REKLAMA


 

REKLAMA


 

Pożyteczny stres glonów Grzegorz Paul

Zapotrzebowanie na energię na świecie wzrasta. Tymczasem nieodnawialne zasoby surowców energetycznych się wyczerpują, a ich pozyskiwanie i eksploatacja nie są obojętne dla środowiska i klimatu. Dlatego uwaga opinii publicznej i uczonych coraz bardziej skupia się na ograniczaniu zużywania paliw kopalnych na rzecz źródeł odnawialnych – na przykład biopaliw


Krzeminska_Izabela

Autorami tekstu są

 

Izabela Krzemińska
Instytut Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego, Polska Akademia Nauk, Lublin

 

Dr Izabela Krzemińska jest mikrobiologiem, zajmuje się prowadzeniem hodowli i utrzymywaniem kultur mikroglonów w laboratorium Nowych Technologii Pozyskiwania Energii Odnawialnej oraz Biomasy w IA PAN.  

 

Tys_Jerzy

Jerzy Tys
Instytut Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego, Polska Akademia Nauk, Lublin

 

Prof. dr hab. Jerzy Tys jest jest kierownikiem Środowis- kowego Laboratorium Energii Odnawialnej. Kieruje projektem „Produkcja ekologicznego oleju rzepakowego o wyjątkowych właściwościach prozdrowotnych”. Za olej Kropla Zdrowia wyróżniony przez czasopismo „Prestiż” nagrodą Renoma Roku 2012 w kategorii „wynalazca”. 

 

 


Jednym z potencjalnych surowców do produkcji biopaliw jest biomasa zielonych jednokomórkowych glonów, zwanych mikroglonami. Uważa się, że może ona zastąpić paliwa kopalne ze względu na wysoką produktywność. Hodowla mikroglonów w mniejszym stopniu konkuruje z produkcją żywności i wywiera mniej negatywny wpływ na środowisko niż inne źródła biomasy. Dodatkowym atutem tych glonów jest ich zdolność do znacznej asymilacji dwutlenku węgla CO2 (od 1,65 kg do 1,83 kg CO2 na 1 kg wytworzonej biomasy), a także możliwość wykorzystania do hodowli CO2 pochodzącego z gazów spalinowych.

 

Podstawowe wykorzystanie biomasy mikroglonów polega na takim jej przekształcaniu, żeby dało się ją wykorzystać do celów energetycznych. Jej konwersja może odbywać się dzięki procesom termochemicznym, biochemicznym, chemicznym albo przez spalanie bezpośrednie. Można z niej otrzymać różne biopaliwa: biodiesel, etanol, metan, a na drodze fotoprodukcji biologicznej także biowodór.

 

Mniej azotu, więcej oleju

 

Mikroglony stanowią zróżnicowany zbiór gatunków eukariotycznych (posiadających jądro komórkowe) i prokariotycznych (nieposiadających jądra). Zamieszkują praktycznie wszystkie ekosystemy. Należą do nich gatunki, które odżywiają się na drodze procesu fotosyntezy (autotroficzne), cudzożywnie (heterotrofy) i w sposób mieszany (miksotrofy). W zależności od rodzaju metabolizmu mikroglony do wzrostu wymagają źródła węgla, związków mineralnych oraz światła. Gatunki heterotroficzne mają zdolność wzrostu w ciemności i wykorzystywania jako źródła węgla związków organicznych. Glony odżywiające się miksotroficznie wykorzystują także – w procesie fotosyntezy – węgiel nieorganiczny (CO2). Ilość uzyskanej biomasy i zawartość w niej lipidów jest większa w przypadku heterotroficzngo wzrostu mikroglonów niż w przypadku biomasy otrzymanej w warunkach autotroficznych. Kultury heterotroficzne mogą jednak bardzo łatwo ulec zakażeniu przez obecne w podłożu organiczne źródła węgla, co jest pewnym problemem, zwłaszcza w przypadku produkcji biomasy na dużą skalę.

 

Główną zaletą jednokomórkowych glonów jest ich zdolność do szybkiego namnażania się. W optymalnych warunkach hodowli mogą one podwoić swoją biomasę w czasie od kilkunastu do kilkudziesięciu godzin, a niektóre gatunki nawet w ciągu kilku godzin. Tempo wzrostu mikroglonów uwarunkowane jest przede wszystkim cechami gatunkowymi, ale także dostępnością substancji odżywczych, dwutlenku węgla oraz czynnikami fizycznymi i chemicznymi – m.in. temperaturą, intensywnością światła fotosyntetycznie czynnego oraz stosunkiem długości okresów światła i ciemności w cyklu dobowym. Określenie optymalnych dla poszczególnych gatunków warunków hodowli jest kluczowym elementem w pracach nad produkcją biomasy do celów energetycznych. A że mikroglony są organizmami metabolicznie plastycznymi, odpowiednia manipulacja warunkami hodowli może zwiększyć produktywność i zredukować koszty procesu konwersji biomasy. Zagadnieniem tym zajmujemy się w Instytucie Agrofizyki PAN w Lublinie.

 

Zdolność do gromadzenia lipidów w komórkach, a co za tym idzie – możliwość pozyskiwania z nich oleju, jest cechą gatunkową mikroglonów. Jednak w optymalnych dla siebie warunkach wiele gatunków produkuje kwasy tłuszczowe, które nie są odpowiednie do produkcji biopaliw. Dopiero w warunkach stresu (np. przy ograniczeniu składników odżywczych, przede wszystkim azotu) metabolizm ulega zmianie: mikroglony przestawiają się na biosyntezę i gromadzenie triacylogliceroli, które mogą stanowić do 80% całkowitej zawartości lipidów w komórce i są odpowiednim substratem do produkcji biopaliwa.

 

Kluczowym etapem jest tu wybór odpowiedniego gatunku bądź szczepu mikroglonów. Należy uwzględnić tempo wzrostu, ilość i jakość wytwarzanych kwasów tłuszczowych, konkurencję z innymi mikroglonami i bakteriami czy wytrzymałość na stres mechaniczny. Do produkcji biopaliw wykorzystuje się m.in. słodkowodne glony: Scenedesmus sp., Chlorella sp., Spirogyra sp. oraz gatunki morskie z rodzajówSynechccocus sp., Dunaliella sp. W tej chwili najlepsze do produkcji biopaliwa – ze względu na zawartość lipidów oraz produktywność – wydają się mikroglony z rodzaju Chlorella.

 

Wyjść z laboratorium

 

Wykorzystanie mikroglonów wyłącznie do pozyskiwania energii nie jest jeszcze opłacalne. W tym kontekście warto zastanowić się nad wykorzystaniem biomasy np. do produkcji wartościowych farma- i nutraceutyków, a dopiero w drugiej kolejności do celów energetycznych. Jednak wciąż brakuje przetestowanych technologii, umożliwiających produkcję na skalę większą niż laboratoryjna – opracowanie odpowiednich rozwiązań jest tu największym wyzwaniem.

 

Jedną z podstawowych kwestii są wysokie koszty utrzymania hodowli – drogie są np. składniki pożywek. Można je jednak zastąpić ściekami, które stanowią tanie źródło azotu, fosforu oraz wody. Możliwość zagospodarowania materiałów odpadowych sprawia również, że produkcja biomasy mikroglonów staje się bardziej przyjazna środowisku.

 

Fotobioreaktor skonstruowany w Laboratorium Nowych Technologii Pozyskiwania Energii Odnawialnej oraz Biomasy w Instytucie Agrofizki PAN w Lublinie. Fot. Grzegorz Paul

 

Druga sprawa to sam sposób hodowli. Mikroglonom potrzebne jest środowisko wodne – otwarte naturalne lub sztuczne stawy bądź zamknięte fotobioreaktory. Hodowla w otwartych systemach jest tańszym i prostszym technologicznie rozwiązaniem, ale ma wiele wad, m.in. charakteryzuje się niską wydajnością, wysoką ewaporacją, brakiem możliwościkontroli parametrów procesu hodowli oraz dużym ryzykiem zakażenia innymi mikroorganizmami. Fotobioreaktory pozwalają zaś osiągać wyższą produktywność i zagęszczenie biomasy, umożliwiają kontrolę warunków oraz odpowiednie doświetlanie hodowli. Hodowla w nich jest droższa, jednak ostatecznie efektywniejsza.

 

W Laboratorium Nowych Technologii Pozyskiwania Energii Odnawialnej oraz Biomasy w Instytucie Agrofizki PAN w Lublinie realizujemy obecnie finansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego projekt „Opracowanie założeń fizjologiczno-technicznych do produkcji glonów na cele energetyczne” [kierownikiem jest prof. dr hab. Jerzy Tys – red.]. Skonstruowaliśmy fotobioreaktor o pojemności 250 l. Składa się on – podobnie jak inne – z modułu sterującego, który umożliwia kontrolowanie warunków, w jakich funkcjonują mikroglony, oraz z modułu przeznaczonego do hodowli. Wyposażyliśmy go jednak w oświetlenie typu LED oraz w komorę dającą możliwość przeprowadzenia sterylizacji termicznej lub z wykorzystaniem lampy UV. Proces sterylizacji zarówno samego urządzenia, jak i pożywki jest istotny ze względu na konieczność utrzymania w ciągu całej hodowli monokultury glonów. Poprzez bezpośrednie połączenie fotobioreaktora z wirówką można prowadzić hodowlę w sposób ciągły – gdy biomasa osiąga odpowiednie zagęszczenie, natychmiast kierowana jest do odwirowania. Hodowla utrzymywana jest w ciągłym ruchu dzięki pompie perystaltycznej. Temperaturę utrzymuje płaszcz grzewczy.

 

Rozwiązania zaproponowane w naszym fotobioreaktorze dają – mamy nadzieję – możliwość optymalizacji warunków hodowli i prowadzenie produkcji biomasy mikroglonów na skalę przemysłową.

 

 

Chcesz wiedzieć więcej?

Kwietniewska E., Tys J., Krzemińska I., Kozieł W. (2012). Microalgae – cultivation and application as a source of biomass: a review. Acta Agrophysica Monographiae, 2, 1-108


Academia nr 1 (33) 2013

Oceń artykuł
(2 głosujących)

Tematy

agrofizyka antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura Arctowski arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin borelioza botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geografia geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia hydrologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria inżynieria materiałowa język językoznawstwo kardiochirurgia klimatologia kobieta w nauce komentarz komunikacja kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura literaturoznawstwo matematyka medycyna migracje mikrobiologia mineralogia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia na czasie nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia nowe członkinie PAN 2017 ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt Puszcza Białowieska robotyka rozmowa „Academii” seksualność smog socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl