Nowe tendencje w produkcji biopaliw

Szczegóły

Kategoria: Ochrona środowiska

Mikroalgi stały się obecnie jednym z najbardziej obiecujących źródeł energii odnawialnej. Są dobrym źródłem biomasy ze względu na szybkie tempo wzrostu oraz stosunkowo dużą zdolność do wiązania dwutlenku węgla. Ich hodowlę można prowadzić w bioreaktorach lub stawach.

Wykorzystywane obecnie biopaliwa są produkowane z roślin oleistych, takich jak rzepak, soja, olejowiec gwinejski, kukurydza, jatrofa, jak rownież ze zużytego oleju konsumpcyjnego. Wprawdzie wykorzystanie zużytych olei roślinnych wydaje się działaniem trafnym, to już stosowanie olei czystych powoduje niekorzystną, z punktu widzenia sektora rolniczego i przemysłu spożywczego, konkurencję o zasoby ziemi. W 1950 roku, w raporcie projektu MIT (Massachusetts Institute of Technology) pojawiła się sugestia, dotycząca wykorzystania, wcześniej nie branych pod uwagę jako źródło paliw, mikroorganizmów roślinnych – alg. Są to eukariotyczne fotosyntetyzujące mikroorganizmy, które szybko rosną, znoszą trudne warunki hodowli, posiadają prostą budowę komórkową. Stanowią grupę organizmów plechowych, najczęściej samożywnych, żyjących w środowisku wodnym lub miejscach wilgotnych. Substancje zawarte w ich strukturach komórkowych, dają dużą możliwość wykorzystania w produkcji bioenergii. W zależności od zastosowanych składników komórkowych z mikroalg można otrzymać: biometan produkowany przez beztlenowe trawienie biomasy alg, biodiesel powstający z oleju pozyskanego z alg, czy bioetanol wytwarzany w procesie fermentacji.

Produkcja biomasy z alg wymaga dużej ilosci światła, dwutlenku węgla, wody i soli mineralnych, a temperatura hodowli powinna się zamykac się w granicach 20-30ºC. Minimalne wymagania pokarmowe są określane poprzez zastosowanie odpowiedniej formuły cząsteczkowej biomasy mikroorganizmów, która jest następująca: CO-0,48 H-1,83 N-0,11 P-0,01. Biogeny, takie jak fosfor muszą być dostarczone w nadmiarze, ponieważ pierwiastek ten tworzy kompleksy z jonami żelaza i, po dodaniu do podłoża, nie jest w całości dostępny dla mikroorganizmów. Biomasa glonów zawiera średnio 50 proc. węgla w suchej masie, który pochodzi z dwutlenku węgla, niezbędnego do ich wzrostu.

W hodowli mikroalg możemy wyróżnić dwie główne metody, są to hodowle otwarte (stawy hodowlane – naturalne i sztuczne) i zamknięte (w fotobioreaktorach). Różnią się one wydajnością, kosztami budowy i utrzymania, jak również warunkują możliwość hodowli konkretnych gatunków glonów.

Otwarte stawy do hodowli alg mogą mieć formę zamkniętej pętli recyrkulacyjnej tworzącej kanał o niedużej głębokości. Takie systemy są stosunkowo tanie w budowie i utrzymaniu, proste w obsłudze i kontrolowaniu takich parametrów życiowych, jak temperatura, nasycenie tlenem i odczyn pH. Z drugiej strony cechują się dość dużą utratą wody i dwutlenku węgla z układu oraz znacznym zanieczyszczeniem i skażeniem środowiska. Wymagają również dość rozległych powierzchni produkcyjnych i są zależne od warunków klimatycznych. Najczęściej uprawianymi gatunkami w otwartych stawach są glony z rodzaju Spirulina, Chlorella i Dunaliella.

Fotobioreaktory zapewniają dużą wydajność produkcji, ale wymagają wysokich kosztów budowy i utrzymania. Są budowane z materiałów przepuszczających światło. Wyróżnia się trzy typy fotobioreaktorów:

• pionowo – kolumnowe,
• cylindryczne,
• płaskie (panelowe).

Światło jest podstawowym parametrem warunkującym wzrost mikroalg. Stosuje się zarówno fotobioreaktory z dostępem światła słonecznego, jak i oświetlane źródłami sztucznymi. Wewnątrz urządzenia można wyróżnić strefę jasną – blisko źródła światła oraz strefę ciemną – daleko od naświetlanej powierzchni. Aby zapewnić algom właściwe warunki świetlne, w niektórych bioreaktorach używane są specjalne panele emitujące światło w zakresie czerwieni. Odpowiednie warunki świetlne, a także właściwa hydrodynamika gazowo - cieczowa warunkują intensywny wzrost mikroorganizmów, jak i dużą produkcję biomasy. Ważne jest również tempo aeracji lub cyrkulacji medium, zapewniające właściwe krążenie komórek między strefą świetlną i strefą zmroku reaktora, w pewnej częstotliwości i w regularnych odstępach. Sedymentację biomasy w fotobioreaktorach ogranicza się przez ciągły intensywny przepływ, z wykorzytaniem pomp lub przy pomocy napowietrzania. Ważnym elementem w hodowli alg w fotobioreaktorach jest dobór odpowiedniego stężenia gazów O₂ i CO₂. Przy zbyt wysokim stężeniu tlenu może dojść do zahamowania fotosyntezy, natomiast nadmierne zużywanie dwutlenku węgla przez te mikroorganizmy może powodować zmiany pH, i tym samym spowolnić wzrost biomasy. Pewnym utrudnieniem są też straty biomasy na skutek oddychania organizmów w ciągu nocy, które mogą być ograniczone poprzez obniżenie temperatury w fotobioreaktorze.

Plonowania alg można dokonać niezależnie od pory roku, gdy gęstość zawiesiny komórek w medium hodowlanym osiągnie odpowiednią wartość. Oddzielanie biomasy z zawiesiny hodowlanej może przebiegać poprzez jej filtrację lub wirowanie. Biopaliwa płynne z alg wytwarza się poddając pozyskaną biomasę procesom:

• termochemicznym (piroliza, hydrogenacja, przeprowadzanie w stan ciekły, gazyfikacja), prowadzącym do powstania, np. bioolejów
• biochemicznym (fermentacja, transestryfikacja), prowadzącym do powstania biodiesla i bioetanolu.

Stosowana w praktyce metoda nie może być zbyt kosztowna, by nie zwiększać ceny produktu końcowego. Jednocześnie powinna gwarattować maksymalne wykorzystanie potencjału hodowlanego. Należy jednak mieć na uwadze fakt, że w trakcie zbiorów komórki glonów nadal żyją i oddychają, a zużywając wartościowy materiał zapasowy – substrat biopaliw, obniżają plon właściwy. W związku z tym, obiecującą wydaje się być metoda chemicznej lub biologicznej flokulacji komórek, przy czym nadal konieczne jest znalezienie i przebadanie najskuteczniejszych i najtańszych czynników flokulujących. Jeśli celem hodowli jest bioremediacja atmosfery z CO₂, wówczas zebrany plon najlepiej zabezpieczyć tak, by nie uległ rozkładowi np. w wiecznej zmarzlinie.

Algi w Polsce

            Hodowla mikroalg na dużą skalę wymaga spełnienia warunków dla określonego typu glonów. W celu uzyskania jak najlepszych parametrów hodowli konieczne jest zapewnienie następujących warunków:

• wysokie nasłonecznienie,
• optymalne warunki klimatyczne (gorące lato i umiarkowanie deszczowa zima),
• niezbyt zróżnicowane ukształtowanie terenu,
• bliski dostęp do morza,
• bliski dostęp do elektrowni węglowej.

W Europie najlepsze warunki do hdowli alg, występują w południowo-wschodnich i południowo- zachodnich prowincjach Hiszpanii (Huelva, Cadiz, Sevilla, Murcia, Walencja) oraz we włoskiej prowincji Puglia.

Polska nie posiada tak korzystnych warunków geograficznych, jednakże prowadzone są badania w zakresie hodowli i oceny energetycznej glonów. Przykładem może być projekt „Środowiskowe Laboratorium Energii Odnawialnej”, realizowany w ramach Programu Operacyjnego Rozwój Polski Wschodniej 2007-2013 przez Instytut Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego Polskiej Akademii Nauk w Lublinie. Jego istotną częścią jest stworzenie infrastruktury do badań nad biopaliwami II i III generacji, m.in. z wykorzystaniem biomasy alg. Zagadnienia związane z wykorzystaniem mikroalg do celów energetycznych podejmowane są również w ramach Programu Strategicznego „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii: Opracowanie technologii spalania tlenowego dla kotłów pyłowych i fluidalnych zintegrowanych z wychwytem CO2”.

Glony cieszą się obecnie bardzo dużym zainteresowaniem jako potencjalne substraty do produkcji paliw i innych cennych substancji. Zaletą użycia mikroalg do produkcji biopaliw jest wysoki potencjał wiązania dwutlenku węgla i szybkie tempo wzrostu. Organizmy te mogą rosnąć w fotobioreaktorach lub otwartych zbiornikach, zawierają wiele składników komórkowych, które mogą zostać wykorzystane do produkcji biopaliw: skrobię (bioetanol), oleje (biodiesel). Za ich zastosowaniem przemawia też fakt, że mikroorganizmy te absorbują i przetwarzają substancje emitowane do atmosfery w tym azotany i fosforany niezbędne do ich rozwoju, co często przyczynia się do ochrony środowiska przed ich nadmierną ilością. Biomasa mikroalg może być poddawana konwersji zarówno biochemicznej jak i termochemicznej. Rozwój produkcji alg w pobliżu elektrowni węglowych, które emitują do atmosfery duże ilości dwutlenku węgla, oczyszczalni ścieków, chlewni czy ferm drobiu mógłby przyczynić się do rozwiązania problemów zanieczyszczenia atmosfery i środowiska glebowego.

Oprac. Joanna Radziewicz

Literatura:

1. Zabochnicka-Świątek M., Bień J.,Ligienza A.: Wykorzystanie biomasy mikroalg do produkcji biopaliw płynnych.
2. Och B., Łaska G.: Mikroalgi substratem do produkcji biopaliw.
3. Lasek J., Plis A.: Moda na algi.