Laboratorium Utylizacji Odpadów Praca zrealizowana ze środków na działalność statutową w 2012r.

1. Laboratorium Utylizacji Odpadów Praca zrealizowana ze środków na działalność statutową w 2012r. LO-3121/12/04 LO-3121/12/04LL Opracowanie i wykonanie bioreaktora do hodowli alg pod kątem określenia możliwości wykorzystania ich do produkcji biopaliw płynnych mgr inż. Maria Sadowska dr inż. Zdzisław Celiński mgr inż. Marcin Młodawski

2. Algi są grupą fotosyntezujących organizmów żyjących w środowisku wodnym lub wilgotnym. • Ich ciała stanowi jednorodna zbudowana z komórek plecha wielkości od kilku mikrometrów • do nawet kilku metrów przybierająca formę podobną do liści lub łodyg. • Istnieje co najmniej kilkadziesiąt tysięcy gatunków alg. • Są one odpowiedzialne za wytwarzanie ponad 30% pierwotnej biomasy na świecie. • Ich potencjał produkcyjny w tym zakresie jest więc ogromny. • Wytwarzane w komórkach alg substancje dają możliwości wykorzystania ich na cele energetyczne m. in. poprzez: • beztlenowe trawienie – biometan • estryfikację pozyskanego oleju – biodiesel • proces fermentacji - bioetanol INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 1

3. INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 2

4. INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 3

5. Okrzemki – DiatomsPhaeodactylumtricornutum Są fotosyntezujące, ale nie zielone, zawierają w swoich ciałach dużo krzemionki. Skamieniałe pokłady ich suchej masy zwane ziemią okrzemkową znalazły liczne zastosowania w wielu dziedzinach. Alfred Nobel wykorzystał ją do produkcji dynamitu. INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 4

6. Haematococuspluvalis Alga odkryta w skalnych jeziorkach Archipelagu Sztokholmskiego znana z tego, że produkuje i kumuluje w swoim ciele astaksantynę najsilniejszy ze znanych przeciwutleniaczy. Substancja ta chroni jądro komórkowe, organelle oraz składniki odżywcze przed utlenianiem pod wpływem promieniowania UV. Dzięki temu alga może przetrwać niezwykle trudne warunki klimatyczne. INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 5

7. Hodowla alg MOFETA – rodzaj ekshalacji wulkanicznej, chłodny wyziew (o temperaturze poniżej 100ºC) zawierający głównie dwutlenek węgla (95%), ale także azot, metan, tlen, koloidalny węglan żelaza. Nad mofetą giną owady, ptaki były nawet przypadki padnięcia owiec ale nie algi. W latach 60 ubiegłego wieku w centrum małopolskiej wsi Tylicz powstał tajny ośrodek badań kosmicznych, Ośrodek miał produkować, dla radzieckich kosmonautów żywność z hodowanych przy mofecie alg. Woda z tylickiej mofety nazywana jest zupą Tiereszkowej. (www.beskidsadecki.pl/beskid-sadecki-atr) INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 6

8. A tak na prawdę: • obecnie algi hoduje się w stawach hodowlanych i foto bioreaktorach • Przed rozpoczęciem hodowli alg na cele energetyczne, zwłaszcza produkcję biopaliw płynnych, należy postawić i znaleźć odpowiedź na kilka fundamentalnych pytań: • • wybór szczepów o wysokiej zawartości lipidów (oleju) jest zawsze najważniejszym podstawowym problemem; • • wybór szczepów właściwych dla warunków klimatycznych w miejscu hodowli – można wybierać pomiędzy szczepami alg rozwijających się w ciepłych warunkach lub arktycznych, zapewnienie optymalnego sztucznego klimatu hodowli wiąże się zawsze z nakładami finansowymi; • • wybór metody hodowli – należy wybrać optymalny rodzaj hodowli pomiędzy hodowlą w otwartym stawie, czy foto-reaktorze biologicznym. INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 7

9. Najstarszą metodą hodowli alg jest hodowla w otwartym zbiorniku wodnym (stawie) wykorzystująca naturalne ciepło i światło słoneczne. Ten sposób hodowli był wykorzystywany w Niemczech w czasie II-ej wojny światowej, gdzie próbowano hodować algi na cele spożywcze. Następnie algi (początki w USA w latach 50-ych ubiegłego wieku) wykorzystywano w procesach oczyszczania ścieków i poddawano powstający w tych operacjach, bogaty w algi osad fermentacji metanowej uzyskując energię. Schemat i widok stawu do hodowli alg INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 8

10. Najczęściej opisywaną w literaturze metodą hodowli alg jest hodowla w foto bioreaktorach. Opisanych jest wiele różnych typów foto bioreaktorów. Generalnie powinny one zapewnić spełnienie następujących warunków umożliwiających efektywną hodowlę alg. • Należą do nich: • • zapewnienie właściwego poziomu oświetlenia; • • kontrola składu używanej mieszaniny gazów; • • kontrola dostarczanych składników pokarmowych; • • właściwe mieszanie (cyrkulacja) hodowli; • • zapewnienie optymalnej temperatury; • • kontrola i zapewnienie chemicznych warunków hodowli (pH, CO2, poziom mikroelementów azotu N, fosforu P, żelaza Fe …) INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 9

11. Różne typy foto bioreaktorów [internet] INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 10

12. Foto bioreaktor skonstruowany w Oddziale Techniki Grzewczej i Sanitarnej Instytutu Energetyki INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 11

13. Istotne elementy konstrukcyjne foto bioreaktora INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 12

14. Na potrzeby pracy zakupiono algiz kolekcji Instytutu Mikrobiologii Czeskiej Akademii Nauk (Academy of Sciences of the Czech Republic Institute of Microbiology Department of phototrophicmicroorganism OpatovickyMlyn, Czech Republic) Dane katalogowe zakupionych kultur alg Chlorella vulgaris INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 13

15. Kompozycja odżywek stosowanych w eksperymentalnej hodowli alg *) Strona internetowa Institute of Botany, Academy of Sciences of the Czech Republic, Centre of Phycology INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 14

16. Istotnym etapem pozyskania biomasy z hodowli alg jest oddzielenie tej biomasy • od płynnego środowiska w którym przebiegała hodowla. • Problem odseparowania alg od wody nastręcza szereg trudności i jest jednocześnie etapem bardzo kosztownym stanowiącym 30% całkowitych kosztów produkcji biomasy. • Jest to spowodowane następującymi przyczynami: • • hodowla przebiega w środowisku ciekłym nasyconym pokarmem; • • komórki alg mają mikroskopowe rozmiary, czasami są tak małe, • że filtrowanie hodowli jest nieskuteczne; • • koncentracja suchej masy jest bardzo niska od 0,02% w otwartych stawach • do 0,5% w bioreaktorach, co oznacza 1 kg suchej masy alg na 200 do 5000 • litrów hodowli; • • szybki wzrost alg powoduje, że zbiór czasami musi odbywać się codziennie, • a nie raz do roku jak w przypadku roślin oleistych. INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 15

17. Celem zbioru biomasy jest odseparowanie biomasy alg od wody w maksymalnie • możliwym stopniu, co ma wpływ na dalszą przeróbkę uzyskanej biomasy. • Najczęstszymi sposobami zbioru alg są: • • wirowanie; • • filtracja; • • sedymentacja; • • flotacja; • • flokulacja. INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 16

18. Sedymentacja alg: (od lewej) bez dodatków, z polimerem kationowym, z koagulantem FeCl2 Algi z hodowli IEn OTGS po sedymentacji i wysuszeniu INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 17

19. Otrzymywanie biodiesla z alg • W pierwszym etapie produkcji biodiesla należy uwolnić lipidy ze struktury komórkowej alg poprzez jej dezintegrację. Można to zrobić następującymi metodami różniącymi się efektywnością i energochłonnością (kosztami) wykorzystującymi: • • mikrofale; • • obróbkę mechaniczną (ubijanie, rozcieranie); • • ultradźwięki; • • obróbkę chemiczną. • Kolejnym etapem jest wyodrębnienie oleju poprzez tłoczenie lub ekstrakcję. • Ostatnim etapem jest estryfikacja. INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 18

20. Olej po ekstrakcji i estryfikacji INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 19

21. WNIOSKI • W pracy pomyślnie doświadczalnie zweryfikowano wszystkie niezbędne elementy procesu uzyskania biopaliwa z alg. • W realizowanej doświadczalnej hodowli nie udało się osiągnąć deklarowanego w literaturze tempa wzrostu biomasy. • Dalsze prace należy kontynuować w kierunku optymalizacji hodowli po kątem zwiększenia jej wydajności. INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 20

22. „Na świecie jest kilkadziesiąt tysięcy rodzajów alg. Trzeba wybrać odpowiednie, poznać ich wymagania i opracować metodę, w jaki sposób wywołać u nich stres, pod wpływem którego produkują olej (…). Stres u alg może wywołać zmiana temperatury, oświetlenia czy ograniczenie pokarmu czyli po prostu przegłodzenie. Chodzi o znalezienie takiego sposobu na ich drażnienie, by jednocześnie nie przestawały się szybko rozmnażać. I to właśnie jest najgłębiej skrywaną tajemnicą technologii, nad którą pracują firmy na całym świecie. Wiele koncernów prowadzi badania w ścisłej tajemnicy.” prof. dr hab. Jerzy Tys Instytut Agrofizyki PAN Lublin INSTYTUT ENERGETYKI Oddział Techniki Grzewczej i Sanitarnej w Radomiu Laboratorium Utylizacji Odpadów 21