Najnowsze wyniki badań i działań przedsiębiorstw w zakresie wykorzystania biomasy z glonów i alg wykazały, że z niektórych ich gatunków można otrzymać płynne biopaliwa, w tym biometan i biodiesel lub bioetanol (rys. 5). Glony magazynują energię w postaci lipidów, które można wykorzystać w dalszym procesie ich przetwarzania. W zależności od gatunku mogą zawierać 25 do 50% s.m. Niezależnie od późniejszego procesu ich przetwarzania najistotniejszą częścią produkcji jest ich hodowla.

 

 

 

 

 

 Rys. 5. Możliwości wykorzystania składników komórkowych alg w produkcji paliw [Posten C., Shaub G., „Microalgae and terrestrial biomass as source of fuel” A process review. J. of Biotechnology”, 2009 142, 64-69.]

 

 W hodowli alg podstawowymi czynnikami, jak w każdej produkcji roślinnej jest obecność światła słonecznego lub sztucznego o odpowiednich pasmach i natężeniu, ditlenku węgla, wody i soli mineralnych oraz składników takich, jak azot, fosfor, żelazo i krzem przy optymalnej temperaturze 20 – 30 ⁰C. Podstawowe wymagania pokarmowe wynikające z formuły cząsteczkowej biomasy mikroorganizmów, to: CO-048, H-1,83, N-0,11, P-0,01 (Grobbelar JU. „Algal nutrition. In: Richmond A., editor. Handbook of microalgal culture: biotechnology and applied phycology. Blackwell; 2004, p. 97-115). Fosfor musi być dostarczany w nadmiarze ze względu na łączenie z zawartymi w wodzie jonami żelaza i brak dostępności dla alg. Średnia zawartość węgla w biomasie glonów wynosi 50%.

Hodowla alg może być prowadzona w otwartym stawie lub w bioreaktorze. Przy hodowli w otwartym stawie muszą być zachowane wcześniej omówione wymagania oraz mieszanie i doświetlenie. Przykładowe rozwiązanie sztucznego stawu z wymuszonym mieszaniem zostało pokazane na fot. 1 i na rys. 6. Pożywka dla alg jest dostarczana przed kołem łopatkowym wymuszającym obieg wody, natomiast mieszanka O₂ i CO₂ systemem pęcherzykowego napowietrzania.

 

Fot. 1 Hodowla alg w otwartym basenie [http://www. Wageningenur.nl]

 

 

 

 Rys. 6. 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]. [„ Biomasa z alg”, Artykuł przeglądowy, Energetyka w przemyśle chemicznym[A1] [KW2] ].

 

Fot. 2. Instalacja Pilot Plant do hodowli alg z zastosowaniem zbiorników (Open Raceway Ponds, ORPs.). [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.]

Ze względu na ograniczony dostęp promieni słonecznych głębokość basenu nie przekracza kilkudziesięciu centymetrów. Zaletą tego typu rozwiązania są niskie koszty hodowli, natomiast wadą jest niska efektywność i konieczność doboru alg odpornych na niskie temperatury. Efektywność fotosyntetyczna w basenach, w polskich warunkach nie przekracza 1,5%. Sposobem na jej zwiększenie może być doświetlanie głębszych warstw basenu. Problemem przy hodowli alg w zbiornikach otwartych jest ich zanieczyszczanie organizmami żywiącymi się algami (zooplankton) oraz wirusami i organizmami konkurującymi z algami o pożywienie. Innym sposobem jest hodowla alg w bioreaktorach. Problemem jest również wybieranie alg ze zbiornika, które prowadzi się przez filtrację lub odwirowywanie. Obecnie najbardziej znane i stosowane są bioreaktory rurowe (fot. 3) oraz bioreaktory płaskie (fot. 4).

 

 

Fot. 2 Bioreaktor rurowy w AlgaePARC [http://www. Wageningenur.nl]

 

 

Fot. 3 Bioreaktor płaski firmy Provirion [Lewicki A., Janczak D., „Przegląd instalacji do przemysłowej produkcji alg na biomasę”, Technika Rolnicza, ogrodnicza i leśna, 3/2013.]

Pokazany na fot. 2 pionowy bioreaktor rurowy jest korzystnym rozwiązaniem ze względu na możliwość regulacji dostępu światła do hodowanych alg przez zasłanianie dolnych rur przez położone wyżej. Jego wadą jest konieczność stałej, wymuszonej cyrkulacji, co znacznie zwiększa koszty energetyczne oraz wysokie koszty wykonania wielokrotnie wyższe, niż dla stawów. Kolejny typ bioreaktora, to bioreaktor płaski. Jest on teoretycznie najbardziej wydajny, natomiast koszty mieszania i dostarczania pożywki są znacznie wyższe, niż w pozostałych rozwiązaniach. W porównaniu do hodowli alg w zbiornikach otwartych zbiór biomasy w reaktorach zamkniętych może być 13-krotnie większy, co równoważy koszty budowy i eksploatacji instalacji.

  

 

 

 

 

Rys. 7 Koncepcja produkcji biogazu z alg [Kuligowski K., Tonderski A., „Biogaz z alg – szanse i zagrożenia”, Pomorskie Centrum Badań i Technologii Środowiska, POMCERT, Gdynia, strona internetowa].

 

Rys. 8 Wykorzystanie CO₂ oraz N i P ze ścieków.

Uwaga: Naświetlenie w wysokości 50 do 100 W/m² wystarczy do dobrego wzrostu roślin. W Polsce średnie naświetlenie wynosi 126 W/m² (według Kuligowski K., Tonderski A., „Biogaz z alg – szanse i zagrożenia”, Pomorskie Centrum Badań i Technologii Środowiska, POMCERT, Gdynia, strona internetowa)..

słonecznienie wynosi 126 W/m2

 

 

 

Rys. 9 Produkcja biogazu z alg oraz wykorzystania go do produkcji alkoholu (metanol, etanol) lub diesla za pomocą procesu Fischera-Tropsch’a.

 

W procesie tym biogaz złożony z metanu i dwutlenku węgla (CH4, CO₂) przetworzony jest w gaz syntezowy składający się z tlenku węgla i wodoru (CO, H2), który z kolei zostaje przetworzony na paliwo płynne w katalizatorze. W technologii tej stosuje się także recyrkulację części biogazu, bogatego w CO₂ z powrotem do basenu hodowlanego w celu dostarczenia dodatkowych ilości CO₂ potrzebnych w procesie fotosyntezy alg.(Źródła: Offerman J.D., Mc Tavish H. (2009) Integrated systems for producing biogas and liquid fuel from algae, US Patent zgłoszony przez ‘Novus Energy Llc’, Nr US 2009/0321/349 A1).

 Na rysunkach 7, 8 i 9 pokazano propozycję produkcji biogazu z zastosowaniem alg, co jest rozwiązaniem nowym i wymaga badań i opracowania szczegółowej dokumentacji technicznej. Jednym z elementów do zastosowania w praktyce może być pokazany na fot. 4 agregat do zbierania alg.

 

 

Fot.4 Agregat do zbierania alg z powierzchni wody (według Kuligowski K., Tonderski A., „Biogaz z alg – szanse i zagrożenia”, Pomorskie Centrum Badań i Technologii Środowiska, POMCERT, Gdynia, strona internetowa).