Los científicos de Texas A&M AgriLife Research están utilizando la 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 alternativo para aviones a reacción y otras necesidades de transporte.
Joshua Yuan, Ph.D., científico de AgriLife Research, profesor y jefe de Synthetic Biology and Renewable Products en el Texas A&M College of Agriculture and Life Sciences Department of Plant Pathology and Microbiology, lidera el proyecto de investigación.
Los hallazgos del equipo de investigación fueron publicados en la revista Nature Communications. La investigación en curso está financiada por la Department of Energy Fossil Energy Office de EEUU.
El equipo de proyecto incluye a Bin Long, graduado del Department of Plant Pathology and Microbiology; Bart Fischer, Ph.D., co-director del Texas A&M Agricultural and Food Policy Center y del Texas A&M Department of Agricultural Economics; Henry Bryant, Ph.D., Department of Agricultural Economics; y Yining Zeng, Ph.D., científico en la U.S. Department of Energy National Renewable Energy Laboratory.
Resolver las limitaciones de las algas como biocombustible
“La comercialización de biocombustible de algas se ha visto obstaculizada por el rendimiento relativamente bajo y el alto costo de la cosecha”, dijo Yuan. “La limitada penetración de la luz y la mala dinámica de cultivo contribuyen al bajo rendimiento”.
Superar estos desafíos podría permitir que los biocombustibles de las algas sean viables para reducir las emisiones de carbono, mitiguen el cambio climático, alivien la dependencia en el petróleo y transformen la bioeconomía, manifestó Yuan.
Previamente, Yuan ha tenido éxito en la búsqueda de métodos para convertir rastrojos de maíz, pastos y mezquites en bioplásticos y materiales biodegradables y livianos.
El último proyecto del investigador 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 usando la hidroponía para mantener el crecimiento rápido a la densidad óptima para permitir la mejor disponibilidad de luz.
El método de Yuan y su equipo lograron con éxito, en un experimento al aire libre, 43.3 gramos por metro cuadrado por día de productividad de biomasa, lo que sería un récord mundial. El rango objetivo más reciente de 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.
Él investigador destaca que “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 económico que el carbón o el gas natural. También proporciona una forma más eficiente de captura y utilización de carbono”.
Yuan manifiesta 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 competencia por la luz y los altos costos de cosecha.
“Superamos estos desafíos mediante el aprendizaje automático avanzado para el diseño de un cultivo semi-continuo de algas (SAC) para mantener un crecimiento celular óptimo y minimizar la competencia por la luz”, destacó.
Yuan dijo que está utilizando una estrategia de sedimentación basada en la agregación para lograr una cosecha de la biomasa de bajo costo 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 eficiente”, dijo.
Hacer energía económica de las algas
El escalamiento 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 de aproximadamente US$281 por toneladas, 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 US$260 por tonelada. Sin embargo, el proceso de Yuan no requiere un pretratamiento costoso antes de la fermentación.
“Las algas como fuente de combustible renovable fueron un tema de interés hace una década”, dijo Fischer.
“Como resultado, hay mucho escepticismo. Yo era incluso escéptico. Sin embargo, el trabajo que está haciendo Joshua es increíblemente innovador. Estábamos emocionados de asociarnos en este proyecto. En los niveles de productividad que obtienen, y dada la cosecha de bajo costo que permite la cepa, se muestra muy prometedor”.
Yuan dijo que a pesar del potencial significativo y los extensos esfuerzos, la comercialización de biocombustible de algas se ha visto obstaculizada por la penetración limitada de la luz solar, la mala dinámica del cultivo, el rendimiento relativamente bajo y la ausencia de métodos de cosecha industrial rentables.
“Esta tecnología ha demostrado ser asequible y ayuda a impulsar a las algas como una verdadera forma alternativa de energía”, finalizó.
Referencia (acceso libre):
Long, B., Fischer, B., Zeng, Y. et al. Machine learning-informed and synthetic biology-enabled semi-continuous algal cultivation to unleash renewable fuel productivity. Nat Commun 13, 541 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-021-27665-y
