Hodowla alg - technologie produkcji biopaliw III generacji. Część 2

Biomasa glonów może być przetwarzana na różne formy produktu docelowego, czyli na różne formy biopaliw, w zależności od sposobu zastosowanej konwersji. Rodzaj biopaliwa otrzymanego z alg jest zależny od sposobu przekształcenia ich biomasy. Podczas fermentacji beztlenowej biomasy powstaje biometan, z oleju pozyskanego z alg można uzyskać biodiesel, zaś bioetanol można otrzymać po scukrzeniu biomasy i jej fermentacji. Na poniższym schemacie przedstawiono sposoby przetwarzania biomasy glonów na biopaliwa.

Schemat 1. Sposoby przetwarzania biomasy glonów na biopaliwa (opracowanie własne na podstawie: Kunjapur i in. 2010).

Zamknięte i otwarte bioreaktory do hodowli alg

Najstarszą i najprostszą metodą hodowli fotoautotroficznych mikroalg jest hodowla prowadzona w otwartych systemach zbiorników naturalnych albo sztucznych - tzw. stawach. Są to duże, otwarte, okrągłe reaktory stawowe, z obrotowymi elementami specjalnych mieszalników. Konstrukcja mieszalnika składa się z płytkiego kanału, zamkniętej pętli recyrkulacyjnej z turbiną. Takie rozwiązanie umożliwia sprawne i wydajne mieszanie, zapobiegające sedymentacji alg na dnie stawu. Wydalanie biomasy odbywa się na końcu pętli recyrkulacyjnej, za turbiną. Podczas projektowania otwartego reaktora należy kierować się zasadą, że powinien być wystarczająco płytki, aby zapewnić dostateczne światło do kultury alg, jak i również dostatecznie głęboki, aby umożliwić optymalne mieszanie. Najpopularniejszym rozwiązaniem technologicznym otwartych stawów są tzw. „raceway ponds” zwane „stawami bieżniowymi” (inna nazwa stawy kanałowe lub torowe). Budowę otwartego stawu bieżniowego przedstawiono na schemacie 2.

Schemat 2. Budowa otwartego stawu bieżniowego (torowego) - widok z góry (opracowanie własne na podstawie: Kunjapur i in. 2010).

Na wolnym powietrzu bardzo trudno utrzymać jest pożądany gatunek alg, dlatego też stawy otwarte są stosowane w hodowli kultur mieszanych.

Do podstawowych zalet takiego rozwiązania należy zaliczyć:

• stosunkowo najtańsza budowa i utrzymanie (stosowane na dużą skalę),
• łatwa obsługa oraz kontrola parametrów życiowych alg,
• niskie zużycie energii w porównaniu do systemów zamkniętych,
• możliwość dokładnej kontroli procesu za pomocą przeźroczystych pokryw,
• możliwość optymalizacji niektórych parametrów procesowych.

Do podstawowych wad, które napotykają stawy otwarte, należą:

• wysoka utrata wody poprzez odparowanie,
• duża powierzchnia produkcyjna,
• wydajność i przebieg procesu zależny od warunków środowiska,
• brak dokładnej kontroli parametrów projektowych na całej powierzchni stawu,
• konieczność utrzymania odpowiedniego zasolenia, odczynu oraz ilości składników odżywczych dla alg,
• ryzyko zanieczyszczenia uprawy alg innymi niepożądanymi mikroorganizmami, np. bakteriami.

Większą wydajność produkcji biomasy alg można otrzymać stosując zamknięte fotobioreaktory przepuszczające światło o budowie pionowej (kolumnowej), płaskiej (panelowej) lub cylindrycznej. Bardzo ważne jest to, aby światło docierało do każdego miejsca w fotobioreaktorze, więc coraz bardziej popularnym rozwiązaniem staje się stosowanie paneli świetlnych, emitujących światło z zakresu czerwieni. Aby uzyskać jeszcze większą wydajność produkcji biomasy przez algi, projektuje się takie rozwiązania geometryczne, kąty nachylenia i przeźroczyste ściany fotobioreaktora, aby dystrybucja światła była jak największa. Usprawnia się też systemy mieszania, oczyszczania i kontroli stężeń gazów (ditlenku węgla i tlenu) oraz temperatury. Każdy rodzaj mikroalg do hodowli ma specjalne wymagania co do przestrzeni, wentylacji, oświetlenia i temperatury, ponieważ mają różne potrzeby metaboliczne.

Do podstawowych zalet stawów zamkniętych (fotobioreaktorów) można zaliczyć:

• większa kontrola zanieczyszczeń niż w przypadku systemów otwartych,
• lepsza jakość i szybszy wzrost komórek,
• możliwość utrzymania jednej, pożądanej monokultury alg,
• brak wymogu dużej powierzchni do założenia hodowli,
• strata mniejszej ilości wody przez odparowanie, dzięki czemu zwiększają poziom wiązania dwutlenku węgla,
• działanie w dużych stężeniach biomasy z powodu wysokiego stosunku powierzchni do objętości.

Do wad, które występują podczas eksploatacji fotobioreaktorów, należą:

• wysokie koszty budowy, użytkowania i konserwacji,
• duże zużycie energii, wyższe niż w przypadku stawów otwartych.

Na szczególną uwagę zasługują fotobioreaktory rurowe, najczęściej stosowane w praktyce. Zbudowane są ze szklanych lub polimerowych (zwykle polietylenowych), przeźroczystych, połączonych szeregowo rurek. Rurki takie, nazywane kolektorami solarnymi, są przymocowane w tzw. „pakiecie” do zbiornika. W kolektorach solarnych odbywa się pochłanianie energii słonecznej i jej transport do zbiornika, gdzie są dozowane składniki odżywcze. Długość rurek jest ograniczona i zależy od potencjalnej możliwości wyczerpania CO₂ oraz akumulacji O_2. Fotobioreaktory mogą mieć budowę pionową, poziomą, spiralną oraz α-kształtną. Na schemacie 3 przedstawiono uproszczoną budowę pionowego fotobioreaktora rurowego.

Schemat 3. Uproszczona budowa pionowego fotobioreaktora rurowego (opracowanie własne na podstawie: Arenas i in. 2016).

Kolejnym często stosowanym są fotobioreaktory płytowe (płaskie), mające prostopadłościenną budowę. Wykonane są z przeźroczystych tworzyw: szkła, polimetakrylanu metylu (tzw. „pleksi”) lub poliwęglanu, aby zapewnić jak największy dostęp do światła. Najczęściej mieszanie odbywa się poprzez pęcherzykowanie (barbotaż). W procesach technologicznych pojedyncze płyty łączy się w większe kompleksy, co ułatwia znacząco przebieg i eksploatację procesów zachodzących w fotobioreaktorze. Znaczącą zaletą jest duże stężenie komórek alg, za czym idzie wysoki plon biomasy, niskie zużycie energii oraz brak zaciemnionych miejsc w przestrzeni bioreaktora. Cechą charakterystyczną fotobioreaktorów płaskich jest to, że istnieje swobodna wymiana gazów w cieczy hodowlanej, co niweczy możliwość wzrostu stężenia tlenu w aparacie (nie trzeba stosować urządzeń odgazowujących).

Bibliografia:

1. 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.
2. Arenas E.G., Palacio M.C.R., Juantorena A.U., Fernando S.E.L., Sebastian P.J., Microalgae as a potential source for biodiesel production: techniques, methods, and other challenges, International of Journal of Energy Research, Int. J. Energy Res. (2016), Wydawnictwo Wiley Online Library.
3. Daniłowicz A., Droździk B., Jacalska A., Karło A., Surmacz-Górska J., The  pretreatment of wastewater from dewatering of digested sludge in algal photobioreactors, Archives of Waste Management and Environmental Protection, ISSN 1733-4381, vol. 18, issue 2 (2016), p. 45-54.
4. Molina G.E., Fernandez J., Acien Fernandez F.G., Christi Y., Tubular photobioreactor design for algal cultures, J. Biotechnol., 92: 113-131, 2001.
5. Wiczkowski J., Pilarek M., Zamojska- Jaroszewicz A., Szewczyk K.W., Hodowla mikroalg w fotobioreaktorze typu air-lift driven, Zakład Biotechnologii i Inżynierii Bioprocesowej, Wydział Inżynierii Chemicznej I Procesowej, Politechnika Warszawska, Inż. Ap. Chem. 2012, 51, 4, 192-196.