Skomentuj 
Podziel się!
Udostępnij
Twittnij
Wyślij
Drukuj
Mikroalgi mogą stanowić przyszłościowy surowiec do wytwarzania biopaliw
Ponieważ implementacja biopaliw jest zagadnieniem bardzo złożonym i nie ogranicza się jedynie do kwestii technicznych, dlatego coraz częściej podkreśla się aspekty ekonomiczne i etyczne ich zastosowania [3]. W celu uzyskania możliwie najkorzystniejszych rozwiązań pod względem społeczno-ekonomicznym i środowiskowym rośliny przeznaczone do produkcji biopaliw muszą być uprawiane w sposób przyjazny dla środowiska. W procesie produkcji konieczne jest przestrzeganie kryteriów zrównoważonego rozwoju, a opracowywane technologie pozyskiwania biopaliw powinny gwarantować zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych (GHG), w tym ditlenku węgla, w całym cyklu życia lub optymalne jego zbilansowanie na etapie wytwarzania i produkcji, a następnie jego spalania[2]. Równie istotne jest, aby sposób prowadzenia upraw surowców energetycznych nie powodował zagrożenia dla różnorodności biologicznej [4].
Uprawa roślin energetycznych nie może również stanowić konkurencji dla roślin typowo spożywczych, zarówno pod względem przeznaczenia samego surowca, jak i pod względem przeznaczenia terenów pod ich uprawę (ang. food competition, ground competition). Jest to związane przede wszystkim z obawą przed wzrostem cen żywności, a także sprzeciwem wobec przeznaczania upraw na cele energetyczne podczas wzrastającego zapotrzebowania na żywność w wielu regionach świata dotkniętych głodem.
Dla rozwoju biopaliw niezbędne jest znalezienie odpowiedniego surowca. Wśród najważniejszych kryteriów wyboru wskazać można: niskie koszty upraw, brak konkurencji z innymi uprawami, brak przeznaczenia na cele spożywcze, brak zagrożenia zmniejszaniem areałów rolnych oraz brak negatywnego wpływu na środowisko naturalne [3].
Co to są mikroalgi?
Mikroalgi są to mikroskopijne organizmy, wielkości ok. kilku mikrometrów, których ciało stanowi pojedyncza komórka. Rozwijają się w środowisku wodnym lub wilgotnym. Zależnie od gatunku mogą się rozwijać w wodzie słodkiej, słonej (możliwość wykorzystania zasobów wody morskiej i oceanicznej do ich hodowli), a także zanieczyszczonej, gdzie sprzyjają bioremediacji. Istnieje szereg cech odróżniających mikroalgi od innych źródeł pozyskiwania biomasy, które jednocześnie czynią je jednym z bardziej atrakcyjnych surowców energetycznych do produkcji biopaliw.
Mikroalgi mają szczególne znaczenie ze względu na szybki przyrost biomasy. W optymalnych warunkach podwajają masę w 24h. Umożliwia to wielokrotne zbiory w roku, czego nie gwarantują rośliny naziemne, których plony są najczęściej zbierane 1-2 razy w roku [5]. Szybki wzrost sprawia, że organizmy te pochłaniają duże ilości ditlenku węgla, chroniąc środowisko przed nadmierną ilością tego gazu w atmosferze. Na wytworzenie 1 kg biomasy potrzebują ok. 1,83 kg CO2 [6]. A zatem zgodnie z wymaganiami stawianymi przyszłościowym biopaliwom proces ich hodowli uwzględnia procesy CCS (carbon capture and storage), a mikroalgi mogą być wykorzystane w procesie biosekwestracji. Należy podkreślić, że najważniejszym kryterium przydatności w procesie sekwestracji jest szybkość wzrostu, a nie bezpośrednio ilość pochłanianego ditlenku węgla.
Badania cyklu życia (LCA) hodowli mikroalg wskazują, że w porównaniu do niektórych konwencjonalnych roślin energetycznych wykazują one większy niekorzystny wpływ na środowisko naturalne, przede wszystkim w kontekście zużycia wody i energii. Jednak w celu tego zrekompensowania, mogą zostać wykorzystane w procesie sekwestracji CO2 bezpośrednio w miejscu jego emisji lub do oczyszczania ścieków, będących jednocześnie źródłem niezbędnych składników odżywczych [7]. Wstępne wyniki obliczeń cyklu LCA wykazały, że prowadzona w ten sposób hodowla jest zgodna z zasadą zrównoważonego rozwoju. Poza zminimalizowaniem negatywnego wpływu na środowisko hodowla taka jest znacznie wydajniejsza pod względem ekonomicznym, gdyż opiera się o łatwo dostępne źródła CO2 i składników odżywczych [8].
Technologie
Pochłonięty w procesie fotosyntezy CO2 zostaje przetworzony w komórkach mikroalg i wykorzystany do produkcji cząstek organicznych, węglowodanów, białek i tłuszczy. Mikroalgi przyciągają szczególną uwagę ze względu na produkcję dużych ilości olejów. Jednak warte uwagi są także węglowodany, których mikroalgi mogą być cennym źródłem. Niektóre gatunki magazynują w swoich komórkach duże ilości polisacharydów, stanowiących materiał zapasowy i budulec m. in. ścian komórkowych. Pozyskiwane z komórek algowych polisacharydy poddane hydrolizie (chemicznej lub enzymatycznej), rozłożone do cukrów prostych, poddane fermentacji prowadzą do otrzymania bioetanolu [9].
W zależności od gatunku, zawartość oleju w komórkach mikroalg może się wahać w szerokim zakresie i wynosić 20-75%. Większość lipidów zlokalizowana jest w błonie otaczającej komórkę i błonach otaczających organelle komórkowe. W tabeli 1 przedstawione zostały dane dotyczące zawartości olejów w komórkach wybranych gatunków mikroalg.
Mikroalgi zawierają więcej oleju w komórkach niż inne rośliny energetyczne takie jak kukurydza, rzepak, soja czy jatrofa. Ilość oleju produkowaną przez wybrane rośliny energetyczne przedstawia tabela 2.
Komórki mikroalg w swojej masie zawierają jedynie ok. 10% substancji stałych. Charakteryzują się dużą zawartości wody, 80-90%, i niską gęstością energetyczną. Wykorzystanie alg do produkcji energii wymaga zatem przeprowadzenia wstępnej obróbki surowca, polegającej na odwadnianiu i suszeniu. Szacuje się, że 20-30% całkowitych kosztów hodowli stanowi odzysk biomasy. W celu wyodrębnienia oleju stosuje się tłoczenie lub ekstrakcję. Obecnie najczęściej stosowaną metodą jest ekstrakcja chemiczna przy użyciu heksanu jako rozpuszczalnika. Jednak sposoby ekstrakcji są obecnie tematem szeroko dyskutowanym i zależą głównie od założonego produktu finalnego [10].
Biomasę mikroalg, w celu pozyskania energii, poddawać można procesom termochemicznym np. pirolizie czy zgazowaniu, co ostatecznie prowadzi do otrzymania np. biopłynów, lub procesom biochemicznym prowadzącym do otrzymania bioetanolu lub biodiesla [11]. Na rysunku 1 przedstawione zostały etapy produkcji biopaliw obejmujące procesy biochemiczne, fermentację i estryfikację.
Olej pozyskiwany z mikroalg zawiera wielonienasycone kwasy tłuszczowe z czterema i więcej wiązaniami podwójnymi. Zarówno estry metylowe kwasów tłuszczowych jak i kwasy tłuszczowe zawierające wiązania nienasycone łatwo ulegają przemianom, tj. hydrolizie, utlenianiu czy polimeryzacji. Przy dłuższym magazynowaniu biopaliw widoczne jest tworzenie się substancji szlamowych i zmiana lepkości paliwa, co uniemożliwia jego dalsze wykorzystanie. Jest to jednak niezależne od surowca i jednocześnie stanowi jeden z poważniejszych problemów w kontekście produkcji biopaliw [6].
Wnioski
Badania nad możliwością wykorzystania mikroalg do produkcji płynnych nośników energii trwają i być może w przyszłości staną się alternatywą dla paliw konwencjonalnych. Mikroalgi posiadają szereg cech stanowiących o ich atrakcyjności, a wydajność produkcji biodiesla z alg jest nawet 300 razy większa niż z oleju pochodzącego z tradycyjnych upraw[13]. Obecnie hodowla mikroalg w celach energetycznych wyszła poza skalę laboratoryjną (instalacje pilotowe, demonstracyjne), jednak głównym czynnikiem ograniczającym hodowlę na skalę przemysłową jest kapitałochłonność procesu [14]. Aby poprawić ekonomię całego procesu należy obniżać koszty na każdym etapie produkcji, od uprawy, poprzez odzysk biomasy, do produkcji biopaliw. Korzystny jest zatem wybór gatunków mikroalg o wysokiej zawartości oleju i uprawa w ciepłych rejonach świata z nieograniczonym dostępem do wody, co pozwala obniżyć koszty utrzymania hodowli. Obecnie testowane są sposoby zwiększenia wydajności produkcji oleju przez mikroalgi za pomocą zmian parametrów hodowli takich jak natężenie światła, temperatura lub czasowe ograniczanie dostępu do składników odżywczych, przy jednoczesnym szybkim wzroście. Osiągnięcie tego celu sprawi, że mikroalgi mogą w przyszłości stać się poważnym konkurentem dla paliw konwencjonalnych.
LITERATURA:
[1] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych.
[2] Biernat K., Perspektywy rozwoju technologii biopaliwowych w świecie do 2050 roku, CHEMIK 2012, 66, 11, 1178-1189.
[3] Jęczmiołek Ł., Olej z lnianki siewnej (Camelina sativa) – szansa rozwoju biopaliw II generacji?, Nafta-Gaz, nr 9/2010, 841-848.
[4] Crosti R., Inwazyjność upraw przeznaczonych na produkcję biopaliw i potencjalne szkody wyrządzane naturalnym siedliskom i gatunkom rodzimym, Konwencja o ochronie gatunków dzikiej flory i fauny europejskiej oraz ich siedlisk, Strasburg, 15 grudnia 2009, T-PVS/Inf (2009) 6.
[5] Werle S., Michczyńska A., Michczyńska M., Uchman U., Energetyczne wykorzystanie biomasy z alg i innej biomasy niekonwencjonalnej-potencjał oraz doświadczenia, (http://e-bmp.pl/File/bmp_5146c50ec581f.pdf).
[6] Frąc M., Jezierska S., Tys J, Algi- energia jutra (biomasa, biodiesel), Acta Agrophysica, 2009, 13(3), 627-638
[7] Chisty Y., Biodiesel from microalgae, Biotechnology Advances 25 (2007) 294-306.
[8] Bień J., Zabochnicka-Świątek M., Sławik L., Możliwości wykorzystania glonów z biomasy zeutrofizowanych zbiorników wodnych jako surowca do produkcji biopaliw, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2010, t. 13, nr 3, s. 197-209
[9] Ferrel J., Sarisky-Reed V., National Algal Biofuels Technology Roadmap, U.S.Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy, USA, 2010, s.7 (www1.eere.energy.gov/biomass/pdfs/algal_biofuels_roadmap.pdf)
[10] Garofalo R., Algae and aquatic biomass for a sustainable production of 2nd generation biofuels, Lifecycle assessment and environmental assessment, Aqua Fuels
[11] Zabochnicka-Świątek M., Bień J., Ligienza A., Wykorzystanie biomasy mikroalg do produkcji biopaliw płynnych, [http://www.plan-rozwoju.pcz.pl/dokumenty/konferencja/artykuly/18.pdf].
[12] Och B., Łaska G., Mikroalgi substratem do produkcji biopaliw, [http://www.eko-dok.pl/2013/55.pdf].
[13] Zakrzewski T., Biomasa mikroalg-obiecujące paliwo przyszłości, Czysta energia 2 (2011).
[14] Czardybon A., Solny W., Ściężko M., Technologiczne perspektywy wykorzystania CO2, [http://www.tauron-wytwarzanie.pl/SiteCollectionDocuments/konferencja/5-technologiczne-perspektywy-wykorzystywania-co2.pdf].
3
KOMENTARZE (0)
Do artykułu: Perspektywiczne biopaliwa