Mikrořasy jako zdroj surovin

Datum: 15.7.2013  |  Autor: Ing. Luboš Stříteský, AQUA PROCON s.r.o., prof. Ing. Petr Hlavínek, CSc., Vysoké učení technické v Brně, fakulta stavební, ústav vodního hospodářství obcí  |  Recenzent: Ing.Vladimír Stupavský

Biomasa mikrořas je potenciálním zdrojem obnovitelné energie, může být přeměněna např. do bionafty, etanolu, spalitelných plynů, ale i farmaceutik a potravinových doplňků. Kultivace mikrořas probíhá ve vodě a nesoupeří o půdu a živiny se zemědělskými plodinami.

Abstrakt

Mikrořasy v poslední době získávají velkou pozornost díky potenciálu stát se zdrojem obnovitelné energie. Biomasa mikrořas je potenciálním zdrojem obnovitelné energie a může být různými procesy přeměněna do jiných forem energií jako jsou bionafta, etanol, různé spalitelné plyny, nebo může být využita k produkci farmaceutik, potravinových doplňků a dalších. Má-li být produkce biopaliv z mikrořas udržitelná a finančně přijatelná musí dojít k další optimalizaci produkce této biomasy a její přeměny na žádané sloučeniny. Mikrořasy jsou fotosyntetické organismy s lehce uspokojitelnými požadavky na růst (světlo, cukry, oxid uhličitý, fosfor, dusík a draslík), které fixují atmosférický CO2 a velmi rychle produkují lipidy, proteiny a uhlovodíky. Tyto produkty mikrořas je možné zpracovávat za vzniku biopaliv, nebo jiných cenných meziproduktů. Požadavky mikrořas na růstové podmínky jsou schopné uspokojit komunální, zemědělské, nebo průmyslové odpadní vody a tak zajistit levnou a udržitelnou produkci biopaliv za současného čištění odpadních vod. Spojení výroby biopaliv a čištění odpadních vod má velké výhody pro obě strany, avšak je nutné překonat hlavní překážky, které v současnosti brání velkoprodukci. Tento dokument je shrnutím současného stavu se zaměřením na produkci biopaliv za současného čištění odpadních vod pomocí mikrořas a překážkami s tímto spojenými.

1. Úvod

Se vzrůstajícími obavami ohledně využívání fosilních paliv získávají značnou pozornost tzv. obnovitelná paliva. Současně produkovaná obnovitelná paliva – biopaliva využívající oleje z polních plodin nemohou uspokojit dnešní velkou spotřebu paliv, avšak mikrořasy se zdají být slibnou alternativou. [1] Mikrořasy jsou zajímavé zejména díky tomu, že mají vysokou fotosyntetickou účinnost, přičemž fotosyntéza je jediným procesem, který dokáže využívat solární záření a CO2 jako zdroj energie a uhlíku. Mezi ostatními zelenými rostlinami mikrořasy vynikají zejména tím, že jejich fotosyntetický potenciál je větší než u vyšších rostlin (tzn. využívají světlo efektivněji). Dalšími výhodami mikrořas jsou:

  • růst je až desetkrát rychlejší než růst vyšších rostlin;
  • kultivace mikrořas probíhá ve sladké nebo mořské vodě, takže nesoupeří o půdu a živiny se zemědělskými plodinami;
  • pěstování i zpracování mikrořas je možné provádět během celého roku;
  • složení biomasy je možné modifikovat změnou podmínek, ve kterých mikrořasy rostou (například za účelem zvýšení obsahu lipidů);
  • mnoho druhů je možné přimět k produkci poměrně vysokých koncentrací vybraných komerčně cenných produktů (proteiny, lipidy, uhlovodíky, potravinové doplňky, vitaminy, pigmenty, nebo energetické produkty);
  • spotřeba vody je menší než u suchozemských rostlin i přes to, že jsou kultivovány ve vodě;
  • spotřebovávají CO2 a dokonce je možné využít spalinové plyny jako zdroje uhlíku a tím zvýšit jejich produktivitu; a
  • některé produkty mikrořas je možné následně zpracovávat na cenné produkty jako jsou bionafta, bio-butanol, metan, etanol a další. [2], [3], [4], [5]

2. Produkce mikrořas

Umělá produkce mikrořas by měla co nejvíce napodobovat přirozené podmínky, aby bylo dosaženo optimálního růstu. Za přirozených podmínek mikrořasy přes den absorbují solární záření, asimilují oxid uhličitý ze vzduchu a nutrienty z vody za současné produkce kyslíku a biomasy. Využití přirozených podmínek má zřejmé výhody v tom, že je možné využít solární záření, které je neomezeným zdrojem energie. Umělé osvětlování má naopak výhodu v nepřetržitém osvětlení, avšak velké náklady na umělé osvětlování zabraňují jeho využití v plném měřítku. [6]

Pro řádný růst mikrořas je nutné zajistit:

  • zdroj uhlíku (ve formě CO2 z atmosféry nebo spalinových plynů, případně ve formě uhlovodíků);
  • nutrienty (dusík, fosfor a draslík);
  • mikronutrienty (železo, vápník, křemík, mangan, měď, zinek a další);
  • fotosynteticky aktivní záření (tzn. záření o vlnové délce 400 až 700 nm);
  • vodu a vhodné růstové podmínky.

Mikrořasy mohou být produkovány heterotroficky nebo mixotroficky, avšak v současnosti je nejběžnějším produkce autotrofní, protože je to jediný způsob produkce, který je technicky a ekonomicky přijatelný. [6]

Systémy pro produkci mikrořas jsou dvojího typu: (1) otevřené nádrže, a (2) uzavřené fotobioreaktory. Otevřené nádrže jsou nejstarším systémem pro produkci mikrořas. Tyto nádrže tvoří mělká (20 až 50 cm hluboká) uzavřená smyčka s kolesovým kolem pro míchání, recirkulaci a předcházení sedimentace. Otevřené nádrže jsou levnější pro velkoprodukci, mají nižší energetické nároky a nevyžadují tolik obsluhy a údržby. Naopak koncentrace biomasy je v otevřených reaktorech poměrně nízká. Uzavřené reaktory byly navrhovány tak, aby byly vyřešeny problémy spojené s otevřenými nádržemi – např. snížení rizika kontaminace v případě, že jsou mikrořasy využívány k produkci léčiv. Uzavřené reaktory jsou tvořeny uzavřeným potrubím, nebo plochými deskami tvořící uzavřený okruh. Cena sklízení biomasy může být u uzavřených fotobioreaktorů podstatně nižší než u otevřených nádrží díky tomu, že koncentrace biomasy jsou vyšší (tzn. zpracovávají se menší objemy vody). Naopak pořizovací cena uzavřených fotobioreaktorů je vyšší ve srovnání s otevřenými nádržemi. [6]

Některé druhy mikrořas jsou schopné heterotrofického růstu, tzn. bez přísunu světla s využitím organického uhlíku jako zdroje energie. Autotrofní růst má totiž mnohé nevýhody: pomalý růst v kulturách s vysokou koncentrace biomasy díky nedostatečnému prosvětlení nebo fotoinhibici při přímém slunečním záření a vysoké ceny na sklízení biomasy díky poměrně nízkým koncentracím biomasy. Heterotrofní růst přináší několik výhod ve srovnání s autotrofním růstem: odstranění nutnosti dodávky fotosynteticky aktivního záření, lepší kontrola růstových podmínek a nižší náklady na sklízení biomasy díky vyšším koncentracím biomasy. [7]

3. Produkce paliv

Mikrořasy je možné pěstovat za účelem výroby produktů, které je možné následně přeměnit na energetické produkty. Produkce olejů z mikrořas je podstatně vyšší než produkce z vyšších rostlin. Mikrořasy jsou schopné vyprodukovat až 100 m3‧h−1‧rok−1, palmy 6 m3‧h−1‧rok−1 a slunečnice jen 1 m3‧h−1‧rok−1 oleje [8]. Mnoho mikrořas má vysoký obsah olejů; některé druhy mají v sušině až 77 % olejů [8].

Procesy přeměny biomasy na energie je možné rozdělit na tři skupiny: (1) biochemické přeměny; (2) termochemické přeměny; a (3) přímé spalování. Procesy přeměny biomasy na energie jsou zobrazeny na obr. 1. Obsah vody v biomase mikrořas je vysoký, díky čemuž nejsou všechny procesy přeměny vhodné. Například přímé spalování je vhodné pokud je obsah vody nízký (cca pod 50 %); pro biomasu s vysokým obsahem vody jsou vhodné procesy biochemické, případně termochemické přeměny. [9], [5], [10]

Obr. 1 Procesy přeměny biomasy na energii [9]
Obr. 1 Procesy přeměny biomasy na energii [9]
 
3.1. Bionafta

Bionaftou se rozumí ekvivalent k ropné motorové naftě, který je vyroben z obnovitelných biologických materiálů jakými je rostlinný olej, nebo živočišné tuky. Bionafta může být využívána v čisté podobě, nebo může být míchána s ropnou naftou. Od ropné nafty se bionafta liší v mnoha vlastnostech: (1) nemá prakticky žádný obsah síry; (2) má lepší mazací vlastnosti; (3) má asi o 5 až 8 % menší energetickou hodnotu; (4) teplota vznícení je výrazně vyšší; a (5) emise oxidu uhelnatého, prachových částic, síranů, polycyklických aromatických uhlovodíků a nespálených uhlovodíků jsou nižší. Emise oxidu uhličitého za životní cyklus tvoří pouze 20 % emisí ropné nafty. [8], [7]

S přihlédnutím na produkci biomasy pro výrobu bionafty je vhodné, aby zvolený druh mikrořas: (1) měl co nejvyšší produktivitu lipidů; (2) snášel smyková napětí v reaktoru; (3) nebyl snadno vytlačen přirozenými druhy mikrořas; (4) byl tolerantní k výkyvům růstových podmínek; (5) měl rychlý produkční cyklus; (6) měl vysokou fotosyntetickou účinnost; a (7) měl auto-flokulační vlastnosti. Výnosy bionafty jsou závislé na obsahu lipidů v mikrořasách, proto je nezbytné maximalizovat obsah lipidů v biomase. Obsah lipidů je možné maximalizovat, přídavkem Fe3+, limitací nutrienty, nebo prostřednictvím genetického inženýrství. [6], [11]

Prvním krokem produkce bionafty z mikrořas je extrakce olejů. Extrakce může být mechanická (hydraulickými lisy s případnou asistencí ultrazvuku) nebo chemická (extrakce v superkritické vodě, hexanem, nebo soxhletovým extraktorem). Každý druh extrakce má svoje nevýhody: mechanická extrakce vyžaduje sušení biomasy, které spotřebovává velké množství energie; chemická extrakce používá chemikálie, které mohou představovat bezpečnostní a zdravotní riziko; a superkritická extrakce vyžaduje vysoké tlaky a teploty a tím vysoké náklady na extrakci. [8], [7]

Olej z mikrořas má přibližně 10× až 20× vyšší viskozitu ve srovnání s ropnou naftou, takto vysoká viskozita způsobuje problémy při čerpání, spalování a atomizaci. Redukce viskozity je proto důležitým krokem k tomu, aby byla bionafta vhodná pro spalování v běžných dieselových motorech. Redukce viskozity oleje je možné dosáhnout několika způsoby: transesterifikace, pyrolýza, míchání a další. Nejčastěji používaným postupem pro redukci viskozity bionafty je v současnosti transesterifikace. Transesterifikací se rozumí reakce mezi esterem jednoho alkoholu a druhým alkoholem a je nejčastěji realizována etanolem a ethoxidem sodným, který slouží jako katalyzátor. Vzniklá směs bionafty s éterem je z reaktoru gravitačně separována a éter je z bionafty odstraněn odpařením. [8], [6]

3.2. Biomasa

Biomasa mikrořas je sama o sobě palivem, protože je možné ji přímo spalovat a tím převádět uskladněnou chemickou energii na teplo, které lze následně využít v různých aplikacích. Přímé spalování je možné pro všechny druhy biomasy, avšak prakticky je to výhodné pouze pro biomasu s obsahem sušiny více než 50 %. Spalování biomasy je realizovatelné od velmi malých aplikací až po velké průmyslové aplikace. Posouzení životního cyklu společného spalování mikrořas a uhlí potvrdilo, že jejich společné spalování při současném využití spalinových plynů jako zdroje oxidu uhličitého snížilo uhlíkovou stopu uhelné elektrárny na 65 %; eutrofizační a acidifikační potenciál byl rovněž snížen [12]. Jedinou nevýhodou přímého spalování biomasy to, že biomasa vyžaduje před-úpravu – sušení. [10], [6]

3.3. Bio-butanol

Butanol je důležitou průmyslovou chemikálií, která je považována za kvalitní kapalné palivo, které má potenciál nahradit benzin. Tradičně je butanol vyráběn anaerobním vyhníváním cukrovitých substrátů použitím různých druhů bakterií. Použití biomasy mikrořas místo suchozemské biomasy přináší několik výhod: není potřeba půda pro růst biomasy; není potřeba sladká voda; rychlejší růst biomasy; nesoupeří s rostlinami pěstovanými jako potraviny; a vyšší výnosy biomasy ve srovnání s pozemskými rostlinami. Ellis a kol. (2012) dosáhli produkce butanolu 2,26 g‧l−1 při výnosu 0,20 g‧g−1 celkových cukrů a objemové produktivitě 0,02 g‧l−1‧h−1 při použití před-upravené biomasy; s neupravenou biomasou byl výnos 0,17 g‧g−1 [14], [13]

3.4. Bio-etanol

Bio-etanol je produkt fermentace biomasy. Fermentace biomasy je komerčně využívána ve velkém měřítku k produkci etanolu ze zemědělských plodin obsahující cukry a škroby. Biomasa se nejdřív rozemele, škrob z biomasy se enzymaticky přemění na cukry a následně ho kvasinky přemění na etanol. Výroba etanolu z mikrořas probíhá stejným způsobem. Škrob z mikrořas se z buněk uvolní mechanicky nebo enzymaticky, výsledná směs po fermentaci je z reaktoru odvedena a etanol je separován destilací. Pevný zbytek může být využit jako krmivo pro dobytek, nebo může být zpracován zplyňováním. Etanol může být jako palivo využit buď samostatně, nebo jako směs s benzinem. Dobrým zdrojem biomasy jsou například mikrořasy Chlorella vulgaris, protože mají vysoký obsah škrobů (cca 37 % sušiny) a lze s nimi dosáhnout až 65 % teoretické produkce etanolu. [5], [10]

Ueno a kol. (1998) dosáhli maximální produktivity etanolu 450 µmol‧g−1 sušiny při teplotě 30 °C při fermentaci mořské řasy Chlorococcum littorale. Mimo etanolu byly produkty fermentace i octan, vodík a oxid uhličitý. [16]

3.5. Bio-olej

Bio-oleje z mikrořas je možné vyrábět rychlou pyrolýzou, oleje je možné spalovat v motorech, turbinách, nebo je dále rafinovat. Konvenční topný olej má výhřevnost cca 43 MJ‧kg−1, výhřevnost oleje z mikrořas je 29 MJ‧kg−1 [17]. Fyzikální vlastnosti oleje z mikrořas jej činí lépe využitelným než oleje např. ze dřeva, např. nižší obsah kyslíku dovoluje jeho delší skladování. Problémy jako nízká teplotní stabilita nebo korozivita je však stále nutné překonat. V závislosti na konkrétním využití může být nutné snížit obsah kyslíku a odstranit zásady. Dalším produktem pyrolýzy může být dřevěné uhlí, které je možné využít například jako hnojivo. [5], [10], [6]

Bio-oleje je možné vyrábět i hydrotermálním zkapalňováním, což je proces přeměny biomasy probíhající ve vodě při teplotě 280 až 370 °C a vysokých tlacích (10 až 25 MPa). Hlavním nedostatkem takto vyrobeného oleje je relativně velký obsah dusíku a síry (tzn. velké emise NOX a SOX při jeho spalování). Dalšími produkty hydrotermálního zkapalňování je kapalná fáze bohatá na nutrienty, plynná fáze (skládající se hlavně z oxidu uhličitého, vodíku a metanu) a pevná fáze s velkým obsahem popelu (vhodná pro zpracování pyrolýzou nebo zplyňováním) [18]

3.6. Metan

Metan je komerčně vyráběn anaerobním vyhníváním, které se rozsáhle používá pro čištění organických odpadů s vysokým obsahem vody. Anaerobní vyhnívání je proces přímé přeměny organického materiálu na bioplyn – směs metanu, oxidu uhličitého a jiných plynů. Bioplyn je možné použít k pohonu turbin, případně je možné ho zušlechtit na kvalitu zemního plynu odstraněním oxidu uhličitého. Biomasa mikrořas má vysoký podíl proteinů, tzn. nízké poměry C/N (cca 10), což může negativně ovlivnit proces vyhnívání. Z toho důvodu je vhodné k biomase z mikrořas přidávat produkty s vysokým poměrem C/N (např. odpadní papír). [10], [6]

3.7. Jiné spalitelné plyny

Směs spalitelných plynů je možné produkovat zplyňováním, což je proces přeměny biomasy na spalitelnou směs plynů (syngas – směs CO, H2, CO2, N2 a CH4) spočívající v částečné oxidaci za vysokých teplot (cca 800 až 900 °C), nebo zplyňováním za nízké teploty a přítomnosti katalyzátoru. Plyn s nízkou výhřevností (4 až 6 MJ‧Nm−3) je možné spalovat přímo, v plynových motorech, spalovacích turbínách, nebo může být efektivně využit k výrobě elektřiny v plynových turbínách s kombinovaným cyklem. Syngas obsahuje oxid uhličitý a amoniak, které je možné recyklovat a tím podpořit růst mikrořas. Nízko výhřevný plyn může být použit k výrobě hnojiv, metanolových sloučenin a dalších. [9], [5], [10], [6]

4. Potrava, vitaminy, farmaceutika a potravinové doplňky

4.1. Využití pro lidskou výživu

Konzumace biomasy z mikrořas je omezena na velmi malé množství druhů díky přísným bezpečnostním nařízením, tržním faktorům, požadavkům zákazníků a specifické přípravě. Chlorella, Spirulina a Dunaliella jsou hlavními druhy na trhu. Mikrořasy jsou vyráběny ve formě tablet, nebo prášku jako potravinový doplněk pro trh se zdravou výživou a je očekáváno, že se tento trend nebude v budoucnu výrazně měnit. Mikrořasy je rovněž možné pro tyto účely využívat k produkci vícenenasycených mastných kyselin. Ohledně konzumace cyanobakterií existují nejasnosti, zdali jejich konzumace nemůže způsobit Alzhaimerovu chorobu nebo Parkinsonovu demenci. [6]

4.2. Krmivo pro zvířata

Některé druhy mikrořas (Chlorella, Scenedesmus nebo Spirulina) jsou vhodné pro výrobu doplňků pro krmiva. Tyto doplňky způsobují zvýšení imunity, zvýšení plodnosti a další. Dlouhodobé krmení těmito doplňky při vysokých dávkách však může být škodlivé, a to především pokud se jedná o cyanobakterie. Mikrořasy mohou být dále použity jako krmivo ve vodních kulturách, kde mikrořasy slouží jako přirozená potrava mnoha druhům. [6]

4.3. Rekombinantní proteiny

Některé mikrořasy jsou schopny produkovat ß-karoten, astaxanthin nebo C-phycocyanin. ß-karoten může být použit jako barvivo do potravin, jako zdroj provitaminu A nebo jako aditivum do kosmetiky. Carotenoid astaxanthin má potenciální aplikace v kosmetice, nutraceutikách, nebo potravinách. C-phycocyanin je modrý fotosyntetický pigment, který může je možné využít pro výživu zvířat i lidí, jako přírodní barvivo v kosmetice, nebo ve farmacii díky jeho antioxidačním vlastnostem. Veškeré tyto sloučeniny jsou v současnosti vysoce ceněné. [6]

5. Hlavní technologické překážky

V současné době existují jisté překážky, které brání implementaci mikrořas v průmyslovém měřítku. Nejdůležitějšími překážkami jsou:

  • dodávka nutrientů a mikronutrientů;
  • doprava a přestup plynů (dodávka uhlíku);
  • dodávka fotosynteticky aktivního záření;
  • stabilita kultury;
  • řízení růstových podmínek;
  • dostupnost vody a pozemků; a
  • sklízení mikrořas. [1]
5.1. Dodávka nutrientů a mikronutrientů

Pěstování mikrořas vyžaduje tři základní nutrienty: uhlík, dusík a fosfor. Pro správný růst jsou rovněž nutné sekundární nutrienty a stopová množství mikronutrientů: vápník, křemík, železo, mangan, měď, zinek, draslík, síra a kobalt. Pěstování mikrořas v průmyslovém měřítku vyžaduje velká množství těchto nutrientů a mikronutrientů. Tyto nutrienty je nutné dodávat v podobě nákladných hnojit v případě, že nejsou k dispozici žádné „odpadní“ nutrienty. Vhodným zdrojem „odpadních“ nutrientů je téměř libovolný druh odpadní vody. V případě použití odpadní vody je nepravděpodobné, že budou limitujícím faktorem mikronutrienty. [1]

Pittman a kol. (2011) učinili závěr, že na základě současných technologií je nepravděpodobné, aby kultivace mikrořas pro výrobu biopaliv byla ekonomicky výhodná s pozitivním energetickým výnosem bez užití odpadní vody jako zdroje nutrientů [20]. Podle studie Lundquist a kol. (2010) je spojení výroby biopaliv s čistěním odpadních vod jediný způsob jak produkovat cenově konkurenceschopné palivo; podle této studie je produkce biopaliv výhodná pouze pokud je primárním cílem čištění odpadních vod [21].

5.2. Doprava a přestup plynů

Správný přestup plynů důležitý pro růst mikrořas znamená nejen dodávat dostatečné množství uhlíku ve formě CO2, ale i odstraňovat fotosynteticky generovaný kyslík. V případě nedostatečného přestupu plynů může dojít k limitaci uhlíkem, nebo nárůstu koncentrace kyslíku na úroveň, při které dochází k inhibici mikrořas. Dostupnost uhlíku je důležitá, protože biomasa mikrořas je přibližně z poloviny tvořena uhlíkem [22]. Některé druhy mikrořas jsou sice schopné heterotrofického růstu (např. Chlorella vulgaris), ale autotrofní růst je ekonomicky i environmentálně výhodnější. [1]

Otevřené nádrže mohou být potenciálně limitovány uhlíkem díky omezením daným přestupem přes vodní hladinu. Umělé zvýšení koncentrací oxidu uhličitého umožňuje dosáhnout vyšších koncentrací sušiny biomasy a vyššího obsahu lipidů [1], [19]. Velkou výzvou je i nadále optimalizace dodávky oxidu uhličitého aerací, nebo jinými prostředky. Díky klimatickým, vodním i prostorovým podmínkám je méně než 10 % celkového dostupného CO2 k dispozici pro růst mikrořas [21]. Efektivní přivedení odpadního oxidu uhličitého a odpadních nutrientů na jedno místo je výzvou pro budoucí výzkum má-li být produkce mikrořas ekonomicky efektivní. Další výzvou je odstraňování přebytečného fotosyntetického kyslíku, protože vysoké koncentrace kyslíku (nad úroveň nasycení) způsobují inhibici mikrořas a nad určité úrovně se kyslík stává toxickým [22]. Odstranění přebytečného kyslíku je obzvláště velkou výzvou v případě uzavřených fotobioreaktorů [22].

5.3. Dodávka fotosynteticky aktivního záření

Dodávka fotosynteticky aktivního záření (PAR) je důležitá, protože růst mikrořas a odstraňování znečištění je rychlejší se vzrůstajícím PAR. Přímé sluneční osvětlení je však často moc intenzivní na to, aby se využily všechny fotony a přebytečná energie je rozptýlena ve formě tepla nebo fluorescence. [24]

Kitaya a kol. (2005) ukázali, že při PAR pod 50 µmol‧m−2‧s−1 dochází k redukci specifické růstové rychlosti Euglena gracilis [25]. Yan a kol. (2013) dospěli k tomu, že nízké (< 500 µmol‧m−2‧s−1) i vysoké (> 2500 µmol‧m−2‧s−1) osvětlení způsobuje u Chlorella vulgaris nižší růst a téměř žádné odstranění CHSK, fosforu, dusíku ve srovnání s ostatními testovanými intenzitami osvětlení (1000, 1500 a 2000 µmol‧m 2‧s 1) [24].

Mikrořasy v hlubších částech nádrže jsou mnohdy limitovány světlem, protože většina světla je absorbována vrchními vrstvami vody, takže mnohdy (zejména v kulturách s vysokou koncentrací biomasy) kultury trpí současně fotoinhibicí a nedostatkem světla současně. Míchání směsi může tento problém částečně vyřešit, protože k fotoinhibici nedochází okamžitě, ale až po určité době. [1]

5.4. Stabilita kultury

V závislosti na vlastnostech konkrétní kultury může být více či méně obtížné se vyhnout kontaminaci jinými druhy. Monokultury mikrořas budou s největší pravděpodobností vytlačeny rychleji rostoucími mikrořasami nebo cyanobakteriemi. Přirozeně se vyskytující mikrořasy budou dominovat složení kultury v případě, že se jako zdroj nutrientů využije odpadní voda. Za těchto podmínek je obtížné řídit složení kultury i růstové podmínky, avšak i u směsných kultur byla prokázána poměrně velká akumulace lipidů. [1]

5.5. Řízení růstových podmínek

Jak produkce biomasy, tak odstranění znečištění jsou závislé na podmínkách, ve kterých mikrořasy rostou. Nejdůležitějšími parametry jsou pH a teplota. Mikrořasy nedokáží využít veškeré formy anorganického uhlíku stejně, to je důvod proč má pH a s ním související změny ve formách anorganického uhlíku tak velkou důležitost. Volný oxid uhličitý je mikrořasami přijímán bez problémů, HCO3 dokáží využít jen některé mikrořasy ale CO32− většina řas nevyužije [23]. Při pH cca 10,5 tvoří formy CO32− přibližně polovinu rozpuštěného anorganického uhlíku, proto je žádoucí udržovat pH pod 9. [1]

Řízením růstových podmínek dojde sice ke zvýšení produktivity, ale zároveň i ke zvýšení nákladů. U velkých zařízení je řízení těchto podmínek obzvláště obtížné. Nalezení vhodného způsobu řízení růstových podmínek za přijatelných nákladů stále zůstává výzvou. [1]

5.6. Dostupnost vody a pozemků

Průmyslové pěstování mikrořas vyžaduje velké objemy vody a velké pozemky. Čistírny odpadních vody mají sice k dispozici dostatečné množství nutrientů, ale nemusejí mít k dispozici potřebné volné pozemky a to především v případě, že se jedná o membránové čistírny se snahou o malé půdorysné plochy. [1]

5.7. Sklízení mikrořas

Největší technologickou překážkou není produkce samotných mikrořas, ale jejich sklízení a následné poproudní zpracování [1]. Sklízení mikrořas je nejdražším procesem (až 50 % celkových nákladů), protože rozměry mikrořas jsou v jednotkách až desítkách µm, takže není možné využít sedimentaci. V současné době existují čtyři skupiny metod pro sklizeň: (1) chemické metody (flokulace), (2) mechanické (filtrace, odstřeďování, flotace, nebo sedimentace), (3) elektrické (elektroforéza), a (4) biologické (auto-flokulace a bio-flokulace). Snížení nákladů na sklízení mikrořas je nezbytně nutné mají-li být řasy komerčně pěstovány ve velkém měřítku za nízkých nákladů. Levnou metodou sklízení je bio-flokulace, což je například využití vloček mikrořas s bakteriemi, které sedimentují gravitačně. Levný sběr čistých kultur mikrořas je stále překážkou. [26]

6. Závěr

Hledání nových zdrojů energie za účelem náhrady stávajících ropných zdrojů je téma, které po celém světě získává v současnosti stále více pozornosti. Mikrořasy jsou ideálním kandidátem, který může potenciálně nahradit fosilní paliva díky tomu, že: (1) mají vysokým podíl oleje a zbytky po extrakci obsahuje hlavně proteiny a uhlovodíky vhodné jako krmivo pro zvířata; (2) mají vysokou produktivitu; (3) vyžadují méně plochy ve srovnání se suchozemskými rostlinami; (4) je možné je pěstovat ve slaných vodách; a (5) nesoupeří se zemědělskými plodinami o půdu.

K dnešnímu dni byla většina studií soustředěna pouze na laboratorní jednotky, nebo jednotky v malém měřítku. Rozšíření do velkého měřítka brání několik významných překážek: dodávka nutrientů, fotosynteticky aktivního záření, dostupnost vody a půdy, přestup plynů, stabilita kultury a řízení růstových podmínek. Spojením čištění odpadních vod s produkcí biopaliv je možné překonat některé překážky poskytnutím odpadních nutrientů, vody a snížením investičních nákladů. Z překonání těchto překážek budou profitovat jak výrobci biopaliv, tak čistírny odpadních vod, protože na základě dnes dostupných technologií je nepravděpodobné, aby pěstování mikrořas pro výrobu biopaliv bylo ekonomicky přijatelné s pozitivním energetickým ziskem, pokud nebude spojené se současným čištěním odpadních vod. Použití odpadního CO2 z elektráren a jiných zdrojů pomůže vyřešit otázku dodávky uhlíku a zároveň snížit uhlíkovou stopu zdroje odpadního CO2. Kombinované čištění odpadních vod se současnou produkcí biopaliv je tedy atraktivní možnost snižování cen biopaliv, emisí skleníkových plynů, spotřeby vody a hnojiv. Bohužel se zdá, že tohoto potenciálu pro spolupráci si nejsou strany vědomy. Další nezanedbatelnou překážkou jsou v současnosti i velké náklady na sběr, které mohou tvořit až polovinu celkových nákladů na produkci řas.

Budou-li oleje z řas ekonomicky přijatelné nebo ne je však závislé na cenách ropy. Vysoké rychlosti růstu nasvědčují tomu, že mikrořasy pěstované v odpadních vodách by se mohly stát jedním z udržitelných paliv. Studie ukazují, že zplyňování a zkapalňování se jeví jako nejvhodnější metody pro konverzi biomasy. Další výzkum zaměřený na velkoprodukci biopaliv se současným čištěním odpadních vod a využitím spalinových plynů je nutný, mají-li se paliva z mikrořas stát ekonomicky a environmentálně přijatelnými.

7. Literatura

  • [1] Christenson L., Sims R. Production and harvesting of microalgae for wastewater treatment, biofuels, and bioproducts. Biotechnology Advances, Volume 29, Issue 6, November–December 2011, Pages 686–702, ISSN 0734-9750, DOI: 10.1016/j.biotechadv.2011.05.015.
  • [2] Fraunhofer IGB. Microalgae – a sustainable resource for valuable compounds and energy. May 2013. [cit. 03.05.2013], dostupné z
    http://www.igb.fraunhofer.de/content/dam/igb/de/documents/broschueren/Microalgae__a_sustainable_resource_for_valuable_compounds_and_energy.pdf.
  • [3] Olguín E. J. Dual purpose microalgae–bacteria-based systems that treat wastewater and produce biodiesel and chemical products within a Biorefinery. Biotechnology Advances, Volume 30, Issue 5, September–October 2012, Pages 1031–1046, ISSN 0734-9750, DOI: 10.1016/j.biotechadv.2012.05.001.
  • [4] Park J. B. K., Craggs R. J., Shilton A. N. Wastewater treatment high rate algal ponds for biofuel production. Bioresource Technology, Volume 102, Issue 1, January 2011, Pages 35–42, ISSN 0960-8524, DOI: 10.1016/j.biortech.2010.06.158.
  • [5] Amin S. Review on biofuel oil and gas production processes from microalgae. Energy Conversion and Management, Volume 50, Issue 7, July 2009, Pages 1834–1840, ISSN 0196-8904, 10.1016/j.enconman.2009.03.001.
  • [6] Brennan L., Owende P. Biofuels from microalgae—A review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 14, Issue 2, February 2010, Pages 557–577, ISSN 1364-0321, DOI: 10.1016/j.rser.2009.10.009.
  • [7] Kirrolia A., Bishnoi N. R., Singh R. Microalgae as a boon for sustainable energy production and its future research & development aspects. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 20, April 2013, Pages 642–656, ISSN 1364-0321, DOI: 10.1016/j.rser.2012.12.003.
  • [8] Biodiesel from Algae Oil – Oilgae – Information, News, Links for Algal Fuel, Alga Bio-diesel, Biofuels, Algae Biofuel, Energy – oilgae.com. [cit. 10.05.2013], dostupné z http://www.oilgae.com/.
  • [9] Tsukahara K., Sawayama S. Liquid fuel production using microalgae. (2005) Journal of the Japan Petroleum Institute, 48 (5), pp. 251–259. DOI: 10.1627/jpi.48.251
  • [10] McKendry P., Energy production from biomass (part 2): conversion technologies. Bioresource Technology, Volume 83, Issue 1, May 2002, Pages 47–54, ISSN 0960-8524, DOI: 10.1016/S0960-8524(01)00119-5.
  • [11] Liu Z., Wang G., Zhou B. Effect of iron on growth and lipid accumulation in Chlorella vulgaris. Bioresource Technology, Volume 99, Issue 11, July 2008, Pages 4717–4722, ISSN 0960-8524, DOI: 10.1016/j.biortech.2007.09.073.
  • [12] Kadam K. L. Environmental implications of power generation via coal-microalgae cofiring. Energy, Volume 27, Issue 10, October 2002, Pages 905–922, ISSN 0360-5442, DOI: 10.1016/S0360-5442(02)00025-7.
  • [13] Jang Y., Malaviya A., Cho C., Lee J., Lee S. Y. Butanol production from renewable biomass by clostridia. Bioresource Technology, Volume 123, November 2012, Pages 653–663, ISSN 0960-8524, DOI: 10.1016/j.biortech.2012.07.104.
  • [14] Ellis J. T., Hengge N. N., Sims R. C., D. Miller C. D. Acetone, butanol, and ethanol production from wastewater algae. Bioresource Technology, Volume 111, May 2012, Pages 491–495, ISSN 0960-8524, DOI: 10.1016/j.biortech.2012.02.002.
  • [15] Hirano A., Ueda R., Hirayama S., Ogushi Y. CO2 fixation and ethanol production with microalgal photosynthesis and intracellular anaerobic fermentation. Energy, Volume 22, Issues 2–3, February–March 1997, Pages 137–142, ISSN 0360-5442, DOI: 10.1016/S0360-5442(96)00123-5.
  • [16] Ueno Y., Kurano N., Miyachi S. Ethanol production by dark fermentation in the marine green alga. Chlorococcum littorale, Journal of Fermentation and Bioengineering, Volume 86, Issue 1, 1998, Pages 38–43, ISSN 0922-338X, 10.1016/S0922-338X(98)80031-7.
  • [17] Miao X., Wu Q., Yang C. Fast pyrolysis of microalgae to produce renewable fuels. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Volume 71, Issue 2, June 2004, Pages 855–863, ISSN 0165-2370, DOI: 10.1016/j.jaap.2003.11.004.
  • [18] Barreiro D. L., Prins W., Ronsse F., Brilman W. Hydrothermal liquefaction (HTL) of microalgae for biofuel production: State of the art review and future prospects. Biomass and Bioenergy, 8 February 2013, ISSN 0961-9534, DOI: 10.1016/j.biombioe.2012.12.029.
  • [19] Griffiths E. W. Removal and Utilization of Wastewater Nutrients for Algae Biomass and Biofuels. All Graduate Theses and Dissertations, 2009. [cit. 06.05.2013], dostupné z http://digitalcommons.usu.edu/etd/631.
  • [20] Pittman J. K., Dean A. P., Osundeko O. The potential of sustainable algal biofuel production using wastewater resources. Bioresource Technology, Volume 102, Issue 1, January 2011, Pages 17–25, ISSN 0960-8524, DOI: 10.1016/j.biortech.2010.06.035.
  • [21] Lundquist T. J., Woertz I. C., Quinn N. W. T., Benemann J. R. A Realistic Technology and Engineering Assessment of Algae Biofuel Production. Energy Biosciences Institute, University of California. Berkeley, California, October 2010. [cit. 06.05.2013], dostupné z http://www.energybiosciencesinstitute.org/sites/default/files/media/AlgaeReportFINAL.pdf.
  • [22] Carvalho A. P., Meireles L. A., Malcata F. X. Microalgal reactors: a review of enclosed system designs and performances. Biotechnology Progress, Volume 22, Issue 6, American Chemical Society 2006, DOI: 10.1021/bp060065r.
  • [23] Knud-Hansen C. F. Pond Fertilization: Ecological Approach and Practical Applications. Oregon State University, Corvallis, Oregon, September 1998. [cit. 07.05.2013], dostupné z http://pdf.usaid.gov/pdf_docs/PNACH582.pdf.
  • [24] Yan C., Zhang L., Luo X., Zheng Z. Effects of various LED light wavelengths and intensities on the performance of purifying synthetic domestic sewage by microalgae at different influent C/N ratios. Ecological Engineering, Volume 51, February 2013, Pages 24–32, ISSN 0925-8574, DOI: 10.1016/j.ecoleng.2012.12.051.
  • [25] Kitaya Y., Azuma H., Kiyota M. Effects of temperature, CO2/O2 concentrations and light intensity on cellular multiplication of microalgae, Euglena gracilis. Advances in Space Research, Volume 35, Issue 9, 2005, Pages 1584–1588, ISSN 0273-1177, DOI: 10.1016/j.asr.2005.03.039.
  • [26] Van Den Hende S., Vervaeren H., Desmet S., Boon N. Carbon and nutrient scavenging from sewage and flue gas with MaB-flocs. AquaFUELs Roundtable, Abstracts. Presented at the AquaFUELs Roundtable. 2010. [cit. 09.05.2013], dostupné z http://www.aquafuels.eu/attachments/066_Presentation%20-%20S.%20Van%20den%20Hende%20(Howest)%20-%20MaB-flocs%20for%20harvesting.pdf.
 
Komentář recenzenta
Ing.Vladimír Stupavský

Článek pojednává o jedné z možných variant, která by mohla vyřešit otázku nedostatku surovin nejen pro výrobu energií z biomasy, ale také jako surovina pro potraviny, krmiva, lékařské účely a přínosy pro další odvětví. V textu jsou sumarizovány výhody použití mikrořas a nároky na zajištění růstu kultur řas.

Podrobněji se článek věnuje výzkumu a vývoji různých druhů paliv, především v kapalné a plynné formě. Touto otázkou a jednotlivými technologiemi se již několik let zabývá řada renomovaných vědeckých institucí po celém světě. Stále jsme však ve fázi výzkumných a poloprovozních pokusů, kde zásadní bariérou je neudržitelnost vzhledem k ceně vstupů a investičních nákladů.

V závěru autor poměrně obsáhle popisuje současné bariéry, které zatím zabraňují většímu rozšíření technologií produkce energií z mikrořas. V České republice se toto téma také probíralo a teoreticky se stanovil výnosový potenciál na 100 t/ha/rok, což je číslo, které je však nejprve třeba ověřit v provozních podmínkách. Lze také indikativní výnosové údaje z celosvětové mapy produkce řas, kde se v různých klimatických pásmech pohybují hodnoty od 80 do 240 tun biomasy za rok.

Nejvíce se tímto výzkumem zabývají americké společnosti okolo Mexického zálivu, v evropských podmínkách lze vysledovat obdobné výzkumné aktivity u společnosti RWE Energy a Eni Technologies. Teprve budoucnost ukáže, zda je to cesta správným směrem.

English Synopsis
Microalgae as a resource

The potential of microalgae as a source of renewable energy received lately large attention. Microalgal biomass is a potential source of renewable energy and it can be converted into energies such as biodiesel, ethanol, combustible gasses or it can be used to produce pharmaceutical, food additives and other. If microalgal biofuel production is to be sustainable and economically acceptable, further optimization of microalgae production and its conversion to viable compounds is needed. Microalgae are photosynthetic microorganisms with simple growing requirements (light, sugars, CO2, nitrogen, phosphorus, and potassium) that can fixate CO2, produce lipids, proteins and carbohydrates in very short periods of time.
These products can be processed into both biofuels and valuable co-products. Municipal, agricultural and industrial wastewaters are able to satisfy growing requirements of microalgae and hence provide cost-effective sustainable biofuel production with simultaneous wastewater treatment. Integration of biofuel production and wastewater treatment has major advantages for both industries, however major challenges needs to be overcome in order to implement such facilities in large-scale. This paper reviews current status of this topic with focus on fuel production with simultaneous algae wastewater treatment and major technological challenges.

 

Hodnotit:  

Datum: 15.7.2013
Autor: Ing. Luboš Stříteský, AQUA PROCON s.r.o.   všechny články autoraprof. Ing. Petr Hlavínek, CSc., Vysoké učení technické v Brně, fakulta stavební, ústav vodního hospodářství obcí   všechny články autoraRecenzent: Ing.Vladimír Stupavský



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Google+  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (žádný příspěvek, přidat nový)


Témata 2018

Partneři - Obnovitelná energie

logo VIESSMANN
logo FENIX
logo HOTJET

Spolupracujeme

logo Česká peleta

Doporučujeme

 
 

Aktuální články na ESTAV.czVstupenka zdarma na veletrhy FOR Pasiv, Cesty dřeva 2018 a Střechy PrahaPraktická školení i teoretické semináře Knauf v roce 2018The Box: Minimalistické bydlení s maximem pohodlí v otevřeném prostoruPlasty vydrží nejdéle v užitku ve stavebnictví