Výrobu biopaliv z odpadu spalovny umí jenom řasy? (II)

Možnost materiálového využívání plynného odpadu

Základem našich úvah byla vysoká účinnost instalovaných technologií v naší spalovně a tedy i mimořádně čisté spaliny vypouštěné do ovzduší. Takto velká spalovna například za celý rok 2008 vypustila do ovzduší pouhé 2 kg prachových částic, což je přepočteno na koncentrace 4 µg/m³. V centru Liberce je automatizované měření imisí AIME, kde roční koncentrace nejjemnějších podílů prachu PM10, po oddělení majoritního podílu hrubého prachu, dosahuje cca 30 µg/m³.

Pro rámcové porovnání tepelných zdrojů může posloužit tabulka tab. 1 emisních faktorů v porovnání s našimi provozními hodnotami. Pro ilustraci je zde uveden i velmi špatný provoz lokálních kotlů používaných v ČR (DAKON DOR 24). Přirozeně provoz nečištěných a zastaralých lokálních topenišť je odstrašující případ a to ještě neuvažujeme extrémní emise polyaromatických látek (PCB, PAU). Z údajů je zcela zřejmé, že moderní spalovny mají mimořádně kvalitní emise do ovzduší. Tudy se ubíraly i naše úvahy o možnostech využití takto velmi málo kontaminovaného a tedy netoxického odpadního proudu ze spalovny. Vzhledem k vysokému obsahu CO₂ (cca 11 % objemových, což je asi 350 krát více než ve vzduchu) se tak nabízí fotosyntéza. Ovšem jediné rostliny s vysokým produkčním potenciálem a rezistencí k vysokým obsahům CO₂ jsou řasy.

Tab. 1: Měrné emise škodlivin ze spalování paliv [kg/TJ]

Palivo	prach	SO2	NOx	CO	CxHx
Černé uhlí	250	500	100	6500	250
Hnědé uhlí	350	230	50	7000	150
Hnědé uhlí (lokální kotle)	2000	800	200	20000	4000
Topný olej	2	130	50	50	12
Zemní plyn	0,1	0,2	35	50	2
Odpad ve spalovně	0,003	2	80	4	0,007

Protože jsme získali podporu odborných partnerů (Mikrobiologický ústav AV ČR Třeboň, Institut fűr Getreideverarbeitung, GmbH., Abteilung der Algenbiotechnologie, Bergholz-Rehbrűcke, Německo) mohli jsme se od roku 2006 věnovat novému mezinárodnímu projektu EUREKA BIOFIX. Ten ověřuje biotransformaci oxidu uhličitého z vyčištěných spalin TERMIZO a.s. do produkční kultury řas.

Možnosti pěstování řasové biomasy Při fotosyntéze řas platí, že pro produkci 1 kg suché hmoty řas je zapotřebí přibližně 2 kg CO₂, přičemž se v procesu fotosyntézy do atmosféry uvolní přibližně 2,5 kg kyslíku (obr. 3).

Při řešení výzkumného projektu EUREKA BIOFIX bylo do konce roku 2008 dosaženo těchto hlavních výsledků:

• Byl vybrán vhodný produkční kmen řasové kultury rodu Chlorella. Kmen se vyznačuje vysokou růstovou rychlostí, snášenlivostí vůči vysoké koncentraci CO₂, dodávaného ve formě spalin do rostoucí kultury a vhodným chemickým složením řasové buňky.
• Byl vybudován a v objektu spalovny TERMIZO a.s. provozován v kontaktu s reálnými vyčištěnými spalinami prototyp modelového bioreaktoru s umělými světelnými zdroji, vyznačujícími se vysokou fotosyntézovou účinností. U populace řas dlouhodobě pěstovaných na vyčištěných spalinách (s obsahem CO₂ 11-13 % obj.) se provádělo ověřování růstových, obsahových, fyziologických a strukturálních změn. Stejné testy se provádějí u kultur pěstovaných za standardních podmínek v prostředí vzduchu obohaceném potravinářským oxidem uhličitým.
• Srovnávací růstové testy, souběžně prováděné jak na spalinovém CO₂ tak i na potravinářském CO₂ (běžně používaném při kultivaci řas) prokázaly, že růstová rychlost řas pěstovaných na spalinovém CO₂ je vyšší, než u kultur pěstovaných za standardních podmínek. Tuto skutečnost lze vysvětlit nižším obsahem kyslíku, dodávaném do řas ve spalinách (cca 9 % obj.) ve srovnání s jeho obsahem ve vzduchu. Vyšší koncentrace kyslíku, rozpuštěného v řasové suspenzi, snižují aktivitu fotosyntézy.
• Byly vyprodukovány řasy z reálných vyčištěných spalin s vysokým obsahem bílkovin, splňující kritéria pro použití v potravinářství, krmivářství nebo kosmetice z hlediska limitů obsahu těžkých kovů i organických a zvláště sledovaných POPs.
• Byla prokázána možnost produkce řas s vysokým (až 50%) obsahem škrobu, který může být perspektivně využit jako surovina pro produkci bioetanolu.

Možnosti využívání řasové biomasy

Optimalizací kultivační technologie a použitím výkonných kmenů řas lze dosáhnout za vhodných klimatických podmínek výnosů řádově převyšujících výnosy zemědělských plodin, přičemž biochemické složení řasové biomasy je z nutričního pohledu mimořádně hodnotné. Výhodou řasových kultur je také úplné využití jejich cenného obsahu, neboť nevznikají méně hodnotné vedlejší produkty, obvyklé u pěstovaných plodin (sláma, odumřelé listy, kořeny apod.). Při kultivaci v prostorově vymezených bioreaktorech nedochází ke ztrátám dodávaných živin nebo k jejich znehodnocení, jak to známe v klasickém zemědělství. Vysoké výnosy řas snižují potřebu kultivačních ploch, přičemž lze využít ploch nevhodných pro zemědělskou produkci. Výhodou je také rovnoměrné rozložení sklizně napěstované biomasy v průběhu celé kultivační sezóny, jejíž délka je dána klimatickými podmínkami.

Produkční kmeny řas rodu Chlorella se vyznačují vysokou rychlostí růstu, relativní snadností pěstování a velmi kvalitním chemickým složením. Až 60 % tvoří bílkoviny, obsahující ve vyváženém poměru všechny esenciální aminokyseliny. Sacharidy, nejčastěji škrob, tvoří asi 20 % suché hmoty řas a lipidy 15 %. Kromě 3-5 % chlorofylu, zeleného barviva s vysokým obsahem hořčíku, obsahuje Chlorella až 1 % karotenoidů. Důležitou složkou řasové buňky jsou biologicky vázané a tedy i dobře příjemcem využitelné minerální látky a stopové prvky, důležité pro nerušený průběh biochemických procesů organismu příjemce. Jinou skupinou látek, kterých obsahuje Chlorella významně více než jiné rostliny, jsou vitamíny.

Kultivační technologie

Velkoobjemová, komerčně zaměřená kultivace řas se ve světě v současnosti provádí téměř výhradně v otevřených kruhových nebo eliptických bazénech. V nich je 15-30 cm silná vrstva anorganického živného roztoku s řasami, vystavená slunečnímu svitu a probublávaná oxidem uhličitým, pomocí lopatkových míchadel v neustálém pohybu (tedy i v nočních hodinách, kdy řasy nerostou). Tato technologie má řadu závažných nedostatků, které se projevují nízkými výnosy a vysokými kultivačními náklady.

Patentově chráněná česká technologie solární kultivace řas, vyvinutá v MBÚ AV ČR v Třeboni, je odlišná. Suspenze řas stéká v tenké vrstvě po meandrovitě uspořádaných nakloněných plochách za intenzivní turbulence, která je předpokladem účinného využití fotosynteticky aktivní části slunečního spektra. V noci je suspenze uložena v nádržích. Sycení oxidem uhličitým se provádí jeho zapravováním do čerpadla, vynášejícího během dne suspenzi řas na spádovou plochu bioreaktoru. Díky pouze několikamilimetrové kultivační vrstvě je objem suspenze řas na jednotce plochy 50x menší a sklizňová hustota 100x větší (45-55 g suché hmoty řas/l) než u bazénů, takže náklady na provoz bioreaktoru a sklizeň řas jsou řádově nižší.

Zatímco v podmínkách klimatu jižních Čech se výnosy biomasy Chlorelly pohybují v přepočtu na plochu 1 ha v rozmezí 25-30 tun suché hmoty řas za kultivační sezónu (cca 150 dní), v oblasti jižního Řecka (Kalamata), pro kterou je na základě třeboňské technologie projekčně zpracovaná výstavba produkční základny pro velkoobjemovou výrobu Chlorelly, se výnos biomasy za 240 kultivačních dní zvyšuje na 60-65 tun. V podmínkách klimatu, ve kterém je kultivační sezóna delší než 300 dní, lze očekávat výnosy v rozmezí 80-100 tun/ha.

Produkce biopaliv z biomasy

Hrozba globálního oteplování Země, v důsledku růstu koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře, spolu se ztenčováním celosvětových zásob ropy a zvyšující se cenou této suroviny na trhu nutí zejména vyspělé země k intenzivnímu hledání alternativ ke klasickým palivům. Pozornost se zaměřila na biopaliva (bioetanol, biodiesel), pro jejichž výrobu je surovinou rostlinná hmota. Biopaliva tak mají snížit závislost na strategicky velmi významné ropě.

Při klasické zemědělské produkci se bioetanol vyrábí ve světě hlavně z cukernatých či celulózových zemědělských plodin (cukrovka, obilí, cukrová třtina, kukuřice, brambory atd.). Ty se lihovarnickými postupy zpracovávají na finální produkt. Ve vyspělých zemích světa se současný podíl bioetanolu v benzínu (cca 2-5 %) má zvýšit až na 20 %.

Výroba biopaliv z klasických rostlinných zdrojů (kukuřice, pšenice) má však četná úskalí. Podrobná studie American Institute of Biological Science prokazuje, že z bioetanolu se získá jen o 10 % více energie, než kolik je potřeba na jeho výrobu (hnojení, sklizeň, výroba bietanolu), přičemž největší část spotřebované energie tvoří fosilní paliva uvolňující opět CO₂. Plodiny, které vyžadují hnojení dusíkem, jako je kukuřice nebo řepka, uvolňují značné množství oxidů dusíku. Ty se negativně uplatňují jako skleníkové plyny a porušují rovněž ozónovou vrstvu atmosféry. Dalším důsledkem využívání potravinových plodin k produkci biopaliv je třeba v USA změna osevních postupů, preferujících kukuřici a omezujících produkci sóji. Spolu se systémem dotací bohatých států to znamenalo jen v roce 2008 nárůst ceny rýže, pšenice, kukuřice a sóji 2-3krát. To je v chudých zemích alarmující stav. Rozšiřování osevní plochy na úkor cenných ekosystémů (deštné lesy, louky, mokřiny) ekologický efekt produkce biopaliv zcela zvrátí. Z půdy navíc nelze pouze získávat organickou hmotu a jen do ní dodávat hnojiva, herbicidy a pesticidy.

Zcela samostatnou kapitolou je výrazný nárůst spotřeby vody na zavlažování, což může být v souvislosti s nástupem suššího klimatu a nárůstem populace životně důležité. To se již brzy může týkat rozsáhlých oblastí Afriky, ale i Severní a Jižní Ameriky.

Je tedy zřejmé, že tato problematika sebou přináší mnoho otazníků.

Výroba z biomasy řas má proti tradičním zemědělským postupům výhody:

• vysoká jednotková produktivita (při použití třeboňské technologie 50-100 tun suché hmoty řas/ha) v závislosti na klimatických podmínkách
• výběrem vhodných kmenů, řízenými zásahy do biochemických procesů v řasové buňce a regulací kultivačních podmínek lze získat produkt s vyšším obsahem škrobu (surovina pro fermentaci bioetanolu) nebo lipidů (biodiesel)
• ve srovnání s kulturními plodinami poloviční spotřeba vody v přepočtu na jednotku produktu
• kultivaci lze dále významně zlevnit využitím odpadního spalinového CO₂, který tvoří až 50 % ceny všech potřebných živin
• další zlevnění přinese počítačově řízený provoz, během kterého jsou kultivační parametry udržovány v rozsahu podmínek optimálních pro růst řas

Pozitivní výsledky, dosažené v rámci řešení projektu BIOFIX, umožnily získat v rámci programu EUREKA nový projekt ALGANOL, který se bude v letech 2009-2012 zabývat specifickou problematikou využití řas jako suroviny pro výrobu biopaliv, zejména bioetanolu ale i biodieselu. Na projektu se budou podílet zahraniční partneři z Portugalska, Německa a Švýcarska. Český tým, který řešil předcházející projekt EUREKA BIOFIX (TERMIZO a.s., MBÚ AV ČR Třeboň, ÚVP Praha) získal dalšího partnera v Ústavu kvasné chemie a bioinženýrství VŠCHT Praha. Toto pracoviště má velké zkušenosti s klasickými i moderními fermentačními procesy.

V projektu ALGANOL si klademe za cíl zejména hledat další kmeny řasové kultury s vysokým obsahem škrobů a lipidů i velkým produkčním potenciálem. Velkou pozornost budeme věnovat technologii desintegrace celulosových obalů řasových buněk a enzymové hydrolýze takto dostupného škrobu. Budeme ověřovat další možnosti využití řasové biomasy transesterifikací lipidické frakce na biodiesel. Zbytková biomasa bude cenným krmivem. Pokusíme se, spolu se zahraničními partnery, vybudovat v klimaticky vhodné oblasti čtvrprovozní bioreaktor třeboňského typu. Tak bychom mohli ověřit dlouhodobě navrhovanou technologii, jako první krok k provozní realizaci.

Poznámka: Seznam literatury je pro svůj velký rozsah uložen u autora

Tento článek byl publikován v rámci spolupráce redakce časopisu Alternativní energie a CZ Biom.

Tweet

Novinky z Prodevalu: zkapalňování CO2, Valopur DFM a nová výrobní linka na jihu Francie

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?