PGO-leidraad Algemene NatuurWetenschapen module

PGO-leidraad Algemene NatuurWetenschapen
module
voorzitter:
Overige
Groepsleden
(max. 4) notulist:
Artikel (titel)
Zeewier als biobrandstof
De voorzitter leidt de groep door de verschillende stappen van de zevensprong en
is verantwoordelijk voor de verwerking van de leerstof door de groepsleden. In de
eerste les moet stap 1 t/m 5 verwerkt worden, in de tweede les stap 6 en
7. De notulist vult dit blad in en is verantwoordelijk voor de rapportage aan de
docent.
1. Verhelder onduidelijke termen en begrippen
Biobrandstof – Brandstoffen die geen aardolie bevatten, maar bijvoorbeeld resten van planten. Uit deze
resten kunnen dan diesel en andere soorten brandstof worden geproduceerd. Het grote voordeel van
biobrandstoffen is dat ze geen extra koolstofdioxide uitstoten. Deze stof zorgt voor het broeikaseffect
waardoor de aarde steeds warmer wordt, met alle gevolgen van dien. Doordat planten tijdens hun leven
met het proces fotosynthese koolstofdioxide uit de atmosfeer halen, komt er na hun verbranding weer
evenveel vrij. Er is dus geen winst of verlies aan koolstofdioxide bij biobrandstoffen.
Fossiele brandstoffen – brandstoffen die ontstaan zijn uit fossielen. Omdat de organismen die in fossielen
veranderden lang geleden leefden, maakt hun opgenomen koolstofdioxide geen deel meer uit van de
hoeveelheid die zich in de atmosfeer bevindt. Door het verbranden van fossiele brandstoffen neemt de
totale hoeveelheidkoolstofdioxide in de atmosfeer dus toe.
Ethanol – Een stof die wordt gebruikt als oplosmiddel en een ingrediënt is van bijvoorbeeld alcoholische
dranken.
Alginaat – Een heel groot molecuul dat gemaakt wordt uit de moleculen waaruit zeewier bestaat. Een heel
groot molecuul wordt ook wel een polymeer genoemd.
Koolhydraten – Een bepaald type verbinding van koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen. Deze atomen zijn
heel erg kleine deeltjes waaruit alle materie bestaat.
2. Definieer het centrale probleem / vraag van het artikel
Hoe kunnen algen en zeewier het beste worden bewerkt zodat ze geschikt zijn om als biobrandstoffen te
dienen?
3. Analyseer het artikel / de rode draad
Het is moeilijk om algen en zeewier als biobrandstoffen te gebruiken, hoewel het idee hiervoor al vaak is
geopperd. Voor biobrandstof worden namelijk planten gebruikt en dit zijn vervangers voor fossiele
brandstoffen, aangezien deze zorgen voor een stijging van de hoeveelheid koolstofdioxide in de
atmosfeer. Door meer koolstofdioxide verandert de aarde langzaam maar zeker in een broeikas: het wordt
steeds warmer. Deze ontwikkeling heeft veel effect op het klimaat: dieren en planten zullen door de
hogere temperaturen uitsterven en de ijskappen op de polen zullen smelten, waardoor de zeespiegel zal
stijgen en heel veel land onderwater zal komen te staan. Hierom probeert men het gebruik van fossiele
brandstoffen zoveel mogelijk te vermijden. Alleen biobrandstof heeft ook een nadeel: de meeste planten
die hiervoor gebruikt worden zijn eetbaar en de grond waarop ze verbouwd worden kan ook worden
gebruikt om voedsel te verbouwen. Zeker omdat veel mensen nog dagelijks honger lijden, is besloten om
nieuwe technieken te ontwikkelen zodat ook niet-eetbare planten tot biobrandstof kunnen worden
verwerkt. De moeilijkheid bij het geschikt maken van zeewier was altijd dat de alginaatmoleculen van de
plant moeilijk af te breken waren. Hier is nu een oplossing voor gevonden: de ‘Escherichia coli’, een
bacterie die het alginaat wel kan afbreken. Hierdoor kan rond de tachtig procent van de maximaal haalbare
energie uit zeewier worden gehaald. Wetenschappers hebben niet zomaar willekeurig een bacterie
gekozen om mee te experimenteren: Escherichia coli staat bekend om zijn vermogen om vele soorten
suikers af te breken. Het voordeel van zeewier is dat het nauwelijks gegeten wordt, dat het geen
drinkwater of kunstmest nodig heeft en dat er geen landbouwgrond voor nodig is. Er worden momenteel al
proeven gedaan om de Escherichia coli op grote schaal in te zetten, zodat er geen bezwaren meer tegen
biobrandstof zijn en men kan stoppen fossiele brandstoffen te gebruiken.
4. Orden de ideeën uit de analyse van het probleem
• ‘Het is alleen moeilijk om er daadwerkelijk biobrandstof uit te halen. Een bacterie blijkt nu geschikt om
zeewier gemakkelijk te verwerken tot ethanol.’
• ‘Zeewier en algen lijken goede bronnen te zijn voor biobrandstof, maar tot nu toe bleek het winnen van
energie uit deze organismen veel te duur en te moeilijk.’
• ‘Tot nu toe was de moeilijkheid met zeewier dat het koolhydraat genaamd alginaat nog niet goed af te
breken was. De onderzoekers heben nu een aangepaste versie van de E. coli bacterie (voluit Escherichia coli)
gemaakt die alginaat wel kan afbreken.’
• ‘Dit micro-organisme staat bekend om zijn vermogen de suikers mannitol en glucose af te breken.’
• ‘In vergelijking met andere biobrandstof-gewassen is de opbrengst van zeewier veel hoger. Uit zeewier
kan per hectare tweemaal zoveel ethanol gehaald worden als uit suikerriet, en vijfmaal zoveel als uit maïs.
Hiernaast heeft zeewier nog vele andere voordelen. Zo heeft het geen drinkwater of kunstmest nodig. In
tegenstelling tot de gebruikelijke gewassen voor biobrandstof neemt het ook geen bruikbare ruimte in.’
• ‘Door de ruimte die deze gewassen innemen, zou het ‘bikken versus brandstof’ debat wel eens in het
nadeel van deze gewassen beslecht kunnen worden.’
• ‘De wetenschappers verwachten dat het proces met de E. coli bacterie op grote schaal te gebruiken is,
maar hier moeten nog proeven voor worden gedaan.’
• ‘Als de bacterie daarbij even succesvol is als in het klein, kan zeewier helpen om de groeiende vraag naar
duurzame energie te beantwoorden.’
5. formuleer leerdoelen
1. Hoe kan het energie uit zeewier vrijmaken nog efficiënter gebeuren?
2. Hoe ontstaan fossiele brandstoffen?
3. Op wat voor manier kan de Escherichia coli-bacterie moleculen afbreken?
4. Wat zijn de nadelen van biobrandstof uit zeewier en algen?
procescontrole docent
(punten, datum)
 
6. Beantwoord je leerdoelen
1. Hoe kan het energie uit zeewier vrijmaken nog efficiënter gebeuren?
Allereerst is het belangrijk om te weten welke stoffen in zeewier belangrijk zijn voor het produceren van
biobrandstof. De onderdelen van het zeewier die gebruikt worden zijn de lipiden. Dit zijn vetten of
vetachtige stoffen. Deze stoffen zijn onoplosbaar in water, maar kunnen wel in alcohol oplossen. De lipiden
zijn een grondstof voor de productie van biodiesel, een vloeistof die gebruikt wordt in dieselmotoren.
Overigens is slechts een deel van deze biodiesel echt biologisch: het andere deel is namelijk aardolie, een
fossiele brandstof die zorgt voor een stijging van koolstofdioxide in de atmosfeer. Vaak worden de lipiden
uit het zeewier gehaald en verwerkt tot biobrandstof door directe transesterificatie. Dit chemische proces,
dat ook wel omestering wordt genoemd, is een bewerking van een alkylgroep. Zo’n groep is een zijtak aan
een molecuul en bestaat uit verschillende aantallen koolstof- en wateratomen. De alkylgroep van een ester,
een verbinding die ontstaat uit de reactie tussen een zuur en een alcohol, wordt bij directe
transesterificatie vervangen door een groep van een alcohol. Dit is een vrij ingewikkelde methode die nog
steeds erg veel geld kost. Toch kan het energie uit zeewier vrijmaken efficiënter. Zo kan de zeewier
vervangen worden door eenzelfde soort plant met een hogere concentratie lipiden. Dit zijn bijvoorbeeld
microalgen: planten die slechts uit één cel bestaan. Ook zou er geprobeerd kunnen worden een bacterie te
vinden die de alginaat-moleculen nog beter af kan breken. Bij het gebruik van de Escherichia coli gaat
namelijk ongeveer twintig procent van de maximaal haalbare energie uit zeewier verloren. Deze manier
om efficiënter te werk te gaan is lastiger dan de vorige: het is namelijk nog niet bekend of er bacteriën zijn
die de moleculen kunnen afbreken terwijl er minder energie wordt verbruikt dan door de Escherichia coli.
Wel heeft deze efficiënte voor bedrijven een groot nadeel: de kosten. Een ton algen alleen al kost
ongeveer vijfduizend dollar, en dan zijn de kosten voor het omzetten nog niet meegerekend. Aangezien
microalgen nog moeilijk te bewerken zijn door hun zeer kleine omvang hangen hier veel kosten aan. Het is
dus moeilijk om hier winst mee te behalen, waardoor efficiëntere vormen waarschijnlijk niet toegepast
zullen worden.
2. Hoe ontstaan fossiele brandstoffen?
Fossiele brandstoffen zijn eigenlijk niet meer dan de resten van dode planten en plankton. Door
fotosynthese, een proces waarbij water en koolstofdioxide onder invloed van zonlicht veranderd worden in
glucose en zuurstof, slaan de planten koolstofdioxide uit de lucht op. Normaal gesproken komt de
koolstofdioxide weer vrij in de atmosfeer als de plant sterft, maar soms gebeurt dit niet. De resten kunnen
bijvoorbeeld onder een laag aarde terechtkomen, of naar de bodem van de zee zakken. Men zegt dan dat
de koolstofkringloop verbroken wordt. Als er na lange tijd genoeg organisch materiaal aanwezig is, kan dit
omgezet worden tot fossiele brandstoffen. Dit komt door de druk van de aarde op het materiaal. Door deze
druk ontstaan na vele miljoenen jaren fossiele brandstoffen. Deze producten zijn aardgas, aardolie en
steenkool. De belangrijkste voorwaarde voor het proces waarbij fossiele brandstoffen ontstaan is dat er
geen zuurstof aanwezig mag zijn. Als dit toch aanwezig is zullen de resten geen aardgas, aardolie en
steenkool vormen, maar wegrotten. Door de fossiele brandstoffen te verbranden kan de energie die in de
stof is opgeslagen vrijgemaakt worden. Deze energie wordt bijvoorbeeld gebruikt om een auto te laten
rijden. Toch moet men goed beseffen dat als de fossiele brandstoffen op zijn er niet zomaar nieuwe kunnen
worden gemaakt omdat het proces miljoenen jaren duurt. Het is dus raadzaam om zuinig met deze
grondstoffen om te gaan.
3. Op wat voor manier kan de Escherichia coli-bacterie moleculen afbreken?
In bijna alle levende wezens komen enzymen voor, bepaalde eiwitten die van alles binnen het lichaam
regelen. Deze enzymen komen ook in bacteriën voor. Een soort bijvoorbeeld is amylase. Dit is een
verteringsenzym dat amylose, een vorm van zetmeel, afbreekt. Zo zijn er ook bepaalde enzymen die
alginaatmoleculen af kunnen breken. Deze enzymen komen in de coli-bacterie voor en sluiten de
moleculen van het alginaat als het ware op. Hierna worden de moleculen uit elkaar gehaald. Deze
moleculen kunnen later door de bacterie nog gebruikt worden als voedingsmiddelen. Het uit elkaar halen
van de moleculen is natuurlijk een chemisch proces, aangezien de atomen, de deeltjes waaruit de
moleculen zijn opgebouwd, een andere plaats krijgen en zich met andere deeltjes binden. Het is dus
duidelijk dat chemische processen ook op zeer kleine schaal kunnen plaatsvinden en ook dan erg nuttig
kunnen zijn omdat zonder de alginaatmoleculen zeewier tot biobrandstof kan worden verwerkt.
4. Wat zijn de nadelen van biobrandstof uit zeewier en algen?
Zeewier als biobrandstof heeft op dit moment vooral het probleem dat deze vorm van energie erg duur is.
Het kost veel geld om de alginaatmoleculen af te breken en zoveel mogelijk energie vrij te maken.
Hierdoor is biobrandstof uit algen en zeewier zonder subsidie van de overheid niet mogelijk om te
produceren, omdat vrijwel niemand deze dure energie wil kopen. Bovendien zijn de chemische processen
die nodig zijn om de energie uit algen en zeewier vrij te maken erg ingewikkeld en deze kosten veel tijd en
onderzoek. Opvallend is dat bij het proces van energie vrijmaken heel veel energie wordt gebruikt die
afkomstig is van fossiele brandstoffen. Eigenlijk wordt er dus nog steeds extra koolstofdioxide uitgestoten
als men biobrandstoffen gebruikt. Andere soorten biobrandstof hebben andere problemen, zoals
bijvoorbeeld de ruimte die zij innemen. Ook zijn er veel grondstoffen voor nodig om de planten die als
biobrandstof dienen te laten groeien.
7. Schrijf een korte samenvatting van de 'oplossing' van dit probleem
Tot nu toe is het alleen mogelijk om algen en zeewier met de Escherichia coli te bewerken. Deze bacterie
zorgt ervoor dat de alginaatmoleculen in de algen en in het zeewier afgebroken kunnen worden. Dit is
nodig omdat het alginaat, een speciale soort koolhydraat dat alleen in zeewier voorkomt, niet kan
worden gebruikt in de biobrandstof en het hele proces dus als het ware blokkeert. Adam Wargacki en
zijn team hebben nu aangetoond dat het alginaat met behulp van de Escherichia coli kan worden
afgebroken zodat zeewier voor biobrandstof kan worden gebruikt. Dit is nodig omdat de overige planten
die voor biobrandstof geschikt zijn allen eetbaar zijn. Omdat men niet wil dat er voedsel als brandstof
wordt gebruikt terwijl vele mensen op deze wereld honger lijden, is zeewier een zeer goede oplossing.
Het wordt niet veel gegeten, het heeft geen drinkwater en kunstmest nodig en het neemt geen
landbouwgrond is beslag. Deze landbouwgrond kan dan dus worden gebruikt om mensen van voedsel te
voorzien. Ook is biobrandstof beter dan de fossiele brandstoffen die vandaag de dag zeer veel worden
gebruikt. Dit omdat er bij biobrandstof evenveel koolstofdioxide vrijkomt als dat er voorheen is
opgenomen, terwijl er bij fossiele brandstoffen meer vrijkomt. Misleidend is alleen wel dat biobrandstof
niet geheel biologisch is: een deel ervan bestaat nog steeds uit fossiele brandstoffen. Aangezien het nu
nog duur is zullen algen en zeewier nog niet veel worden gebruikt, maar als onderzoek in de toekomst
verder is misschien wel.
procescontrole docent
(punten, datum)
 