Partner serwisu

Biomasa z alg

Kategoria: Paliwa

Ostatnie dwie dekady to okres rosnącego zainteresowania rozwojem technologii produkcji biopaliw. Jakie są dostępne metody hodowli biomasy alg fototroficznych, stanowiącej jeden z możliwych surowców do przemysłowej produkcji biodiesla?

Biomasa z alg

   

Rys. 1. Widok z góry zbiornika ORP
1 – odbiór cieczy hodowlanej w celu oddzielenia biomasy alg; 2 – dopływ substancji odżywczych, 3 – koło łopatkowe, 4 – kierunek przepływu cieczy hodowlanej, 5 i 6 – przegrody [7]

    Algi fototroficzne, wykorzystując energię ze światła słonecznego, na drodze fotosyntezy przekształcają CO2 w związki organiczne stanowiące m.in. materiał budulcowy dla ich komórek. W związku z powyższym dostęp do światła jest czynnikiem limitującym wzrost alg fototroficznych. W przypadku zbyt intensywnego światła słonecznego dochodzi do zjawiska fotoinhibicji, prowadzącego do zahamowania wzrostu alg. Z drugiej strony, przy zbyt niskiej intensywności światła, wzrost alg przebiega znacznie wolniej niż w warunkach ekspozycji komórek na światło o intensywności optymalnej dla danego gatunku. Ponadto, im większa gęstość hodowli, tym gorsze warunki dla penetracji światła w jej obrębie, co skutkuje mniejszą jego dostępnością dla komórek, a co za tym idzie zmniejszoną wydajnością fotosyntezy. W przypadku intensywnego światła słonecznego należy zapewnić takie warunki hodowli, które pozwolą zachować optymalną temperaturę wzrostu alg [1].

Podstawowe czynniki warunkujące wzrost alg
    Optymalna temperatura wzrostu jest cechą charakterystyczną dla danego gatunku alg. Na jej wartość może mieć także wpływ skład pożywki hodowlanej. Generalnie, odpowiednia temperatura dla wzrostu hodowli alg znajduje się w przedziale od 20oC do 24oC. Algi stosowane do produkcji biomasy tolerują temperaturę w zakresie od 16oC do 27oC [1].
    Ważnym czynnikiem warunkującym odpowiedni wzrost alg jest również pH. Większość gatunków jest zdolna do rozwoju w pożywkach hodowlanych charakteryzujących się pH w zakresie od 7,0 do 9,0 z optimum pomiędzy 8,2 a 8,7. Wraz ze wzrostem gęstości hodowli alg obserwujemy wzrost jej pH. Wprowadzanie do niej z powietrzem dodatkowego strumienia CO2 pozwala na obniżenie zasadowości i kontrolowanie tego niekorzystnego zjawiska dla wzrostu biomasy [1].

Fot. 1. Instalacja Pilot Plant do hodowli alg z zastosowaniem zbiorników ORPs [2]

Napowietrzanie i mieszanie hodowli
    Mieszanie pożywki w czasie hodowli jest konieczne, aby przeciwdziałać procesowi sedymentacji komórek alg w cieczy hodowlanej. Intensywność mieszania hodowli jest wyznaczana dla każdego gatunku empirycznie. Proces mieszania ma także na celu: zapewnienie wszystkim komórkom porównywalnego dostępu do światła i substancji odżywczych w czasie trwania hodowli, uniknięcia termicznej stratyfikacji w obrębie hodowli (szczególnie ważne w przypadku hodowli w ORPs) i poprawę wymiany gazowej pomiędzy powietrzem a cieczą hodowlaną. Ostatni punkt porusza szczególnie ważną kwestię. Powietrze jest źródłem CO2 wykorzystywanego przez komórki alg w procesie fotosyntezy (powietrze zawiera ~0,03% CO2). Jednakże, w celu osiągnięcia dużej biomasy alg, zaleca się stosowanie mieszanki powietrza z CO2, np. zawierającej do 1% objętościowego CO2 [1].

Medium hodowlane
    Poza kluczowymi czynnikami dla wzrostu alg fototroficznych jak światło, CO2 i woda, medium hodowlane musi zapewnić dostęp do azotu, fosforu, żelaza, a czasem także krzemu [2]. W przypadku wykorzystania alg morskich ważne jest też stężenie soli (NaCl) w pożywce. Dla wielu gatunków alg morskich optymalne stężenie soli znajduje się w granicach 20-24 g NaCl na litr pożywki [1].

Rys. 2. Schemat fotobioreaktora rurowego
1 – wylot gazu z kolumny; 2 – dopływ powietrza do kolumny, 3 – dopływ „świeżej” pożywki, 4 i 5 – wymiennik ciepła (odpływ i dopływ czynnika chłodzącego), 6 – odbiór cieczy hodowlanej w celu oddzielenia biomasy alg [2]

Hodowla alg na skalę przemysłową
    Hodowla alg w zbiornikach otwartych to najprostsze i powszechnie stosowane rozwiązanie technologiczne.
    Obecnie w tym celu stosuje się najczęściej zbiorniki o kształcie „toru wyścigowego” (fot. 1, rys. 1) tzw. Open Raceway Ponds (skrót: ORPs), wyposażone w urządzenia niezbędne do kontroli i prowadzenia hodowli alg. ORPs są to płytkie zbiorniki o głębokości ~30 cm i powierzchni w granicach od 1000 do 5000 m2 [3]. Najprostsze rozwiązanie konstrukcyjne ORPs polega na wykonaniu wykopu w ziemi o odpowiednim kształcie i wyłożeniu go warstwą foli np. wykonanej z HDPE, zapewniającej zatrzymanie cieczy hodowlanej w zbiorniku. Jakkolwiek, obecnie większość ORPs wykonywana jest z betonu, co zapewnia im większą trwałość [2]. Duża powierzchnia i mała głębokość ORPs ma zapewnić komórkom alg optymalny dostęp do światła słonecznego. Ponadto, dla efektywnego wzrostu biomasy alg, bardzo ważne jest zapewnienie mechanicznego mieszania cieczy hodowlanej. W tym celu najczęściej wykorzystywane jest koło łopatkowe wymuszające ciągłą cyrkulację cieczy hodowlanej w zbiorniku. Substancje odżywcze, związki fosforu i azotu [4,5] są podawane do zbiornika przed kołem łopatkowym. Równoważny strumień cieczy hodowlanej do strumienia substancji odżywczych jest odbierany po drugiej stronie koła łopatkowego po zakończeniu pełnego obiegu cieczy w ORP (rys. 1). Powietrze (lub mieszanka powietrza z CO2) jest wprowadzane w postaci baniek do cieczy hodowlanej przez system perforowanych rurek znajdujących się na dnie zbiornika, wzdłuż drogi przepływu cieczy hodowlanej [5]. Rozważając wady i zalety hodowli alg w ORPs, podkreśla się, że największą zaletą jest stosunkowo niski koszt budowy tego typu zbiorników.

Fot. 2. Fotobioreaktor rurowy – układ horyzontalny [9]

Wady zbiorników otwartych
    Główną wadą zbiorników otwartych są duże straty wody na skutek jej parowania, szczególnie w okresie zwiększonej ekspozycji na promieniowanie słoneczne. Parowanie wpływa negatywnie na wzrost alg m.in. poprzez oddziaływanie na temperaturę hodowli i stężenie substancji odżywczych. Dlatego też ORPs są wyposażone w zestaw czujników monitorujących kluczowe parametry hodowli. Proces jest zautomatyzowany, dane uzyskiwane z czujników pozwalają racjonalnie sterować hodowlą alg. Kolejną wadą systemu otwartego jest możliwość kontaminacji hodowli organizmami żywiącymi się algami (zooplankton), wirusami lub organizmami konkurującymi z komórkami alg o substancje odżywcze. Podsumowując, zachowanie optymalnych warunków hodowli alg w ORPs jest bardzo trudne, stąd na ogół nie uzyskuje się dużych stężeń biomasy. Jest to źródłem następnego problemu – oddzielenia biomasy z strumienia cieczy o niskim stężeniu komórek, co znacznie podwyższa koszty produkcji biomasy alg w ORPs [6].

Hodowla w zbiornikach zamkniętych
    Zastosowanie systemów zamkniętej hodowli alg pozwala na rozwiązanie problemu parowania wody i ograniczenie ryzyka kontaminacji hodowli. Systemy te noszą nazwę fotobioreaktorów (skrót PBs). Najczęściej stosowane do hodowli alg są fotobioreaktory rurowe (rys. 2, fot. 2-4). Kluczowym jego elementem jest system rur wykonanych z materiału transparentnego dla światła, wewnątrz których przepływa ciecz hodowlana i następuje wzrost biomasy alg na drodze fotosyntezy. Rury te mają na ogół średnicę do 10 cm w celu zapewnienia maksymalnej penetracji światła do medium hodowlanego. Takie rozwiązanie pozwala na uzyskanie bardzo dużego stosunku powierzchni do objętości, co jest bardzo ważne dla efektywnej produkcji. Podobnie jak w przypadku ORPs kluczowym parametrem procesu hodowli alg jest zapewnienie mieszania cieczy hodowlanej. Jest ono uzyskiwane dzięki wymuszeniu cyrkulacji cieczy przez rury bioreaktora za pomocą pompy.
    Po każdym cyklu obiegu pożywki w PBs, część strumienia cieczy hodowlanej trafia do urządzeń, w których dokonuje się zbiór biomasy alg. Pozostała ciecz hodowlana wraca do zbiornika, w którym dodawana jest świeża porcja pożywki [2]. Prędkość przepływu cieczy jest kluczowym parametrem dla wydajnej produkcji biomasy. Jeśli będzie zbyt duża, zostanie skrócony czas trwania fotosyntezy w komórkach alg. Jeśli będzie za mała, komórki zaczną się osadzać na wewnętrznej powierzchni rur, co doprowadzi do zmniejszenia penetracji światła w głąb cieczy hodowlanej [7]. Podczas hodowli w ORPs powstający w czasie fotosyntezy tlen nie stanowi problemu gdyż bezpośrednio ze zbiorników trafi a do atmosfery. W PBs rosnące w czasie trwania hodowli w pożywce stężenie tlenu może doprowadzić do zahamowania wzrostu lub zatrucia komórek alg. Hodowla po każdym cyklu musi przejść przez kolumnę „degazującą”, w której dzięki przepływowi przez pożywkę bąbelków powietrza zostaje usuwany O2, jednocześnie wprowadzany jest do niej CO2. Ponadto, PBs wymagają w ciągu dnia chłodzenia, a w ciągu nocy okresowego grzania. W celu zapewnienia optymalnej temperatury wymienniki ciepła mogą być umieszczone albo w rurach, albo w kolumnie degazującej.

Fot. 3. Fotobioreaktor rurowy – układ wertykalny [10]

Zbiorniki otwarte czy zamknięte?
    PBs dzięki zastosowanym rozwiązaniom pozwalają na uzyskanie plonu biomasy alg, nawet do 13 razy większego niż w zbiornikach ORPs. W związku z tym koszty oddzielenia biomasy z hodowli o znacznie większym stężeniu komórek niż w ORPs są diametralnie niższe w przypadku hodowli w PBs [7]. Jakkolwiek, hodowla w PBs ma też swoje wady. Koszty konstrukcji PBs są wyższe niż ORPs. Natrafia się także na problemy związane z zachowaniem wydajnej produkcji biomasy podczas zwiększania skali PBs. Problemem jest również konieczność przeciwdziałania osadzaniu się komórek alg na wewnętrznych ściankach rur, co ma negatywny wpływ na penetrację światła do ich wnętrza [2]. Istotną zaletą PBs w porównaniu do ORPs jest możliwość budowy zakładu produkcyjnego zajmującego znacznie mniejszy teren.
    Żadne z zaprezentowanych rozwiązań nie jest pozbawione istotnych wad ograniczających zdolności produkcyjne biomasy alg. Mimo wszystko technologia jest intensywnie rozwijana, o czym świadczy rosnąca liczba budowanych i eksploatowanych w tym celu instalacji pilotażowych, np. przez członków European Algae Biomass Association [8]. Jeżeli dzięki m.in. tym badaniom uda się obniżyć koszty produkcji biomasy alg i jej przerobu, w przyszłości algi mogą stanowić jedno ze znaczących źródeł biodiesla wykorzystywanego w sektorze transportowym.

Fot. 4. Fotobioreaktor kolumnowy [11]

Literatura:
1. http://www.growing-algae.com/algae-growing-conditions.html
2. Wen, Z. i M. B. Johnson. 2009. Microalgae as a feedstock for biofuel production. Virginia cooperative Extension. Virginia State University, VirginiaTech, Invent the Future. Publication 442-886.
3. Travieso, L., Hall, D., Rao, K., Benítez, F., Sánchez, E., Borja, R. 2001. A helical tubular photobioreactor producing Spirulina in a semicontinuous mode. International Biodeterioration & Biodegradation. 47: 151–155.
4. Sheehan, J., Dunahay, T., Benemann, J., Roessler, P., 1998. A Look Back at the U.S. Department of Energy’s Aquatic Species Program—Biodiesel from Algae. Report, U.S. Department of Energy’s Offi ce of Fuels Development. Colorado, United States.
5. Van Harmelen, T. i H. Oonk. 2006. MICROALGAE BIOFIXATION PROCESSES: Applications and Potential Contributions to Greenhouse Gas Mitigation Options. Report, International Network on Biofi xation of CO2 and Greenhouse Gas Abatement, The Netherlands.
6. Molina Grima, E., Acien Fernandez, F., Garcia Camacho, F., Chisti, Y., 1999. Photobioreactors: Light regime, mass transfer, and scale up. Journal of Biotechnology 70: 231–47.
7. Chisti, Y. 2007. Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances 25: 294–306.
8. European Algae Biomass Association web site: http://eaba-association.eu/members.php
9.http://www.sardi.sa.gov.au/information_and_news/media_release_archive/2010_media_releases2/new_facility_powers_biofuel_ research
10.http://www.en.newenergylive.com/news/Largest-Microalgae-Industrial-BaseWorldwide-To-Be-Built-in-Shilin-of-China_bendany_ 76_1781_1.html
11. http://earthsky.org/energy/biofuel-production-has-potential-inu-s-southwest

Autor Hubert Cieśliński, Politechnika Gdańska

Artykuł został opublikowany w magazynie "Chemia Przemysłowa" nr 3/2012

Źródło fot.: www.photogenica.pl

 

Strona używa plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies. OK, AKCEPTUJĘ