Biopaliva ze spalovny komunálních odpadů

Nedávno dokončený projekt se zaměřil na plynný odpadní proud ze spalovny komunálního odpadu, v němž se velmi daří zeleným řasám. Spalovna Termizo, a. s., tak hledá nové technologické možnosti svého provozu.

Základem úvah byla vysoká účinnost instalovaných technologií ve spalovně, a tedy i mimořádně čisté spaliny vypouštěné do ovzduší. Takto velká spalovna například za celý rok 2007 vypustila do ovzduší pouhé 2 kg prachových částic, což přepočteno na koncentrace je 4 µg/m³. V centru Liberce je roční koncentrace nejjemnějších podílů prachu PM10, po oddělení majoritního podílu hrubého prachu, přibližně 30 µg/m³ (údaje z automatizovaného měření imisí AIME). U velmi málo kontaminovaného, a tedy netoxického plynného odpadního proudu ze spalovny se vzhledem k vysokému obsahu CO₂ (zhruba 11 % objemových, což je asi 350krát více než ve vzduchu) nabízí fotosyntéza. Ovšem jediné rostliny s vysokým produkčním potenciálem jsou řasy.

Od roku 2006 běžel ve spalovně Termizo, a. s., mezinárodní projekt EUREKA BIOFIX, který ověřuje biotransformaci oxidu uhličitého z vyčištěných spalin do produkční kultury řas. Na řešení se podílejí i další partneři: Mikrobiologický ústav AV ČR Třeboň, Institut f#251#r Getreideverarbeitung, GmbH., a Abteilung der Algenbiotechnologie, Bergholz-Rehbr#251#cke, Německo.

OVĚŘENÍ 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.1). Pro produkci byl vybrán 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. V objektu spalovny Termizo, a. s., byl vybudován prototyp modelového bioreaktoru s umělými světelnými zdroji.

Populace řas byla dlouhodobě pěstována v kontaktu s reálnými vyčištěnými spalinami (s obsahem CO₂ 11-13 % obj.). Ověřovaly se 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 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 (zhruba 9 % obj.) ve srovnání s jeho obsahem ve vzduchu. Vyšší koncentrace kyslíku, rozpuštěného v řasové suspenzi, snižují aktivitu fotosyntézy.

Vyprodukované řasy splňují kritéria pro použití v potravinářství, krmivářství nebo kosmetice z hlediska limitů obsahu těžkých kovů i organických a zvláště sledovaných POP's. Byla také prokázána možnost produkce řas s vysokým (až 50%) obsahem škrobu, který může být perspektivně využit jako surovina pro produkci bioetanolu.

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 spotřebu kultivačních ploch, přičemž lze využít ploch, nevhodných pro zemědělskou produkci. Výhodou je také rovnoměrné rozložení sklizně napěstované biomasy v průběhu celé kultivační sezony, jejíž délka je dána klimatickými podmínkami.

KULTIVAČNÍ TECHNOLOGIE

Velkoobjemová kultivace řas se ve světě v současnosti provádí převážně v otevřených bazénech, v nichž je 15-30cm tlustá vrstva anorganického živného roztoku s řasami vystavená slunečnímu svitu. Vrstva se probublává oxidem uhličitým a je v neustálém pohybu pomocí míchadel. Tato technologie má řadu závažných nedostatků.

Patentově chráněná česká technologie solární kultivace řas vyvinutá v MBÚ AV ČR v Třeboni je zcela odlišná. Suspenze řas stéká v tenké vrstvě po meandrovitě uspořádaných nakloněných plochách za intenzivní turbulence. Objem suspenze řas je na jednotce plochy 50x menší a sklizňová hustota 100x větší (45-55 g suché hmoty řas/l), takže náklady na provoz bioreaktoru a sklizeň řas jsou řádově nižší.

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 sezonu (kolem 150 dní). V oblastech s kultivační sezonou delší než 300 dní lze očekávat výnosy 80-100 tun/ha.

Vyspělé země intenzivně hledají alternativy ke klasickým palivům. Pozornost se zaměřila na biopaliva (bioetanol, biodiesel), pro jejichž výrobu je surovinou rostlinná hmota. Při klasické zemědělské produkci se bioetanol vyrábí lihovarnickými postupy z cukernatých či celulózových zemědělských plodin (cukrovka, obilí, cukrová třtina, kukuřice, brambory atd.). 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.

Ve vyspělých zemích světa se současný podíl bioetanolu v benzínu (2-5 %) má v nejbližších letech významně zvýšit. V roce 2020 se mají biopaliva podílet na celkové spotřebě paliv deseti procenty.

Výroba biomasy z řas má proti tradičním zemědělským postupům vysokou jednotkovou produktivitu (při použití třeboňské technologie 50-100 tun suché hmoty řas/ha) v závislosti na klimatických podmínkách. Výběrem vhodných kmenů, řízených 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). Proces kultivace lze dále významně zlevnit využitím odpadního spalinového CO₂, který tvoří až 50 % ceny všech potřebných živin.

Třeboňské pracoviště MBÚ AV ČR se řasovými biotechnologiemi zabývá více než třicet let a patří v tomto oboru ke světové špičce. Díky zkušenostem z projektu navrhují oba hlavní partneři rozšířit v dalším období (2009-2012) program EUREKA o nový projekt s pracovním názvem ALGANOL, který by se zabýval využitím řas jako suroviny pro výrobu biopaliv, zejména bioetanolu, včetně optimalizace podmínek fermentace škrobu.

Na tomto novém projektu budou spolupracovat laboratoře a společnosti z několika zahraničních pracovišť. Vytvoříme tak evropskou protiváhu programům realizovaným v tomto oboru v USA a v asijských zemích (Japonsko, Indie). V budoucnu by mohly být moderní spalovny, zejména v klimaticky příznivých podmínkách, řešeny jinak.

Ing. Petr Novák
Ing. Pavel Bernát
Termizo, a. s., Liberec,

Ing. Jiří Doucha, CSc.
RNDr. Vilém Zachleder, CSc.
Ing. Irena Doušková
MBÚ AV ČR Třeboň,

doc. Ing. František Straka, CSc.
ÚVP Praha

Tabulka 1 Porovnání měrných emisí škodlivin ze spalování paliv s provozními hodnotami Termizo, a. s. (kg/TJ)

Chlorella

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.