Biomasa z mikrorias ako alternatívna surovina pre výrobu bioplynu

Głowacka1,2 N., Gaduš1 J.

1. Katedra regionálnej bioenergetiky, Fakulta európskych štúdií a regionálneho rozvoja, Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre, Slovensko
xglowacka@is.uniag.sk, jan.gadus@uniag.sk
2. Environmental Institute, s.r.o., Koš, Slovensko
glowacka@ei.sk

Abstrakt

Tento článok skúma možný potenciál zelených mikrorias, ktoré by v budúcnosti mohli nahradiť štandardne používanú kukuričnú siláž na výrobu bioplynu. Intenzívne budovanie nových zariadení na výrobu bioplynu po celej Európe a nedostatok plôch ornej pôdy na kultiváciu biomasy vhodnej na výrobu bioplynu sú základnými dôvodmi na hľadanie alternatívnych vstupných surovín na výrobu energie ako náhrady za kukuričnú siláž. Pri porovnaní zelených mikrorias s tradičnými plodinami je možné vyzdvihnúť ich vysoký potenciál produktivity (vysoký obsah oleja), ako aj možnosť ich pestovania počas celého roka a nenáročnosť na potrebné produkčné plochy. V súčasnosti sa na kultiváciu rias používa celý rad technologických systémov, niektoré z nich sú ešte stále vo fáze vývoja. Je potrebné hľadať účinné spôsoby na výrobu biomasy z mikrorias vhodných na energetickú konverziu pri zabezpečení ekonomických požiadaviek, ako aj cieľov týkajúcich sa ochrany životného prostredia. Priebežné výsledky výskumov uvedené v tomto článku naznačujú, že mikroriasy sú vhodným alternatívnym materiálom na výrobu bioplynu využívajúc metódy anaeróbnej digescie.

 Kľúčové slová

mikroriasy; biomasa; kultivácia; bioplyn; metán; produktivita

 ÚVOD

Svetové zásoby tradičných fosílnych palív vrátane ropy pri neustálom narastaní potrieb energie veľmi rýchlo klesajú. Aktuálna spotreba spôsobuje ekologické problémy, preto je iba otázkou času, dokedy budú fosílne palivá dostupné za nízke ceny. Globálne otepľovanie, zvyšovanie cien ropy a ropných produktov spôsobujú znižovanie energetickej bezpečnosti, čo je dôvodom, prečo sa výskumníci v súčasnosti zameriavajú na výrobu obnoviteľnej energie z mikrorias (Mobin et al., 2014). Mikroriasy majú potenciál stať sa náhradou tradičných plodín (repkové semeno, kukuričná siláž) z dôvodu rýchleho rastu a ich vysokej fotosyntetickej účinnosti. Biomasu rias je možné kultivovať v celom rade rozličných typov fotobioreaktorov, vodných nádrží alebo skleníkov.

1 VÝROBA BIOMASY Z MIKRORIAS

Spolu so sinicami, mikroriasy ako primitívne rastliny sú tie najjednoduchšie nekomplikované autotrofné organizmy (väčšinou mikroskopickej veľkosti) s nenáročnými požiadavkami na rast a zvyšujúcim sa tempom rastu v závislosti na podmienkach prostredia vytvorených v bioreaktore. Kľúčovými faktormi pre riadenie rastu rias sú: voda, svetlo, CO2, optimálna teplota a pomer N:P:K. Pri mikroriasach zaznamenávame oveľa vyššiu produktivitu v porovnaní so štandardnými poľnohospodárskymi plodinami. Počas najdôležitejšej fázy rastu rias – exponenciálnej fázy – je možné sledovať zdvojnásobenie biomasy v čase kratšom ako 3,5 hodiny. Mikroskopické riasy dokážu naviazať a využiť odpadový oxid uhličitý (CO2), 1 kg suchej biomasy z rias využije približne 1,83 kg CO2 (Brennan et al., 2009). Mikroriasy je možné považovať za vhodný substrát pre anaeróbnu digesciu z dôvodu vysokej produktivity biomasy a zníženej potreby využívania ornej pôdy. Výber optimálnych kmeňov rias vedie k rýchlejšej premene biomasy na metán. Pri výbere vhodného kmeňa mikroriasy je jedným z najdôležitejších parametrov charakteristická konštrukcia bunkovej steny mikroriasy, ktorá rozhoduje o účinnosti anaeróbneho procesu. Niektoré druhy nemajú bunkovú stenu, niektoré mikroriasy majú stenu pozostávajúcu z proteínu bez celulózy alebo hemicelulózy a tieto parametre zohrávajú kľúčovú úlohu pri ľahšej odbúrateľnosti. Pri výbere druhov mikrorias pre anaeróbnu digesciu je nutné zobrať do úvahy aj iné parametre, napr. produktivitu a citlivosť na kontamináciu. V prípade, že vybrané druhy mikrorias majú silnú bunkovú stenu a sú odolné voči procesu anaeróbnej digescie, je potrebné ich upravovať pred samotným použitím ako suroviny v prevádzke na výrobu bioplynu.

Vzhľadom na vysokú fotosyntetickú účinnosť a intenzívny rast v súvislosti s kultiváciou mikrorias prebieha štúdium zelených rias ako sľubnej suroviny na výrobu palív a chemikálií. Kultivácia biomasy rias pre výrobu biopaliva predstavuje zaujímavý biomateriál pre výskumníkov na celom svete (Sarkar et al., 2015).

Úspešná kultiváciu mikrorias si vyžaduje znalosti ekológie rias, aby bolo možné zaistiť presné podmienky ich rastu. Bolo vypočítané (Benemann et al., 2013), že množstvo výroby suchej hmoty mikrorias na svete predstavuje hodnotu 15 000 t/rok. Biomasa mikrorias sa nezbiera iba z prírodného prostredia (voda), ale aj z umelých kultivačných zariadení (vodné nádrže) a fotobioreaktorov.

Jedným z najdôležitejších faktorov pre celkový úspech pestovania rias je výber vhodného a najvýkonnejšieho kmeňa rias (Bruton et al., 2009). Základnými požiadavkami na kultiváciu mikrorias sú:

-       Intenzita svetla – jeden z najdôležitejších parametrov, hustota kultúry je obmedzená z dôvodu dostupnosti svetla, je nepriamo úmerná vzdialenosti, cez ktorú svetlo musí prejsť;

-       Teplota a regulácia pH – pre každý druh rias existuje iný optimálny rozsah teploty a pH;

-       Eliminácia kyslíka – mikroriasy produkujú kyslík primerane k ich rastu (mal by byť odstránený z dôvodu toxicity);

-       Prísun CO2 - účinné zachytenie oxidu uhličitého je dôležitou časťou návrhu systému na pestovanie rias;

-       Cirkulácia kultúry – ovplyvňuje elimináciu kyslíka, šírenie svetla, zníženie organickej hmoty.

Rastové médium (kultivačné prostredie) musí zabezpečiť dodávanie dôležitých anorganických faktorov, ktoré sú v ďalšom procese hlavnými komponentmi, ktoré budujú bunky mikrorias, sú nimi:dusík, fosfor, draslík a železo.Chemický odhad minimálneho obsahu živín, ktoré je potrebné zabezpečiť pre kultiváciu, je uvedený podľa molekulárneho vzorca špecificky vytvoreného pre biomasu rias:CO0.48H1.83N0.11P0.01 (Chisti, 2007).

Zloženie biomasy mikrorias je možné ovplyvniť prispôsobením podmienok ich rastu vytvorených vo fotobioreaktore.Táto zmena (prispôsobenie) sa vyskytuje pri nahromadení živín v tých prípadoch, kde sú riasy pestované v rastovom prostredí, v ktorom je nedostatok živín v porovnaní s optimálnou potrebou.

V rámci nášho pokusu bola biomasa rias druhu Chlorella sorokiniana kultivovaná a pestovaná v laboratóriu Environmental Institute, Koš (Slovensko) v rámci biotechnologického procesu uskutočneného v rastovom médiu so všetkými základnými parametrami uvedenými vyššie.Pre kultiváciu rias bol použitý 10-litrový bioreaktor, ktorý bol neskôr nahradený 100-litrovým bioreaktorom (10 litrov suspenzie rias bolo pridaných do 90 litrov kultivačného médiá) pri udržiavaní optimálnej teploty v rozsahu 25°C – 28°C. Teplota vytvorená v bioreaktore môže mať vplyv na chemické zloženie buniek rias.Aby bolo možné vytvoriť čo najpriaznivejšie podmienky pre rast rias, pH bolo regulované na úrovni medzi 7.0 – 7.3.Miešanie a cirkulácia (pridaním CO2) kultúr rias v bioreaktore bolo dôležité na odstránenie vysokej hladiny kyslíka, ktorý je pre riasy škodlivý.Úroveň svetla bola udržiavaná na požadovanom pomere za účelom riadenia procesu fotosyntézy 16:8 (svetlo:tma) (Glowacka et al., 2016).

Obr. 1  Pestovanie biomasy z riasy druhu Chlorella sorokiniana v bioreaktore (autor)

 Obr. 2 Zber a zhromažďovanie biomasy riasy druhu Chlorella sorokiniana (autor)

Obr. 3 Vysušená biomasa riasy druhu Chlorella sorokiniana (92,69% suchej hmoty) (autor)

2 Výskum výroby bioplynu z mikro rias

Pre účely realizovania porovnávacích testov výdatnosti rôznych zmesí vstupnej biomasy boli navrhnuté, vyrobené a na pracovisku Katedry regionálnej bioenergetiky FEŠRR SPU v Nitre v Kolíňanoch nainštalované experimentálne fermentory pre tzv. dávkové (batch) pokusy. Tieto fermentory majú  nasledovné základné parametre: nerezová nádrž s dvojitým plášťom, s čistým objemom 100 l, s elektrickým ohrevom vykurovacej vody, s digitálnou reguláciou teploty s presnosťou ± 0,5oC a elektrickým pomalobežným miešadlom s možnosťou nastavovania času miešania a prestávok (12 cyklov za deň  v trvaní 20-30 minút).

Konštrukčné usporiadanie fermentorov umožňuje realizáciu tzv. dávkových (batch) testov pre stanovenie výdatnosti produkcie bioplynu z rôznych, aj zmesových vstupných materiálov. Vyprodukované množstvo bioplynu sa kontinuálne meria a zaznamenáva plynomerom pre malé prietoky Ritter s automatickým záznamom (využívajúc software RIGAMO). Fermentor je vybavený ventilmi umožňujúcimi odber substrátu počas experimentu k realizovaniu chemických rozborov, ako aj na analyzovanie zloženia produkovaného bioplynu (viď schému Obr. 4).

Každý experiment zameraný na zisťovanie výdatnosti bioplynu skúmaného substrátu je realizovaný v dĺžke 30 dní.

Obr. 4 Technologická schéma experimentálneho fermentora 100 l

Obr. 5  Usporiadanie 100 l fermentorov s plynomermi Ritter (autor)

3 Výsledky 

Ako príspevok k hľadaniu možných alternatívnych vstupných materiálov pre produkciu bioplynu bola pre výskum zvolená testovaná biomasa – zahustené mikroriasy, druhu Chlorella sorokiniana, dopestované v malých bioreaktorochv celkovom množstve 2,3 l. Pripravená vstupná surovina je ukázaná na fotografii Obr. 2. Fermentor bol naplnený inokulom odobratým z fermentora bioplynovej stanice v objeme 97 l a následne boli pridané mikro riasy (Obr. 6). Pokus bol realizovaný v období od 06. 06. 2016 do 06. 07. 2016, t.j. v trvaní 30 dní.

Po uzavretí fermentora bol nastavený automatický režim kontroly ohrevu na teplotu 40 oC ±1 oC, ako aj automatický režim záznamu kumulatívnej produkcie bioplynu v riadiacom programe plynomeru pre malé množstvá od firmy Ritter. Hodnota produkcie bioplynu sa zaznamenávala každú hodinu. Spracované výstupy jednotlivých sledovaných parametrov sú uvedené v nasledujúcich tabuľkách a grafoch.

Kumulatívnu produkciu bioplynu je vidieť v grafe na obrázku Obr. 7. Celkovo bolo zo substrátu vo fermentore vyprodukovaných za 30 dní 289,6 l bioplynu, pričom príspevok k produkcii bioplynu 97 l samotného inokula bol 124,8 l. Priebeh zloženia bioplynu je vidieť na grafe na Obr. 8. 

Obr. 6 Substrát: inokulum + mikroriasy po naplnení do fermentora (autor)

Obr. 7 Kumulatívna produkcia bioplynu počas experimentu s mikroriasami

 

Obr. 8 Priebeh obsahu metánu, oxidu uhličitého a sírovodíka v bioplyne

Experiment potvrdil, že zahustené mikroriasy sú veľmi dobrou surovinou na produkciu bioplynu metódou mokrej fermentácie. Boli dosahované prijateľné priemerné hodnoty obsahu metánu v bioplyne a to 50,38 % objemových a aj nízke hodnoty sírovodíka v priemere 105,83 ppm. Teda tento bioplyn by vyžadoval pred použitím v kogeneračnej jednotke minimálne odsírovanie (na hodnotu nižšiu ako 100 ppm).

Počas 30 dňového pokusu v experimentálnom fermentore, bola dosiahnutá celková produkcia bioplynu 289,6 l, čo predstavuje priemernú dennú produkciu 9,653 l/deň. Priemerná hodnota pH vo fermentore bola 6,93 a teplota 39,37oC počas celej doby trvania experimentu.

Pri prepočte dávky biomasy na hodnotu suchej hmoty na základe zistenia obsahu suchej hmoty (TS hm. %) zahustených mikrorias, ktorá bola 3,28 %, bola dávka suchej hmoty a organickej suchej hmoty mikrorias  (SH, OSH) do fermentora nasledovná:

Dávka SH = 0,0754 kg SH mikrorias

Dávka OSH = 0,0705 kg OSH mikrorias

Potom priemerná celková produkcia bioplynu (BP) na jednotku suchej hmoty biomasy mikrorias predstavuje:

Produkcia BP = 2,186 m3/ kg SH

Produkcia BP = 2,338 m3/ kg OSH

Pre porovnanie uvádzame výsledky získané počas rovnakého experimentu len použitím 97 l hnojovice (zloženie 80 % hnojovica od ošípaných, 20 % slamnatý maštaľný hnoj od hovädzieho dobytka). Výsledky je možné vidieť v tabuľke Tab.1. Celková produkcia bioplynu bola dosiahnutá 124,80 l bioplynu, pri prepočte na jednotku suchej hmoty použitého vstupného materiálu (obsah suchej hmoty v hnojovici bol SH = 1,17 hm.%)  bola dosiahnutá produkcia bioplynu 0,0333 m3/kg SH pri zložení s priemerným obsahom metánu 48,89 %.

Tab. 1 Priemerné prepočítané hodnoty produkcie bioplynu a zloženia bioplynu

Vstupný substrát Celková produkcia BP

 

(l)

Priemerná dávka SH substrátu

 

(kg)

Priemerná celková produkcia BP na jedn. SH

(m3/kg SH)

Priemerný obsah metánu

 

(Obj. %)

Priemerný obsah oxidu uhličitého

 

(Obj. %)

Priemerný obsah sírovodíka

 

(ppm)

Mikroriasy 2,3 l 164,8 0,0754 2,186 50,38 45,10 105,83
Hnojovica 97 l 124,8 1,135 0,1099 48,89 43,10 95,27
Kukuričná siláž 3 kg 704,94 0,9876 0,7138 53,98 40,40 315,17

 4 ZÁVER

 

Rozvoj počtu inštalácií zariadení na výrobu bioplynu v Európskej únii má neustále zvyšujúcu sa úroveň. Preto je nevyhnutné hľadať vhodné náhrady štandardne používanej kukuričnej siláže. Ako naše pokusy ukazujú, veľmi perspektívnou alternatívou môžu bez zelené mikroriasy.

Ďalším dôležitým faktorom je vysoko pozitívna rola mikro rias pre životné prostredie. Čím skôr ľudia budú akceptovať ich cenný dopad na životné prostredie a na človeka, tým skôr sa podarí vyriešiť závažné problémy a otázky týkajúce sa životného prostredia (Chand et al., 2000). Výskumné metódy kultivácie a energetickej konverzie biomasy z mikrorias prispejú k neustále sa rozširujúcim možnostiam použitia aj digestátu z bioplynových zariadení a k zvýšeniu ich ekonomickej efektívnosti. Výsledky prezentovaného výskumu prispejú k ďalšiemu rozvoju komplexného programu využitia všetkých foriem obnoviteľnej energie v Európskom priestore.

5 Literatúra

Mobin S., Alam F., 2014. Biofuel Production from Algae Utilizing Wastewater, 19th Australasian Fluid Mechanics Conference, Melbourne, Australia.

Brennan L., Owende P., 2009. Biofuels from microalgae – A review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Elsevier. doi:10.1016/j.rser.2009.10.009.

Sarkar O., Agarwal M., Kumar A. N., Mohan S. V., 2015. Retrofitting hetrotrophically cultivated algae biomass as pyrolytic feedstock for biogas, bio-char and bio-oil production encompassing biorefinery. Bioresour. Technol. 178, 132-138.

Benemann, J., 2013. Microalgae for biofuels and animal feeds. Energies, 6(11), 5869-5886.

Bruton T., Lyons H., Lerat Y., Stanley M., Rasmussen M.B., 2009. A review of the potential of marine algae as a source of biofuel in Ireland. Dublin: Sustainable Energy Ireland; p. 88.

Chisti Y., 2007. Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances; 25(3):294–306.

Glowacka, N., Gadus, J., Kiss, G., Slobodnik, J. 2016. Potential of microalgae biomass for biogas production, 6th International Scientific Conference May 31-June 2, 2016 Tatranské Matliare, Renewable Energy Sources 2016 High Tatras, Slovak Republic.

Chand, R. L., Kumar, H. D., Mohn, F. H. and Soeder, C. J. 2000. Services of algae to the environment, Journal of microbiology and biotechnology (J. microbiol. biotechnol.) ISSN 1017-7825, (2000). vol. 10, no2, pp. 119-136.

Janíček, F., Daruľa, J., Gaduš, J., et al.  2007. Obnoviteľné zdroje energie 1 : technológie pre udržateľnú budúcnosť. 1. vyd. Bratislava : Slovenská technická univerzita, 2007. 166 s. ISBN 978-80-969777-0-3.

Tento obsah bol zaradený v Agrobioenergia číslo 1/2017. Zálohujte si trvalý odkaz.

Komentáre sú uzavreté.