Biologia și Biotehnologia Microalgelor

INTRODUCERE

„Noi specia umană ne confruntăm cu o urgență planetară, o amenințare a supraviețuirii civilizației(schimbarea climatică) este adunarea de rău augur și distructivă a potențialelor evenimente adunate aici. Dar există de asemenea speranțe noi: avem abilitatea de a rezolva această criză și să evităm ce e mai rău cu putință ca urmare a consecințele faptelor noastre, dacă acționăm îndrazneț, decisiv și rapid”(Al Gore, discursul de acceptare, Nobel Peace Prize,2007)

Pentru o mai bună înțelegere a conceptului de dezvoltare durabilă trebuie înțeles faptul că la nivel global resursele de petrol sunt limitate.

În conceptul de dezvoltare durabilă, ce a dat impuls unor noi idei, au fost introduse tehnologii regenerabile sau ecologice ce au la bază confortul uman, social și economic. Dezvoltarea durabilă implică procese complexe, complete și viabile în prevenirea degradării și deteriorării mediului ca urmare a activităților umane. Posibilele metode sunt multiple:

reciclarea deșeurilor,

epurarea apelor,

sisteme de monitorizare a mediului,

studii de impact ambiental

Din cele enumerate mai sus puține au credibilitate și sunt eficiente atunci când vine vorba de date exacte, statistici si rezultate viabile. Una din metodele, puse deja în practică de o parte a omenirii, care pare sa fie soluția salvatoare pentru îmbunătățirea calității mediului este reprezentată de utilizarea energiei alternative.

Energia alternativă este un termen folosit pentru unele surse de energie si tehnologii de stocare a energiei, in general cu referire la energii netradiționale cu impact scăzut asupra mediului înconjurător. În general, se consideră energie alternativă acea energie care este obținută dintr-o sursă naturală cum ar fi mareele, căderile de apă, mișcările maselor de aer (vânturile), soarele, biomasa. Unele dintre aceste surse sunt epuizabile, iar altele regenerabile.

CAPITOLUL I

1.1 BIOCOMBUSTIBILII

Biocombustibilii datează din XIX-lea , când etanolul a fost derivat din porumb și primul motor Rudolf Diesel primește o pasă la ulei de arahide. Până în anii 1940, biocombustibilii au fost considerați viabili pentru transport, dar scăderea prețurilor combustibililor fosili a oprit dezvoltarea lor. Interesul comercial în producția de biocombustibili pentru transport a crescut din nou în mijlocul anilor 1970, când etanolul a început să fie produs din trestia de zahăr în Brazilia și din 1980 de la porumb în Statele Unite. În anii 1990, economiile industrializate din America de Nord și Europa au urmărit în mod activ politicile de susținere a industriilor de biocombustibili interne la realiza securitatea energetică, dezvoltarea unui substitut pentru combustibilii fosili și să sprijine economiile rurale.

Mai multe țări au lansat programe de biocombustibil, și peste 50 de țări au obiective de amestecare, adoptare, sau mandatere a mai multor tipuri de .

Reducerea consumului de combustibili fosili și emisiile de gaze cu efect de seră se numără printre principalele obiective în sprijinul evoluției bioenergiei. Cu toate acestea, extinderea producției de biocombustibil vine cu un cost, în principal, privind securitatea alimentară și conflicte în utilizarea terenurilor. Pe scară largă de cultivare a materiei prime culturile ar putea fi în detrimentul produselor alimentare, astfel umflarea prețurile produselor alimentare, pune în pericol securitatea alimentară. Mai mult decât atât, conduce spre o mai mare eficiență prin randamente mai mari și, prin urmare, duce la intensificarea producție, locuri de mare accent pe resurse și generează neintenționat consecințe cu titlu de poluare și a terenurilor degradare.

Necesitatea schimbărilor climatice a condus la o abordare și la o analiză mai atentă a biocombustibililor pentru a evalua dacă ele pot fi produse, comercializate și utilizate durabil. În timp ce unele tipuri de biocombustibili ar putea contribui la reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră și îmbunătățirea calității aerului în orașe, ansamblul impactului biocombustibililor asupra reducerilor emisiilor nu este simplă și depinde foarte mult de pe tipul de materie primă utilizată, producția sistemului adoptat,și efectele potențiale asupra biodiversității și defrișărilor. Mai mult decât atât, criza alimentară din 2007-08 a urmat un val creștere a prețurile materiilor prime aducând la dezbaterea asupra produselor alimentare față de combustibil și posibilele consecințe ale producției de biocombustibili privind securitatea alimentară. A fost contestat Potențialul biocombustibililor ce au contribuit la o schimbare în sistemele energetice și oameni de știință au început să pună la îndoială superioritatea biocombustibililor.

În ultimii ani s-a înregistrat un interes, în creștere,asupra tehnologiilor de producere a biocombustibililor, în multe din țările în curs de dezvoltare, descoperinduse noi metode de obținere a unui combustibil lichid mai curat și cu costuri de producție mai scăzut. Biocombustibilii pot substituii o parte a petrolului reducând nivelul de poluare. Termenul de Bio-combustibili este folosit pentru a exprima orice lichid obtinut din materiale organice care pot substituii derivate ale combustibilului petrolier. Ca si derivate ale posibililor combustibili petrolieri întâlnim etanolul obținut din trestia de zahăr sau dieselul obținut din uleiul de soia, alte derivate mai puțin întâlnite ar fii dimetil-eter fabricat din biomasă lignocelulozică.

Combustibilii organici se împart în 2 categorii:

Combustibili de generația I care sunt în general fabricate din zaharuri, grâne, semințe, etc si utilizează o parte de biomasă produsă de plante și sunt relative ușor de procesat.

Combustibili de generația a-II-a care sunt fabricate din partea neingerabilă a biomasei lignoase, a rezidurilor din culturile alimentare. Combustibilii de a II-a generație nu sunt încă produse la nivel commercial de nici o țară. Figura 1 prezintă substituenți diferiți ai biocarburanților pentru combustibili comuni derivați din petrol.

1.2 NOȚIUNI INTRODUCTIVE DESPRE BIODIESELUL OBȚINUT DIN ALGE

Această lucrare analizează tehnologia și aspectele financiare ale producerii biocombustibilului folosind microalge. Algele sunt plante non-vascularizate (ex. fară un sistem specializat de distribuție a nutrienților) și includ macroalgele, sau vegetația marină și microalgele. Deși nu există o definiție oficială a termenului de microalge, acesta semnifică totalitatea algelor care nu pot fi observate cu ochiul liber. Termenul de microalge, folosit în prezentul text, include cianobacteriile procariote și eucariotele, algele verzi și diatomee, printre alte specii ( Figura 1.2.).

Deși microalgele efectuează fotosinteza oxigenului (ex. descompun apa pentru a produce O2 și a fixa CO2 în biomasă folosind lumina solară), multe din ele pot folosi și substraturi organice (ex. glucoză, acid acetic) la lumină sau întuneric (respectiv creștere mixotrofică și heterotrofă) și unele chiar au evoluat (sau regresat) la specii nepigmentate, care nu fac fotosinteză și care trăiesc permanent în întuneric. În acest raport luăm în considerare doar microalgele care transportă oxigen provenit din fotosinteză pentru producerea de biocombustibil. Macroalgele (vegetația marină) fac și ele parte din producția(Huesemann et al., 2010) de biocombustibil (metan, etanol, butanol), dar cultivarea lor este total diferită de microalge și deci macroalgele nu sunt incluse în această analiză (Ca si concluzie a acestui raport, termenul de „alga” se refera numai la microalge).

Principala idee pe care se axează această lucrare o reprezintă potentialul microalgelor pentru producerea de combustibil lichid folosit în transporturi. Metanul este abordat în primul rând ca un produs secundar de producție de combustibil lichid, în special uleiuri din alge vegetale adecvate producției de biodiesel. Etanolul, alcolurile mai puternice și hidrogenul sunt toate produse de microalge, însă nu sunt discutate aici, deoarece această cautare a rămas în urma celei despre uleurile din alge. La hidrogen, dezvoltarea nu a trecut de stadiul de laborator sau etapa conceptuala (Benemann,et al. 2005). În orice caz, posibilitatile pe o perioada îndelungata în acest domeniu nu ar trebui să fie excluse din alte cercetari.

Co-produsele cu valori ridicate, precum suplimentele nutriționale, fiind în momentul de față principalele produse comerciale din microalge, nu reprezintă un interes pentru productia la scară mare de biocombustibil, deoarece piața acestora este prea redusă pentru a fi luată în considerare. Marfa ce constă în hrana pentru animale, cu prețuri similare, deși puțin mai ridicate decat acelea ale biocombustibililor lichizi, oferă potențiale sinergii, și majoritatea planurilor recente pentru producția de bicombustibil de alge se bazează pe un tip de mărfuri cu alimente ca produse secundare. Oricum, producerea duală de biocombustibil și hrană pentru animale sunt nesigure deoarece producătorii preferă să vândă întreaga biomasa de alge pentru alimentație, fără extracția de ulei (folosit pe post de combustibil).

Un alt model pentru co-produsele cu producție de biocombustibil de alge este instalația de tratare a apelor reziduale,unde cerintele acestui proces coincid cu obiectivele acestuia îndeajuns încât să facă viabil un proces combinat. În această lucrare m-am axat pe combinarea instalației municipale de tratare a apelor reziduale cu producția de biocombustibil din alge, ca fiind cel mai plauzibil model pentru producția de biocombustibil pe timp scurt, obiectivul principal al acestui proces fiind fie producerea de biocombustibil din alge, fie instalația de tratare a apelor reziduale. Această lucrare asigură o analiză inginero-economica a producției de biocombustibil lichid din alge, ca urmare a unor cercetări precedente realizate în acest domeniu(e.g Benemann et al., 1982; Weissman si Goebel, 1987;Benemann si Oswald, 1996). Acelasi tip de proces de producere a algelor , bazat pe bazine mixte cu roți cu zbaturi a fost folosit, însa multe detalii de proiectare erau diferite de cele din cercetarile precedente.

CAPITOLUL II: BIOLOGIA ȘI BIOTEHNOLOGIA MICROALGELOR

2.1 UTILIZĂRI POTENȚIALE ȘI ACTUALE ALE BIOMASELOR DE MICROALGE

2.1.1 PRODUCȚIA COMERCIALĂ A MICROALGELOR

O mică industrie folosită pentru cultivarea și producția la scară industriala de microalge a evoluat de-a lungul ultimilor 50 de ani. Industria a fost inițiată de cercetari în US, Japonia, Germania și alte țări cu producție de alimente folosind microalge(Burlew,1953), fapt ce a dus la prima producție la scară industrială de microalge pentru consum uman (suplimente nutriționale) în Japonia la inceputul anilor 1960. Microalga produsă comercial era Chlorella, o algă mică și verde, cultivată în bazine rotunde și deschise. Cultivarea acestora necesită un volum mare de cultură de semințe (inoculum) pentru a asigura puritatea culturii. Culesul și uscatul biomasei folosea centrifuga și uscătoare de pulverizare scumpe, iar celulele trebuiau apoi despărțite (folosind pulverizatoare cu bile). În jur de 5,000 mt de biomasa Chlorella, ce se vinde la ~$20,000/mt(la poarta fabricii) este în momentul de față produsă în întreaga lume, în cea mai mare parte în Japonia și Taiwan. Există o diversitate foarte mare a sistemelor de producție, cu bazine circulare, bazine mixte cu canale și roți cu zbaturi, fotobioreactori tubulari (PBRs, în Germania) și procesele de fermentație, toate fiind folosite în producția comercială. Câțiva producatori, care folosesc sisteme de bazine în aer liber, hrănesc acetatul de algă, fapt ce determina creșterea mai rapidă a acestora. Această producție mixotrofică a fost sugerată de asemenea pentru producția de biocombustibil. În orice caz, astfel de procese sunt limitate de un cost relativ ridicat al substratului și problemelor asociate cu consum bacterial al substratului.

Următoarea microalgă care a fost produsă comercial cu succes în cantități mari a fost Spirulina(o cianobacterie, Arthrospira Plantesis). Descoperită în anii 1960 ca fiind o mâncare tradiționala a oamenilor ce locuiau în jurul lacului alcalin Chad din Africa, prima fabrică de producție comercială a Spirulinei a fost pusă în funcțiune intr-un bazin mare de evaporare a bicarbonatului de lângă orașul Mexico pe la inceputurile anilor 1970 (chiar dacă s-a inchis în 1995 pentru motive ce nu aveau legătură cu afacerea de producere a algelor). Spirulina are avantaje semnificative față de Chlorella: deoarece este crescută în mediu de bicarbonat puternic nu se contaminează ușor, necesitând puține injecții; caraterul filamentos face ușoară recoltarea cu geam de protecție; și spre deosebire de Chlorella, este foarte digerabila, de aceea nu necesită vreo dezmembrare a celulei pentru a fi folosită ca aliment sau nutrient/nutreț. Producția de Spirulina s-a dezvoltat și în alte țări, inclusiv US, cu Earthrise Nutritionals,LLC (acum un subsidiar al unei companii Japoneze), stabilind prima centrală de producție pe la începuturile anilor 1980 aproape de Marea Salton, Calif.(Figura 2.1 Partea stânga), urmată de Cyanotech Corp. In Kona, Hawaii(Cyanotech, Figura 2.1 partea dreaptă).

Aceste două fabrici, ce produc împreună în jur de 1000 mt de biomase de alge uscate pe an, au fost principalii producatori pana acum 10 ani, cand productia Spirulina a suferit un avânt major in China, împingând productia lumii la 5000 mt pe an. Alte ansambluri de producere a Spirulinei funtioneaza in India, Myanmar si alte cateva tari. Spirulina vinde, preț de fabrică, la aproximativ $10,000 per tona si mai scump, depinzand de calitate si origine si este folosit in principal ca supliment alimentar (Gershwin si Belay,2007). Toată producția comercială de Spirulina folosește momentan bazine deschise, putin adanci cu canale si roti cu zbaturi mixte.

Inca doua specii de microalge sunt produse industrial in cantitati insemnate: Dunaliella salina(Figura 1.1) si Haematococcus pluvialis(Figura 1.1.), surse de carotenoide, beta-carotene si astaxanthin în cantitate mare. Dunaliella salina este produsa pentru gradul ridicat de beta-caroten, un compus de pro-vitamina A si este cultivata folosind un mediu de crestere hipersalin(~100 g de sare /l, >3 ori ca apa de mare), fapt ce descurajeaza majoritatea algelor concurente si a erbivorilor și produce un conținut mare de carotenoide in celula algei. In Australia sunt folosite bazine nemixate, deschise, la scară mare (sute de acri), cu adancimi mici (Figura 3.),in timp ce in Israel aceasta algă este produsa cu acelasi proiect de bazin mixt cu roti cu zbaturi folosit pentru cultivarea Spirulinei. Acest proces australian este mai putin productiv dar are un pret mai scazut, datorat in mare parte pretului scazut al terenului de acolo. Recoltarea se face prin doua procedee: in Australia celulele sunt absorbite pe niste particule mici de plastic cu miez de fier, urmand apoi separarea la un câmp magnetic ridicat , in timp ce in Israel biomasa este recuperata cu ajutorul centrifugarii. Productia universala de Dualiella este estimata la 1000mt/an de biomasa, continand 4-5% beta-caroten.

La producerea de Haematococcus Pluvialis se folosește apa dulce atât în fotobioreactoare închise de diferite aspecte (Figura 2.2 dreapta) ce folosesc lumina solara sau cea artificiala cât și în bazine deschise (Figura 2.2 stânga). Algele se asează rapid după ce producerea de astaxanthin este indusă prin limitarea nutrienților. Bazinele deschise sunt mai puțin costisitoare decât fotobioreactorii închisi, însă mai usor de contaminat și mai puțin eficiente după cum se pare. Economia susține bazinele deschise, chiar dacă biomasa algelor se vinde, preț de fabrică, la >$100,000/mt(cu 2% continut de astaxanthin). Producția de Haematococcus se estimeaza să ajungă undeva la doar 100 mt/an universal, o reflectare a dificultăților cu cultivarea și piața limitată ca un supliment nutritional de înaltă calitate pentru om. Piața alimentelor de acvacultură (pentru colorarea somonului cu astaxanthin) ar putea fi de cateva mii de tone, dacă este produsă sub ~$10,000/mt.

Faptul că atât Chlorella cât și Haematococcus sunt crescute comercial în bazine deschise, în aer liber, unde culturile sunt invadate rapid de alte alge sau erbivore avide de plancton, asigură o imagine favorabilă producției de microalge pentru biocombustibil într-un bazin deschis. Oricum, scara relativ modestă a acestor procese de cultivare și costul ridicat al biomasei de alge produsă, sugerează că vor fi necesare progrese considerabile în tehnologie. Cu toate acestea astfel de progrese sunt plauzibile: pentru producția Haematococcus, nivelul sistemelor de injecție pare sa se fi redus drastic in procesele cu bazin deschis pe măsura dobândirii de experiență în domeniu. În mod similar, productivitatea Spirulinei a crescut și costurile au scăzut de-a lungul anilor.

Un proces similar cu bazin deschis, care foloseste de asemenea un sistem pentru injecții (dar limitat la mai putin de ~1% din producția totala de biomasa),a fost propusă pentru producția de biocombustibil din alge. Astfel de sisteme ar trebui sa fie mai mari, să aibă o productivitate mai ridicată, și să coste mult mai putin decât producția comercială curentă de alge. Ideea este să folosești o serie de reactoare de injecții de dimensiuni în creștere (de zece ori mai mare la fiecare etapă) și scăzând exagerările și costurile, să clădească treptat cultura injectată pentru bazine mixte, deschise,mari,neuniforme, în aer liber cu canale și roți cu zbaturi (Benemann și Oswald,1996). Reactoarele pentru injecții pot fi fotobioreactoare în etapa de inceput, urmate de bazine care sunt acoperite și profilate. Aceasta este conceptul de bază pentru biocombustibilul din microalge produs la scară mare, care face obiectul prezentului raport.

2.1.2 INSTALAȚIA DE TRATARE A APELOR REZIDUALE CU AJUTORUL MICROALGELOR

Câteva mii de sisteme mici de bazine cu alge (<10 hectare) si câteva la scară mare(>100 hectare) sunt în momentul de față alese să alimenteze instalațiile de tratare a apelor reziduale din US (Figura 2.2). Rolul esențial al algelor este de a furniza oxigen dizolvat pentru descompunerea bacteriilor din deșeuri. Alternativa bazinelor este instalatia mecanică de tratare a apelor reziduale în care oxigenul este asigurat prin aerare mecanică (e.g, procesul de activare a reziduurilor vâscoase). O problemă esențială pentru bazinele de tratare este colectarea biomasei de alge, lucru ce este admisibil din punct de vedere tehnic folosind agenți chimici de sedimentare/floculare, dar scumpi, în mare parte datorită cheltuielilor ridicate de agentii de floculare de care este nevoie. Așadar, colectarea algelor este practicată doar în sistemele de bazine largi (ca in Figura 2.3. stânga). De asemenea agentii chimici de floculare fac mai dificilă folosirea biomasei, de exemplu pentru digestia anaerobă ca să producă gaz metan. Mai mult, sistemele de bazine cu alge necesită mult teren, de regulă un acru pentru 100-200 de persoane, acest lucru depinzând de situare (înăltimile mai mari necesita mai mult teren). Limitările de teren/spațiu în apropierea centrelor populate, și costurile curente ridicate de înlăturarea algelor din dejecții, diminuează cerința pentru aceste sisteme.

Dacă un proces ieftin de cultivare a algelor ar putea fi dezvoltat, instalatia municipală de tratare a apelor reziduale folosind microalge ar fi mult mai atrăgătoare. În orice caz,cercetările despre colectarea algelor și înlăturarea acestora este în curs de desfășurare de mai bine de 50 de ani fără dezvoltarea unei tehnologii cu cheltuieli îndeajuns de scăzute pentru producția de biocombustibil. O abordare ar fi să simulezi procesul de activare a mâlului (sludge) , în care biomasa de bacterii generată în timpul aerării deseurilor este înlăturată cu ajutorul sedimentării- un proces ce prezintă cheltuieli reduse. Totuși, acest lucru nu este posibil cu bazine convenționale de oxidare, care sunt mari, neamestecate, si deci sisteme eterogene, unde nu există posibilitatea de a gestiona cultura de alge. Numai cu bazine cu canale mixate mecanic este posibil să controlezi procesul de alge într-un mod asemănător procesului de activare a mâlului. Câteva din acest gen de bazine au fost construite, majoritatea în California, dar nu sunt folosite în mare măsură datorită problemei separării algelor de dejecții. Deși depunerea de microalge de la un nivel pilot/de încercare la instalațiile de eficiență mare de tratare a apelor reziduale au fost investigate acum ceva timp (Benemann et al.,1980), acest proces rămâne să fie demonstrat la scară (vezi mai jos). Atenția pentru încălzirea globală, securitatea energetică și producția de biocombustibil au adus din nou problema culturii de alge ce prezintă cheltuieli reduse în prim plan, și au încurajat continuarea cercetării în acest domeniu.

O altă dezvoltare majoră a reprezentat-o schimbarea accentului care se pune pe tehnologia de tratare a apelor reziduale de la oxidarea substantelor organice din deseuri(i.e, înlăturarea cererii de oxigen biologic, BOD) la înlăturarea nutrienților, în special N și P, care sunt cauzele principale pentru poluarea cu îngrășăminte a apelor interioare și a zonelor costiere moarte. Nevoia de a înlătura nutrienții imbunătățește perspectiva de a folosi bazine în instalația de tratare a apelor reziduale, deoarece microalgele sunt în special eficiente în a capta și a înlătura astfel de nutrienți, ceea ce procesele de tratare convenționale (precum variante ale procesului de activare a mâlului) pot face numai la costuri relative ridicate. Opțiunea de a înlătura nutrienții din alge a trezit interesul în acest domeniu, cu cercetări recente care demonstrează că microalgele pot sa înlăture atât N cât și P din apele reziduale pe o plajă mare de proporție și concentrație, completând culturile de CO2 (Lundquist et al.,2009). Acest process mărește cantitatea de biomasa de alge produsă și oferă oportunitatea de a combina producția de biomasă de alge în instalația de tratare a apelor reziduale cu producția de biocombustibil de alge.

Beneficiile economice care rezultă din tratarea apelor reziduale municipale, face aceasta cea mai economică strategie pentru o dezvoltare rapidă a procesului de producere a biocombustibilului de alge și deci este punctul central al prezentei lucrări. Două cazuri sunt analizate în această lucrare : a) un proces de tratare a apelor reziduale cu co-producția unui combustibil din alge și b) procesul de producere a biocombustibilului din microalge, în care apele reziduale municipale sunt folosite să furnizeze apă și nutrienți procesului, cu instalația de tratare a apelor reziduale fiind secundar, chiar procesul. Apa reziduală municipală are câteva avantaje majore ca resursă în producția de biocombustibil de alge.

Avantajele apei reziduale:

Este produsă în cantități substantiale(~100 galoane/persoană/zi) și este adunată dintr-un singur loc.

Conține sufficient N(~30-40 mg/L) și P(~5-10 mg/L) și alți micronutrienti esențiali care să producă cantități mari de biomasa de alge.

Conține cantități substantiale de C necesar pentru creșterea algelor.

Algele pot înlătura toți nutrientii prezenți în apele reziduale, dobândind un grad superior de tratare.

Există un caștig financiar al procesului de tratare al apelor reziduale, care ar putea fi de câteva ori mai mare decât valoarea combustibililor obținuti din biomasa.

Beneficiile reducerii gazului de seră sunt de câteva ori mai mari decât cele ale biocombustibilului în sine, datorită reducerii nevoilor de energie, comparativ cu tratamentul convențional.

Bazinele cu alge sunt deja folosite pe larg în instalațiile municipale de tratare a apelor reziduale, chiar dacă majoritatea sistemelor sunt mici. În orice caz, câteva sisteme mari chiar funcționează și tehnologia bazinelor cu alge este cunoscută industriei de tratare a apelor reziduale.

Tehnologia de tratare a apelor reziduale cu alge prezentată în această lucrare este un proces prin care se înlătură nutrienții organici și anorganici, în timp ce se produce biocombustibil și ocupă o suprafață de aproximativ jumatate din marimea sistemelor actuale de bazine cu alge. Restricțiile pentru disponibilitatea terenului și climă limitează potențialul acestor sisteme în lume. Harmelen si Oonk (2006) au estimat un potențial global de 30 de milioane de tone de producție de biomasa de alge și un grad asemănător de diminuare a CO2 folosind apele reziduale municipale, după analiza factorilor precum disponibilitatea terenului, clima și alte restricții. Oricum, astfel de sisteme produc beneficii adiționale, precum reducerea indirecta a gazului de seră (comparat cu nevoia crescută de energie pentru tehnologia de tratare convențională) și alte servicii ambientale.

Acolo unde obiectivul este ăn principal producția de biocombustibil din alge, cu apele reziduale furnizând nutrienti și apa, producția de biocombustibil este avantajată de o nevoie redusă pentru aceste resurse, în timp ce asigură un venit convenabil de la instalația de tratare a apelor reziduale.

2.1.3 ALIMENTE, NUTRIENȚI ȘI BUNURI DE CONSUM

Problema majoră cu biocombustibilul din alge, după ce am demonstrat că procesul de cultivare poate fi productiv și stabil, este costul producției: va fi dificil ca biocombustibilul din alge să câștige lupta cu combustibilul fosil, în condițiile actuale ale pieței, în viziunea actuală despre viitor. Această problemă economică a dus la multe propuneri pentru niște tehnologii care să co-producă produse derivate sau hrană pentru animale ,ambele cu valoare mai mare, împreuna cu biocombustibil, așa cum a fost menționat pe scurt în introducere. Modul de abordare al coprodusului cu un preț ridicat are în aparență un merit. De exemplu, producția a 200 de tone de astaxanthina pentru nutrienții de acvacultura (mai bine de jumatate din piața actuala sunt furnizate în principal din surse sintetice), ar putea fi extrasă din probabil 10,000 de tone de biomasa de alge, cu depunerile folosite apoi pentru biocombustibil, presupunând că depunerile au suficient ulei ca să merite osteneala. În orice caz, mai plauzibil ca extragerea pigmenților, ar fi folosirea întregii biomase ca nutrienți. De asemenea 10,000 de tone de biomasa sunt nesemnificative în condiții de programe naționale de biomasă. Exemple asemănătoare ar fi producția altor co-produse din hrană pentru animale la prețuri mari, precum luteina pentru mâncarea de găini, beta-carotena din Dunaliella, sau înlocuirea alimentelor de pește cu microalgae marine. Pentru ultimul caz, interesul este în conținutul de proteine și acizi grași omega-3, ambele nefiind adecvate pentru biocombustibil și sunt deci mai folositoare ca hrană pentru animale decât sub formă de combustibil.

Analogia poate fi facută cu producția de combustibil etanol din porumb, unde reziduurile de fermentație sunt uscate și vândute ca hrană de animale (grânele de distilator uscate, DDG, sau DDGS dacă agenții solubilii sunt inclusi). Oricum, valoarea acestui co-produs este scăzută (de obicei nu mai mult de ~$100/mt), cheltuielile și energia necesare uscării sunt ridicate, și câteva alternative există pentru a se putea înlătura rezidurile. În cazul microalgelor, co-produsul valabil după extragerea uleiului ar putea fi vândut la un preț mai mare. În orice caz, alternativa la a folosi biomasa reziduală ca substrat al digestiei anaerobe poate fi la fel de interesantă, mai ales dacă nutrienții digestori emanați și carbonul sunt reciclați în bazinele de creștere. În acest caz, se poate presupune că rezidurile reprezintă 60% din biomasă, cu 20 MJ/kg conținut de energie. Jumătate din această energie poate fi recuperată ca și metan. Cu un echivalent de generare a electricității folosind metan, de 10,000 kj/kWh și o valoare de $0.1/kWh, destulă energie ar putea fi produsă pentru a face rost de un venit de $100/tona de reziduu, sau în jur de pretul DDG-ului. Nutrienții din reziduu(10%N), la $500/mt N, valorează cât încă $50/mt de reziduu. Această reciclare evită de asemenea prețurile de uscare ale DDG-ului, un cost major în producția de etanol. Așadar, digestia anaeroba și producția de energie ar putea avea costuri mai scăzute sau echivalente comparativ cu cele plătite pentru uscarea și profiturile generate din co-produsul de nutrienți.

În cazul microalgelor, co-produsul disponibil după extragerea uleiului ar putea fi vândut la un preț mai mare decât cel al DDG-ului. Se susține despre biomasa de alge că are o valoare mai mare ca mâncare de animale decât soia. Oricum, acceptabilitatea, digestibilitatea și valoarea nutritivă a biomasei din alge ar trebui evaluată pentru fiecare caz în parte. Speciile de alge, aplicarea hranei și costul uscării trebuie incluse în orice evaluare a potențialului economic pentru astfel de acțiuni. Pe scurt, producția eficientă (din punc de vedere al costului) de combustibil și hrană folosind aceeași biomasă ramâne să fie demonstrată.

2.2 TIPURI, CALITĂȚI ȘI TEHNOLOGII PENTRU BIOMASA ALGALĂ

2.2.1 TIPURI DE ALGE ȘI FICOLOGIA (ȘTIINȚA STUDIULUI ALGELOR)

Microalgele sunt plante microscopice , de obicei prea mici pentru a fi observate cu ochiul liber, care cresc în bazine, lacuri, oceane și oriunde există umiditate, chiar și cu intermitență (Figura. 1.2). Ele se pot găsi plutind liber în apă sau atașate de diferite suprafețe cum ar fi pietrele. Microalgele se găsesc în climate care variază de la cele mai reci la cele mai calde, crescând pe zăpadă și în deșert, unele din ele în simbioză cu plante sau animale gazdă, altele care nu mai sunt capabile de fotosinteză, în unele cazuri devenind paraziți sau chiar infecțioase (ex. parazitul malariei). Acest raport analizează doar microalgele care cresc suspendate în mediul acvatic, nu speciile atașate. Au fost descrise mai multe zeci de mii de tipuri de microalge, aparținând variatelor familii de alge, clase, ordine, genuri. Speciile de microalge probabil depășesc la număr plantele înalte. Alga verde, diatomul și cianobacteria sunt cele mai importante în acest context. Algele verzi și diatomii sunt eucariote (cu un nucleu real) și cianobacteria este procariotă. Probabil că mult mai multe microalge nu au fost încă descrise sau recunoscute ca specii independente și chiar într-o singură specie sunt enorm de multe subspecii (strain) diferențiate prin modul de creștere în diferite condiții de mediu cum ar fi intensitatea luminii, temperatura și nutrienții.

S-a scris mult în literatura de specialitate despre microalge (denumite și fitoplancton; iar studiul algelor este numit ficologie/algologie) datorită rolului lor important în ecosistemele naturale și cele umane. Microalgele furnizează aproape jumătate din producția globală primară (cea mai mare parte în ocean) și constituie baza a multe din lanțurile trofice ale speciilor de pești. Oricum, supraabundența este adesea un simptom al saturarii cu îngrășăminte în interiorul continentului sau în apropierea țărmului, ceea ce poate provoca moartea peștilor, zone moarte, maree roșii, etc. Mare parte din cercetările în domeniul microalgelor au luat în considerare rolul ecologic al fitoplanctonului, inclusiv efectul de poluare și mare parte din cercetare a fost la nivel primar (fiziologie, metabolism, fotosinteză, genetică, etc.)(Falkowski și Raven, 2007). Ca în toate domeniile biologiei, genetica avansată și alte instrumente de studiu molecular recent dezvoltate au fost aplicate în studiul microalgelor, de la știința studierii genomilor la metabolism (genomics, metabolomics) și altele terminate în ,,-omics,,.

R&D aplicată în cultivarea microalgelor acoperă subiecte care merg de la hrană, nutrienți și tratarea apelor menajere, până la explorarea spațiului și producerea de biocombustibil. În ciuda unui niveli mult mai mic de investiție în R&D în cercetarea aplicată a algelor, decât în cercetarea ecologică și cea de bază, a fost dezvoltată o mică industrie pentru producerea de microalge ca suplimente alimentare pentru consumul uman (app. 10000t pe an în întreaga lume) și chiar o mai mică industrie pentru nutrienți pentru agricultură. Deci industria microalgelor este foarte mică în prezent, mai puțin de 1% din industria de macroalge (plante marine), care produce mai mult de 1 milion de tone anual, multe din ele ingrediente alimentare. Mai important în prezentul context, costul de producere a microalgelor este relativ ridicat, prețul de producție la poarta fabricii (production plant gate price) este estimat la app. 10000 USD/ t substanță organică (dry weight) pentru Spirulina – aproape de 10 ori mai mare decât costul de producție al macroalgelor.

Biotehnologia producerii de macroalge se poate divide în echipamente (ex. sisteme de cultivare, bazine și/sau PBR cu echipamentul aferent de recoltare și procesare) și partea acvatică/umedă (wetware) (ex. speciile și subspeciile de alge cultivate). Vom pune mai întâi în discuție partea acvatică, incluzând compoziția biomasei și ce este mai important, productivitatea.

2.2.2 COMPOZIȚIA BIOMASEI DIN ALGE ȘI CONȚINUTUL ÎN ULEI

Cele 3 componente majore ale biomasei din alge sunt, ca și pentru alte organisme vii, proteine, carbohidrați și uleiuri, ultimele fiind analizate în acest raport. Prima încercare de a produce ulei din microalge a avut loc în Germania în timpul și după Cel de-al doilea Război Mondial. S-a observat că multe specii de alge verzi când cresc cu limitări de azot, uleiul acumulat în celulele lor atinge 70% din greutatea substanței organice (Harder și Von Witsch, 1942). Nu toate subspeciile răspund la limitările de N în manieră similară – unele au acumulat carbohidrați în loc de lipide. Oricum, rata de biosinteză a lipidelor de către celulele algelor a fost în general lentă, fiind necesare zile sau chiar săptămâni pentru a acumula o concentrație mare. Totuși, deși biomasa din alge cu conținut ridicat de ulei a putut fi obținută, productivitatea era mică, nu mai mare decât culturile cu conținut normal de N, care produceau mult mai multă biomasă. Această concluzie a fost verificată în repetate rânduri de-a lungul ultimilor 60 ani de cercetare (ex. Shiffrin și Chisholm, 1981) și rămâne o problemă centrală în domeniul biocombustibilui din alge, în prezent.

Prima încercare în domeniul culturii în masă a microalgelor a avut loc în 1950, cu două mici (app. 100 mp) fotobioreactoare (PBR) închise de tip sac, amenajate pe acoperișul unei clădiri la MIT (Burlew, 1953, vezi Fig 2.4.). Proiectul s-a axat pe potențialul de creștere al algei Chlorella ca aliment bogat în proteine pentru consumul uman. Disputa a fost că, Chlorella avea un conținut mai mare de proteină la 50% proteină crudă (ex. 6,25 x conținutul total de azot Kjeldahl) decât soia. Acest proiect a demarat în Japonia primul sistem de comercial de producere a microalgelor în scop nutrițional, folosind bazine deschise circulare, un proces încă folosit în zilele noastre în orientul îndepărtat (Fig 2.5.).

Producerea algelor pentru ulei (lipide) a fost revăzută atunci când SUA DOE a inițiat Programul pentru Specii Acvatice (ASP) în 1980. ASP a continuat până în 1996 cu scopul de a dezvolta producerea de biocombustibil din alge cu costuri convenabile (Sheehan et al., 1998). Premisa pentru acest efort afost aceea că algele erau singurele capabile să producă ulei în cantitate mare și uleiul din alge putea deveni competitiv cu combusibilii fosili (bazată pe studiul lui Oswalt și Golueke, 1960; Beneman et.al., 1977;1978, etc.). Alternativa la producerea de carbohidrați din fermentația etanolului nu a fost luată în considerare la acea dată, chiar dacă erau dovezi că unele specii de alge pot acumula mari cantități de carbohidrați cu productivitate mare, urmând limitarea N (Weissman și Beneman, 1981).

Doar câteva din proiectele ASP au analizat problema productivității lipidelor din alge. Benemann și Tillet (1987) au observat că Nannoclhloropsis, o algă marină cu conținut mare de trigliceride (ulei), putea fi stimulată cu limitare de N în culturi de grup pentru creșterea productivității lipidice, sub lumină de intensitate crescută. Recent Rodolfi et al. (2009) a obținut date care sugerează un posibil rezultat similar cu cel al culturilor exterioare de alge. Oricum, obținerea de productivități sporite de ulei (măsurate în g ulei/m2 – zi) rămâne o problemă nerezolvată și un domeniu activ de cercetare.

2.2.3 SISTEME DE PRODUCERE A ALGELOR: BAZINE ȘI FOTOBIOREACTOARE

Bazinele de tratare a apelor reziduale (denumite și bazine de oxidare), deja menționate mai sus (vezi Figura. 2.3.) nu sunt adecvate pentru producerea algelor.Caracteristicile imprevizibile ale culturilor de alge reduc drastic productivitatea și fac recoltarea dificilă, cu agenți chimici de sedimentare costisitori. Astfel de agenți de sedimentare pot interfera în procesul de conversie a biomasei în biocombustibil. Numai bazinele cu canale mixate mecanic, așa numitele bazine cu eficiență în altă (Figura. 2.1 și 2.2) sunt potrivite pentru producerea de biomasă la scară largă și costuri reduse, fie pentru biocombustibili, tratarea apelor reziduale sau alte aplicații cu cost redus. Bazinele circulare (Figura 2.5.) folosite pentru producerea algei Chlorella în Japonia și Orientul îndepărtat, nu au peste 1000m2 pentru fiecare bazin, făcându-le improprii pentru producția la scară largă.

Bazinele cu eficiență ridicată folosite în producția comercială de alge funcționează de obicei cu o adâncime a lichidului de 40-60 cm, mixate cu roți cu zbaturi și au mărimea de app. 0,5 ha. Productivitatea acestor bazine mixate este de aproape un ordin de magnitudine mai mare decât bazinele nemixate, deoarece sunt folosite la tratarea apelor reziduale sau la producția comercială de Dunaliella. Principalul factor de interes în folosirea acestor bazine este mixarea. Viteza curentului în canale este de obicei de 15-30 cm/sec. Viteze mai mari necesită prea multă energie, cel puțin pentru producerea de biocombustibil. Un alt factor este balanța de O2 și concentrația de CO2 din bazine, ceea ce necesită optimizarea adâncimii, a vitezei de mixare, ph/alcalinitate, mărimea bazinului și alți parametri (Weissman et al, 1998). Dimensiunea maximă a bazinului este în prezent incertă. Necunoscutele includ efectul rafalelor de vânt în pierderile de suprafață, valuri, curenți,, etc., dar se pare că bazine la scara a câteva hectare ar trebui să fie fezabile, fără pierderi de control semnificative datorate variabilelor prezentate.

Principala tehnologie de producție fotosintetică alternativă este reprezentată de fotobioreactoarele închise (PBRs). Numeroasele proiecte de PBR dezvoltate până acum folosesc sisteme de vase cum sunt tuburi, panouri, containere, capace, etc. și unele din ele au fost dimensionate considerabil (app. 1 ha). reactoarele tubulare sunt cele mai răspândite tehnologii în activitățile comerciale, cu diametru mic (app 5 cm) rigid (Vezi fig. 2.4) și reactoare de tip container tubular cu diametru mai mare (peste 10 cm). Multe alte proiecte au fost folosite cu caracter pilot în producție, incluzând diferite tipuri de reactoare din panouri drepte (flat plate), reactoare cu containere suspendate, reactoare cu acoperiș semisferic . PBR sunt tratate succint în acest raport datorită costului ridicat și potențialului limitat de modernizare: în mod normal, fiecare unitate de PBR este de doar 10-100 m2. Deci pentru înlocuirea producției unui bazin de înaltă eficiență, singular, de 4 ha, ar fi necesare sute sau mii de astfel de unități, fiecare cu propriul sistem de pompare, valve, carbonatare și sistem de control. Mai mult, PBR au un transfer de masă foarte limitat (Weissman et al. 1998). În orice caz PBR vor fi folositoare pentru prima fază de producție a soluției de injecție (inoculum) pentru sistemele de bazine, dar acestea vor avea doar o suprafață foarte mică (sub 0,1%) din sistemul total de producție a biocombustibilului. Stadiile viitoare în producerea soluției de injecție vor folosi bazine acoperite, dar și acestea sunt limitate în cost și operare. Așadar în acest raport, bazinele cu eficiență ridicată sunt preferate în proiectarea sistemelor de producere a biocombustibilului și tratare a apelor reziduale.

2.3 PRODUCTIVITAEA BIOMASEI DIN ALGE

2.3.1 EFICIENȚA MAXIMĂ TEORETICĂ A CONVERSIEI SOLARE

Pentru toate procesele de producere a biocombustibilului, productivitatea este de importanță majoră. Oricum, este un mit faptul că microalgele sunt cele mai productive plante. Acest mit a apărut probabil, datorită confuziei dintre rata mare de creștere a algelor (dublarea numărului de celule și a masei acestora poate surveni la fiecare câteva ore în condiții optime) și productivitate (cantitatea de biomasă produsă zilnic sau anual, pe unitate de suprafață sau pe cantitatea de lumină solară primită). Eficiența maximă a conversiei fotonilor se observă atunci când lumina este limitată și productivitatea maximă este sub rata maximă de creștere. De fapt nu este o corelație directă între rata maximă de creștere și o productivitate înaltă sau o conversie eficientă a fotonilor (Huesemann, et al., 2009).

În alge și în plantele înalte, vastul proces de fotosinteză oxigenică presupune același proces fundamental al descompunerii apei și fixării CO2. Variații minore în procesele de bază există, în special ce tip de pigmenți atrage fotonii și alimentează energia capturată (,,excitoni,,) în centrelel de reacție fotosintetică. În aceste centre, ,,reacția neagră,, convertește excitonii în energie chimică, energie care este apoi transformată în ATP și reductant sub forma NADPH. Acești compuși sunt folosiți în metabolism, în special în canalele de fixare a CO2, în care CO2 este transformat în carbohidrați.

Microalgele au fost folosite pentru perioade îndelungate ca înlocuitori de laborator pentru plantele înalte, începând cu studiile de fotosinteză cu Chlorella, efectuate acum un secol de prof. Otto Warburg, care câștigase anterior un premiu Nobel pentru a fi elucidat mecanismul respirației. În acea vreme, Warburg și colaboratorii au concluzionat că doar patru fotoni erau necesari pentru producerea unei molecule de O2 și fixarea uneia de CO2, ceva ce, prin prisma termodiamicii, ar fi cu greu posibil. În orice caz, Warburg s-a înșelat: sunt necesari 8 fotoni pentru fixarea unei moleculel de CO2. Au fost necesare mai multe decenii pentru și mulți cercetători pentru a corecta aceasta și a stabili teoria actuală a fotosintezei, așa numita schemă-Z. Schema-Z necesită ca doi fotoni să acționeze în serii pentru a transfera un electron din apă la CO2, sau un total de 8 fotoni per CO2. Câțiva fotoni în plus sunt necesari pentru biosinteza proteinelor, lipidelor, acidului nucleic, a altor componenți celulari și pentru menținerea funcțiilor celulare (respirație sau ,,întreținerea energiei,,). Rezultatul reprezintă o eficiență maximă teoretică de conversie a energiei solare totale în biomasă de app. 10% (9-11%). Incertitudinea se datorează diferențelor de detaliu privind capturarea luminii și precizia măsurătorilor. Oricum, astefl de eficiențe se observă la lumină de intensitate redusă, în laborator. La o intensitate mare a luminii, așa numita saturație și efectele de foto- inhibiție își fac apariția, după cum vom vedea mai jos.

Ceea ce se observă în culturile acoperite diferă mult de prognozele teoretice și ceea ce se observă în laborator în condiții d elumină slabă. Cea mai bună conversie a energiei luminoase ăn biomasă, observată cu intensități maxime ale luminii solare, reale sau simulate, este de doar 1-3%, comparativ cu valorile maximelor teoretice de app. 10%. Această pierdere mare de eficiență (productivitate) este o problemă centrală în producția fotosintetică a biomasei, dar este în special o problemă a producției de microalge, unde efectul de saturație a luminii este un factor major în eficiențe atât de scăzute, ca în abordările ulterioare.

2.3.2 LIMITĂRILE PRACTICE ALE CONVERSIEI SOLARE A ALGELOR

Factorul major care limitează eficiența conversiei solare în fotosinteză, atât în microalge și la un nivel mai redus în plantele înalte, este așa numitul efect de saturație. Atunci când măsurăm rata fotosintezei (fixarea CO2 sau evoluția O2) ca funcție a intensității luminoase, se observă o creștere liniară la intensități reduse, dar această rată se stabilizează (level off) atunci când intensitatea luminii este de doar o zecime din intensitatea luminii solare. Această plafonare se datorează efectului de îngustare/blocare a ratei la care centrii de reacție a fotosintezei pot transforma lumina în energie chimică.

Organul de fotosinteză colectează fotonii, grupându-i pe molecule de clorofilă și alți pigmenți care atrag lumina, dispuse în așa numitele ,,antene,,. Pigmenții antenă transferă energia capturată de la fotoni (excitoni) la centrele de reacție. O antenă colectoare de lumină tipică în algele verzi constă în 200-300 molecule de clorofilă, care la intensitate solară maximă atrag/capturează cca. un foton la fiecare 0,5 milisecunde (ms). Fotonii excedentari, 90%, sunt și ei absorbiți dar nu pot fi folosiți. Ei sunt evacuați sub formă de căldură sau fluorescență. De fapt, acești extra-fotoni pot chiar deteriora aparatul de fotosinteză, ducând la reducerea fotosintezei la lumină solară completă (foto-inhibiție).

O abordare comună a scăderii de saturație luminoasă este diluția/diminuarea luminii solare, având ca obiectiv expunerea forțată a celulelor individuale din cultură la o intensitate mai mică, a intensității luminoase. cercetări în domeniul diluției luminii solare au fost efectuate pe perioade mai mari de 50 ani și prima, încă cea mai populară metodă, este de a mișca celulele în interiorul și în afara zonei cu lumină intensă cu frecvență mare/foarte repede. În mod ideal, ele ar fi expuse la lumină puternică pentru doar 0,5 ms, timp necesar pentru captarea unui foton pentru fiecare centru de reacție. Apoi sunt ținute la întuneric pentru 5 ms, timp necesar pentru finalizarea reacției negre (n.t. dark reaction – reacții care nu depind direct de fotonii din lumină). Deși intervale de timp ceva mai lungi (între schimbările lumină-întuneric) pot produce creșteri ale eficienței fotosintezei, aceste intervale de milisecunde sunt prea scurte pentru aplicații practice. Dacă ciclul lumină-întuneric este obținut prin amestecarea celulelor de la suprafață, spre adâncime, astfel încât acestea să fie umbrite de celelalte celule, atunci această amestecare rapidă implică un aport mare de energie și pierderi parazitare (bureți, fungi).

O altă metodă populară dar impracticabilă, este folosirea de materiale ca fibra optică, prisme, canale de dirijare a luminii, etc. pentru diluarea luminii de la suprafață în adâncimea culturii. orice producție semnificativă de biomasă din alge ar necesita o mulțime de astfel de materiale, iar costul și complexitatea ar împiedica dezvoltarea/extinderea afacerii.

Abordarea cea mai simplă a diluției luminii solare este orientarea verticală a fotobioreactoarelor, în locul orientării orizontale, pentru a capta lumina pe o suprafață mare. La fel ca cea descrisă anterior, nici această această abordare nu este practică: o creștere de productivitate de 50% se poate estima pentru o dispunere verticală a PBR, constând în panouri PBR înalte de 1m la distanță de 1/3m între ele. Această configurație necesită 3 m2 de panouri transparente pentru 1 m2 de teren, ceeea ce înseamnă că pentru unitatea de suprafață a PBR, productivitatea scade la jumătate (de ex. 150%/3) comparativ cu cea a PBR dispuse orizontal pe teren. Deoarece PBR sunt mullt mai costisitoare pe unitatea de suprafață, este mult mai practică folosirea PBR orizontale. O creștere mică de productivitate s-ar putea obține prin dispunerea mai apropiată a PBR verticale, dar costurile ar fi mai mari.

Chiar și PBR orizontale sunt prea scumpe, ajungând la un ordin de magnitudine sau chiar mai mult (n.t. odinele de magnitudine sunt exprimate în puteri ale lui 10. de exemplu ordinul de magnitudine de 1500 este 3, deoarece 1500 poate fi scris ca 1.5 × 103. ) pentru producerea de biocombustibili. În concluzie, soluția problemei privind depășirea suprasaturației luminii și fotoinhibiția nu pot veni de la abordări din domeniul ingineriei.

2.3.3 ABORDĂRI GENETICE PENTRU CREȘTEREA EFICIENȚEI CONVERSIEI SOLARE A ALGELOR

Efectul de saturație a luminii este un factor major de limitare în eficiența fotosintezei plantelor înalte, dar nu este atât de serios ca în cazul culturilor de microalge. Unul din motive este forma tridimensională a plantelor. Frunzelel lor nu sunt ,de obicei, orizontale iar structura lor internă acționează ca un ghid pentru lumină, ajutând la diluarea acesteia. Un factor mai important este că în spații închise, frunzele din vârf care sunt cele mai expuse la soare adesea au antene mai mici (ex. mai puține molecule de clorofilă per centru de reacție) decât frunzele care sunt în zonele umbrite, în partea de jos.

O soluție pentru creșterea eficienței fotosintezei la alge ar fi folosirea de tipuri de alge cu conținut redus de pigment în antene. Aparent, aceasta ar produce un mai mic efect de saturație deoarece conținutul redus de pigment ar permite trecerea unei cantitpâăți mai mari de lumină în cultura de alge, diluînd astfel lumina (Kok et al.., 1973). Oricum, nu au fost găsite astfel de alge. Algele nu au antene de mici dimensiuni cu excepția condițiilor de solicitare maximă, când fotosinteza este serios blocată (Neidhardt et al., 1998). Motivul pentru antenele de mari dimensiuni este că, în mediul natural algele stau frecvent ăn condiții de lumină salbă (ex. ape adânci, umbră, unghiuri mici ale soarelui) și straturile pimentate de colectare a luminii ar trebui să le ofere un avantaj evolutiv algelor care îl au. Calculele de competitivitate (n.t. calculus of competition, unde calculus = studiul matematic al schimbării) sugerează că este mai bine să irosești fotoni atunci când sunt în exces, decât să duci lipsa lor atunci când sunt în număr mic. Această analiză mai sugerează că dacă mărimea antenei ar fi redusă prin inginerie genetică (ex. Benemann, 1990), astfel de tipuri de alge nu ar fi capabile să reziste mult timp în sistemele d ecultivare în masă a algelor, unde competiția pentru lumină este la fel de intensă ca în natură. Totuși, în ciuda potențialului de productivitate ridicată, orice tip de alge modificate ar constitui un important dezavantaj. Fără o îngrijire a bazinului de creștere, ele ar fi imediat înlocuite de algele invadatoare sălbatice sau de alge regresate genetic, care ar avea un avantaj competitiv în culturile dense pe care le presupune cultivarea în masă.

Frecvența și rata unor asemenea invazii și modalitățile de a le reduce vor trebui deduse din studiile ulterioare ale bazinelor de creștere. Oricum, este probabil ca, cultivarea în masă a algelor cu antene mici să fie posibilă cu folosirea unor injectări mari (cantitativ), gestionarea nutrienților , reînceperea culturilor și controlul altor factori care favorizează tipul dorit de alge. Ca un exemplu, tehnici asemănătoare sunt folosite pentru menținerea culturilor de ciuperci în fermentații ale combustibililor pe bază de etanol.

În baza sugestiilor inițiale (Benemann, 1990; Benemann și Oswald, 1996), cercetările au avansat de-a lungul ultimelor două decenii în direcția reducerii mărimii antenei, cu lucrările inițiale conduse în Japonia de Industria Grea Mitsubishi, folosind cianobacterii mutante și alge verzi cu antene de mici dimensiuni (Nakajima et al., 1998; Benemann, 2000; Eroglu și Melis, 2010). Multe alte laboratoare au lucrat în această direcție (ex. Schenk et al., 2008; Huesemann et al.,2009) și cercetarea continuă. O demonstrație practică a unei eficiențe (și productivități) crescute și susținute a conversiei solare de astfel de tipuri de alge rămâne să fie demonstrată. Limitările inerente ale abordării mutațiilor genetice conduce la ideea că doar o abordare prin prisma ingineriei genetice va reuși să creeze tipuri rezistente de alge care să aibă proprietățile dorite pentru o eficiență crescută la lumina solară. Deși această abordare este cel mai probabil principala cale care va duce la productivități sporite în cultura în masă a algelor, prezentul raport nu se bazează pe pe astfel de alge cu antene mici.

2.3.4 LIMITE TEORETICE ȘI PRACTICE ALE PRODUCTIVITĂȚII BIOMASEI DIN ALGE

La 1-3% din eficiența conversiei energiei solare, metoda curentă de producere a algelor are o eficiență a conversiei mai mare decât la majoritatea plantelor terestre. Oricum, este necesară obținerea unei și mai mari productivități a algelor, înainte de a vorbi de o industrie viabilă de producere a biocombustibilului din alge, datorită capitalului și a costurilor de operare ridicate pentru producerea algelor. O problemă majoră este ce eficiență a conversiei energiei solare se poate obține și cum se reflectă ea în productivitatea uleiului (vezi Weyer et al., 2011 și Coney et a., 2010).

O productivitate maximă a uleiului din alge se poate estima din elementele de bază. După cum s-a menționat anterior, limita teoretică a fotosintezei a fost estimată de mulți experți la un procent de 10% (9-11%) de conversie a energiei solare fotonice totale în energie a biomasei. Energia solară maximă primită în partea continentală a SUA este de app. 7500 MJ/m2- an (ex Yuma, Arizona), astfel că, la o eficiență de 10% 750 MJ/m2- an pot fi capturați în biomasă. Dacă biomasa ar conține 40% ulei (trigliceride, LHV de 37,5 MJ/kg) și 60% proteină (LHV combinat 18 MJ/kg ) biomasa totală LHV este de 25,8 MJ/kg. Folosind informațiile despre energie mai sus prezentate, producția teoretică de biomasă este de cca. 290 t/ha-an (cca. 80 g/m2-zi media anuală). La un conținut de ulei de 40%, s-ar produce 116 t de ulei sau 126000 L/ha-an sau 13500 galoane de ulei/acru-an la o gravitate specifică de 0,92. în plus față d epotențialul direct al al combustibilului, biomasa reziduală ar putea fi convertită în combustibil printr-un anume proces (netratat în prezentul material).

Oricum, calculele de mai sus nu au considerat pierderile inerente: absorbția fotonilor inactivi (app 10%), reflexia (app 10%) și respirația (app 20%), pierderi care reduc productivitatea teoretică la 8750 gal/ac-an – o rată foarte bună. Considerînd pierderile adiționale datorate saturației luminoase și foto-inhibiției ( în combinație 75%), eficiența conversiei solare scade la 1,62%, ceeea ce duce la un potențial de producere a uleiului de 2200 gal/ac-an (20600L/ha-an), sau ca biomasă 13 g/m2 pentru acest conținut în ulei. Trebuie reținut că, dacă efectele saturației luminoase și foto-inhibiției ar putea fi reduse la jumătate, de la 75% la 37,5%, productivitatea anuală ar crește la 5500 gal/ac-an. Această productivitate a uleiului din alge ar fi probabil maximul posibilcu o R&D de succes pe termen lung și condiții climatice bune, În realitate, aceste productivități nu presupun alți factori de pierdere sau limitări, cum ar fi pierderile datorate colectării sau contaminării, temperaturilor nefavorabile, zone cu lumină slabă, aport scăzut de nutrienți (în special CO2), sau respirație peste cea așteptată, etc.

O biomasă mai convențională cu un conținut de ulei de 20% și căldura de combustie de doar 22 MJ/kg ar putea avea o productivitate medie anuală de 15 g/m2-zi (75% pierderi din saturație luminoasă și foto-inhibiție). Această prognoză a productivității, de 15 g/m2-zi pentru un conținut normal de ulei în biomasă, se potrivește cu datele înregistrate despre culturile de masă în bazine deschise, în zone favorabile, deși este vorba de culturi la scară mică, sau cu activitate redusă (Darzin et al., 2010; Ben Amotz, 2009).

2.3.5 CONȚINUTUL DE ULEI ȘI PRODUCTIVITATEA CULTURILOR DE ALGE ÎN MASĂ

Producerea uleiului din alge este centrul de interes în domeniul biocombustibilului din alge. Oricum, algele nu produc ulei în cantități foarte mari și dacă o fac, atunci procesul este forțat (ex. limitarea nutrienților) și cu eficiență mică. Procesul ,,domesticirii,, algelor este doar începutul.

Problema productivității uleiului din alge este că, cu câteva excepții (ex Nannochloropsis), algele nu produc și nu stochează cantități mari de trigliceride în timpul creșterii. Acele specii care acumulează ulei, o fac după ce creșterea este stopată pentru diverse motive (cum ar fi limitarea nutrienților ). Apoi ele încep să acumuleze trigliceride ca rezervă energetică. Din păcate, oprirea creșterii este rezultatul încetării procesului de fotosinteză, punct în care nu ne putem aștepta la o producție spectaculoasă de ulei. Totuși, efortul depus în cazul cercetărilor anterioare pentru a găsi un ,,declanșator lipidic,, (biosinteza), care să declanșeze producerea de ulei ca răspuns la limitarea de azot de exemplu, este doar o parte a tabloului general. Semnalul metabolic ce reglează biosinteza lipidelor vine doar după ce fotosinteza se reduce drastic datorită limitării nutrienților. De fapt, în multe cazuri biosinteza trigliceridelor nu este indusă în mod serios.

Acumularea de masă lipidică (detectată prin oxidarea Roșului de Nil) sugerează că, odată formate, lipidele sunt stocate în celule. Mai mult, este încurajator faptul că aceste lipide sunt în general trigliceride și mai reduse (saturate) decît cele din celulele aflate în procesul de creștere, ambele sunt aspecte cheie în transformarea uleiului de alge în combustibil.

2.3.6 FURNIZAREA DE CO2 ȘI ALȚI NUTRIIENȚI

Producerea biocombustibilului din alge ncesită o etapă inițială pentru a învăța cum se cultivă algele dintr-o anumită specie, pe scară largă, cu costuri scăzute, constant și cu productivitate mare. Obiectivul este creșterea algelor cu lumină ca singurul nutrient limitator, asigurându-ne deci că întreaga lumină va fi folosită cât mai eficient.

În afara luminii, carbonul este cel mai important nutrient, producând aproape jumătate din masa organică a algelor. În general, ar trebui adăugat sub formă de CO2, dar stocarea CO2 dizolvat în mediul de creștere este limitată, fiind dependentă de alcalinitate. dacă CO2 este furnizat în exces, va fi eliberat în atmosferă de la suprafața bazinului, deoarece pomparea CO2 în sistemele de cultivare reprezintă o ierdere parazitară de energie, se dorește folosirea eficientă a CO2.

Deci CO2 trebuie adăugat frecvent și în cantități controlate. Din perspectiva ingineriei, furnizarea CO2 este poate problema cheie în proiectarea sistemelor de producție a algelor. Ca exemplu, considerăm folosirea apei de mare astfel: apa de mare cu o alcalinitate de 2,3 meq/L permite stocarea a app. 0.8 mmol/L de C anorganic cu PH între 7,3-8,8. Un bazin cu adâncimea de 30 cm cu o productivitate maximă de 5g/m2 și concentrație de 50%C, deoarece algele (afdw- greutatea materiei organice) ar necesita 2,5g C/ m3 -ora, comparat cu 2,9 g de C / m3 disponibil în bazin (parte din el se va disipa). Deci mediul va trebuie re- carbonat la fiecare oră cu Ph scăzut la 7,3 pentru a asigura destul CO2 pentru o productivitate maximă, Acest interval de timp stabilește distanțarea stațiilor de carbonare în circuitul bazinelor.

Alți nutrienți trebuie de asemenea furnizați ad libitum (după plac). Pentru producerea materialului brut (feedstock) necesar producerii biocombustibilului din alge, nitratul este o formă a azotului, nedorită din cauză că este foarte costisitoare, ca valoare și dpdv al energiei metabolice necesare reducerii lui la nivelul amoniacului (productivitatea va scădea undeva sub 5% în acest caz). Tipurile de alge care pot folosi amoniacul sau ureea sunt utile pentru producții optime. Amoniacul ar trebui adăugat la mediul de cultură odată cu injectarea CO2. Ph-ul mai scăzut cauzat de CO2 va diminua volatilizarea amoniacului . Este de asemenea necesară o gazdă pentru alți nutrienți (P, K, Fe, Mn, Mg, etc.). Deoarece algele au un conținut în nutrienți foarte ridicat (5-12% N și 0,3-0,5%P) comparate cu multe culturi, reciclarea nutrienților din biomasă după extragerea uleiului este un aspect cheie.

Digestia anaerobă a biomasei reziduale, cu produșii de digestie eliberați în bazinul de alge ar permite reciclarea nutrienților, inclusiv C rezidual. Perioadicitatea reciclării va fi coordonată cu alte procese de operare pentru o eficiență globală maximă, cum ar fi controlul rumegătoarelor= grazers), al produselor de contaminare și nivelul de oxigen (produșii de digestie au nevoie de oxigen în cantitate mare). O necunoscută majoră este eficiența reciclării nutrienților, dar ăn general ar trebui să fie înaltă (app 90%). O reciclare eficientă ar limita nevoia achiziției de fertilizanți. Oricum această nevoie trebuie demonstrată în practică. În acest raport este evidențiată folosirea nutrienților ca produși secundari, dar aceasta nu este o cerință esențială.

2.3.7 LIMITĂRILE LEGATE DE TEMPERATURĂ ASUPRA PRODUCTIVITĂȚII

Cel mai important factor de mediu care limitează producția de biocombustibil din alge, cel puțin în SUA, este, se pare, temperatura. Productivitatea algelor este maximă pe o plajă restrânsă de temperaturi, comparativ cu climatul temperat. Regimurile optime de temperatură pentru tipurile de alge folosite în cultura de masă arată un declin brusc de productivitate sub 20oC și la limita de sus, peste 35oC.

Spre deosebire de recoltele terestre unde biomasa de plantă se acumulează până la recoltare, algele trebuie să fie recoltate zilnic. La unele productivități scăzute de alge, câștigul (ca profit sau producție de energie) este mai mic decât costurile. În aceste condiții sitemele de producere a algelor este mai bine să fie oprite până la îmbunătățirea condițiilor. Productivitatea limită pentru producerea unei cantități minime de combustibil din alge, ar fi undeva peste 5g/m2-zi, punct în care, adaosurile (în special energia) necesare pentru derularea proceselor ar depăși produsele.

Regiunile medii termice de 15oC au fost considerate ca fiind improprii pentru cultivarea în masă a algelor (Harmelen și Oonk, 2006), dar această separare este simplistă. Regimurile zilnice de temperatură sunt mai semnificative și oră de oră temperaturile bazinelor pot fi prognozate cu acuratețe pentru orice zonă, folosind modele care folosesc date despre istoricul climatului local (ex. Benemann și Tillett, 1987). Din aceste modele se poate determina că în multe regiuni deșertice ale SUA, factorul limitativ pentru rata de creștere a algelor ar fi temperaturile scăzute din timpul nopții. Aceasta afectează rata fotosintezei deoarece este necesar un timp mai lung pentru a se încălzi pe timpul zilei. Unele date din literatura de specialitate că aceasta va scădea rata fotosintezei chiar și după ce temperatura în bazin crește (Vonshak et al., 2001).

S-au luat în considerare anterior metode pentru ameliorarea problemei, cum ar fi acoperirea bazinelor cu spumă sau plastic economic, sau creșterea adâncimii sau mărimii bazinelor de decantare pentru a permite un mai mare spațiu de stocare pe durata nopții, etc. Oricum, nici una din aceste metode nu pare să fie suficient de economică pentru producerea biocombustibilului. Poate doar o combinație de metode ar fi soluția practică în unele cazuri.

De fapt operarea bazinelor normale ar putea controla schimbările zilnice de temperatură. De exemplu pe timpul verii până la jumătate din cultura din bazin ar fi transferată în bazinul de decantare la sfârșitul zilei, când temperatura este mai ridicată. Spre dimineață precipitatul (substanța care precipită) din bazinul de decantare este pusă înapoi în bazinul de creștere. Pierderea de căldură în bazinul de decantare este în jur de o zecime în bazinele de creștere (ele sunt de 10 ori mai adânci). Deci dimineața bazinele vor reface rapid temperatura, în timp util pentru a continua fotosinteza.

O altă cale pentru a depăși limitările de temperatură este de găsi specii de alge care au productivitae crescută la temperaturi mai mici și pe o plajă mare de temperaturi. Sunt de asemenea utile specii de alge care se adaptează rapid la variațiile zilnice (diel) de temperatură. Unele tipuri de alge pot crește rapid la temperaturi scăzute și ridicate în mediul natural. O astfel de flexibilitate/adaptare la temperatură nu a fost punctul forte al cercetărilor anterioare sau a colectării de specii de alge, lăsând deschisă calea pentru descoperirea sau dezvoltarea unor specii mai viguroase/rezistente.

2.3.8 SELECTAREA SPECIILOR DE ALGE ÎMBUNĂTĂȚITE

Controlul biologiei culturii este celmai complex și dificil aspect al producției de alge în masă. Subiectul include speciile invazive de alge care ar putea înlocui speciile dorite; alge care curăță zooplanctonul, cum ar fi rotiferele; bacterii și ciuperci care ar putea infecta algele și chiar viruși. Controlul tuturor acestor factori sau chiar dezvoltarea tipurilor de alge cu rezistență crescută este esențial pentru o productivitate înaltă susținută. Oricum, o întrebare care nu are încă răspuns, în domeniul producerii de biocombustibil din alge este dacă este sau nu posibil un control eficient asupra mediului biotic (Gerswin și Belay, 2007). Experiența recentă este oarecum încurajatoare: algele au fost cultivate ca monoculturi susținute în puține cazuri.

Operațiunile comerciale au produs monoculturi de Spirulina li Dunaliella cu puțină sau chiar fără producție de injectare (inoculum), pentru că, compușii pentru mediile de creștere (growth media compositions) sunt selectivi (alcalini sau salini). Astfel de medii extreme nu permit productivități crescute și sugerează că ,,extremofilele,, nu sunt o țintă bună pentru cercetarea viitoare.

Chlorella și Haematococcus sunt cultivate în scop comercial fără un mediu selectiv, ele necesită cantități mari de produși de injectare și frecvent culturile se reiau, ceeea ce le face slabi indicatori pentru producerea de biocombustibil din alge. Nannochloropsis și Cyclotella (diatomică) au fost cultivate în mod stabil, în cultură de masă, la scară mai mică pe perioade lungi și par să aibă o bună productivitate. Deși sunt expuse invaziei rotiferelor și alți dăunători, culturile acestor alge par să fie ușor de gestionat. Puține alte specii au fost produse în spații deschise în cantitate și durată mare.

Descoperirea sau dezvoltarea unor specii de alge cu productivitate mare de combustibil în zone și condiții diverse este o nevoie fundamentală. Programul de Specii Acvatice (ASP) din SUA DOE, a avut printre primele sale activități izolarea, examinarea și testarea unor specii de alge. Algele au fost izolate dintr-o multitudine de medii naturale și culturile pure au fost puse în două tipuri de medii de creștere. (corespunzătoare celor două tipuri de ape saline subterane folosite la sistemele de producție pe scară largă în SW SUA). Comportamentul acestor alge la PH, temperatură și lumină a fost studiat, a fost studiată și compoziția lipidică a acestora (Vezi Cap. 3). S-a început o muncă susținută pe aceste linii, dar acum, cu mai multe și avansate capacități de inginerie genetică, o dezvoltare mai precisă a speciilor poate fi posibilă.

2.3.9 ALGE MODIFICATE GENETIC – GMA

Poate că nici un alt subiect în afara energiei nucleare, nu a generat atât de multă speranță și a cauzat atât de multă frică, cum e dezvoltarea geneticii moleculare, dând naștere organismelor modificate genetic (GMOs). Pentru atingerea acestui scop, a unei productivități ridicate de microalge cu un conținut mare de combustibil, genetica moleculară va fi un instrument necesar. Fără acest instrument, procesul de producere a speciilor de alge superioare dorite, folosind metoda tradițională de examinare a speciilor mutante (spontane sau induse), ar fi foarte dificil. Această dezvoltare a speciilor a fost obținută mai ușor la plantele mai mari datorită recombinării sexuale. Chiar și la algele cu un ciclu de viață sexual (ex. Chlamydomonas), cercetarea și selecția doar în domeniul mutațiilor este puțin probabil să atingă obiectivele producerii de biocombustibil într-o perioadă de timp rezonabilă. În cel mai bun caz, astfel de alge ar fi folositoare ca sisteme model pentru speciile folosite la cultivarea în masă.

Problemele majore cu GMA sunt mai puțin tehnice și mai mult sociale și politice. O mare parte a populației are suspiciuni sau se opune GMO în general.Fără îndoială că situația va fi aceeași pentru pentru GMA, odată ce ele devin interesante pentru massmedia.

Spre deosebire de culturile de GMO, care au fost sprijinite de fermieri, guvern și companii mari (ex. Monsanto), este improbabil ca GMA să aibă o atât de puternică susținere. Ar fi deci necesar pentru tânăra industrie de microalge să se miște prudent și să pregătească terenul politic și social pentru folosirea GMA în aranjamente comerciale sau experimentale de amploare. În prezent în SUA sunt oarece dubii legate de limitarea sau nu de către legislația actuală, a producerii de biocombustibil din GMA și există posibilitatea ca unele companii să meargă înainte și să folosească GMA în bazine descoperite, în lumina actualelor reglementări (sau în absența lor). În ceea ce privește controlul speciilor, fotobioreactoarele ănchise sunt doar din punct de vedere cosmetic de bazine, deoarece scurgerea culturilor este inevitabilă în astfel de sisteme. Efectul ecologic al răspândirii GMA nu poate fi evaluat momentan, dar dezvoltarea unor GMA care pot rezista în mediul aspru și variabil al bazinelor externe este o provocare.Teoriile ecologice sugerează că organismele libere (wild) existente sunt mai bine adaptate pentru supraviețuirea în mediile naturale și organismele modificate pentru calitășile cerute de om (ex. productivitate lipidică mare) vor supraviețui doar în medii de producție controlate printr-un management judicios al variabilelor de proces. Chiar și așa genele modificate se pot transfera organismelor libere și sunt necesare studii specifice pentru evaluarea riscului ecologic al unor astfel de transferuri. Oricum, ingineria genetică nu trebuie să implice inserarea de gene străine (ex. GMO transgenic).

Doar o ușoară schimbare în genele de reglementare existente ar putea fi destul să îmbunătățească tipurile de alge. GMA diferă atât cantitativ, cat și calitativ, de macroorganisme, unde introducerea unor organisme străine în ecosisteme noi ar putea fi o problemă. Pentru a încuraja o apreciere corectă a riscurilor si a oportunităților GMA, industria biocombustibilului de alge în stadiu inițial ar trebui să ia aceste decizii în mod proactiv de către autorități calificate, prin intermediul unor evaluări complet independente, anterior oricărei folosiri de GMA. Acest lucru ar asigura siguranta comunității și ar reduce riscurile investitorilor și ale corporațiilor.

Există deja o bibliografie vastă a geneticii microalgelor, precum și știința de bază despre biologia moleculară, de la genomică la metabolomică,etc., ce se dezvoltă rapid. Obiectivul principal îl reprezintă studiul Chlamydomonas (care prezintă un sistem sexual de recombinare),dar aceste instrumente sunt dezvoltate acum pentru diatomi si Nannochloropsis, folosind balistica. Pentru cyanobacterii, instrumentele sunt deja mult avansate. Drept urmare, este deja posibil să dezvoltăm tipuri de alge îmbunătățite, din organisme ce prezintă mici antene pentru absorbția de lumină la organisme cu producție îmbunătățită de ulei. O zonă în care cercetările sunt acive este zona de dezvoltare genetică a algelor care pot să excreteze uleiuri, în mod susținut și continuu, în așa fel evitând nevoia de a produce multă biomasă.(e.g., Liu et al., 2010).

CAPITOLUL III BIOCOMBUSTIBILUL DIN ALGE

3.1 SCURT ISTORIC A PRODUCȚIEI BIOCOMBUSTIBILULUI DIN ALGE

Cercetarea inițială asupra cultivării de microalge in masă care a demarat pe la începuturile anilor 1950 a menționat biocombustibilii doar în trecere (Burlew,1953). Cercetările actuale în legătură cu această idee au fost efectuate pentru prima oară la UC Berkley de către Oswald și colegii săi, care au studiat mai întâi producția de gaz metan de către digestia (fermentația) anaerobă a biomasei de microalge produsă în timpul procesului de tratare a apelor reziduale (Golueke,Oswald si Gotaas,1957). Aceste experimente de început au fost mai apoi urmate de o demonstrație în laborator care susținea faptul că biomasa adițională ar putea fi crescută pe produșii/efluenții digestorilor anaerobi(Oswald si Golueke,1959). O analiză tehnico-economică de început a fost dezvoltată dintr-un proces conceptual care folosea ape reziduale pentru a crea apă și nutrienți și recicla nutrienții si apă (Figura 3.1). Au ajuns așadar la concluzia că pe atunci puterea algelor era în competiție cu puterea nucleară (Oswald și Golueke,1960).

În acest proces, algele sunt recoltate prin coagularea chimică urmată de îngroșarea lichidului sedimentar din biomasă. Sedimentele din bazinul de decantare în zona de tratarea instalației, a fost amestecat cu biomasa de alge si s-a adăugat un absorbant (digestor), producând astfel biogaz. Prezentul raport folosește în principal aceeași abordare, modificări majore fiind procesul de recoltare cu un cost mai scăzut si având producția de ulei, preferabilă în locul celei de metan ca produs principal de energie, în câteva din cazurile explicitate in Capitolul 5.

Această idee a suscitat puțin interes și sprijin la acel moment. In orice caz, dupa criza economică din 1973, toate sursele alternative de energie au trecut prin cercetări atente, și cercetări despre digestia anaerobă a biomasei de alge pentru producerea de metan a fost reîncepută (Uyiel,1975). Cercetările legate de producția de biocombustibil de alge folosind apele reziduale combinate cu producerea de metan a fost reactivată la UC Berkley cu ajutorul US DOE (analiyată in Benemann et al.,1980;vezi de asemenea Sheehan et al.,1998). Accentul de mare importanță al acestor studii a fost de a dezvolta un proces de recoltare la prețuri mici pentru alge crescute în ape reziduale care sunt la rândul lor crescute in bazine(cu conducte) cu productivitate mare. (Capitolul 2)

La Stațiunea Experimentală (Field Station) Berkley Richmond UC, un bazin de un sfert de hectar a fost convertit in 1,000-m2 de bazin cu productivitate mare si cu roți cu zbaturi (Figura 3.2). (Acesta a fost domeniul de aplicare la scara cea mai largă a unui astfel de aparat de amestec la momentul respectiv, folosit anterior in Germania la bazine mai mici)

Ideea inițială a fost de a selecta cyanobacterii filamentoase prin reciclarea parțială a biomasei recoltate în bazine. Recoltarea a fost obținută cu ajutorul unor micro-filtre (ecrane rotative cu duze de refulare -backwash). Desi teoretic este fezabil (Weissman si Benemann,1977), rezultatele din domeniul instalațiilor cu bazine mici au demonstrat rapid că alga colonială verde, Micractinium sp., a preluat controlul, aparent deoarece a fost de asemenea capturată de micro-filtre și reciclată. Oricum, foarte curând a devenit evident faptul că aceste specii dominau bazinele cu productivitate mareîn ciuda reciclării. Mai mult de atât, puteau fi recoltate în tancuri simple de sedimentare din cauza tendinței de a se agrega în colonii mai mari, un proces numit “bioagregare/bioagregare”. Cele două bazine de 1,000-m2 au fost folosite să demonstreze acest proces la scară pilot pentru mai bine de un an, cu produtivități relativ ridicate, însă cercetarea nu a fost continuată la momentul respectiv. În orice caz, acest proces a constituit baza pentru studiile de inginerie tehnico-economică atât anterioare (Benemann et al.,1997,1978,1982 a,b;Benemann și Oswald,1996) cât și pentru prezentul studiu.

3.2 SISTEME DE CULTIVARE

3.2.1 BAZINE DESCHISE- DESIGN ȘI LIMITĂRI ÎN OPERAREA LOR

Bazinele deschise pentru producerea algelor sunt relativ (comparate cu PBR) simple în construcție și operare. După cum s-a discutat deja, există trei configurații:, nemixate, circulare și cele cu canale. Bazinele nemixate nu se pot controla, nu se pot aproviziona cu CO2 în mod eficient și au productivitate mică. Oricum, nici unul din aceste dezavantaje nu a împiedicat succesul fabricilor de producere a beta-carotenului în Australia (Fig. 2.3), sau bazine similare în Mexic pentru producerea Spirulinei, unde disponibilitatea terenului face ca productivitatea să nu fie o problemă majoră. Bazinele circulare (Fig. 2.5 dreapta), primul proiect/design folosit în producția comercială de alge, nu se întinde pe suprafețe de peste 1000 m2, deoarece pivotul central al mixerului devine inutilizabil la această mărime. Proiectele bazinelor de mică adâncime cu canale mixate mecanic (bazinele cu eficiență ridicată – HRP High Rate Ponds) au fost introduse de Oswald și colegii la SERL (Laboratorul de Studii Inginerești în domeniul Sanitar) la începutul anilor 50, pentru tratarea apelor reziduale municipale. Aceste bazine sunt de obicei adânci de 30-50 cm (vs. 1 m sau mai mult pentru cuvele de oxidare) și au fost mixate inițial cu pompe de drenaj (sump pump) centrifugale. Primul sistem HRP a fost instalat în orașul Concord la sfârșitul anilor 50. Un singur sistem HRP, pe o suprafață de jumatate de acru (app 4047 mp) a fost construit la SERL în 1960 și a fost folosit pentru producerea algelor care erau recoltate centrifugal.

Cum s-a menționat deja, roata cu zbaturi/paleți (paddle wheel) pentru amestecare în HRP a fost introdusă în Germania în 1960 cu bazine cu canale (raceway) mici și folosite la mijlocul anilor 70 l bazinul SERL HRP (fig 3.2.) pentru a testa recoltarea ,,bioagregată,, (bioflocculation) la scara experimentală. (Beneman et. Al. 1980). De atunci, acest model de bază a fost adoptat de aproape toți producătorii comerciali de alge și de o multitudine de stații mici de tratare a apelor reziduale. Recent HRP experimentale au fost folosite pentru a demonstra tehnologia recoltării bioagregate în combinație cu îndepărtarea nutrienților și producerea de biocombustibil la Universitatea Politehnică de Stat din California din San Luis Obispo (Woertz et al. 2009).

Parametrii de proiectare au fost dezvoltați de-a lungul ultimelor decenii, care au consacrat folosirea pe scara largă a HRP pentru producția de biocombustibil din alge. Pentru a eficientiza la maxim, bazinele individuale de creștere ar trebui să fie de app. 4 ha. În mod curent cel mai mare bayin cunoscut, de 1,25 ha., abia încep producția de biocombustibil în Noua Zeelandă (Figura 3.3).

3.2.2 FOTOBIOREACTOARE ÎNCHISE (PBR)

Fotobioreactoarele au fost deja abandonate în discuțiile anterioare ca fiind necorespunzătoare pentru producerea de biocombustibil din alge, sau chiar pentru fabricarea de produse de valoare mare ăn domeniul economic. Oricum, multe companii, academii și cercetatori în domeniul cercetării și dezvoltării (R&D) biocombustibilului din alge, continuă să promoveze fotobioreactoare închise ca opțiune viabilă pentru producerea biocombustibilului din alge. Chiar Departamentul pentru Energie al SUA nu respinge folosirea PBR pentru producerea de biocombustibil, în recent publicatul Raport de Planificare (US DOE NREL, 2010). Deci, se justifică abordarea ulterioară a conceptului.

PBR pot fi în realitate mai productive și în consecință necesită mai puțin teren decât sistemele de bazine deschise, numai dacă temperatura ambientală este sub cea optimă și/sau dacă reactoarele sunt orientate vertical, creând astfel o diluție a luminii solare. Oricum, orice creștere de productivitate dată de orientarea verticală este modestă, sub 50%. După cum s-a menționat mai sus (Secț. 2.2.3) și merită repetat, pentru a obține această creștere de productivitate, aria ocupată de PBR trebuie să fie cel puțin triplă, comparat cu un sistem orizontal (flat). Orientarea verticală reduce productivitatea pe unitatea de arie a PBR la jumatate. Pentru PBR orizontale nu sunt diferențe între de productivitate față de bayinele deschise (Pedroni et al. 2004), atâta timp cât temperatura nu constituie o limitare. Pe scurt, orice spor de productivitate al PBR este minor; afirmațiile privind creșteri spectaculoase de productivitate comparativ cu bazinele deschise nu au fost demonstrate.

Un avantaj des menționat al PBR este consumul mult mai redus de apă , comparativ cu bazinele deschise, dat fiind faptul că sistemul este închis și nu sunt pierderi prin evaporare. Oricum, PBR reține mai multă căldură decât sitemele deschise si singurul mijloc eficient pentru răcirea culturilor de alge în aceste sisteme este racirea prin pulverizarea apei (evaporative cooling), ceeea ce rezultă într-un consum de apă mai mare decât în bazinele deschise în perioadele vară de maxim termic. Dacă răcirea se face prin imersiunea în bazine (mai adânci) cu apă, atunci pierderile prin evaporare sunt ceva mai mici (datorită capacității calorice a bazinelor mai adânci), dar nu diferă foarte mult de bazinele deschise. O altă opțiune este creșterea algelor termofile în PBR, cum a fost sugerat de Burlew (1953). Oricum, chiar și pentru acest tip de alge, o oarece racire este necesară. Mult mai problematic, totuși, este că temperaturile pot fi prea mici pentru tipul de alge termofile în marea parte a zilei (și noaptea), ceea ce va dăuna productivității. Algele termofile nu au fost testate prin cultivarea în masă; deși ele ar merita să fie cercetate mai în amănunt (ex. Weissman et al., 1998).

PBR închise se consideră că folosesc CO2 mult mai eficient decât bazinele deschise, ținând cont că CO2 nu poate scăpa în atmosferă din PBR, așa cum se întâmplă în bazinele deschise. Weissman et al., 1998, 1990 a arătat că scăpările de gaze din bazinele deschise pot fi minimizate, în timp ce pentru PBR, problema majoră o constituie gestionarea O2. Îndepărtarea O2 necesită o stații de degazare mari, reprezentând un factor de cost major și o limitare în proiectare (ex. Weissman et al., 1998). În analiza finală costul de producție este elementul critic și nu este nici o rațiune pentru a lua în calcul sistemele închise pentru producția de biocombustibil. Desigur că PBR vor fi utile pentru producerea stadiilor primare ale materialului de inoculat, dar aceasta reprezintă o mică parte a procesului complet de producere a algelor.

Bibliografie

Jean-Paul Cadoret, Matthieu Garnier, Bruno Saint-Jean – Microalgae, Functional Genomics and Biotechnolog

Paul G. Falkowski & John A. Raven – Aquatic Photosynthesis,Second edition

Yusuf Chisti – Biodiesel from microalgae

John Benemann, Paola Maria Pedroni, John Davison, Heino Beckert, and Perry Bergman –Technology Roadmap for Biofixation of CO2 and Greenhouse Gas Abatement with Microalgae

John S. Burlew – Algal culture from laboratory to pilot plant

Al Darzins (NREL), Philip Pienkos (NREL), Les Edye (BioIndustry Partners) – Current Status and Potential for Algal Biofuels Production

D. Feinberg, M.Karpuk – CO2 Sources for Microalgae-Based Liquid Fuel Production

Luisa Gouveia · Ana Cristina Oliveira – Microalgae as a raw material for biofuels production

Teresa M. Mata, Antonio A. Martins , Nidia. S. Caetano – Microalgae for biodiesel production and other applications: A review