DIPLOMSKO DELO

(1)

U

NIVERZA V

L

JUBLJANI

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

DIPLOMSKO DELO

Petra Zupančič

Ljubljana, 2021

(2)

(3)

U

NIVERZA V

L

JUBLJANI

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

UNIVERZITETNI ŠTUDIJSKI PROGRAM 1. STOPNJE KEMIJSKO INŽENIRSTVO

Proizvodnja bioplina iz mikroalg

DIPLOMSKO DELO

Petra Zupančič

M

ENTORICA

: prof. dr. Andreja Žgajnar Gotvajn

Ljubljana, 2021

(4)

(5)

IZJAVA O AVTORSTVU

diplomskega dela

Spodaj podpisana Petra Zupančič sem avtorica diplomskega dela z naslovom Proizvodnja bioplina iz mikroalg.

S svojim podpisom zagotavljam, da:

• je diplomsko delo rezultat mojega raziskovalnega dela pod mentorstvom prof.

dr. Andreje Žgajnar Gotvajn;

• sem poskrbela, da so dela in mnenja drugih avtorjev, ki jih uporabljam v predloženem diplomskem delu, navedena oziroma citirana v skladu z navodili;

• se zavedam, da je plagiatorstvo, v katerem so tuje misli oziroma ideje

predstavljene kot moje lastne, kaznivo po zakonu (Zakon o avtorski in sorodnih pravicah – uradno prečiščeno besedilo (ZASP-UPB3) (Ur. list RS, št. 16/2007);

• sem poskrbela za slovnično in oblikovno korektnost diplomskega dela;

• je elektronska oblika diplomskega dela identična tiskani obliki diplomskega dela.

V Ljubljani, 1. 9. 2021 Podpis avtorice:

(6)

(7)

Zahvala

Za strokovno vodstvo in pomoč pri pisanju diplomskega dela se iskreno zahvaljujem svoji mentorici prof. dr. Andreji Žgajnar Gotvajn.

Hvala sošolcem in prijateljem, ki so mi stali ob strani.

Zahvaljujem se tudi družini, ki me je ves čas študija vzpodbujala, moralno podpirala in verjela vame.

(8)

(9)

Proizvodnja bioplina iz mikroalg

Povzetek: Zaradi velike potrebe po energiji se področje obnovljivih virov energije hitro razvija. V zadnjem desetletju se mikroalge intenzivno preučujejo kot alternativni vir biomase za nadomeščanje fosilnih goriv. Glavne prednosti uporabe mikroalg za proizvodnjo bioplina so visoka fotosintetska učinkovitost, manjhna poraba vode, njihova hitra rast, vzporedna poraba CO2 in razmeroma majhna potreba po površini za gojenje.

Lahko jih gojimo v odprtih bazenih ali zaprtih reaktorjih, t. i. fotobioreaktorjih (PBR).

Anaerobna razgradnja mikroalg je uveljavljen biološki proces za proizvodnjo bioplina, ki ga lahko očiščenega primesi uporabimo za proizvodnjo toplotne in električne energije.

Končni produkt je sestavljen iz metana (40–75 %), ogljikovega dioksida (15–60 %) in sledov ostalih plinov. Proizvodnja bioplina poteka v več korakih, vključno z gojenjem, odstranjevanjem mikroalg iz suspenzije, predobdelavo in končno anaerobno razgradnjo.

Anaerobno razgradnjo, ki poteka pod nadzorovanimi pogoji v okolju brez kisika, se izvaja v digestorju v štirih korakih: (1) hidroliza, (2) acidogeneza, (3) acetogeneza in (4) metanogeneza. Ker se zaradi raznolike sestave mikroalg biometanski potencial bistveno razlikuje, je pri optimizaciji procesa zelo pomembna izbira vrste mikroalg. Na učinkovitost procesa vplivajo mešanje, temperatura, pH vrednost, razmerje med ogljikom in dušikom (C/N), inhibitorji, organska obremenitev in hidravlični zadrževalni čas (HRT). Glavni oviri, ki ju je treba izboljšati na industrijski ravni, sta nizko razmerje C/N in težka razgradljivost celičnih sten mikroalg, ki pa jo je mogoče premagati z učinkovito termično, mehansko, kemično ali biološko predobdelavo. Namen diplomske naloge je opisati proces proizvodnje bioplina, določiti dejavnike, ki vplivajo na anaerobno razgradnjo, in primerjati različne preobdelave mikroalgne biomase.

Ključne besede: anaerobna razgradnja, bioplin, fotobioreaktorji, mikroalge, predobdelava.

(10)

(11)

Biogas production from microalgae

Abstract: Due to high energy demand, renewable energy sources are developing rapidly.

In the last decade, microalgae have been studied extensively as an alternative source of biomass to replace fossil fuels. The main advantages of using microalgae for biogas production are high photosynthetic efficiency, low water consumption, their rapid growth, CO2 consumption and relatively low surface area for cultivation. They can be cultivated in open ponds or closed photobioreactors (PBR). Anaerobic digestion of microalgae is an established biological process for biogas production. Refined biogas can be used to produce thermal and electric energy. The final product consists of methane (40-75%), carbon dioxide (15-60%) and other gas traces. Biogas production follow several steps, including cultivation, harvesting, pretreatment and final anaerobic digestion. Anaerobic digestion, which takes place under controlled conditions without oxygen, is carried out in the digestate in four steps: (1) hydrolysis, (2) acidogenesis, (3) acetogenesis and (4) methanogenesis. Because of significant differences in biomethane yield due to the diverse structure of microalgae, selection of microalgae species is very important for process optimisation. The efficiency of the process is affected by mixing, temperature, pH level, carbon to nitrogen ratio (C/N), inhibitors, organic biomass loading and hydraulic retention time (HRT). The main challenges at the industrial level that need to be improved are low C/N ratio and tough microalgae cell wall biodegradability, which can be overcome by effective thermal, mechanical, chemical or biological pretreatment. The aim of the thesis is to describe the process of biogas production, to determine the factors affecting anaerobic digestion and to compare different pretreatments of microalgae biomass.

Keywords: anaerobic digestion, biogas, microalgae, photobioreactors, pretreatment.

(12)

(13)

Kazalo vsebine

1 Uvod ... 1

2 Namen dela in hipoteze ... 2

3 Mikroalge... 3

3.1 Vrste mikroalg ... 3

3.2 Uporaba mikroalg ... 3

3.2.1 Čiščenje odpadne vode in pridelava biomase ... 4

3.2.2 Biogoriva ... 5

4 Proizvodnja bioplina ... 5

4.1 Izbira vrste mikroalg ... 6

4.2 Gojenje mikroalg ... 8

4.2.1 Odprti bazeni ... 10

4.2.2 Fotobioreaktorji (PBR) ... 10

4.2.2.1 Ploščati fotobioreaktorji (FP-PBR) ... 11

4.2.2.2 Stolpni fotobioreaktorji (VC-PBR) ... 12

4.2.2.3 Cevni fotobioreaktorji (T-PBR) ... 12

4.3 Odstranjevanje mikroalg iz suspenzije ... 13

4.4 Anaerobna razgradnja ... 15

4.4.1 Dejavniki, ki vplivajo na anaerobno razgradnjo ... 17

4.4.1.1 Temperatura ... 17

4.4.1.2 pH vrednost ... 17

4.4.1.3 Razmerje med ogljikom in dušikom (C/N) ... 17

4.4.1.4 Inhibitorji ... 18

4.4.1.5 Organska obremenitev in hidravlični zadrževalni čas ... 18

(14)

4.4.2 Raziskava biometanskega potenciala pri različnih mikroalgnih vrstah in

različnih pogojih anaerobne razgradnje... 19

4.5 Predobdelava mikroalgne biomase ... 21

4.5.1 Termična predobdelava ... 21

4.5.2 Mehanska predobdelava ... 22

4.5.3 Kemična predobdelava... 22

4.5.4 Biološka predobdelava ... 22

4.5.5 Primerjava predobdelav mikroalgne biomase ... 23

5 Zaključek ... 26

6 Literatura ... 27

(15)

Kazalo tabel

Tabela 1: Mikroalgni produkti iz različnih vrst mikroalg in njihova uporaba ... 4

Tabela 2: Biokemijska sestava različnih vrst mikroalg (% suhe snovi) ... 7

Tabela 3: Primerjava odprtih in zaprtih sistemov za gojenje mikroalg ... 9

Tabela 4: Rezultati raziskave anaerobne razgradnje iz mikroalgne biomase... 20

Tabela 5: Primerjava različnih predobdelav za izboljšanje mikroalgne anaerobne biorazgradljivosti ... 24

Kazalo slik

Slika 1: Odvisnost teoretičnega biometanskega potenciala od sestave (ogljikovi hidrati, proteini in lipidi) različnih vrst mikroalg ... 8

Slika 2: Različni tipi odprtih bazenov: (1) bazen brez premešanja, (2) krožni bazen,... 10

Slika 3: Različni tipi zaprtih fotobioreaktorjev: (1) ploščati reaktor, (2) stolpni reaktor, (3) cevni reaktor ... 11

Slika 4: Pogled od spredaj in s strani ploščatega fotobioraktorja (FP-PBR) ... 12

Slika 5: Shema vodoravnega cevnega fotobioreaktorja (T-BPR) ... 13

Slika 6: Shema anaerobne razgradnje in nastanka bioplina ... 16

Slika 7: Predobdelave za izboljšanje produktivnosti bioplina iz mikroalg ... 21

Slika 8: Povečanje biometanskega potenciala v primerjavi z vsebnostjo raztopljenih snovi po predobdelavi mešanice mikroalgne biomase z uporabo različnih tehnik ... 25

(16)

(17)

Seznam uporabljenih kratic in simbolov

AD anaerobna razgradnja (angl. anaerobic digestion) C/N razmerje med ogljikom in dušikom

CSTR idealni mešalni reaktor (angl. continuous stirred-tank reactor) FP-PBR ploščati fotobioreaktor (angl. flat panel photobioreactor) HRT hidravlični zadrževalni čas (angl. hydraulic retention time) KMK kratkoverižne maščobne kisline

KPK kemijska potreba po kisiku OS organska snov

PBR fotobioreaktor (angl. photobioreactor)

PFR idealni cevni reaktor (angl. plug flow reactor) sp. vrsta (angl. species)

T-PBR cevni fotobioreaktor (angl. tubular photobioreactor)

VC-PBR stolpni fotobioreaktor (angl. vertical column photobioreactor)

(18)

(19)

P. Zupančič: Proizvodnja bioplina iz mikroalg

1

1 Uvod

Kljub temu da napovedujejo porabo zalog nafte do leta 2050, še vedno 90 % sedanje oskrbe z energijo zagotavljajo fosilna goriva. Poleg tega imajo fosilna goriva škodljiv vpliv na okolje in njihov sežig povzroča klimatske spremembe, zato iščemo trajnostne rešitve obnovljivih virov energije, ki bi prispevale k zmanjševanju onesnaževanja okolja.

Bioplin je produkt pri predelavi odpadkov in hkrati predstavlja vir energije, ki zmanjšuje odvisnost od fosilnih goriv. Pri njegovi uporabi se izognemo povečanju emisij CO2, saj je zgorevanje bioplina ogljično nevtralno. To pomeni, da se pri zgorevanju sprosti samo toliko CO2, kolikor ga pred tem uporabljena biomasa absorbira iz ozračja. Prednost bioplina pred nekaterimi drugimi obnovljivimi viri energije (sonce, veter) je v tem, da ga je mogoče proizvajati skozi celo leto, ne glede na vremenske razmere [1–3].

Bioplin lahko učinkovito proizvajamo iz mikroalgne biomase. Za izbiro vrste, množično gojenje, odstranjevanje mikroalg iz suspenzije in nadaljnjo predelavo mikroalg je potrebna visoka raven biotehnologije, ki še ni bila na voljo pred desetletji. Zato se je sodobna proizvodnja mikroalg začela sredi 20. stoletja, kljub temu da so užitne vrste modrozelenih mikroalg že stoletja uporabljali v prehrani. Danes bioprocesno inženirstvo povezuje kemijske inženirje in mikrobiologe za razvoj procesov in opreme za proizvodnjo bioplina iz mikroalg [4].

Hitra rast mikroalg, učinkovita poraba CO2, visoka stopnja fotosinteze (npr. 6,9 x 10⁴ celic∙mL^-1∙h^-1), visok izkoristek in enostavno zbiranje mikroalgne biomase

daje odličen komercialen potencial za trajnostno energijo. Čeprav gojenje mikroalg trenutno stane več kot gojenje rastlin tradicionalno uporabljenih za proizvodnjo bioplina in prinaša manj zaslužka, se za razliko od teh ne vmešava v lokalno kmetijstvo in zahteva manj prostora in vode [5].

(20)

2

2 Namen dela in hipoteze

Namen diplomske naloge je spoznati potencial bioplina, ustvarjenega iz mikroalg, opisati proces njegove proizvodnje, določiti optimalne pogoje in primerjati različne preobdelave mikroalgne biomase. Podrobneje so opisani dejavniki, ki vplivajo na anaerobno razgradnjo. Predstavljeno je tudi gojenje mikroalg v različnih reaktorjih in široka uporaba mikroalg za različne izdelke.

V diplomskem delu sem potrdila oziroma ovrgla v nadaljevanju navedene hipoteze.

Hipoteza 1: Biometanski potencial se razlikuje med različnimi vrstami mikroalg zaradi raznolike sestave.

Hipoteza 2: Pri gojenju mikroalg fotobioreaktorji omogočajo večji izplen biomase kot pa odprti bazeni.

Hipoteza 3: Za razgradnjo celične stene mikroalg je najučinkovitejša mehanska predobdelava.

(21)

3

3 Mikroalge

Mikroalge so fotosintetski mikroorganizmi, ki v dolžino merijo do 400 m. Najdemo jih v morskih in sladkovodnih ekosistemih. Med njih spadajo evkariontske mikroalge in prokariontske cianobakterije. Lahko so enocelične ali se združujejo v verige celic. Za rast potrebujejo predvsem vodo, sončno svetlobo in vir ogljika. Hranila pridobivajo iz vodnega okolja, ogljikov dioksid privzemajo iz ozračja in pri tem proizvedejo približno 50 % atmosferskega kisika. Njihov biološki sistem lahko učinkovito izkorišča sončno sevanje za pridobivanje organskih spojin. Nekatere vrste mikroalg vsebujejo več kot 60

% lipidov (na suho snov) in v optimalnih pogojih rastejo zelo hitro. Lahko jih gojimo v odprtih bazenih ali v zaprtih reaktorjih, t. i. fotobioreaktorjih (angl. photobioreactors – PBR) [2, 5–7].

3.1 Vrste mikroalg

Raznolikost mikroalg je vidna v njihovih habitatih, fiziologiji, morfologiji in metabolizmu ogljika. Do danes je poznanih več ko 40.000 različnih vrst mikroalg, ki se različno odzivajo na okoljske in ekološke razmere. V zadnjem času so raziskane le tiste vrste, za katere vemo, da bi lahko učinkovito preživele v odpadnih vodah ali v digestatu [2, 8].

Glede na življenjsko okolje delimo mikroalge na sladkovodne in morske. Zelene mikroalge in cianobakterije prevladujejo v sladkih vodah. Med zelene mikroalge spadajo predvsem vrste Chlorella, Scenedesmus, Pseudokirchneriella subcapitata, Chlamydomonas, Botryococcus braunii in Oocystis sp. Medtem ko med morske mikroalge uvrščamo zlasti vrste Amphora sp., Dunaliella parva, Dunaliella salina, Navicula sp. in Tetraselmis sp [8].

Zaradi hitre stopnje rasti in visoke odpornosti na onesnaževanje in CO2 so bile sladkovodne mikroalge, Chlorella vulgaris in Scenedesmus obliquus ter morske mikroalge, Spirulina platensis, obsežno raziskane in gojene za proizvodnjo bioplina [8].

3.2 Uporaba mikroalg

Obstajajo raznolike vrste mikroalg z različnimi fiziološkimi in biokemičnimi lastnostmi, ki so komercialno pomembne v biotehnologiji. Mikroalge so potencialni vir za pridobivanje energije (biogoriva), čiščenje odpadnih vod in zmanjševanje emisij CO2, saj za proizvodnjo 1 tone mikroalgne biomase potrebujemo najmanj 1,8 tone ogljikovega dioksida (porabimo lahko izpušne pline). Mikroalge se porabljajo v prehrani, farmaciji, kozmetiki, biognojilih, barvilih in živalski krmi. Iz njih se sintetizirajo protimikrobna zdravila in zdravila proti raku. Sposobne so tvoriti stabilne izotope (¹³C, ¹⁵N in ²H) in

(22)

4

proizvajati različne vrste lipidov, karotenoidov, peptidov, encimskih polimerov, antioksidantov in esencialnih maščobnih kislin. Chlorella, Arthrospira (Spirulina), Dunaliella, Isochrysis in Chaetoceros so ene izmed glavnih vrst mikroalg, ki se uporabljajo za proizvodnjo komercialnih izdelkov z letno proizvodnjo 9.000 ton suhe snovi. Kljub vsemu je področje mikroalg še dokaj neraziskano in se še razvija. V tabeli 1 vidimo uporabo mikroalg za različne produkte [2, 6].

Tabela 1: Mikroalgni produkti iz različnih vrst mikroalg in njihova uporaba [2, 9]

Mikroalgni produkti Uporaba Primerne vrste mikroalg

Vitamini in minerali: A, B1, riboflavin (B2), B12 in C; železo, kalcij, kalij, magnezij in jod

zdravstvo, prehranska dopolnila, živalska krma

Chlorella, Spirulina, Dunaliella, Nostoc, Aphanizomenon

Pigmenti: klorofil, β-karoten, lutein,

astaksantin, C-fikocianin

kozmetika, prehranska dopolnila, živalska krma, barvanje hrane,

farmacevtska industrija

Spirulina platensis, Spirulina maxima, Chlorella vulgaris, Dunaliella salina Lipidi: glicerol,

polinenasičene maščobne kisline (omega-3, omega-6)

prehranska dopolnila, živalska krma,

biorafinerija

Scenedesmus sp., Nannochloropsis salina

Ogljikovi hidrati:

glukoza, polisaharidi (škrob, celuloza), β-glukan

zdravstvo, biorafinerija Porphyridium cruentum, Spirogyra sp.

Fenoli: salicilna kislina, kavna kislina, galna kislina

kozmetika (nega las in kože, zaščita pred soncem)

Arthrospira, Alaria esculenta, Chondrus crispus, Spirulina

platensis, Nannochloropsis oculata

3.2.1 Čiščenje odpadne vode in pridelava biomase

V zadnjih desetletjih se je povečala zaskrbljenost glede onesnaževal in patogenih mikroorganizmov v odpadni vodi, saj lahko njihov izpust negativno vpliva na naravno okolje in vire pitne vode ter posledično na zdravje ljudi. Neustrezna obdelava vode vodi do izpusta dušika in fosforja, kar lahko povzroči evtrofikacijo. Proces čiščenja vode z mikroalgami ni dober samo za bioremediacijo, ampak tudi za rast mikroalg. Mikroalge učinkovito zmanjšujejo koncentracijo dušika in fosforja ter organskih snovi (izraženih kot kemijska potreba po kisiku (KPK)). V primerjavi z aktivnim blatom mikroalge bolje

(23)

5

odstranjujejo nutriente, kemikalije, težke kovine in patogene mikroorganizme iz odpadne vode [6, 10–12].

Mikroalge kot del biološkega čiščenja v procesu fotosinteze porabljajo CO2 iz odpadnih plinov in hkrati proizvajajo kisik, ki pomaga bakterijam razgraditi organske snovi v odpadni vodi. S tem zmanjšamo energijske stroške, ki so drugače potrebni za mehansko prezračevanje v aerobnih čistilnih napravah. Mikroalgno-bakterijski čistilni sistem omogoča recikliranje nutrientov iz odpadne vode, prihranek energije v primerjavi s konvencionalnimi čistilnimi napravami in pridobivanje mikroalgne biomase, ki jo lahko kasneje pretvorimo v biogoriva, krmo, biognojila itd. [6, 13].

3.2.2 Biogoriva

Mikroalgno biomaso lahko pretvorimo v energijo s pomočjo biokemičnega ali termokemičnega procesa. V biokemičnem procesu s fermentacijo proizvedemo bioetanol, s transesterifikacijo pa biodizel, ki je zelo podoben običajnemu dizelskemu gorivu. V termokemičnem procesu s pirolizo proizvedemo bio-olje, medtem ko biometan pridobimo z anaerobno razgradnjo. Za ekonomično izvedljivost proizvodnje biogoriv na industrijski ravni je potrebna integracija bioprocesnega inženirstva. Proizvodnja mora biti konkurenčna ali cenejša od naftnih goriv, izboljševati mora kakovost zraka in zahtevati mora malo ali nič dodatnega prostora z minimalno porabo vode [5, 14].

4 Proizvodnja bioplina

Bioplin je zmes plinov, ki nastane pri anaerobni razgradnji v bioplinskem reaktorju oziroma digestorju. Anaerobna razgradnja je ena najbolj uporabljenih bioloških tehnik za čiščenje odpadnih vod in proizvodnjo bioplina iz različnih biološko razgradljivih odpadkov. Gre za naraven proces, pri katerem različne metanogene bakterije razgrajujejo organske snovi v odsotnosti kisika. Ponuja nizko proizvodnjo blata, nizko porabo energije in nizke obratovalne stroške. Glavni produkt anaerobne razgradnje je bioplin, ki je sestavljen iz metana (40–75 %) in ogljikovega dioksida (15–60 %) ter sledov plinov, kot so vodna para (5–10 %), dušik (0–2 %), kisik (0–1 %), amonijak (<1 %) in vodikov sulfid (0,005–2 %). Najpomembnejši sestavni del je metan, saj večja je vsebnost metana v bioplinu, večja je njegova energetska učinkovitost. Proizveden bioplin lahko uporabimo za proizvodnjo električne in toplotne energije ali pa ga nadalje očistimo do biometana (>97 % metana) in ga vodimo v plinsko omrežje zemeljskega plina ter ga uporabimo kot pogonsko gorivo v vozilih [2, 8, 9].

Bioplin lahko proizvajamo iz različnih organskih snovi, ki vsebujejo zadovoljivo razmerje ogljika in dušika. To so energetske rastline (koruza, rž, sladkorna pesa, sirek itd.), odpadki hrane, blato komunalnih čistilnih naprav, mikroalge, kmetijski ostanki

(24)

6

(hlevski gnoj ali ostanki pridelkov), biološko razgradljivi komunalni odpadki in industrijski organski odpadki. Mikroalge 5–10-krat hitreje rastejo kot ostali substrati za proizvodnjo bioplina. Lahko dosežejo visoko produktivnost biomase in gojimo jih lahko na neobdelanih površinah in v odpadnih vodah, bogatih s hranili. Z visoko vsebnostjo biološko razgradljivih spojin, kot so ogljikovi hidrati (4–57 %), lipidi (2–40 %) in proteini (8–71 %) v suhi snovi, lahko mikroalge proizvedejo najvišji teoretični biometanski potencial z lipidi (1,014 Lmetana∙g^-1OS), nato proteini (0,851 Lmetana∙g^-1OS) in ogljikovimi hidrati (0.415 Lmetana∙g^-1OS) [2, 9, 15].

Glavne ovire pri proizvodnji bioplina iz mikroalg so [9]:

- razgradljivost celične stene mikroalg, - nizko razmerje C/N v mikroalgni biomasi, - nizka koncentracija biorazgradljivega substrata, - učinkovitost predobdelave mikroalgne biomase in

- možna inhibicija pri sproščanju dolgoverižnih maščobnih kislin.

V procesu anaerobne razgradnje nastane tekoči ostanek, t. i. digestat, ki je bogat vir hranil.

Predvsem se uporablja kot gnojilo za pridelavo poljščin, saj vsebuje dušik, fosfor, ogljik, kalij in razna mikrohranila. Zaradi problema izrabe velikih količin tekočega ostanka so zaželene alternativne ekonomične tehnike ravnanja z digestatom. Zaradi ugodnih energijskih in okoljskih vplivov lahko s pomočjo mikroalg digestat očistimo do te stopnje, da je primeren za izpust v okolje. Proizvedeno mikroalgno biomaso pa uporabimo kot kosubstrat za proizvodnjo bioplina. Vendar je spremenljiva sestava digestata precejšen izziv pri gojenju mikroalg, saj lahko njegova temna barva, motnost in visoke koncentracije hranil zavirajo fotosintezo in posledično rast mikroalg [9].

4.1 Izbira vrste mikroalg

Vrste mikroalg se razlikujejo v morfologiji celic in svoji biokemijski sestavi (tabela 2), ki je odvisna od različnih biotskih in abiotskih dejavnikov. Produktivnost in biometanski potencial sta posledica pretvorbe biokemijskih komponent mikroalgne biomase med anaerobno razgradnjo. Eden od razlogov za neučinkovito anaerobno razgradnjo so težko razgradljive komponente celičnih sten mikroalg, kot so lignin, celuloza in hemiceluloza [2].

Pri izbiri vrste mikroalg za proizvodnjo bioplina so zaželene robustne vrste mikroalg s tanko celično steno ali brez nje, hitro stopnjo rasti, veliko citoplazemsko vsebnostjo, odpornostjo na onesnaževanje in okoljske spremembe, visoko toleranco do koncentracije CO2 in NH4+ ter onesnaževalcev kovinskih ionov (Cr, Cu, Cd in Pb) [2, 8].

(25)

7

Tabela 2: Biokemijska sestava različnih vrst mikroalg (% suhe snovi) [2]

Vrste mikroalg Lipidi (%) Proteini (%) Ogljikovi

hidrati (%)

Chlorella protothecoides 55 10–52 10–15

Chlamydomonas reinhardtii 21 48 17

Chlorella vulgaris 14–22 51–58 12–17

Dunaliella salina 6 57 32

Dunaliella bioculata 8 49 4

Scenedesmus dimorphus 16–40 8–18 21–52

Scenedesmus obliquus 35–55 50–56 10–17

Spirogyra sp. 11– 21 6–20 33–64

Anabaena cylindrical 4–7 43–56 25–30

Spirulina maxima 6–7 60–71 13–16

Spirulina platensis 4–9 46–63 8–14

Synechococcus sp. 11 63 15

Chaetoceros calcitrans 39 58 10

Chaetoceros muellerii 33 44–65 11–19

Porphyridium cruentum 9–14 28–39 40–57

Euglena gracilis 4–20 39–61 14–18

Isochrysis galbana Parke 21–38 30–45 7–25

Prymnesium parvum 22–38 28–45 25–33

Pri izboru učinkovitih vrst mikroalg za proizvodnjo bioplina si lahko pomagamo z določitvijo teoretičnega biometanskega potenciala, ki se izračuna iz stehiometričnega razmerja med proizvodnjo metana in elementarno sestavo biomase (vsebnost C, H, O in N – Reakcija /1/) z uporabo enačbe (1). Vendar moramo vedeti, da ti teoretični izračuni običajno ne zajemajo vpliva vseh dejavnikov, kot so vrsta celične kulture in pogoji anaerobne razgradnje. V raziskavah je bil eksperimentalno določen veliko nižji biometanski potencial (0,05–0,42 Lmetana∙g^-1OS) kot pa teoretični (0,40–0,80 Lmetana∙g^-1OS) [2].

(𝐶_𝑎𝐻_𝑏𝑂_𝑐𝑁_𝑑) + (4𝑎 − 𝑏 − 2𝑐 + 3𝑑 4 ) 𝐻₂𝑂

→ (4𝑎 + 𝑏 − 2𝑐 − 3𝑑

8 ) 𝐶𝐻₄ + (4𝑎 − 𝑏 + 2𝑐 + 3𝑑

8 ) 𝐶𝑂₂+ 𝑑𝑁𝐻₃ /1/

kjer so a, b, c in d vsebnost C, vsebnost H, vsebnost O in vsebnost N.

𝑌_𝐶𝐻4 = ( 4𝑎 + 𝑏 − 2𝑐 − 3𝑑

12𝑎 + 𝑏 + 16𝑐 + 14𝑑) ∗ 𝑉_𝑚 (1)

(26)

8

kjer je YCH4 teoretični biometanski potencial (Lmetana∙g^-1OS) in Vm molski volumen metana, tj. 22,14 L pri 0 °C in 1 atm.

Na sliki 1 vidimo, kako se teoretični biometanski potencial zaradi različnih sestav med vrstami mikroalg razlikuje. Teoretično se proizvede iz lipidov večja količina metana kot iz ogljikovih hidratov in proteinov [2].

Slika 1: Odvisnost teoretičnega biometanskega potenciala od sestave (ogljikovi hidrati, proteini in lipidi) različnih vrst mikroalg [2]

4.2 Gojenje mikroalg

Za uspešno gojenje in rast mikroalg potrebujemo vir svetlobe in hranil (ogljik, dušik in fosfor), vzdrževanje ustreznih pogojev (temperatura in pH) in mešanje. Mikroalge gojimo v odprtih bazenih ali zaprtih fotobioreaktorjih (PBR), ki morajo biti pravilno izdelani, da ustrezajo mikroalgnim zahtevam. Pri zasnovi reaktorjev upoštevamo osnove procesnega inženirstva, predvsem prenos snovi, hidrodinamiko in porazdelitev svetlobe. Optimalne procesne parametre izberemo glede na vrsto mikroalg, ki jo uporabljamo. PBR se nahajajo ali v zaprtih prostorih ali na prostem, medtem ko so odprti bazeni večinoma na prostem, kjer izkoriščajo sončno svetlobo [2, 5].

(27)

9

Za učinkovito gojenje mikroalg v velikem obsegu proizvodnje se je treba soočiti z naslednjimi izzivi [16]:

- izboljšanje fotosintetske učinkovitosti, - izboljšanje učinkovitosti zajemanja svetlobe, - izboljšanje izkoristka biomase,

- izboljšanje topnosti CO2 v kulturi mikroalg, - izboljšanje topnosti O2 in odstranjevanje O2, - nadzor bakterijske kontaminacije,

- nadzor temperature,

- ohranjanje razmerja med ogljikom in dušikom (C/N), - stranski produkti in

- preprečevanje zastojev zaradi nepravilnega mešanja.

Večina vrst mikroalg je avtotrofih, kjer je za rast in razmnoževanje celic potrebna svetloba. Za razliko od avtotrofov, ki vežejo anorganski ogljik v obliki CO2, hetertrofi uporabljajo organski ogljik in so neodvisni od svetlobe. Obstajajo tudi miksotrofi, ki privzamejo obe obliki ogljika. Čeprav se avtotrofno gojenje pogosteje uporablja, je heterotrofno gojenje znano po večji produktivnosti biomase in visoki stopnji rasti mikroalg, kar zmanjša možnost kontaminacije [2, 16].

Glavne značilnosti odprtih bazenov in zaprtih PBR so predstavljene v tabeli 3 [2].

Tabela 3: Primerjava odprtih in zaprtih sistemov za gojenje mikroalg [2]

Značilnosti Odprti sistemi Zaprti sistemi

Izguba CO2 visoka nizka

Izhlapevanje visoko nizko

Možnost kontaminacije visoka nizka

Učinkovita raba svetlobe slaba odlična

Zahtevana površina visoka nizka

Razmerje površina/volumen nizka visoka

Upravljanje procesa zahtevno enostavno

Produktivnost biomase nizka visoka

Investicijski stroški nizki visoki

Obratovalni stroški nizki visoki

Stroški zbiranja mikroalgne biomase visoki manjši

Povečanje obsega proizvodnje enostavno zahtevno

(28)

10

4.2.1 Odprti bazeni

Zaradi nizkih investicijskih in obratovalnih stroškov so odprti bazeni najpogosteje uporabljeni komercialni sistemi za gojenje mikroalg. Mednje spadajo veliki plitvi bazeni in rezervoarji, krožni bazeni ter oksidacijski jarki. Bazeni brez premešanja, 50 cm globoki, so najenostavnejši in najcenejši, vendar neučinkoviti in primerni samo za manjšo proizvodnjo. Krožni bazeni, ki so globoki 30–70 cm, imajo vrtljivo mešalo, ki je pritrjeno na os v središču bazena. Oksidacijski jarki so sestavljeni iz zaprtih krožnih kanalov, ki merijo v globino 15–30 cm, in mešala z lopaticami, ki meša suspenzijo mikroalg in ustvarja tok v bazenu. Pretok se skozi ovinke vodi preko pregrad, nameščenih v kanalih, ki so zgrajeni iz betona ali zbite zemlje, obložene s plastiko (slika 2) [2, 4].

Čeprav so odprti bazeni ekonomsko ugodnejši od PBR, imajo v primerjavi z njimi nizko produktivnost mikroalgne biomase. Glavna pomanjkljivost so okoljske oziroma vremenske razmere, ki ovirajo učinkovit nadzor hranil, temperature, svetlobe in izparevanja vode. Zaradi velike izgube ogljikovega dioksida v ozračje je v odprtih bazenih izkoriščanje CO2 za fotosintezo manj uspešno kot v PBR. Težave lahko nastanejo tudi zaradi kontaminacije z invazivnimi bakterijami ali drugimi vrstami mikroalg, ki rastejo hitreje in premagajo gojeno vrsto mikroalg [2, 4, 17].

Slika 2: Različni tipi odprtih bazenov: (1) bazen brez premešanja, (2) krožni bazen, (3) oksidacijski jarek [4]

4.2.2 Fotobioreaktorji (PBR)

PBR so učinkovitejši, saj lahko dosežejo višje razmerje med površino in volumnom in manjše tveganje kontaminacije. Nudijo nadzorovane pogoje za avtotrofno gojenje posameznih vrst mikroalg. Zagotavljajo potrebno intenzivnost svetlobe za izvedbo fotobioloških reakcij celic, potrebnih za njihovo razmnoževanje. Za gojenje lahko uporabijo odpadno vodo ali dimne pline elektrarn. V njih se lahko goji več različnih vrst

(29)

11

mikroalg kot v odprtih bazenih. Kljub vsem prednostim je postavitev in obratovanje PBR drago in povečanje obsega proizvodnje zahtevno [2, 5].

PBR so sestavljeni iz tankih prozornih cevi ali plošč, ki so opremljene s CO2 jeklenkami.

Za nadzorovanje okoljskih dejavnikov, kjer je predvsem pomembna optimalna površina osvetlitve, obstajajo različne oblike PBR. Glede na obliko so najbolj pogosti ploščati (angl. flat panel PBR s kratico FP-PBR), stolpni (angl. vertical column PBR s kratico VC-PBR) in cevni (angl. tubular PBR s kratico T-PBR) reaktorji (slika 3). V PBR se mešanje in prezračevanje izvaja mehansko z zračno črpalko ali s t. i. air-lift sistemom, ki v nasprotju z zračno črpalko ne vsebuje gibljivih delov in posledično ne poškoduje celic.

Ta sistem tudi zmanjšuje kontaminacijo in odstranjuje odvečen kisik, ki bi sicer zaviral fotosintezo [4, 5].

Slika 3: Različni tipi zaprtih fotobioreaktorjev: (1) ploščati reaktor, (2) stolpni reaktor, (3) cevni reaktor [4]

4.2.2.1 Ploščati fotobioreaktorji (FP-PBR)

Ploščati PBR (slika 4) so učinkoviti in enostavno zasnovani. Njihova prednost je kratka svetlobna pot in posledično veliko razmerje med površino in volumnom, zato jih lahko usmerimo v neposredno svetlobo, da dosežemo največji izkoristek sončne energije.

Produktivnost mikroalgne biomase se hitro povečuje s hitrostjo mešanja, ki jo zagotavlja ustrezen dotok CO2 v reaktor in hkrati odstrani odvečni kisik. Vendar pa zaradi večjih obratovalnih stroškov, ki zagotavljajo visoko stopnjo prezračevanja, niso priporočljivi za veliko proizvodnjo [2, 5].

(30)

12

Slika 4: Pogled od spredaj in s strani ploščatega fotobioraktorja (FP-PBR) [5]

4.2.2.2 Stolpni fotobioreaktorji (VC-PBR)

Navpični stolpni PBR, ki so visoki do 4 metrov, morajo imeti majhen polmer (do 20 cm), da se poveča razmerje med površino in volumnom. Ti reaktorji zavzamejo najmanj prostora. Najbolj znana je kolona z mehurčki, ki ima na dnu ventil in disperzer, preko katerega uvajamo zrak. Mehurčki, ki se dvigajo navzgor, povzročajo mešanje in prezračevanje [2].

4.2.2.3 Cevni fotobioreaktorji (T-PBR)

Najpogosteje se uporabljajo cevni PBR (slika 5), saj obetajo veliko mikroalgne biomase.

Sestavljeni so iz vzporednih cevi (s premerom do 20 cm), ki so lahko ravne, ukrivljene ali oblikovane v spiralo. Postavljeni so navpično, vodoravno ali poševno glede na največji vir svetlobe. Sestavni deli cevnih PBR so polje za gojenje mikroalg, krožna črpalka in stolp za izmenjavo plina ter za hlajenje oziroma segrevanje [2, 5].

(31)

13

Slika 5: Shema vodoravnega cevnega fotobioreaktorja (T-BPR) [2]

4.3 Odstranjevanje mikroalg iz suspenzije

Mikroalgno biomaso je treba po gojenju ločiti iz iztoka bioreaktorja. Odstranjevanje mikroalg iz suspenzije (angl. harvesting) je ključni korak, ki prispeva 20–30 % skupnih stroškov proizvodnje bioplina. Običajno mikroalgne kulture vsebujejo zelo razredčeno biomaso, ki se lahko razlikuje od 0,5–0,75 g∙L^-1 v odprtih bazenih do 3–4 g∙L^-1 v PBR.

Ker proizvodnja bioplina iz tako razredčene raztopine ni mogoča, jo je treba koncentrirati 50–200-krat. 90 % vode, ki se loči med procesom, se reciklira in vnovično uporabi za rast mikroalg v fazi gojenja [2, 16].

Odstranjevanje mikroalg iz suspenzije poteka v treh korakih [2]:

1. naravna sedimentacija: biomasa z 1–5 % suhe snovi, 2. koncentriranje: biomasa z 10–25 % ali več suhe snovi, 3. sušenje.

Za koncentriranje mikroalgne biomase se posamezno ali v kombinaciji uporabljajo različne tehnike. Med njih spadajo centrifugiranje, koagulacija, filtracija, flokulacija,

(32)

14

flotacija, elektroliza in ultrazvok. Večina teh zbiralnih tehnik je še vedno omejena na laboratorijsko ali pilotsko raven [2].

Glavne ovire pri ločevanju mikroalg iz suspenzije so [16]:

- majhna velikost celic,

- stabilna in razredčena mikroalgna biomasa, - niti ena metoda ni ustrezna za vse tipe mikroalg, - različen postopek za sladkovodne in morske mikroalge, - kontaminacija nabrane biomase s kemikalijami in - visoka poraba energije.

Filtracija je široko uporabljena tehnika odstranjevanja vode, pri kateri suspenzija mikroalg potuje skozi porozen material. Delci, manjši od velikosti por, se odfiltrirajo, preostali delci pa se zadržijo na filtru. Velikost por filtra je odvisna od vrste mikroalg.

Mikrofiltracija (premer por 0,1–3 m) in ultrafiltracija (premer por 0,01–0,1 m) sta najprimernejši tehniki, s katerima lahko dosežemo 95 % učinkovitost odstranjevanja mikroalg iz suspenzije. Učinkovitost zbiranja se določi s tokom, ki gre skozi filter, kjer ni nujno, da visok pretok pomeni visoko učinkovitost. Na proces vplivajo velikost celic, temperatura in starost ter koncentracija mikroalgne biomase [16].

Med centrifugiranjem centrifugalna sila, ki je večja od gravitacijske sile, ločuje mikroalgno biomaso od gojitvenega medija. V 2–5 minutah centrifugiranja se lahko doseže 80–90 % učinkovitosti ločevanja [16].

Flotacija je tehnika, pri kateri se mikroalge ločijo od vodnega medija z vnosom zračnih mehurčkov. Zračni mehurčki ujamejo mikroalgne celice, ki se posledično zaradi vzgona in učinka nizke gostote dvignejo. Tako lahko poberemo celice mikroalg s površja. S flotacijo lahko dosežemo 80–90 % učinkovitosti zbiranja mikroalgnih celic premera 10–

30 m. Proces je odvisen od pretoka zraka, hidravličnega zadrževalnega časa in velikosti mikroalgnih celic ter zračnih mehurčkov. Obstajajo različne tehnike: (1) elektro flotacija, (2) flotacija z raztopljenim zrakom, (3) flotacija z razpršenim zrakom in (4) flotacija z ozonom [16].

Flokulacija je postopek, pri katerem se delci združijo in tvorijo skupke oziroma flokule.

Večja masa povzroči gravitacijsko usedanje flokul. V gojitvenem mediju so mikroalgne celice stabilne in negativno nabite. Da ločimo mikroalgne celice od vodnega medija, jih moramo najprej destabilizirati z nasprotnim pozitivnim nabojem. Pri zbiranju mikroalgne biomase se lahko učinkovito uporabljajo kovinski ioni (Al⁺³ in Fe⁺³), organski polimeri (škrob in hitozan) in oksidanti (O3, ClO2). Zanimiva postaja naravno inducirana flokulacija, pri kateri pobiramo mikroalgno biomaso brez flokulantov. Do usedanja pride

(33)

15

zaradi spremembe pH med rastjo mikroalg. Mikroalgne celice imajo naravno težnjo po flokulaciji pri pH vrednosti 9 ali več [16].

V zadnjem koraku koncentrirano mikroalgno biomaso posušimo. Z odstranitvijo vlage želimo doseči daljši rok uporabnosti in enostavno uporabo v nadaljnjih korakih predelave.

Poznamo sušenje v bobnu, sušenje z razprševanjem in solarno sušenje. Solarno sušenje porabi najmanj energije, a je dolgotrajno in tvegano za kontaminacijo [2].

4.4 Anaerobna razgradnja

Anaerobna razgradnja (AD, angl. anaerobic digestion) je razgradnja organskih snovi s pomočjo sinergijskega delovanja velikega števila različnih bakterij in metanogenih arhej.

Za proizvodnjo bioplina poteka anaerobna razgradnja v štirih stopnjah (slika 6) [18].

1. Hidroliza: V procesu hidrolize se kompleksni organski polimeri, vključno z ogljikovimi hidrati, proteini in lipidi, razgradijo v bolj enostavne dolgoverižne maščobne kisline, aminokisline, glukozo in fruktozo s pomočjo hidrolitičnih in fermentativnih bakterij. Hidroliza je najpomembnejša stopnja pri razgradnji celuloznih, lignoceluloznih in hemiceluloznih substratov.

2. Acidogeneza: V drugi stopnji, ki je tudi najhitrejša, acidogene bakterije pri hidrolizi nastale monomere predelajo v zmes kratkoverižnih maščobnih kislin in vodika. Odvisno od substrata lahko med razgradnjo nastanejo tudi ogljikov dioksid, amonijak in vodikov sulfid.

3. Acetogeneza: V tretji stopnji se kratkoverižne maščobne kisline s pomočjo acetogenih bakterij pretvorijo v ocetno kislino, ogljikov dioksid in vodik.

4. Metanogeneza: V zadnji stopnji metanogene arheje dokončno proizvedejo metan in ogljikov dioksid po dveh poteh. Po acetoklastični poti iz ocetne kisline proizvedejo ~ 70 % CH4 in po hidrogenotrofni poti iz ogljikovega dioksida in vodika ~ 30 % CH4.

(34)

16

Slika 6: Shema anaerobne razgradnje in nastanka bioplina [2]

(35)

17

4.4.1 Dejavniki, ki vplivajo na anaerobno razgradnjo

Anaerobno razgradnjo, ki poteka pod nadzorovanimi pogoji v okolju brez kisika, lahko izvedemo v več stopnjah oziroma več bioreaktorjih. Bioreaktorji so povezani z ogrevalnim in plinskim sistemom ter so ponavadi opremljeni z mešalom. Na proizvodnjo bioplina vplivajo temperatura, pH vrednost, C/N, inhibitorji, organska obremenitev, HRT, sestava mikroalgne biomase in mešanje. Zaradi spremembe tehnoloških parametrov, vhodnih substratov ali inhibitornih snovi lahko pride do neravnovesja bakterij in zmanjšanja količine proizvedenega bioplina ali celo do prekinitve procesa [9].

4.4.1.1 Temperatura

Temperatura je eden izmed najpomembnejših dejavnikov, ki vplivajo na rast mikroorganizmov v bioreaktorju. Anaerobna razgradnja lahko poteka v treh temperaturnih območjih:

• psihofilno temperaturno območje : < 20 °C,

• mezofilno temperaturno območje: 25–40 °C,

• termofilno temperaturno območje : 50–65 °C.

Anaerobna razgradnja najpogosteje poteka pri mezofilnih ali termofilnih pogojih.

Hidroliza celičnih sten mikroalg je v termofilnih pogojih uspešnejša. Visoke temperature pospešijo biokemijske reakcije, povečajo učinkovitost razgradnje organskih snovi in posledično povečajo biometanski potencial. V termofilnih pogojih lahko povečamo organsko obremenitev mikrobne biomase, bakterije so robustnejše, imajo stabilne encime in rastejo 2–3-krat hitreje. Kljub vsem prednostim je pogosteje v uporabi mezofilni sistem, ker je termofilni sistem bolj občutljiv na temperaturne spremembe in zahteva več energije za ogrevanje bioreaktorjev. Pri večjih nihanjih temperature pride do neravnovesja med bakterijami in posledično do slabše anaerobne razgradnje [18].

4.4.1.2 pH vrednost

Vrednost pH v digestorju pomembno vpliva na aktivnost acidogenih bakterij in metanogenih arhej ter posledično na učinkovitost anaerobne razgradnje in biometanski potencial. Predvsem metanogene arheje so zelo občutljive na nizke vrednosti pH, ki zavirajo njihov metabolizem. Vrednosti pH so bolj kritične pri termofilnih kot pri mezofilnih procesih. Optimalna vrednost pH za proizvodnjo bioplina je med 6 in 8 [18].

4.4.1.3 Razmerje med ogljikom in dušikom (C/N)

Razmerje med ogljikom in dušikom (C/N) je eden najpomembnejših dejavnikov pri uporabi mikroalg za anaerobno razgradnjo. Veliko odstopanje od optimalnega razmerja C/N zmanjša učinkovitost metanogeneze in biometanski potencial. Optimalno razmerje C/N se giblje med 20 in 30, razmerje v mikroalgni biomasi pa je večinoma manjše od 10.

Ko je razmerje C/N manjše od 20, se v digestorju poruši ravnovesje med potrebami po C in N. Posledično pride do sproščanja amonijevih ionov (NH4+), kar zavira metanogene

(36)

18

mikroorganizme in vodi v akumulacijo kratkoverižnih maščobnih kislin (KMK). Čeprav so NH4+ in KMK pomembni vmesni produkti anaerobne razgradnje, lahko v prevelikih količinah postanejo inhibitorji. Za celično rast mikroorganizmov mora biti minimalna koncentracija celotnega amonijevega dušika (NH3 in NH4+) 50–200 mg∙L^-1. Pri visokih razmerjih C/N ta koncentracija ni dosežena [2, 19].

Če želimo povečati razmerje C/N, lahko mikroalgni biomasi dodamo substrat, ki vsebuje visok delež ogljika. V raziskavah so se kot uspešni sorazgradljivi substrati izkazali prašičja in kravja gnojevka, koruza, maščobe, komunalni trdni odpadki in odpadki papirniške industrije. Uporabimo lahko tudi odpadno blato iz čistilnih naprav, ki vsebuje veliko ogljika in aktivne mikroorganizme, ki lahko pomagajo pri hidrolizi celične stene in večji razgradljivosti mikroalg. Na primer 0,30–0,33 Lmetana∙g^-1OS nastane pri razgradnji mikroalg in blata v razmerju 2:1. V raziskavi, v kateri so za anaerobno razgradnjo primerjali uporabo same mikroalgne vrste C. reinhardtii z dodatkom koruzne silaže, je bil v mešanici biometanski potencial za 11 % večji [19].

Vseeno pa ustreznejše razmerje C/N in dodatek substrata vsakič ne pripomoreta k boljši proizvodnji bioplina, zato je potrebno vsako mešanico oceniti, ali je primerna za anaerobno razgradnjo [19].

4.4.1.4 Inhibitorji

Inhibitorji anaerobne razgradnje so lahko snovi, ki vstopajo z mikroalgno biomaso, ali organske snovi, ki nastanejo med samim procesom. Če hočemo doseči stabilno proizvodnjo bioplina, moramo spremljati organsko obremenitev in kakovost substrata ter preprečiti neravnovesje v digestorju s preveliko koncentracijo inhibitorjev. V nasprotnem primeru pride do povišanja hlapnih maščobnih kislin in posledično do znižanja pH vrednosti. Spremembe v populaciji anaerobnih mikroorganizmov lahko vodi v prekinitev proizvodnje bioplina. Glavni inhibitorji so amonijak, sulfidi, težke kovine (baker, cink, kobalt, krom, kadmij, nikelj in železo), ioni lahkih kovin (aluminij, kalij, kalcij, magnezij in natrij) in razne organske snovi (dolgoverižne maščobne kisline, lignin, fenoli, alifatski ogljikovodiki in halogenirani benzeni) [9].

4.4.1.5 Organska obremenitev in hidravlični zadrževalni čas

Organska obremenitev je masa organske snovi (OS) ali organske snovi izražene kot kemijska potreba po kisiku (KPK) substrata, ki jo dnevno vnesemo v bioreaktor na enoto volumna (gOS∙L^-1∙dan^-1). Medtem ko je hidravlični zadrževalni čas (angl. hydraulic retention time - HRT) definiran kot povprečni čas prisotnosti mikroorganizmov v digestorju. Ugotovili so, da se biometanski potencial s HRT povečuje, vendar predolga anaerobna razgradnja ne bo privedla bistvenih sprememb v celotni učinkovitosti zaradi izčrpanja razpoložljivih substratov in hranilnih snovi ter akumulacije toksičnih snovi.

Čas, ki je potreben, da se populacija mikroorganizmov podvoji, je za digestat ponavadi večji od 12 dni. HRT, ki je manjši od 10 dni, povzroči izpiranje metanogenih

(37)

19

mikroorganizmov. Pri anaerobni razgradnji je optimalni zadrževalni čas v laboratorijskih poskusih 15–30 dni, medtem ko je optimalni HRT v pilotnih ali obsežnih obratih 30–50 dni [2, 19, 20].

Investicijske stroške in velikost digestorja lahko zmanjšamo z visoko stopnjo organske obremenitve, vendar moramo pri tem zagotoviti velik HRT, da mikroorganizmi zadostno razgradijo organsko snov in jo pretvorijo v bioplin. Če vodimo anaerobno razgradnjo pri nizki stopnji organske obremenitve in velikem HRT, lahko dosežemo konstanten in maksimalen biometanski potencial. Medtem ko lahko v nasprotnem primeru (visoka obremenitev in nizek HRT) pride do nestabilnosti populacije mikroorganizmov in posledično do akumulacije organskih snovi in prekinitve proizvodnje bioplina. V raziskavi so ugotovili, da je najboljša kombinacija zadrževalnega časa 15 dni z organsko obremenitvijo s substratom 5 gOS∙L^-1∙dan^-1. Glede na zgradbo in vrsto mikroalgnega substrata je treba izbrati optimalno stopnjo organske obremenitve in optimalen HRT [19].

4.4.2 Raziskava biometanskega potenciala pri različnih mikroalgnih vrstah in različnih pogojih anaerobne razgradnje

Frigon in ostali raziskovalci so eksperimentalno preučevali biometanski potencial pri različnih pogojih anaerobne razgradnje z uporabo različnih vrst mikroalg (tabela 4). Za kontrolo so vzeli proizvodnjo metana iz koruzne biomase. Ugotovili so, da so nekatere vrste mikroalg dober substrat za anaerobno razgradnjo. Proizvedejo lahko bioplin z visoko vsebnostjo metana in z možnostjo nadomestitve biomase nekaterih trenutno uporabljenih energetskih rastlin. Vendar je potencial proizvodnje bioplina močno odvisen od vrste mikroalg in ga je treba preučiti ločeno [21].

(38)

20

Tabela 4: Rezultati raziskave anaerobne razgradnje iz mikroalgne biomase [21]

Vrste mikroalg Reaktor Tempera-

-tura (°C)

HRT (dan)

Biometanski potencial (Lmetana∙g^-1OS)

Izkoristek metana (% CH4) Chlamydomonas

reinhardtii

šaržni 38 32 0,59 66

Pavlova_cf sp. šaržni 35 90–95 0,51 73

Dunaliella salina šaržni 38 32 0,51 64

Euglena gracilis šaržni 38 32 0,49 67

Arthrospora platensis

šaržni 38 32 0,48 61

Tetraselmis sp. šaržni 35 90–95 0,42 79

Isochrysis spp. šaržni 35 34–50 0,41 /

Thalassiosira weissflogii

šaržni 35 90–95 0,38 74

Nannochloropsis sp. šaržni 35 90–95 0,36 72

Chlorella sp. šaržni 35 90–95 0,34 74

Chlorella Kessleri šaržni 38 32 0,34 65

Chlorella vulgaris šaržni 30 64 0,32 71

Scenedesmus obliquus

šaržni 38 32 0,29 62

Nannochloropsis oculata

šaržni 37 12 0,28 74

Chlorella in Scenedesmus

šaržni 35 40 0,16 70

Scenedesmus šaržni 37 32–40 0,14 79

Tetraselmis suecica CSTR 35 14 0,31 73

Chlorella vulgaris CSTR 35 28 0,24 /

Chlorella sp. in Scenedesmus sp.

CSTR 35 10 0,10 69

Phaeodactylum tricornutum

PFR 54 2 0,63 79

Phaeodactylum tricornutum

PFR 33 2 0,60 75

PFR 54 2 0,46 77

PFR 33 2 0,30 74

(39)

21

4.5 Predobdelava mikroalgne biomase

Značilnosti mikroalg, predvsem kompleksne strukture celičnih sten večine vrst mikroalg, omejujejo proizvodnjo bioplina. Učinkovitost anaerobne razgradnje je odvisna od razgradljivosti polimerov celične stene, predvsem vsebine hemiceluloze. V raziskavi so vrste brez celične stene (npr. Dunaliella sp.) ali z glikoproteinsko celično

steno dosegle višji biometanski potencial kot tiste vrste z bolj odporno celično steno (Chlorella sp. in Scenedesmus sp.), ki imajo večplastni sloj celuloze in hemiceluloze. Za boljšo razgradljivost in topnost mikroalgne biomase je potrebna njena predobdelava, preden jo anaerobno razgradimo. Poznamo štiri vrste predobdelav: termična, mehanska, kemična in biološka (slika 7). Kot najučinkovitejši sta znani termična in mehanska predobdelava. Termična predobdelava je že razširjena v kontinuirnih reaktorjih.

Mehanska predobdelava je manj odvisna od vrste mikroalg, a zahteva veliko porabo električne energije v primerjavi z ostalimi. Kemična predobdelava je najbolj učinkovita v kombinaciji s termično, vendar pri uporabi kemikalij lahko pride do kontaminacije produktov. Encimi v biološki predobdelavi izboljšajo hidrolizo [2, 15].

Slika 7: Predobdelave za izboljšanje produktivnosti bioplina iz mikroalg [15]

4.5.1 Termična predobdelava

Pri termični predobdelavi s toploto razgradimo mikroalgno biomaso. Uporablja se za razpadanje delcev organskih snovi v temperaturnem območju 50–270 °C. Optimalno temperaturno območje je odvisno od vrste mikroalg. Lignocelulozna biomasa začne razpadati pri temperaturah 150 °C, vendar ne smemo preseči 250 °C. Za povečanje biometanskega potenciala se najbolj uporablja temperaturno območje 55–170 °C. Pri segrevanju na 100 °C se je v 8 urah biometanski potencial povečal za 33 % v primerjavi z biometanskim potencialom neobdelane biomase. Poznamo termično predobdelavo, hidrotermično predobdelavo in termično predobdelavo z eksplozijo pare. Prvo metodo izvajamo pri temperaturah, nižjih od 100 °C, in pri atmosferskem tlaku. Pri hidroterični predobdelavi segrevamo mikroalgno biomaso pri temperaturah nad 100 °C s postopnim sproščanjem tlaka po končanem procesu. Medtem ko eksplozija pare nastane po nenadnem padcu tlaka po končani predobdelavi pri temperaturah nad 100 °C [2, 15].

(40)

22

4.5.2 Mehanska predobdelava

Pri mehanski predobdelavi s fizično silo neposredno poškodujemo celično steno mikroalg. Poznamo ultrazvočno in mikrovalovno mehansko predobdelavo. Ultrazvočna predobdelava je sestavljena iz hitre kompresije in dekompresije zvočnih valov. To sproži kavitacijo, nastajanje mikromehurčkov zaradi gibanja tekočih molekul znotraj celic.

Razpad komprimiranih mikromehurčkov povzroči sproščanje toplote, visok tlak, proste radikale in končno poškodbo celične stene. Ultrazvok lahko uporabimo pri nizkih (<50 kHz) in visokih (> 50 kHz) frekvencah. Na predobdelavo vplivajo tudi čas izpostavljenosti, vložena energija, koncentracija biomase in temperatura. Višja je temperatura, višji bo tlak in posledično učinkovitejša predobdelava. Pri drugi metodi uporabljamo mikrovalove, ki so kratki valovi elektromagnetnega valovanja v območju frekvenc od 300 MHz do 300 GHz. Hitro nihanje električnega polja sprosti toploto s pomočjo sil trenja molekul, ki se gibljejo. Povečanje kinetične energije sproži vretje vode ter posledično spremembe v sekundarni in terciarni strukturi proteinov. Na predobdelavo vplivajo podobni dejavniki kot pri ultrazvočni metodi [15].

4.5.3 Kemična predobdelava

Pri kemični predobdelavi mikroalgne biomase se za raztapljanje polimerov uporabljajo kisline (npr. H2SO4) ali baze (npr. NaOH). Majhna količina baze, ki ostane v predobdelani mikroalgni biomasi, lahko prepreči znižanje pH med nadaljnjo acidogenezo. Po drugi strani pa lahko nekatere spojine povzročijo nastanek potencialnih inhibitorjev med metanogenzo. Poleg kislin ali baz kemijska predobdelava zahteva tudi visoke temperature. Čeprav naj bi bila kombinacija kemične in termične predobdelave učinkovita za izboljšanje biometanskega potenciala, lahko nekatere težave, kot so korozija reaktorja, velika poraba energije in zahteva po odstranitvi ali nevtralizaciji kemikalij, predstavljajo izziv za povečanje obsega proizvodnje [2, 15].

4.5.4 Biološka predobdelava

Biološka predobdelava mikroalgne biomase uporablja naravne mikroorganizme ali njihove encime. Hidrolitični encimi pretvarjajo polimere celične stene mikroalg, kot sta celuloza in hemiceluloza, do spojin z nižjo molekulsko maso, ki so lažje dostopne za anaerobne mikroorganizme. Dejavniki, ki najbolj vplivajo na biološko predobdelavo, so temperatura, čas izpostavljenosti in količina encimov. Encimska predobdelava je enostavna, ne vključuje inhibitorjev, porabi malo energije in ne potrebuje recikliranja kemikalij po predobelavi. Kljub obetavnim prednostim in obsežnim raziskavam pa je komercialno izvajanje biološke predobdelave še v razvoju zaradi velike raznolikosti sestave celične stene mikroalg, stroškov proizvodnje encimov in izgube ogljikovih hidratov med predobdelavo [2, 15].

(41)

23

4.5.5 Primerjava predobdelav mikroalgne biomase

Glavne prednosti in slabosti metod predhodne obdelave mikroalg so povzete v tabeli 5.

Vidimo, da termični in termo-kemični predobdelavi najbolj uspe povečati hidrolizo biomase in biometanski potencial. Termična (<100 °C) in termo-kemična predobdelava ne zahtevata veliko energije, medtem ko hidrotermično (>100 °C) in termično predobdelavo z eksplozijo pare (>100 °C) ovirata visoka potreba po energiji in koncentriranje biomase. Nizek izplen biomase je lahko ovira za mikrovalovno predobdelavo. Ultrazvočna, kemična in encimska predobdelava imajo majhen učinek pri povečanju hidrolize biomase in biometanskega potenciala, poleg tega ultrazvočna predobdelava porabi veliko elektrike. Pri termično-kemični predobdelavi so raziskave pokazale pozitivno povečanje hidrolize biomase, vendar je v prihodnosti treba oceniti tveganje nezaželenih snovi v kontinuirnih laboratorijskih in pilotnih reaktorjih [15].

Primerjava predobdelav je bolj zanesljiva pri uporabi iste mikroalgne biomase, saj so učinki predobdelave specifični za vrsto in jih je težko predvideti. Poleg vsega bi mikroskopska analiza pomagala razumeti učinek vsake predobdelave na celično strukturo mikroalg [15].

(42)

24

Tabela 5: Primerjava različnih predobdelav za izboljšanje mikroalgne anaerobne biorazgradljivosti [15]

Predobdelava Parameter Povečana hidroliza biomase

Povečanje biometanskega

potenciala

Prednosti Slabosti

Termična (<100 °C)

temperatura, čas izpostavljenosti

nizka potreba po

energiji, večji izplen

biomase

dolg čas izpostavljenosti

Hidrotermična (>100 °C)

temperatura, čas izpostavljenosti

večji izplen biomase

visoka potreba po toploti, skoncentrirana biomasa, tveganje za

nastanek stabilnih spojin Termična z

eksplozijo pare (>100 °C)

temperatura, čas izpostavljenosti,

tlak

visoka potreba po toploti, skoncentrirana biomasa, tveganje za

nastanek stabilnih spojin, stroški Mikrovalovna moč, čas

izpostavljenosti

/ visoka potreba po elektriki, nizek izplen

biomase, skoncentrirana

biomasa Ultrazvočna moč, čas

izpostavljenosti

visoka potreba po elektriki, skoncentrirana

biomasa Kemična kemična doza,

čas izpostavljenosti

nizka potreba po

energiji

nezaželene snovi v procesu, tveganje za nastanek inhibitorjev,

stroški Termo-

kemična kemična doza, čas izpostavljenosti,

temperatura

nizka potreba po

energiji

nezaželene snovi v procesu, tveganje za nastanek inhibitorjev,

stroški Encimska encimska doza,

čas izpostavljenosti, pH, temperatura

nizka potreba po

energiji

stroški, sterilni pogoji

Legenda: ... majhen učinek ... srednji učinek ... velik učinek

(43)

25

Mehanizem vsake predobdelave ima drugačen učinek na vsebnost raztopljenih snovi in posledično na anaerobno razgradnjo. Na sliki 8 je predstavljeno povečanje biometanskega potenciala v odvisnosti od vsebnosti raztopljenih snovi za vsako vrsto predobdelave. Ker je učinek predobdelave na anaerobno razgradnjo odvisen ne samo od pogojev predobdelave, ampak tudi od vrste mikroalg, primerjava vključuje le mešanice mikroalgnih biomas. Najbolj strm trend vidimo pri mikrovalovni mehanski predobdelavi, kar pomeni, da se je že pri nizki količini raztopljenih snovi (10 %) močno povečal biometanski potencial (80 %). Nato sledi termična predobdelava, pri kateri je bil dosežen za 60 % večji biometanski potencial pri 20 % vsebnosti raztopljenih snovi. Pri hidrotermični predobdelavi in termični predobdelavi z eksplozijo pare je prišlo pri 20–60 % vsebnosti raztopljenih snovi do 60 % povečanja biometanskega potenciala.

Najslabši rezultat vidimo pri ultrazvočni predobdelavi, saj kaže skoraj konstantno odvisnost z le 20–30 % povečanja biometanskega potenciala. Ko predobdelava poveča količino raztopljenih snovi, vendar dosežen biometanski potencial ostane podoben kot pri neobdelani biomasi, je ena od možnih razlag nastanek slabo razgradljivih spojin med hidrolizo, ki ovirajo anaerobno razgradnjo [15].

Slika 8: Povečanje biometanskega potenciala v primerjavi z vsebnostjo raztopljenih snovi po predobdelavi mešanice mikroalgne biomase z uporabo različnih tehnik [15]

(44)

26

5 Zaključek

Bioplin je danes eno najperspektivnejših biogoriv. Za njegovo pridobivanje so mikroalge obetavna surovina, saj lahko vključujejo ravnanje z odpadki in gojenje v odpadnih vodah.

Dolgoletne raziskave so pokazale, da je anaerobna razgradnja mikroalgne biomase izvedljiva in proizvaja zadovoljive količine metana. Vrste mikroalg so pokazale izredno raznolikost v pomembnih značilnostih, kot so morfologija celic, biokemijska sestava in fotosintetska učinkovitost. Zato je mikroalge potrebno obravnavati različno in anaerobno razgradnjo optimizirati glede na njihove značilnosti. Prva hipoteza, ki pravi, da se biometanski potencial razlikuje med različnimi vrstami mikroalg zaradi raznolike sestave, drži. Vrste mikroalg, ki imajo različen delež lipidov, proteinov in ogljikovih hidratov, bodo proizvedle tudi različno količino metana. Druga hipoteza, ki pravi, da pri gojenju mikroalg PBR omogočajo večji izplen biomase kot pa odprti bazeni, prav tako drži. PBR so učinkovitejši in imajo višjo produktivnost biomase, saj lahko dosežejo višje razmerje med površino in volumnom, manjše tveganje kontaminacije in zagotavljajo potrebno intenzivnost svetlobe. Medtem ko odprti bazeni ne morejo nudit nadzorovanih pogojev.

Vremenske razmere ovirajo učinkovit nadzor hranil, temperature, svetlobe in izparevanja vode. Glavni oviri, ki ju je treba izboljšati za višji izkoristek in povečanje obsega proizvodnje bioplina na industrijski ravni, sta nizko razmerje C/N in težka razgradljivost celičnih sten mikroalg. Ena izmed rešitev je anaerobna sorazgradnja. Dodatek substrata z visokim deležem ogljika k mikroalgni biomasi lahko poveča razmerja C/N. Med najbolj uspešnimi dodatki so odpadki papirniške industrije. Za boljšo razgradljivost mikroalgne biomase izvedemo termično, mehansko, kemično ali biološko predobdelavo. Tretja hipoteza pravi, da je za razgradnjo celične stene mikroalg najučinkovitejša mehanska predobdelava. Raziskave so pokazale, da je najučinkovitejša termična predobdelava, tako da ta hipoteza ne drži. Termična predobdelava doseže največji izplen biomase in posledično največji biometanski potencial.

Zaradi želje po trajnostni oskrbi z obnovljivimi viri energije so se v zadnjih dvajsetih letih ustanovile številne mikroalgne industrije in raziskovalne skupine. V raziskavah dajejo poudarek na razumevanje celotne strukture in kompleksnosti številnih vrst mikroalg za uporabo v anaerobni razgradnji. Vodilne države, vključno s Kitajsko, Avstralijo, Španijo, Korejo in ZDA, kljub visokim stroškom vidijo proizvodnjo bioplina kot dolgoročen cilj in si prizadevajo za uresničitev proizvodnje bioplina iz mikroalg na industrijski ravni.

(45)

27

6 Literatura

[1] H. W. Yen, I. C. Hu, C. Y. Chen, S. H. Ho, D. J. Lee, J. S. Chang: Microalgae- Based Biorefinery – From Biofuels to Natural Products. Bioresour. Technol.

2013, 135, 166–174.

[2] M. A. Alam, Z. Wang: Microalgae Biotechnology for Development of Biofuel and Wastewater Treatment; Springer Singapore: Singapore, 2019.

[3] Biometan | Zemeljski plin. https://www.zemeljski-plin.si/biometan (pridobljeno 5. jun. 2021).

[4] A. Hallmann: Algae Biotechnology – Green Cell-Factories on the Rise. Curr.

Biotechnol. 2015, 4, 389–415.

[5] A. Bahadar, M. Bilal Khan: Progress in Energy from Microalgae: A Review.

Renew. Sustain. Energy Rev. 2013, 27, 128–148.

[6] M. Rizwan, G. Mujtaba, S. A. Memon, K. Lee, N. Rashid: Exploring the Potential of Microalgae for New Biotechnology Applications and beyond: A Review. Renew. Sustain. Energy Rev. 2018, 92, 394–404.

[7] C. Rodriguez, A. Alaswad, J. Mooney, T. Prescott, A. G. Olabi: Pre-Treatment Techniques Used for Anaerobic Digestion of Algae. Fuel Process. Technol.

2015, 138, 765–779.

[8] W. Zhang, C. Zhao, W. Cao, S. Sun, C. Hu, J. Liu, Y. Zhao: Removal of

Pollutants from Biogas Slurry and CO2 Capture in Biogas by Microalgae-Based Technology: A Systematic Review. Environ. Sci. Pollut. Res. 2020, 27, 28749–

28767.

[9] L. Lavrič: Obdelava anaerobnega digestata z mikroalgami in termofilna proizvodnja bioplina iz živilskih odpadkov in mikroalgne biomase. Ljubljana:

Biotehniška fakulteta UL 2019, doktorska disertacija.

[10] G. Chen, L. Zhao, Y. Qi: Enhancing the Productivity of Microalgae Cultivated in Wastewater toward Biofuel Production: A Critical Review. Appl. Energy 2015, 137, 282–291.

[11] L. Wang, M. Min, Y. Li, P. Chen, Y. Chen, Y. Liu, Y. Wang, R. Ruan:

Cultivation of Green Algae Chlorella Sp. in Different Wastewaters from

Municipal Wastewater Treatment Plant. Appl. Biochem. Biotechnol. 2010, 162, 1174–1186.