Hodowla alg – biopaliwa III generacji. Część 1

Jednym z najbardziej obiecujących substratów do produkcji biopaliw III generacji są algi, które są organizmami samożywnymi, żyjącymi w środowisku wilgotnym albo wodnym (słodkim lub słonym). Do alg zalicza się zielenice (Chlorophyta), brunatnice plechowe, zaś do mikroalg, organizmów o bardzo małych rozmiarach: chryzofity (Chrysophyta), okrzemki (Bacillariophyta), tobołki (Pyrrophyta) oraz cyjanobakterie (Cyanobacteria). Algi stosowane do wytwarzania biopaliw mają wiele zalet, czyniąc je konkurencyjnymi w stosunku do innych źródeł biopaliw. Co więcej, w skali światowej obserwuje się coraz większą liczbę hodowli alg. Jest to nowa szansa dla rolnictwa na rozwój, szczególnie na terenach, gdzie uprawa roślin nie jest możliwa.

Zalety hodowli alg

Algi, w porównaniu do roślin lądowych, intensywniej pochłaniają CO₂ z atmosfery, przez co ich biomasa przyrasta efektywniej i przy mniejszym zużyciu wody na jednostkę biomasy. Co więcej, ich hodowla nie wpływa na wzrost cen żywności. Algi można także wykorzystać do produkcji naturalnych preparatów farmaceutycznych i kosmetyków. Odgrywają ważną rolę jako tzw. „bionawozy”, bo posiadają zdolność do wiązania azotu atmosferycznego.

Wymagania hodowlane alg

Do prawidłowego rozwoju alg konieczny jest fotobioreaktor z dostępem do odpowiedniej ilości ditlenku węgla i światła oraz utrzymanie właściwej temperatury hodowli. Algi pozyskują energię w procesie fotosyntezy, polegającym na przekształceniu energii słonecznej w energię chemiczną. W trakcie fotosyntezy algi dokonują sekwestracji ditlenku węgla, zatem zastosowanie alg do celów energetycznych zmniejsza efekt cieplarniany. Jednocześnie w procesie uwalniany jest, jako produkt uboczny, tlen, który musi być odprowadzany z układu (recyrkulacja), ponieważ przy zbyt dużych stężeniach zacznie działać jako inhibitor fotosyntezy. Czynnikami krytycznymi w hodowli alg są ponadto:

• stosunek azotu do fosforu - zbyt niski, np. 5:1, jak i również zbyt wysoki, np. 30:1, będzie powodować zahamowanie wzrostu alg. Usuwanie azotu i pobór ditlenku węgla są częściowo zależne od natężenia światła, podczas gdy proces akumulacji fosforu jest tylko i wyłącznie uzależniony od ilości i czasu naświetlania hodowli;
• temperatura hodowli alg - powinna utrzymywać się w przedziale od 20 ^○C do 30 ^○C, nie należy doprowadzać do przegrzania cieczy hodowlanej, ponieważ doprowadza to do spadku wydajności produkcji biomasy alg;
• natężenie światła - może być różne w różnych strefach fotobioreaktora, więc często stosuje się panele montowane wewnątrz aparatu emitujące światło z zakresu czerwieni. Zbyt duże natężenie światła może wywoływać fotoinhibicję, zaś za małe prowadzi do nadmiarowego zużywanie substancji organicznych z komórek alg;
• ilość tlenu - aby zapewnić optymalną ilość tlenu w fotobioreaktorach montuje się urządzenia odgazowujące;
• mechaniczne mieszanie - zapobiega różnicom temperatury, osadzaniu alg np. na ścianach aparatu lub rozwarstwianiu się mieszaniny reakcyjnej;
• stosunek powierzchni bioreaktora do objętości - z jego wzrostem zwiększa się intensywność procesu fotosyntezy oraz wielkość wydzielanej przez algi biomasy.

Sposoby zbioru alg z hodowli

Zbiór alg można przeprowadzić niezależnie od pory roku. Najważniejsze jest osiągnięcie odpowiedniej gęstości zawiesiny komórek w cieczy hodowlanej. Od zastosowanych metod zbioru będzie zależała dalsza wydajność procesu. Nie ma uniwersalnej metody zbioru alg, choć wybrany sposób jest uzależniony od rozmiarów i gęstości otrzymanej biomasy.

Najczęściej stosowanymi sposobami zbioru są:

• wirowanie, opierające się na generowaniu odśrodkowej siły, która pozwala na oddzielenie biomasy glonów od cieczy hodowlanej poprzez różnicę ich gęstości. Jest to proces łatwy i szybki, aczkolwiek energochłonny;
• sedymentacja, której zaletą jest niskie zużycie energii; ta metoda stosowana jest częściej w otwartych stawach, gdzie bardzo duże znaczenie odgrywa typ przepływu mieszaniny reakcyjnej;
• flokulacja, polega na zwiększeniu gęstości i rozmiarów cząstek biomasy (poprzez zagregowanie). Najczęściej flokulanty mają postać wielowartościowych nieorganicznych soli metali lub polimerów organicznych;
• filtracja, odbywa się dzięki selektywnym membranom. W tym procesie konieczne jest płukanie wsteczne, by utrzymać sprawność membran. Można też przeprowadzić, w zależności od rozmiarów komórek glonów, filtrację próżniową, mikrofiltrację lub ultrafiltrację. Wadą są wysokie koszty utrzymania i eksploatacji membrany (wymiana lub czyszczenie);
• flotacja, jest procesem separacji opartym na przyłączeniu pęcherzyków powietrza lub innego gazu do cząstek stałych (proces determinuje wielkość pęcherzy). Parametrami, które można monitorować, aby usprawnić proces, są: ciśnienie zbiornika, szybkość recyrkulacji, czas retencji hydraulicznej oraz pływalności cząstek;
• elektroforeza, gdzie algi są usuwane poprzez działanie pola elektrycznego. Algi są naładowane ujemnie i są przyciągane do anody naładowanej dodatnio. Wadą jest duże zużycie energii elektrycznej i zanieczyszczenia, gromadzące się na elektrodach.

Zastosowana w procesie technologicznym metoda zbioru powinna być jak najmniej kosztowna, żeby nie podwyższać ceny końcowej biomasy alg i jednocześnie nie zmniejszać opłacalności produkcji. Wybrana metoda nie powinna wpływać na wielkość zbiorów biomasy alg, jak również na wydajność całego procesu produkcji.

 

Bibliografia:

1. Satyanarayana K.G., Mariano A.B., Vargas J.V.C., A review on microalgae, a  versatile source for sustainable energy and materials, Int. J. Energy Res. 2011; 35:291–311, Wydawnictwo Wiley Online Library.
2. Błaszak M., The use of algae for energy: current state and perspectives, Archives of Waste Management and Environmental Protection, ISSN 1733-4381, vol. 16, issue  4  (2014), p. 141-152.
3. Maliga G., Składzień J., Szymków J., Sekwestracja ditlenku węgla przez mikroalgi, Zakład Aparatury Procesowej, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Politechnika Wrocławska, Inż. Ap. Chem. 2010, 49, 4, 46-47.
4. Pszczółkowski W., Pszczółkowska A., Romanowska-Duda Z., Grzesik M., Microalgae as Efficient Feedstock for Biorefinery, Acta Innovations, ISSN 2300-5599, nr  14, 2015.
5. Kunjapur A.M., Eldridge R.B., Photobioreactor Design for Commercial Biofuel Production from Microalgae, Process Science and Technology Center, University of  Texas, Ind. Eng. Chem. Res. 2010, 49, 3516–3526.