Řasy rády CO2

Společnost Termizo v Liberci provozuje od roku 2000 spalovnu komunálního odpadu. Ročně přemění okolo 90 000 tun odpadů na asi 700 TJ tepla, což odpovídá roční spotřebě tepla přibližně 14 600 domácností. Kogenerací navíc vyrobí elektrickou energii pro chod celé technologie spalovny a ještě ekvivalent roční spotřeby elektrické energie 4 100 domácností. Spalovna disponuje moderní a vysoce účinnou technologií čištění odpadních plynů, takže do ovzduší vypouští mimořádně čisté spaliny. Obsahují však vysoké množství oxidu uhličitého (cca 11 % objemových, což je asi 350krát více než ve vzduchu), který běžnými postupy zatím neumíme ze spalin odloučit. Protože je CO₂ důležitý a životodárný plyn, nabízí se jeho využití pro fotosyntézu. Vhodné rostliny s vysokým produkčním potenciálem a odolné k vysokým obsahům CO₂ jsou řasy.

Pěstování řasové biomasy

Při fotosyntéze řas platí, že pro produkci 1 kg suché hmoty řas je třeba přibližně 2 kg CO₂, přičemž se v procesu fotosyntézy uvolní do atmosféry přibližně 2,5 kg kyslíku.
Jak postupoval projekt:

• Odborníci vybrali vhodný produkční kmen řasové kultury rodu Chlorella vyznačující se rychlým růstem, snášenlivostí k vysoké koncentraci CO₂ a vhodným chemickým složením řasové buňky.


• v objektu spalovny byl vybudován prototyp modelového bioreaktoru s umělými světelnými zdroji. U populace řas, dlouhodobě pěstovaných na vyčištěných spalinách (s obsahem CO₂ 11-13 % obj.), se ověřovaly růstové, obsahové, fyziologické a strukturální změny. Stejné testy se prováděly u kultur pěstovaných za standardních podmínek v prostředí vzduchu obohaceném potravinářským oxidem uhličitým.


• Srovnávací růstové testy, prováděné souběžně na CO₂ spalinovém i potravinářském (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 ve spalinách (cca 9 % obj.) ve srovnání s jeho obsahem ve vzduchu. Vyšší koncentrace kyslíku rozpuštěného v řasové suspenzi snižují aktivitu fotosyntézy.


• Vypěstované řasy mají vysoký obsah bílkovin a svou čistotou splňují kritéria pro použití v potravinářství, krmivářství nebo kosmetice.


• Byla prokázána také možnost produkce řas s vysokým (až 50%) obsahem škrobu, který může být perspektivně využit jako surovina pro produkci bioetanolu.

Pěstování a využívání řasové biomasy

Správnou kultivační technologií a použitím výkonných kmenů řas lze za vhodných klimatických podmínek dosáhnout výnosů řádově převyšujících výnosy zemědělských plodin, přičemž řasová biomasa má z nutričního (výživového) pohledu mimořádně hodnotné biochemické složení. 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. Výhodou je také rovnoměrné rozložení sklizně vypěstované biomasy v průběhu celé kultivační sezóny, jejíž délka je dána klimatickými podmínkami.

Řasy rodu Chlorella se vyznačují rychlým růstem, 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 (tuky) 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. Chlorella také obsahuje významně více vitamínů než jiné rostliny.

Kultivační technologie

Ve světě se obvykle řasy pěstují 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. Hmota se pomocí lopatkových míchadel udržuje v neustálém pohybu (tedy i v noci, kdy řasy nerostou). Tato technologie má řadu závažných nedostatků, které zapříčiňují nízké výnosy a vysoké kultivační 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 slunečního světla. V noci je suspenze uložena v nádržích. Sycení oxidem uhličitým se provádí jeho zavedením do čerpadla, vynášejícího během dne suspenzi řas na spádovou plochu bioreaktoru. Díky jen několikamilimetrové kultivační vrstvě má suspenze řas na jednotce plochy objem 50x menší a sklizňovou hustotu 100x větší (45–55 g suché hmoty řas/l) než u bazénů, takže náklady na provoz bioreaktoru a sklizeň řas jsou řádově nižší. Jako vedlejší produkt procesu vzniká kyslík.

V klimatických podmínkách Čech se výnosy biomasy Chlorelly pohybují v přepočtu na plochu 1 ha v rozmezí 25–30 tun suché hmoty řas za kultivační sezónu (asi 150 dní), v podmínkách klimatu, ve kterém je kultivační sezóna delší než 300 dní (např. Řecko), lze očekávat výnosy v rozmezí 80–100 tun/ha. To už stojí za úvahu o využití takové biomasy (pro srovnání: výnos pšenice u nás je kolem 5 t/ha, brambor 30 t/ha, cukrovky 50 t/ha, pícnin 7 t/ha).
Cílem výzkumného projektu je pokračovat v hledání dalších řasových kmenů s vysokým obsahem škrobů a lipidů i velkým produkčním potenciálem. Pro využití biomasy řas na produkci bioetanolu se bude zkoumat technologie rozrušování celulosových obalů řasových buněk a enzymové hydrolýzy takto dostupného škrobu. Ověřovat se bude další možnost využití řasové biomasy transesterifikací tukové frakce na biodiesel. Zbytková biomasa poslouží jako cenné krmivo.. Další výzkumu už by měl přinést předprovozní prototyp řasového bioreaktoru..

Experimentální bioreaktor v liberecké spalovně je zatím unikátem.
O možnostech využití řas „trochu jinak“ 3pol napsal:
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/sci-fi/1334-pane-vrchni-prosil-bych-jeden-rasbif

---

Společnost Termizo proto iniciovala vznik výzkumného týmu (Mikrobiologický ústav AV ČR Třeboň; Ústav pro výzkum a využití paliv a. s. Praha, Institut fűr Getreideverarbeitung, GmbH., Abteilung der Algenbiotechnologie, Bergholz-Rehbrűcke, Německo, VŠCHT Praha, Centre of Biological Engineering, University of Minho, Portugalsko, Zurich University of Applied Sciences, Wädensvil, Švýcarsko), aby ve dvou mezinárodních projektech ověřil biotransformace oxidu uhličitého z vyčištěných spalin do kultury řas.