Как мираж на горизонте, инновационный процесс преобразования мощного парникового газа в решение проблемы продовольственной безопасности застопорился из-за экономической неопределенности. Теперь первый в своем роде анализ Стэнфордского университета оценивает рыночный потенциал подхода, при котором бактерии, питающиеся захваченным метаном, превращаются в богатую белком рыбную муку. Исследование, опубликованное 22 ноября в журнале Nature Sustainability, определяет производственные затраты, связанные с метаном, полученным из определенных источников в США. S. ниже рыночной цены на обычную рыбную муку. В нем также подчеркивается возможное снижение затрат, которое может сделать этот подход прибыльным с использованием других источников метана и способным удовлетворить весь мировой спрос на рыбную муку.
«Промышленные источники в США выбрасывают поистине ошеломляющее количество метана, улавливание и использование которого неэкономично», - сказал ведущий автор исследования Сахар Эль Аббади, который проводил исследование в качестве аспиранта в области гражданского строительства. и экологическая инженерия.
«Наша цель - перевернуть эту парадигму, используя биотехнологии для создания высокоценного продукта», - добавил Эль Аббади, который сейчас преподает программу гражданского, либерального и глобального образования в Стэнфорде.
Две проблемы, одно решение
Хотя углекислого газа в атмосфере больше, потенциал глобального потепления метана примерно в 85 раз больше за 20-летний период и по крайней мере в 25 раз больше через столетие после его выброса. Метан также угрожает качеству воздуха, увеличивая концентрацию тропосферного озона, воздействие которого ежегодно приводит к преждевременной смерти примерно 1 миллиона человек во всем мире из-за респираторных заболеваний. Относительная концентрация метана росла более чем в два раза быстрее, чем концентрация углекислого газа с начала промышленной революции, в значительной степени из-за антропогенных выбросов.
Потенциальное решение заключается в потребляющих метан бактериях, называемых метанотрофами. Эти бактерии можно выращивать в охлажденном, заполненном водой биореакторе, питаемом метаном под давлением, кислородом и питательными веществами, такими как азот, фосфор и микроэлементы. Полученную богатую белком биомассу можно использовать в качестве рыбной муки в кормах для аквакультуры, компенсируя спрос на рыбную муку, изготовленную из мелкой рыбы или кормов на растительной основе, для которых требуются земля, вода и удобрения..
«Хотя некоторые компании уже делают это с трубопроводным природным газом в качестве исходного сырья, предпочтительным исходным сырьем будет метан, выбрасываемый на крупных свалках, очистных сооружениях и нефтегазовых предприятиях», - сказал соавтор исследования Крейг Криддл, профессор гражданской и экологической инженерии Стэнфордской инженерной школы.«Это приведет к многочисленным преимуществам, включая более низкие уровни мощного парникового газа в атмосфере, более стабильные экосистемы и положительные финансовые результаты».
Потребление морепродуктов, важного глобального источника белка и питательных микроэлементов, увеличилось более чем в четыре раза с 1960 года. морепродукты, которые мы едим. Проблема будет только расти, так как глобальный спрос на водных животных, растения и водоросли, вероятно, удвоится к 2050 году, согласно всестороннему обзору сектора, проведенному исследователями из Стэнфорда и других институтов.
Хотя метанотрофы, питающиеся метаном, могут служить кормом для разводимой рыбы, экономическая сторона этого подхода остается неясной, даже несмотря на то, что цены на обычную рыбную муку в реальном выражении почти утроились с 2000 года. Чтобы прояснить потенциал подхода для прибыльного удовлетворения спроса, исследователи из Стэнфорда смоделировали сценарии, в которых метан поступает из относительно крупных очистных сооружений, свалок и нефтегазовых объектов, а также из природного газа, приобретаемого из коммерческой газовой сети. В их анализе рассматривался ряд переменных, включая стоимость электроэнергии и наличие рабочей силы.
На пути к получению прибыли
В сценариях с участием метана, улавливаемого со свалок и нефтегазовых объектов, анализ показал, что затраты на производство метанотрофной рыбной муки - 1 546 и 1 531 долл. США за тонну соответственно - были ниже, чем средняя рыночная цена за 10 лет 1 600 долл. США. Для сценария, в котором метан улавливался на очистных сооружениях, производственные затраты были несколько выше - 1 645 долл. США за тонну - чем средняя рыночная цена рыбной муки. Сценарий, при котором метан приобретался из коммерческой сети, привел к самой высокой себестоимости производства рыбной муки - 1 783 доллара США за тонну - из-за стоимости закупки природного газа.
Для каждого сценария электроэнергия была самой большой статьей расходов, на которую в среднем приходилось более 45 процентов от общей стоимости. В таких штатах, как Миссисипи и Техас с низкими ценами на электроэнергию, себестоимость производства снизилась более чем на 20 процентов, что позволило производить рыбную муку из метана по цене 1 214 долларов за тонну, что на 386 долларов меньше, чем при производстве обычной рыбной муки. Исследователи говорят, что затраты на электроэнергию можно еще больше снизить, разработав реакторы, которые лучше передают тепло и требуют меньшего охлаждения, и заменив электроприводы на так называемые скрученные газы, которые в противном случае были бы потрачены впустую или не использовались, что также может снизить зависимость от электросети для удаленных мест. В сценариях, связанных с метаном из очистных сооружений, сами сточные воды могут использоваться для получения азота и фосфора, а также для охлаждения.
Если бы подобная эффективность могла снизить себестоимость производства рыбной муки на основе метанотрофов на 20 процентов, этот процесс мог бы с выгодой удовлетворить общий мировой спрос на рыбную муку за счет метана, улавливаемого только в США, согласно исследованию. Точно так же процесс может заменить соевые бобы и корма для животных, если будет достигнуто дальнейшее снижение затрат.
«Несмотря на десятилетия попыток, в энергетической отрасли возникли проблемы с поиском хорошего применения застрявшему природному газу», - сказал соавтор исследования Эван Дэвид Шервин, научный сотрудник Стэнфордского университета в области разработки энергетических ресурсов.«Как только мы начали вместе рассматривать энергетическую и продовольственную системы, стало ясно, что мы можем решить как минимум две давние проблемы одновременно».
Исследование финансировалось Стэнфордским центром инноваций в области глобального здравоохранения и Стэнфордской инициативой по природному газу.
Криддл также является старшим научным сотрудником Стэнфордского института окружающей среды Вудса, членом Stanford Bio-X и филиалом Precourt Institute for Energy.
Соавтор Адам Брандт - доцент кафедры инженерии энергетических ресурсов и старший научный сотрудник Precourt Institute for Energy, а соавтор Стивен Луби - профессор инфекционных болезней, старший научный сотрудник Стэнфордского института Вудса и Институт международных исследований Фримена Спогли, член Stanford Bio-X и Стэнфордского научно-исследовательского института здоровья матери и ребенка, а также директор по исследованиям в Стэнфордском центре инноваций в области глобального здравоохранения.