aan de winkel.

Aan de University of Calgary hebben ze de technologie bijna op punt. Dat wil zeggen dat ze het op kleine schaal ontwikkelen en daarna zullen opschalen. Als dit lukt dan ben je al heel ver zou je denken. Maar het belangrijkste aspect aan ‘innovatie’ is ook het introduceren ervan in de maatschappij. Dat blijkt niet altijd evident in een tijdperk waar we zo afhankelijk zijn van de energie uit fossiele brandstoffen. Deze markt staat namelijk sterk in haar schoenen. Het is dus belangrijk om mensen te laten inzien dat er enorme negatieve gevolgen zijn aan het gebruik van fossiele brandstoffen. Daarnaast moet je ook een volwaardig alternatief kunnen bieden waar mensen voor open staan. Al deze aspecten zijn samengevat in een thesis die een onderzoek beschrijft naar het implementeren van biobrandstoffen in onze maatschappij.

Kinderen bepalen onze toekomst

Een nieuw perspectief op het introduceren van een groene technologie in de maatschappij, dat is wat er in het voorjaar van 2017 ontwikkeld is. Dit nieuwe perspectief houdt in dat de jongere generatie wordt benaderd om meer bewustzijn te creëren rond fossiele brandstoffen, hun negatieve impact en een duurzaam alternatief. De thesis beschrijft hoe je van een technologie die functioneel is op laboschaal, een aantrekkelijk schoolpakket maakt waar kinderen van kunnen leren. Er werd namelijk een bioreactor ontworpen waar de kinderen op school zelf hun algen mee konden kweken. Deze bioreactor moet je je voorstellen als een dun aquarium waarin je de algen kunt zien groeien tussen twee doorschijnende platen. De kinderen kregen controle over deze bioreactor en konden spelen met de hoeveelheid zonlicht dat de algen kregen. Ondertussen kwamen de onderzoekers langs om samen met de kinderen de algen te oogsten en weer klaar te maken voor de volgende groeisessie. Hierdoor hadden de kinderen direct contact met de onderzoekers en zagen ze hoe het is om een wetenschapper te zijn en daarbij hun steentje bij te dragen aan het milieu. Want zij waren nu verantwoordelijk voor het opvangen van CO2 en deze om te zetten naar zuurstof.

Duurzaamheid in tijd en ruimte

Aan dit onderzoek zijn enkele voordelen verbonden. Enerzijds krijgen de kinderen kennis over de materie. Anderzijds krijgen ze de kans om deze kennis praktisch toe te passen door zelf controle te hebben over de bioreactor. Maar de achterliggende boodschap is natuurlijk het bewustzijn dat zou moeten worden gecreëerd op lange termijn. Op die manier kunnen deze kinderen het sociale platform zijn waar alternatieve energietoepassingen en dus ook biobrandstoffen behoefte aan hebben. Er is zelfs een kans dat deze jongere generatie de oudere generatie prikkelt om hun gedrag te wijzigen, dit noemt men ‘reverse intergenerationele educatie’.

Het grootste voordeel aan dit project is de bundeling van drie P’s die duurzame ontwikkeling omschrijven volgens Brundtland in 1987 bij de Verenigde Naties. People, Profit, Planet, de drie termen die dit project samenvat. People: Met dit project creëren we bewustzijn bij de jongere generatie. Profit: De technologie heeft alle aspecten om competitief te worden met fossiele brandstoffen. En als laatste, Planet: De toepassing van algen en hun biobrandstoffen is een duurzame visie die de koolstofcyclus sluit.

De toekomst ligt in onze handen

De thesis toont duidelijk aan dat het eerste pilotproject op een lagere school in Canada een succes was. De kinderen gaven blijk van hun kennis en bewustzijn op deze korte termijn. Het project heeft dus alle potenties om de basis van implementatie van biobrandstoffen te zijn. En zoals de United Nations verwoordt in 2017: “Renewable energy sources could be cheaper than fossil fuels within 10 years”. Het is aan ons om de juiste keuzes te maken als deze voorhanden liggen en de kinderen gaan ons hierbij helpen. De kinderen zijn onze toekomst.

Bibliografie

Acién F, Fernández J, Magán J, M. E. (2012). Production cost of a real microalgae production plant and strategies to reduce it. Biotechnology Advances, 30(6), 1344–53.

Baily, C. (2009). Reverse intergenerational learning: A missed opportunity? AI and Society, 23(1), 111–115. http://doi.org/10.1007/s00146-007-0169-3

Canon-Rubio KA, Sharp CE, Bergerson J, Strous M, D. la H. S. H. (2016). Use of highly alkaline conditions to improve cost-effectiveness of algal biotechnology. Applied Microbiology and Biotechnology, 100(4), 1611–22.

Cauchie H-M, Hoffmann L, Jaspar-Versali M-F, Salvia M, T. J.-P. (1995). Daphnia magna Straus living in an aerated sewage lagoon as a source of chitin: ecological aspects. Belg J Zool, 125(1), 67–78.

Chase JM, L. M. (2003). Ecological niches: linking classical and contemporary approaches. Chicago: University of Chicago Press.

Chi Z, Elloy F, Xie Y, Hu Y, C. S. (2014). Selection of microalgae and cyanobacteria strains for bicarbonate-based integrated carbon capture and algae production system. Applied Biochem Biotechnol., 172(1), 447–57.

Chisti, Y. (2007). Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances 25, 294–306.

CJ, C. (2001). A collaborative view of knowledge in a knowledge society: an international perspective. Int J Value Based Manage, 14(1), 27.

Crutzen, P. J. & Stoermer, E. F. (2000). The “Anthropocene.” Global Change Newsletter, 41, 17–18.

Daelman, M. R. J., Sorokin, D., Kruse, O., van Loosdrecht, M. C. M., & Strous, M. (2016). Haloalkaline Bioconversions for Methane Production from Microalgae Grown on Sunlight. Trends in Biotechnology, 34(6), 450–457. http://doi.org/10.1016/j.tibtech.2016.02.008

Dale, B. E., & Ong, R. G. (2014). Design, implementation, and evaluation of sustainable bioenergy production systems. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 8(4), 487–503. http://doi.org/10.1002/bbb.1504

Day, C., & Day, G. (2017). Climate change, fossil fuel prices and depletion: The rationale for a falling export tax. Economic Modelling. http://doi.org/10.1016/j.econmod.2017.01.006

G, C. (1998). Culture as a Bubble. J Polit Econ, 106(2), 376.

Garnaut, R. (2011). The Garnaut Review 2011 Australia in the Global Response to Climate Change. Cambridge, UK.

Gerstner J (Dec. 1999/Jan. 2000) Don Tapscott: Digital dad. Commun World 17(1):18

Gough C, U. P. (2011). Biomass energy with carbon capture and storage (BECCS or Bio-CCS). Greenhouse Gases, 1(4), 324–34.

Handler, R. M., Canter, C. E., Kalnes, T. N., Lupton, F. S., Kholiqov, O., Shonnard, D. R., & Blowers, P. (2012). Evaluation of environmental impacts from microalgae cultivation in open-air raceway ponds: Analysis of the prior literature and investigation of wide variance in predicted impacts. Algal Research, 1(1), 83–92. http://doi.org/10.1016/j.algal.2012.02.003

IEA. (2017). World Energy Outlook 2017. Paris.

ILO. Skills and occupational needs in renewable energy 2011. Geneva; 2011. doi: ISBN978-92-2-125394-5 (print), ISBN 978-92-2-125395-2 (web pdf)

K., P. (2005). Youth are the present.

Karl, T. R., J. T. Melillo,  and T. C. P. (2009). Global Climate Change Impacts in the United States. Cambridge: Cambridge University Press.

Kupriyanova EV, S. O. (2015). CO2-concentrating mechanism and its traits in haloalkaliphilic cyanobacteria. Microbiology, 84(2), 112–24.

Legault M (2003) Caution: mixed generations at work. Can HR Rep 16(21):23

Melack, J. M. (1981). Photosynthetic activity of phytoplankton in tropical African soda lakes. Hydrobiologia, 8182, 71–85.

Murphy DJ & Hall Cas. (2011). Adjusting the economy to the new energy realities of the second half of the age of oil. Ecol Model, (223), 67–71.

Newbold T, Hudson LN, Hill SLL, Contu S, Lysenko I, Senior RA, Borger L, Bennett DJ, Choimes A, Collen B,  et al. (2015). Global effects of land use on local terrestrial biodiversity. Nature, 520(7545), 45–50.

Perlaviciute G., Steg L., (2014) Contextual and psychological factors shaping evaluations and acceptability of energy alternatives: integrated review and research agenda, Renew. Sustain. Energy Rev. 35 (2014) 361e381.

Quinn JC, Yates T, Douglas N, Weyer K, Butler J, Bradley TH, L. P. (2012). Nannochloropsis production metrics in a scalable outdoor photobioreactor for commercial applications. Bioresource Technology, 117, 164–71.

Richmond, A. (2004). Handbook of Microalgal Culture: Biotechnology and Applied Phycology. Oxford: Blackwell Sciences Ltd.

Rodolfi, L., Zittelli, G.C., Bassi, N., Padovani, G., Biondi, N., Bonini, G., Tredici, M. R. (2009). Microalgae for oil: strain selection, induction of lipid synthesis and outdoor mass cultivation in a low-cost photobioreactor. Biotechnology and Bioengineering, (102), 100–112.

S., T. (2003). Intergenerational learning: a reciprocal knowledge development process that challenges the language of learning. Manage Learn, 34(2), 181–200.

S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor,  et al. (2007). The physical science basis, Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report for the Intergovernmental Panel on Climate Change.

Sarukhan, J.; Whyte, A.; Hassan, R.; Scholes, R.; Ash, N.; Carpenter, S.; Pingali, P.; Bennett, E.; Zurek, M.; Chopra, K. (2005). Millenium ecosystem assessment: Ecosystems and human well-being. Geneva, Switzerland.

Schenk, P.M., Thomas-Hall, S.R., Stephens, E., Marx, U.C., Mussgnug, J.H., Posten, C., Kruse, O., Hankamer, B. (2008). Second generation biofuels: high-efficiency microalgae for biodiesel production. Bioenergy Res, (1), 20–43.

Sharp, C. E., Urschel, S., Dong, X., Brady, A. L., Slater, G. F., & Strous, M. (2017). Robust, high-productivity phototrophic carbon capture at high pH and alkalinity using natural microbial communities. Biotechnology for Biofuels, 10(1), 84. http://doi.org/10.1186/s13068-017-0769-1

Shephard K., Higher education for sustainability: seeking affective learning outcomes, Int. J. Sustain. High. Educ. 9 (1) (2008) 87e98.

Simcock N., MacGregor S., Catney P., Dobson A., Ormerod M., Robinson Z., Ross S.

Socher M., Löser C., Schott C., Bley T., Steingroewer J. (2016). The challenge of scaling up photobioreactors: Modeling and approaches in small scale. Engineering in Life Sciences 16:598-609

Skjanes K., Andersen U., Thorsten H., Borgvang S. (2016). Design and construction of a photobioreactor for hydrogen production, including status in the field. Appl Phycol 28:2205-2223

Royston S., Marie Hall S., Factors influencing perceptions of domestic energy information: content, source and process, Energy Policy 65 (2014) 455e464.

T.M. Mata, A.A. Martins, N. S. C. (2010). Microalgae for biodiesel production and other applications: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14, 217–232.

UN (2011). Our common future. World Comm Environ Dev Oxford Univ (WCED) Press; 1987. p. 400.

Waters, C., Zalasiewicz, J. (2014). A stratigraphical basis for the Anthropocene?

WEO. (2016). Energy and air pollution. Special Report. Retrieved from https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/WorldEner…

WJ, O. (1980). Algal production—problems, achievements and potential. In S. C. Gedaliah S (Ed.), (pp. 1–8). Amsterdam: Elsevier biomedical press.

Zaimes, G., Vora, N., Chopra, S., Landis, A., & Khanna, V. (2015). Design of Sustainable Biofuel Processes and Supply Chains: Challenges and Opportunities. Processes, 3(3), 634–663. http://doi.org/10.3390/pr3030634

Zamalloa, C., Vulsteke, E., Albrecht, J., & Verstraete, W. (2011). The techno-economic potential of renewable energy through the anaerobic digestion of microalgae. Bioresource Technology, 102(2), 1149–1158. http://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.09.017

 

Universiteit of Hogeschool
Milieuwetenschap
Publicatiejaar
2017
Promotor(en)
Siegfried Vlaeminck
Kernwoorden