• Výskum a vývojVýsledky výskumuVýskum využitia rias pre fixovanie CO2 a výrobu biopalív – APVV – 0665-10 ALGAFIX

    Výskum využitia rias pre fixovanie CO2 a výrobu biopalív – APVV – 0665-10 ALGAFIX

    Projekt je riešený s podporou APVV

    Riešiteľské pracoviská:

    VÚRUP,a.s. – zodpovedný riešiteľ Ing. Jozef Mikulec, CSc.

    Spoluriešitelia:

    STU Bratislava – FCHPT
    STU Bratislava – Strojnícka fakulta
    UK v Bratislave – Prírodovedecké fakulta

    Riasy sú najrýchlejšie rastúce rastliny na svete a sú vysoko produktívne. Rovnako ako ostatné rastliny používajú fotosyntézu na využitie slnečného svetla a oxidu uhličitého. Energia sa skladuje v bunkách vo forme lipidov (zdroj oleja) a sacharidov. Riasy možno konvertovať na FAME, bioetanol, bioolej a letecké palivá. V rámci biopalivových projektov sa uvažuje s pestovaním rias v bazénoch, alebo v špeciálnych priesvitných bioreaktoroch. V oboch prípadoch pestovania na rias sa vyžaduje zdroj uhlíka, svetlo, nutrienty a teplá voda. Kmene rias s vysokým obsahom oleja  môžu byť cenným surovinovým vstupom pre výrobu FAME ešte v intenciách 1. generácie biopalív. Iné kmene rias s vysokým obsahom škrobu sa už testujú na produkciu bioetanolu v prevádzkach rovnako 1. generácie, zatiaľ čo ďalšie kmene rias sú vyvíjané špeciálne pre produkciu leteckých palív.

    V súčasnosti sa v oblasti využitia rias už riešia desiatky výskumno-vývojových projektov na univerzitách a laboratóriách, v komerčnej sfére prebiehajú pilotné testy a demonštračné projekty, a experimentálne prevádzky už premieňajú riasy na biooleje, ktoré môžu byť rafinované na biodiesel, biobenzín, letecké palivá a pod.

    Bioplyn sa dá vyrábať aj anaeróbnou fermentáciou vlhkých organických odpadov z poľnohospodárstva, výroby potravín a čistiarní odpadových vôd. Produktom fermentácie je zmes metánu, oxidu uhličitého a sírovodíka. V EÚ sa ročne produkuje 230PJ bioplynu. Využíva sa najmä na výrobu tepla a /alebo kogeneračnú výrobu tepla a elektriny. Bioplyn pre použitie na pohon sa musí vyčistiť, vysušiť a skomprimovať, čo predstavuje ďalšie náklady. Dá sa predpokladať, že aj v blízkej budúcnosti sa len malá časť bioplynu použije na pohon motorov.

    V súčasnosti sa kultúry riasy využívajú napríklad ako doplnok ľudskej zdravej výživy kde je zdrojom proteínov, lipidov, vitamínov, minerálov a dôležitých bioaktívnych látok (antioxidantov, nenasýtených mastných kyselín, potenciálne zdroje liečiv), v akvakulturách vodných živočíchov (ryby, kôrovce, mäkkýše), prípadne pre zlepšenie vlastností pôdy alebo pri bioremediácii. V súvislosti s ubúdaním zdrojov fosílnych palív a vzrastom spotreby a tým aj ceny energie nadobúda na aktuálnosti otázka alternatívnych, najmä obnoviteľných zdrojov energie. Rastlinná biomasa je jedným zo zdrojov, ktorých využívanie sa v posledných rokoch veľmi rozširuje. Riasy sú vhodnými producentmi biomasy, pretože niektoré vodné kmene majú v porovnaní s rastlinami o poriadok vyššiu účinnosť premeny slnečnej energie a fixácie COna biomasu.

    V posledných desiatich rokoch je problematika biopalív (bioplyn, biodiesel, bioalkohol, biometán) z riasy intenzívne študovaná na rade výskumných pracovísk, pretože celosvetová snaha smeruje k zníženiu spotreby fosílnych palív. Hlavným problémom sú zatiaľ vysoké výrobné náklady biomasy, ktoré spôsobuje predovšetkým nízka produktivita, nedostatočná technická vyspelosť kultivačných zariadení, vysoké prevádzkové náklady (energie na prevádzku – elektrina, teplo) a cena vstupných surovín (voda, CO2 ako zdroj uhlíka, živiny – fosfáty, dusičnany , železnaté soli a ďalšie). Zníženie nákladov na produkciu biomasy v masových kultúrach je možné dosiahnuť u rýchlo rastúcich kmeňov rias s využitím “odpadovej” energie niektorých priemyselných zariadení (elektrárne, spaľovne), ktoré môžu byť aj zdrojom “lacného” odpadového CO2, prípadne aj nutrientov z odpadových vôd.

    V rámci aktivity využitia rias popri fixácii CO2 z externých zdrojov (napr. z produktov spaľovania, resp. ako vedľajší produkt z bioplynovej stanice) s následnou fermentáciou biomasy na tvorby vlastného bioplynu,  sa čoraz častejšie vynára otázka využiť riasy aj v procese čistenia odpadových vôd, čím sa celý tento proces využitia rias stáva ešte viac sofistikovanejší.

    Takýto prístup ponúka niekoľko zaujímavých výhod oproti konvenčným spôsobom čistenia odpadových vôd:

    Cenová efektívnosť

    Bolo preukázané, že z hľadiska nákladov sa ukázal byť efektívnejší spôsob, ako odstrániť biochemickú spotrebu kyslíka (množstvo organického znečistenia), patogénov, fosforu a dusíka, ako aktivačný proces a ďalšie druhotné čistiace procesy.

    Nízke energetické požiadavky

    Tradičné procesy čistenia odpadových vôd zahŕňajú vysoké náklady na energiu mechanického prevzdušňovania a na prísun kyslíka pre aeróbne baktérie za účelom spracovania organických látok v odpadových vôd, zatiaľ čo pri použití čistenia odpadových vôd pomocou rias, riasy poskytujú kyslík (formou fotosyntézy) pre aeróbne baktérie. Konvenčné prevzdušňovanie je energeticky náročný proces, zahŕňajúci 45 až 75 % z celkových energetických nákladov čistení odpadových vôd. Riasy dokážu poskytnúť efektívny spôsob, ako konzumovať živiny a poskytovať pre aeróbne baktérie kyslík prostredníctvom fotosyntézy. Zhruba 1 kg BSK odstránený v procese čistenia aktivovaným kalom vyžaduje jeden kWh elektrickej energie na prevzdušňovanie, ktorý produkuje 1 kilogramu fosílneho CO2 z výroby elektrickej energie. Naopak, 1 kg BSK odstránený fotosyntetický okysličovaním nevyžaduje žiadny energetické vstupy a produkuje dostatok biomasy rias na výrobu metánu, ktoré môžu produkovať 1 kWh elektrickej energie.

    Zníženie tvorby kalov

    V konvenčnom čistení odpadových vôd hlavným cieľom je minimalizovať alebo odstrániť kal. Priemyselné odpadové vody sú konvenčne čistené pomocou rôznych nebezpečných chemických látok na úpravu pH, odstránenie kalov, odstránenie farby a odstránenie zápachu. Rozsiahle používanie chemických látok pre čistenie odpadových vôd má za následok tvorbu obrovského množstva kalov, ktoré tvoria základ tzv. nebezpečných tuhých odpadov, produkované priemyslom a s následným uložením na skládkach. Pri použití čistenia odpadových vôd pomocou rias, výsledný kal s biomasou rias je energeticky bohatý, a môže sa ďalej spracovať pre účely biopalív alebo iných hodnotných produktov, ako sú hnojivá. Technológia rias sa vyhýba používaniu chemických látok a celý proces čistenia odpadových vôd je oveľa viac zjednodušený. Dochádza jednoznačne k zníženiu formovania kalu.

    Zníženie emisií skleníkových plynov

    US Environmental Protection Agency (EPA) konkrétne identifikovala, že konvenčné čistiarne odpadových vôd sa považujú za medzi hlavných prispievateľov skleníkových plynov do ovzdušia. Pri technológii čistenia odpadových vôd pomocou rias sa tiež uvoľňuje CO2, ale riasy spotrebujú oveľa viac CO2 počas vlastného rastu, ako sa uvoľní vlastnou čistiarňou a toto charakterizuje celý systém ako systém „záporného uhlíka“.

    Výroba využiteľnej biomasy z rias

    Získaná biomasa rias môže slúžiť ako zdroj pre výrobu užitočných produktov, ako je napr. bionafta, bioplyn. Výskumy dokazujú, že v kontrolovaných podmienkach sú riasy schopné produkovať 40 krát väčšie množstvo oleja na výrobu bionafty na jednotku plochy pôdy, v porovnaní s olejnatými semenami, ako je napr. sója.

    Biomasa z rias sa môže použiť na výrobu bioetanolu a biobutanolu a podľa niektorých odhadov sa z nej môže produkovať oveľa vyššie množstvo rastlinného oleja, v porovnaní s konvenčne pestovanými poľnohospodárskymi plodinami, pestovanými pre rovnaký účel.

    Cieľom projektu je výskum fixácie CO2 pomocou mikrorias a ich ďalšie využitie na výrobu bioplynu a/alebo zložiek do motorových palív. Technológia bude odskúšaná ako integrovaný proces utilizácie CO2 riasami pri súčasnom čistení odpadových vôd, s možnosťou využitia odpadovej G-fázy z výroby FAME. Druhým stupňom bude vývoj technológie využitia rias alternatívne na výrobu bioplynu resp. využitie lipidov z rias na výrobu kvapalných motorových biopalív druhej generácie. Predmetom výskumu je predovšetkým integrované zníženie produkcie skleníkových plynov GHG. Tieto výskumné aktivity sú v súlade s implementáciou smernice 2009/28/EC o obnoviteľných zdrojoch energie.

    Plánované etapy výskumu:

    1. Analýza publikovaných informácií o využití CO2 z priemyslu  a bioplynových staníc na produkciu rias.
    2. Výber vhodných kmeňov rias, optimalizácia kultivácie a separácie rias, využitie G-fázy z výroby FAME na kultiváciu rias
    3. Zariadenie na kultiváciu a separáciu rias
    4. Skúšky biofermentácie získanej biomasy z kultivácie rias pre výrobu bioplynu.
    5. Výskum využitia rias pre výrobu zložiek pre motorové palivá
    6. Poloprevádzkové odskúšanie využitia odpadového CO2 pre kultiváciu rias a ich využitie na výrobu bioplynu.
    7. Záverečná správa z projektu

    Publikačná činnosť k projektu

    Mikulec J., Banič M., Cvengroš J., Joríková Ľ.: Catalytic hydrotreatment of algae oil, XIth European Congress on Catalysis “20 years of European Catalysis… and beyond”. Lyon, France, 1.-6.9.2013.

    Mikulec J., Kušnír P., Polakovičová G., Ležovičová V., Kubinec R., Cvengroš J.: Integrovaná konverzia mikrorias na biopalivá. International conference on chemical technology – ICCT 2013, Mikulov, Česká republika, 8.-10.4.2013, ISBN 1978-80-86238-37-1.

    Fotobioreaktory na kultiváciu mikrorias  pre výrobu palív Marian Peciar, Peter Peciar, Roman Fekete, Jozef Mikulec, International conference on chemical technology – ICCT 2013, Mikulov, Česká republika, 8.-10.4.2013, ISBN 1978-80-86238-37-1.

    Vasilkovová B., Cvengrošová Z., Buzetzki E., Mikulec J., Cvengroš J.: Metylestery mastných kyselín z mikrorias. International conference on chemical technology – ICCT 2013, Mikulov, Česká republika, 8.-10.4.2013, ISBN 1978-80-86238-37-1.

    Marek Banič, Ľudmila Joríková, Róbert Kubinec, Jaroslav Blaško, Jozef Mikulec Charakterizácia lipidov extrahovaných z mikrorias. International conference on chemical technology – ICCT 2013, Mikulov, Česká republika, 8.-10.4.2013, ISBN 1978-80-86238-37-1.

    Marek Banič, Ľudmila Joríková, Lýdia Pokorná Charakterizácia lipidov extrahovaných z mikrorias, In CHISA 2013 – 60. konference chemického a procesního inženýrství, 14.-17.října 2013, Srní, Šumava. Sborník [elektronický zdroj]. Praha: Česká společnost chemického inženýrství, 2013, s. 14. ISBN 978-80-02-02500-

    Vasilkovová B., Cvengrošová Z., Kuliček J., Mikulec J., Cvengroš J.: Preparation of methylesters from microalgae oil. Proceedings, 46th  International Conference of Petroleum Processing. Bratislava, SR, 7.6.2013, ISBN: 978-80-969792-4-0.

    Vasilkovová B., Cvengrošová Z., Kuliček J., Mikulec J., Cvengroš J.: Biofuels from microalgae oil. Proceedings, 46th  International Conference of Petroleum Processing. Bratislava, SR, 7.6.2013, ISBN: 978-80-969792-4-0.

    Jozef Mikulec, Patrik Kušnír, Gabriela Polakovičová, Vladimíra Ležovičová Carbon dioxide utilization for integrated biogas production, 46th  International Conference of Petroleum Processing. Bratislava, SR, 7.6.2013, ISBN: 978-80-969792-4-0.

    Jozef Mikulec, Andrea Kleinová, Ján Cvengroš, Ľudmila Joríková, Marek Banič:Catalytic transformation of tall oil into biocomponent of diesel fuel,International Journal of Chemical Engineering, Volume 2012(2012) article ID 215258.

    A. Takáčová, T. Mackuľak, P. Kušnír, M. Smolinská, G. Čík: Anaerobic Digestion of Micro-algae, International Symposium on Anaerobic Digestion of Solid Waste and Energy Crops, Viedeň, 28.8-1.9.-2009.

    Róbert Kubinec, Jaroslav Blaško, Renáta Górová, Gabriela Addová, Ivan Ostrovský, Ladislav Soják, Peter Podolec, Alexandra Szabóová, Jozef Višňovský, Jozef Mikulec: GC-MS analýza mastných kyselín v riasachChemické Listy 106 (2012) 297.

    Patrik Kušnír, Róbert Kubinec, Jozef Mikulec, Gabriela Polakovičová, Alžbeta Takáčová,  Marek Banič, Anna Orságová: Fixácia oxidu uhličitého, extrakcia a hodnotenie zloženia lipidov vybraných kmeňov rias vhodných na výrobu biopalív, , Aprochem 2012, Kouty n. Děsnou, 23.-25.4.2012.

    Jozef Mikulec, Miroslav Dolnák, Ján Cvengroš, Andrea Kleinová, Ľudmila Joríková : Využitie kukuričného oleja na výrobu palív, Aprochem 2012, Kouty n. Děsnou, 23.-25.4.2012.

    Jozef Mikulec, Gabriela Polakovičová, Patrik Kušnír: Možnosti kultivácie a využitia rias na výrobu palív, Techagro 2012, 3.4.2012 Brno, ISBN 978-80-86884-66-2.

    Patrik Kušnír, Róbert Kubinec, Jozef Mikulec, Gabriela Polakovičová: Fixácia oxidu uhličitého, extrakcia a hodnotenie zloženia lipidov vybraných kmeňov rias vhodných na výrobu biopalív, OZE 2012, Kouty n. Děsnou, 25.-27.4.2012, ISBN: 978-80-85990-21- 8.,

    Jozef Mikulec, Miroslav Dolnák, Ján Cvengroš, Andrea Kleinová, Ľudmila Joríková: Využitie kukuričného oleja na výrobu palív, OZE 2012, Kouty n. Děsnou, 25.-27.4.2012, ISBN: 978-80-85990-21- 8.

    Jozef Mikulec, Ján Cvengroš, Andrea Kleinová, Tomáš Cvengroš, Ľudmila Joríková: Utilization of waste corn oil for biodiesel production, Biofuel International Exhibition & Conference, 20.-21.11.2012, Antwerp, Belgium.

    Gabriela Polakovičová, Patrik Kušnír, Slávka Nagyová, Jozef Mikulec: Process Integration of Algae Production and Anaerobic Digestion,15th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction PRES 2012.,

    Gabriela Polakovičová, Patrik Kušnír, Slávka Nagyová, Jozef Mikulec: Process Integration of Algae Production and Anaerobic Digestion,CHEMICAL ENGINEERING TRANSACTIONS , VOL. 29, 2012, ISBN 978-88-95608-20-4, ISSN 1974-9791.

    A. Kleinova, Z. Cvengrošová, J. Rimarčík, E. Buzetzki, J. Mikulec, J. Cvengroš: Biofuels from algae,20th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2012.

    Jozef Mikulec, Ján Cvengroš, Andrea Kleinová, Tomáš Cvengroš, Ľudmila Joríková: The use of corn oil for biodiesel production, European Biodiesel 2012 Conference, Cracow, June 13-14, 2012, Photobioreactor for Biomass Production.

    Marián Peciar, Roman Fekete, Peter Peciar, Patrik Kušnír: Photobioreactor for Biomass Production, 39th International Conference of SSChE, 21.-25.5.2012, Tatranské Matliare, ISBN: 978-80-89475-04-9, p. 116-121.

    Jozef Mikulec, Ján Cvengroš, Ľudmila Joríková, Marek Banič: Biodiesel and/or green diesel: Use of  waste feedstock, Interfaces 11, Sopron, 28.-30.9.2011, ISBN 978-963-9970-21-2.

    A. Takáčová, P. Olejníková, G. Čík, M. Smolinská, P. Kušnír: Use of algae for waste water treatment, Interfaces 11, Sopron, 28.-30.9.2011, ISBN 978-963-9970-21-2.

    Jozef Mikulec: Legislatíva a používanie obnoviteľných zdrojov energie v Strednej Európe so zreteľom na motorové palivá, Seminár „Udržateľné spracovanie ropy vs. obnoviteľné zdroje energie“, Hotel Gate One, 14.6.2011, Bratislava.

    Michal Šingliar, Jozef Mikulec: Hodnotenie udržateľného rozvoja („Sustainability development“) v sektore spracovania ropy, Seminár „Udržateľné spracovanie ropy vs. obnoviteľné zdroje energie“ , Hotel Gate One, 14.6.2011, Bratislava.

    Jozef Mikulec,. Ján Cvengros: Bionafta a/alebo nafta z obnoviteľných zdrojov: Využitie odpadových surovín, Aprochem 2011, Kouty n. Děsnou,

    Ľubomír Švantner, Jozef Mikulec,  Ludmila Joríková, Marek Banič: Hodnotenie frakcií z krakovania plastov na prevádzkovej jednotke, Aprochem 2011, Kouty n. Děsnou,

    Jozef Mikulec, Ľubomír Švantner, Ivan Vailing: Evaluation and use of the fractions from cracking of waste plastics on production unit, 6th International Symposium on Feedstock Recycling of Polymeric Materials, Toledo, Spain.

    Jozef Mikulec, Ján Cvengroš: Technológie výroby biopalív druhej generácie z odpadových surovín, International slovak Biomass Forum, Bratislava, 2011.

    Dokumenty na stiahnutie

    Digescia mikrorias na bioplyn (639 KB, pdf)
    Výsledky kultivácie rias (3 MB, pdf)