Możliwości stosowania hodowlanych alg jako kosubstratu do

Andrzej Lewicki
Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Możliwości stosowania hodowlanych alg jako kosubstratu do
produkcji biogazu
W planowanej pracy podejmuje się oceny empirycznej możliwości hodowli glonów
(mikroalg) w warunkach kontrolowanych i przy wspomaganiu hodowli ciepłem, oświetleniem
oraz dwutlenkiem węgla w celu pozyskania substratu (biomasy z alg) jako wsadu do
biogazowni. Głównym problemem naukowym poruszonym w pracy jest odpowiedź na
pytanie: czy możliwa jest efektywna i ekonomicznie opłacalna intensywna hodowla alg z
wykorzystaniem odcieku z odseparowanej pulpy pofermentacyjnej w celu pozyskania
nowego i wydajnego substratu do biogazowni? Istotą pracy jest więc określenie warunków i
opracowanie technologii produkcji alg jako wsadu do biogazowni rolniczych w celu
ograniczenia powierzchni przeznaczanych na uprawy roślin służących jako substrat do
biogazowni. Warto dodać, że wg niektórych badań amerykańskich 1 ha uprawy alg może dać
roczny plon blisko 250 ton suchej masy, podczas gdy 1 ha uprawy kukurydzy (podstawowej
rośliny stosowanej jako wsad do biogazowni) może dać maksymalnie 18-20 ton s.m.
(przeciętnie ok. 15-17 t). Oznacza to, że 1 ha powierzchni hodowli alg jest równoważny ok.
15 ha upraw kukurydzy lub podobnych roślin energetycznych. Widać więc wyraźnie, że w
obliczu nadchodzącego boom’u na biogazownie rolnicze i jednocześnie coraz większego
kurczenia się powierzchni upraw, wykorzystanie alg do produkcji biomasy może być (obok
wykorzystania bioodpadów) bardzo obiecującym i perspektywicznym działaniem.
W celu udzielenia odpowiedzi na pytanie o możliwości zastosowania biomasy z alg
jako biopaliwa III generacji niezbędne będzie wykonanie szeregu zadań badawczych, takich
jak:
badania wpływu parametrów fizycznych i chemicznych odcieku z separacji pulpy
pofermentacyjnej na rozwój alg;
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
badania wpływu dodatkowego naświetlania hodowli alg na dynamikę wzrostu
wytwarzanej biomasy;
badania wpływu temperatury hodowli alg na dynamikę wzrostu wytwarzanej biomasy;
badania wpływu dodatkowego wtłaczania CO2 dla zintensyfikowania procesu fotosyntezy
alg na dynamikę wzrostu ilości wytwarzanej biomasy;
badania efektywności separacji alg celem uzyskania płynnego wsadu do fermentacji
(zawartość suchej masy powyżej 3%);
badania efektywności przebiegu fermentacji metanowej wyhodowanych alg wraz z
dodatkiem wybranych kosubstratów (kiszonki, buraki, wywar, gnojowica);
analiza
ekonomiczna
opłacalności
wytwarzania
alg
w
kontrolowanej
hodowli
prowadzonej na odcieku z pulpy pofermentacyjnej i zastosowania ich jako wsadu do
biogazowni.
Uzasadnienie podjęcia tematu: Znaczna większość (ponad 90%) biogazowni rolniczych
w Niemczech i znacząca większość planowanych biogazowni w Polsce stosuje kiszonkę z
kukurydzy jako podstawowy substrat do pozyskiwania biogazu. Tymczasem wzrost
zapotrzebowania na kiszonkę doprowadził do znacznego wzrostu cen (nawet do 120-140
zł/tonę) i bardzo negatywnie wpłynął na opłacalność funkcjonowania biogazowni. Ocenia się,
że w ostatnich 5 latach w Niemczech zbankrutowało ponad 25% biogazowni. W dodatku
wzrost powierzchni upraw kukurydzy z powodu opłacalności produkcji biogazu doprowadził
we Wschodnich Niemczech do powstania obszarów monokultury kukurydzianej, co bardzo
źle wpływa na stan biocenoz. W Polsce, z powodu kłopotów z pozyskaniem surowca,
zbankrutowała po roku działalności największa w kraju biogazownia w Liszkowie, a po
przejęciu przez Eneę ma ona w dalszym ciągu problemy z substratami i dodatkowo z
zagospodarowaniem pulpy pofermentacyjnej. Stąd niezbędne są badania mające na celu
znalezienie alternatywnych dla kiszonek substratów. Ze względu na znaczący wzrost cen
żywności, wskutek coraz silniejszej konkurencji w ostatnich latach z produktami roślinnymi
przeznaczanymi na biopaliwa, najlepszym rozwiązaniem byłoby znalezienie efektywnych
substratów nie będących w żadnym stopniu konkurencją dla produkcji żywności.
Drugim bardzo uciążliwym problemem dla biogazowni w Polsce jest kwestia
zagospodarowania pofermentu. Pulpa pofermentacyjna jest bowiem uznawana, wg polskich
przepisów, za odpad, a jej zagospodarowanie w formie płynnej jako nawozu jest kosztowne i
obwarowane licznymi obostrzeniami (wymagania są dokładnie takie same jak dla
komunalnych osadów ściekowych). Wiele inwestorów chciałoby wdrożyć technologie
przetwarzania
frakcji
stałej
pulpy
po
jej
separacji.
Istnieje
jednak
problem
z
zagospodarowaniem płynnego odcieku, zawierającego niewielką ilość suchej masy (poniżej
1%), ale dużą ilość mikroelementów. Ideą projektu jest więc wykorzystanie odcieku jako
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
substratu do produkcji alg w specjalnych bioreaktorach. Algi wykorzystywałyby substancje
mineralne zawarte w odseparowanej pulpie, a proces ich namnażania byłby wspomagany
intensywnym naświetlaniem (24 h / 7 dni w tygodniu z minimalnym fotoperiodem) oraz
dodatkowo wtłaczanym do bioreaktorów CO2 powstającym ze spalania biogazu. Biogaz
zawierający głównie CH4 i CO2 spala się do dwutlenku węgla i pary wodnej, więc możliwość
zagospodarowania CO2 celem zintensyfikowania procesu fotosyntezy i przyspieszenia
wzrostu masy hodowanych alg byłaby bardzo korzystnym rozwiązaniem. W Instytucie
Inżynierii Biosystemów UP w Poznaniu istnieje laboratorium analizy obrazu z możliwością
kontrolowanego naświetlania światłem o wybranej długości fali, gdzie będzie można
prowadzić badania wpływu parametrów oświetlenia na intensywność rozwoju alg oraz
skuteczność przebijania się światła przez nieprzezroczystą ciecz uzyskaną po separacji
pulpy. Z kolei w Laboratorium Ekotechnologii w IIB znajduje się blisko 200 różnego typu
biofermentorów do badań nad optymalizacją procesów fermentacji metanowej oraz
przewoźna minibiogazownia. Dzięki temu będzie możliwe określenie efektywności
fermentacji metanowej alg uzyskanych z wcześniejszej hodowli. Wyniki realizacji projektu
uzyskane w skali laboratoryjnej – jeśli okażą się obiecujące - będą wdrożone w skali
technicznej w biogazowni mocy 250 kWel, która zostanie uruchomiona w najbliższym czasie
w gospodarstwie doświadczalnym w Przybrodzie k/Szamotuł należącym do Uniwersytetu
Przyrodniczego w Poznaniu.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego