Algi jako perspektywiczny substrat do produkcji biogazu

Algi jako perspektywiczny substrat do produkcji biogazu
Adobe Stock

Biomasa z alg słodkowodnych stanowi jedno z najbardziej obiecujących alternatywnych źródeł do produkcji biodiesla i innych biopaliw ze względu na szybki przebieg fotosyntezy, szybki przyrost biomasy, wydajną akumulację lipidów

Algi (glony) to proste, samożywne organizmy beztkankowe (plechowce), które można podzielić na jednokomórkowce (mikroalgi) i wielokomórkowce (makroalgi). Ich budowa nie jest oparta na organizacji telomowej, jak w przypadku roślin naczyniowych. Grupę tę cechuje występowanie chlorofilu "a". Glony różnią się między sobą: rodzajem gromadzonych substancji zapasowych, rodzajami barwników, budową organelli komórkowych itp. Współcześnie wykorzystywane są do produkcji kosmetyków, leków oraz w technologiach oczyszczania ścieków. Niektóre rodzaje alg stosowane są jako pożywienie dla ludzi i zwierząt, jednak perspektywicznym wykorzystaniem tych organizmów jest użycie ich jako nośnika energii [1]. Biomasa alg słodkowodnych stanowi jedno z najbardziej obiecujących alternatywnych źródeł do produkcji biodiesla i innych biopaliw ze względu na szybki przebieg fotosyntezy, szybki przyrost biomasy, wydajną akumulację lipidów (do 77% suchej masy komórek) i innych związków organicznych wskutek konwersji CO2 w biomasę oraz stosunkowo niewielkie wymagania pokarmowe (woda, światło, CO2, N, P, K) [2]. Algi mogą być źródłem kilku rodzajów odnawialnych biopaliw: biodiesla, biowodoru i biometanu. W przemyśle paliwowym najczęściej wykorzystywana jest biomasa mikroalg. Światowym liderem w produkcji biopaliw z alg są Stany Zjednoczone. Ich udział w światowym rynku wynosi 78%. W Europie znajduje się niewiele zakładów produkujących tego typu paliwa (Nestle Oil w Finlandii, Ingrepo w Holandii, Biofuel Systems w Hiszpanii) - udział Europy w produkcji biopaliw z alg wynosi zaledwie 13%. Obecnie kilka gatunków glonów jest uprawianych na dużą skalę w Azji (największa uprawa alg występuje w Chinach). Najważniejszym gatunkiem hodowanym na świecie pod względem objętości jest Laminaria japonica, głównie hodowana dla przemysłu spożywczego i farmaceutycznego [7].

Hodowla alg

Algi do wzrostu potrzebują soli mineralnych (m.in. fosforu, żelaza, krzemu), ditlenku węgla, światła oraz azotu pochodzącego z procesów rozkładu, lub jak w przypadku sinic -pobieranego wprost z atmosfery. Zapotrzebowanie na składniki odżywcze można określić wzorem CO0,48H1,83N0,11P0,01 opracowanym przez Grobbelaar’a. Algi asymilują ditlenek węgla z atmosfery, która zawiera 360 ppmv CO2 i jest to ilość niewystarczająca do utrzymania produkcji biomasy na najwyższym poziomie. W celu wytworzenia 100 g biomasy algi potrzebują zasymilować ok. 183 g ditlenku węgla, węgiel stanowi wówczas średnio 50% ich suchej masy. Optymalne temperatury wzrostu dla większości mikroalg kształtują się w zakresie od 20 do 30°C. Dla osiągnięcia maksymalnej wydajności produkcji temperatura hodowli powinna mieścić się w optimum danego gatunku. Natężenie światła jest czynnikiem wpływającym na przyrost biomasy, jak i na jakość frakcji lipidowej. Optymalne wartości gęstości strumienia fotonów mieszczą się w granicach od 100 do 600 µmol/m2s, jednak optimum podanego wskaźnika silnie zależy od gatunku glonu oraz od zastosowanego systemu hodowli. Zawartość oleju w algach zawiera się zwykle w przedziale (20…50)%, ale może przekroczyć nawet 80%. W skład oleju z alg wchodzą niepolarne trójglicerydy, których akumulacja zwiększa się, gdy komórki poddane są stresowi azotowemu (obniżona zawartość azotu w medium). Algi potrafią przeprowadzać procesy fotosyntetyczne z bardzo dużą wydajnością i zwiększać swoją liczebność z dużą szybkością, dlatego też stanowią cenny dla gospodarki człowieka materiał hodowlany. W hodowli mikroalg można wyróżnić dwie główne współcześnie praktykowane metody: hodowle otwarte (stawy hodowlane - naturalne i sztuczne) i hodowle zamknięte (hodowle w fotobioreaktorach). Powyższe systemy hodowli różnią się w szczególności wydajnością, kosztami budowy i utrzymania. Najczęściej uprawianymi gatunkami glonów w otwartych stawach są glony z rodzaju Spirulina, Chlorella i Dunaliella. Pomimo że trudne jest utrzymanie w nich monokultury (braku skażenia innymi organizmami), nie jest to niemożliwe, bo zapewniając medium selektywne parametry, np. wysokie pH, które dobrze toleruje np. Arthrospira (Spirulina), można skutecznie uniemożliwiać wzrost organizmów towarzyszących, co ma szczególne znaczenie przy produkcji wysoko cennych produktów dla przemysłu farmaceutycznego. Fotobioreaktory zapewniają dużą wydajność produkcji, która musi niwelować wysokie koszty budowy i utrzymania [4].

Termochemiczne przetwarzanie biomasy alg na cele energetyczne

Jedną z termochemicznych technologii wykorzystania glonów jest proces zgazowania, czyli częściowego utlenienia biomasy w podwyższonej temperaturze (800…1000)°C. Produktem tego procesu jest gaz syntezowy (CO, H2, CO2, N2, CH4), który może być spalany bezpośrednio lub używany jako paliwo do silników i turbin gazowych. Innym procesem prowadzącym do pozyskania paliwa ciekłego jest technologia oparta na termochemicznym upłynnianiu biomasy alg. Warunki prowadzenia tego procesu to temperatura w zakresie (300…350)°C oraz ciśnienie (5…20) MPa. W procesie tym głównym produktem jest bioolej. Kolejną technologią w tym zestawieniu jest piroliza glonów z wytworzeniem oleju. Najwyższe wartości opałowe odzyskanego biooleju kształtują się na poziomie 40 MJ/kg. Wiele przeprowadzonych do tej pory badań wskazuje, iż bioolej pozyskiwany z biomasy alg charakteryzuje się wyższą jakością biopaliwa pozyskiwanego podczas pirolizy roślin lignocelulozowych [3]. Niektóre rodzaje mikroalg mogą produkować ok. 10 razy więcej biooleju niż typowe rośliny oleiste. Oleje z alg można otrzymać średnio w ciągu (3…5) dni, podczas gdy rośliny oleiste potrzebują na wyprodukowanie oleju od 3 miesięcy do 3 lat [2].

Biochemiczne przetwarzanie biomasy alg na cele energetyczne

Konwersja biochemiczna polega na zastosowaniu transestryfikacji, fermentacji anaerobowej lub alkoholowej, które prowadzą do powstania biodiesela, bioetanolu i biogazu. Zasadniczym procesem otrzymywania biodiesela jest transestryfikacja, która polega na reakcji tri-, di- i monoacylogliceroli z alkoholem (najczęściej metanolem) wobec katalizatora zasadowego (KOH, NaOH) lub kwasowego (H2SO4). Reakcja prowadzi do wytworzenia estrów metylowych (biodiesel) oraz glicerolu jako produktu ubocznego. Otrzymany w ten sposób biodiesel należy poddać dodatkowej obróbce, polegającej na: usunięciu pozostałości komórek, oczyszczeniu paliwa z glicerolu, wolnych kwasów tłuszczowych, katalizatora, nadmiaru metanolu i innych pozostałości oraz produktów ubocznych [2]. Bioetanol jest otrzymywany poprzez fermentację węglowodorów i białek zawartych w algach. Proces ten zachodzi z udziałem mikroorganizmów i prowadzi do powstania etanolu jako głównego produktu oraz wody i ditlenku węgla jako produktów ubocznych. Powstały CO2 można zawrócić do procesu i wykorzystać w hodowli alg jako pokarm. Algi mogą być konwertowane do biogazu na drodze fermentacji metanowej. Powstaje wtedy ok. 60% metanu, który może być dalej używany do wytworzenia energii elektrycznej i cieplnej.

Fermentacja metanowa alg

Większość biogazowni rolniczych (ponad 90%) w Niemczech i znaczna większość biogazowni w Polsce stosuje kiszonkę z kukurydzy jako podstawowy substrat do pozyskiwania biogazu. Jednakże wzrost zapotrzebowania na kiszonkę doprowadził do znacznego wzrostu cen i negatywnie wpłynął na opłacalność funkcjonowania biogazowni. Dodatkowo wzrost powierzchni upraw kukurydzy z powodu opłacalności produkcji biogazu doprowadził we Wschodnich Niemczech do powstania obszarów monokultury kukurydzianej, co negatywnie wpływa na stan biocenoz. Stąd niezbędne są badania mające na celu znalezienie alternatywnych dla kiszonek substratów. Ze względu na znaczący wzrost cen żywności, wskutek coraz silniejszej konkurencji w ostatnich latach z produktami roślinnymi przeznaczanymi na biopaliwa, najlepszym rozwiązaniem byłoby znalezienie efektywnych substratów nie będących w żadnym stopniu konkurencją dla produkcji żywności. Wykorzystanie typowo lądowych roślin pochodzących z upraw kierunkowych stwarza obecnie coraz większe trudności. W tym aspekcie alternatywą są mikroalgi. Biometan może być produkowany z biomasy wielu roślin. Jednak głównym czynnikiem ograniczającym wzrost produkcji biometanu z biomasy roślin jest jej dostępność. Biomasa z alg daje plon o (40…60) razy większy niż wiele tradycyjnych roślin uprawowych. Szacowany plon biomasy alg możliwy do osiągnięcia w nowoczesnych zamkniętych fotoreaktorach wynosi ok. (400…500) Mg z hektara rocznie. Taka ilość może zapewnić roczną produkcję biometanu na poziomie (400 000…500 000) m3. Wybrane typy mikroalg mają wysoką zawartość lipidów, skrobi i białek, a brak trudno fermentującej ligniny sprawia, że mikroalgi są idealnym substratem do produkcji biometanu. Fermentacja biomasy alg zachodzi dość szybko. Ponadto mikroalgi fotosyntezują CO2 w specjalnie zaprojektowanych bioreaktorach, by w przypadku fermentora biogazowego wytwarzanie biometanu stanowiło źródło powstawania CO2, który od razu jest stosowany do produkcji mikroalg, co tworzy zamknięty obieg dla ditlenku węgla. Biorąc pod uwagę potencjał i zasoby biometanu, ekonomię jego pozyskania oraz możliwości wykorzystywania, należy stwierdzić, że jest on najbardziej przyszłościowym paliwem [6, 7]. W celu ograniczenia kosztów transportu glonów biogazownia powinna być zlokalizowana możliwie jak najbliżej źródła ich występowania. Jednak nie jest realne zbudowanie jej na miejskiej plaży [9]. Wydajność biogazowa biomasy glonowej jest przedmiotem licznych badań. Ilości pozyskiwanego biogazu są różne, zależnie od rodzaju fermentowanych glonów. Morandi Briand uzyskali z glonów wyższych Ulva sp. (sałata morska - zielenice) produkcję metanu na poziomie 0,2 m3/kg. Podczas gdy Chynoweth z glonów wyższych Macrocistis (klasa brunatnice) uzyskał biogaz w ilości (0,39…0,41) m3/kg. Zdaniem Singh i Gu również mikroalgi charakteryzują się wysokim potencjałem w kierunku możliwości ich przetworzenia na biogaz. Produkowany z glonów biogaz zawiera (55…75)% metanu, co oznacza, że jest porównywalny, a nawet bardziej kaloryczny w stosunku do biogazu powstającego z innych substratów roślinnych [10]. W procesie fermentacji metanowej z przefermentowanej biomasy usuwana jest duża część węgla, wodoru i tlenu, które tworzą metan i ditlenek węgla. Wzrasta natomiast zawartość takich pierwiastków, jak m.in. fosfor i potas, które należą do podstawowych składników odżywczych dla roślin i decydują o wartości nawozowej odpadu pofermentacyjnego. W biomasie przefermentowanej zwiększa się również ilość azotu amonowego w azocie ogólnym, co ma wpływ na lepszą przyswajalność przez rośliny, ale także zmniejsza migrację azotanów do wód gruntowych i podziemnych - stosowanie substancji pofermentacyjnej ogranicza więc eutrofizację zasobów wodnych. Odpad pofermentacyjny zawiera część materii organicznej, która ma pozytywny wpływ na właściwości fizykochemiczne gleby. Skład odpadu pofermentacyjnego jest różny i zależy głównie od składu zastosowanych substratów. Poferment może więc znaleźć zastosowanie w nawożeniu roślin energetycznych zmniejszając zużycie nawozów mineralnych.

Podsumowanie

Wykorzystanie glonów do produkcji biogazu jest możliwe i prowadzone są badania laboratoryjne z ich udziałem. Niska zawartość ligniny (a dzięki temu szybszy rozkład), duży uzysk biogazu - na poziomie (160…500) Nm3/Mg s.m.o., o zawartości metanu ok. 60% - brak siarki, duży przyrost biomasy oraz mniejsze wymagania powierzchniowe w stosunku do roślin lądowych przemawiają za ich energetycznym wykorzystaniem. W Polsce, by skorzystać z ich energii, nie trzeba budować specjalnych farm, jak np. w Australii czy USA. Zbiory można by uzyskiwać z wód Zatoki Gdańskiej, Zalewu Wiślanego czy jezior mazurskich. Ich wykorzystanie jako materiału energetycznego byłoby też korzystne dla funkcjonowania ekosystemów wodnych, ponieważ częściowa eliminacja glonów z tych wód poprawiłaby tzw. troficzność oraz warunki bytowe organizmów wodnych oraz jakość wody [8]. Lądowe rośliny energetyczne nie zapewniają tak dużego pochłaniania ditlenku węgla z atmosfery, jak algi morskie. Ponadto rośliny te konkurują o teren i dostęp do wody z roślinami przeznaczonymi do produkcji żywności. Algi morskie można uznać za lepsze jako rośliny energetyczne ponieważ: rosną szybciej, wymagają mniej konserwacji, bytują w środowiskach niezagrażających rolnictwu czy leśnictwu, przystosowane są do życia w różnych warunkach (od wód słodkich po wody bardzo słone) [9]. Algi zawierają mało celulozy i nie zawierają ligniny, przez co są dobrym substratem do produkcji biogazu. Średnia produkcja metanu z 1 Mg mokrej biomasy wynosi 22 m3 i 171 GJ/ha. W przyszłości algi mogą zapewnić bezpieczeństwo energetyczne i mogą stanowić nowe, odnawialne źródło energii niekolidujące z mieszkańcami i uprawami rolniczymi. [11].

Literatura

1. S. Werle i inni, "Energetyczne wykorzystanie biomasy z alg i innej biomasy niekonwencjonalnej - potencjał oraz doświadczenie"
2. G. Schroeder i inni, "Biomasa alg słodkowodnych surowcem dla przemysłu i rolnictwa", Przemysł Chemiczny, 2013, 92, 7, 1380
3. K. Kupczyk i inni, "Glony jako potencjalne źródło energii odnawialnej (OZE)"
4. B. Och, G. Łaska, "Mikroalgi substratem do produkcji biopaliw"
5. B. Drygaś, Cz. Puchalski, "Algi jako surowiec do produkcji biogazu"
6. http://e-czytelnia.abrys.pl/czysta-energia/2011-2-530/biopaliwa-5649/biomasa-mikroalg-obiecujace-paliwo-przyszlosci-12526
7. http://biotechnologia.pl/biotechnologia/artykuly/biogas-z-wodorostow,702
8. http://www.planergia.pl/energia/item/176-algi-te%C5%BC-mog%C4%85-by%C4%87-oze
9. J. Bień, M. Zabochnicka-Świątek, L. Sławik, "Możliwość wykorzystania glonów z biomasy zeutrofizowanych zbiorników wodnych jako surowca do produkcji biopaliw", Inżynieria i Ochrona Środowiska, 2010, 13, 3, 197-209
10. M. Zieliński i inni, "Ocena wydajności produkcji biomasy glonowej w reaktorze rurowym przy wykorzystaniu jako pożywki odcieków z bioreaktora fermentacji metanowej", Rocznik Ochrona Środowiska, 2011, 13, 1577-1590
11. http://ebiomasa.pl/bio/item/215-produkcja-biopaliw-z-alg-coraz-blizej

 

×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

SŁOWA KLUCZOWE I ALERTY

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Algi jako perspektywiczny substrat do produkcji biogazu

PISZESZ DO NAS Z ADRESU IP: 44.192.38.248
Dodając komentarz, oświadczasz, że akceptujesz regulamin forum

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!