ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ

Transcript

1 ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΜΙΚΡΟΦΥΚΩΝ ΣΕ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΕΝΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΜΕΝΑ ΛΥΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΛΛΟΓΗ ΤΟΥΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΚΡΟΚΙΔΩΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΣ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΣΟΦΙΑ Σ. ΒΕΡΓΙΝΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΣ ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ Δ. ΜΑΝΑΡΙΩΤΗΣ ΠΑΤΡΑ 2014

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Τεχνολογίας του Περιβάλλοντος στα πλαίσια του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών του Πανεπιστημίου Πατρών «Υδατικοί Πόροι και Περιβάλλον». Η παρούσα διατριβή διέρκησε περίπου ένα χρόνια, από το Νοέμβριο 2013 έως τον Ιανουάριο Επιβλέπων διετέλεσε ο κύριος Ιωάννης Μαναριώτης, Επίκουρος Καθηγητής του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, τον οποίο και ευχαριστώ θερμά για την ανάθεση και την επίβλεψη αυτής της εργασίας, καθώς και για τις πολύτιμες συμβουλές του. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τα μέλη της Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής, τους κύριους Στυλιανό Τσώνη και Παναγιώτη Γιαννόπουλο, Αναπληρωτές Καθηγητές του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστημίου Πατρών, που δέχτηκαν να συμμετάσχουν στην επιτροπή. Πολύ σημαντική ήταν η συνεργασία μου με την κυρία Ανδριάνα Αραβαντινού και τον κύριο Μάριο Θεοδωρακόπουλο, Υποψήφιους Διδάκτωρες του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών, την οποία και ευχαριστώ που με καθοδήγησε με το σωστότερο τρόπο προκειμένου να φέρω εις πέρας την παρούσα μελέτη. Φυσικά, ένα πολύ μεγάλο ευχαριστώ στην οικογένειά μου, η οποία φέρει ένα μεγάλο μέρος της «ευθύνης» για όλους τους στόχους που διεκπεραιώνω στη ζωή μου και με στηρίζει ηθικά και οικονομικά σε κάθε προσπάθειά μου.

3 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 2.1: Σχηματική αναπαράσταση του ρυθμού αύξησης μικροφυκών (-) σε καλλιέργειες διαλείποντος έργου σε σχέση με την συγκέντρωση θρεπτικών (- - -) 1: λογαριθμική φάση, 2: εκθετική φάση ανάπτυξης, 3: γραμμική φάση ανάπτυξης, 4: στάσιμη φάση ανάπτυξη, 5: φάση θανάτου (Πηγή: Mata et al., 2010). 9 Σχήμα 3.1 Καμπύλες βαθμονόμησης ανιόντων Σχήμα 4.1 Διακύμανση αιωρούμενων στερεών. 47 Σχήμα 4.2 Διακύμανση πτητικών αιωρούμενων στερεών. 47 Σχήμα 4.3 Διακύμανση οπτικής πυκνότητας. 48 Σχήμα 4.4 Διακύμανση θολερότητας. 48 Σχήμα 4.5 Διακύμανση χλωροφύλλης a, b, c και καροτενοειδών. 49 Σχήμα 4.6 Διακύμανση ph. 50 Σχήμα 4.7 Διακύμανση Cl Σχήμα 4.8 Διακύμανση NO Σχήμα 4.9 Διακύμανση NO Σχήμα Διακύμανση PO Σχήμα Διακύμανση SO Σχήμα 4.12 Περιεκτικότητα του S. rubescens σε λιπίδια: α) 1. καλλιέργεια 10 L, 54 β) 4. καλλιέργεια 20 L, γ) υπερκείμενο με καθιζάμενο 4. καλλιέργεια 20 L. Σχήμα 4.13 Jar-Test με το φύκος S. rubescens και τη χρήση FeCl 3 6H 2O. 59 Σχήμα 4.14 Jar-Test με το φύκος S. rubescens και τη χρήση FeCl 3 6H 2O. 59 Σχήμα 4.15 Jar-Test με το φύκος S. rubescens και τη χρήση FeCl 3 6H 2O. 61 Σχήμα 4.16 Jar-Test, σύγκριση του S. rubescens με το υπερκείμενο με τη χρήση FeCl 3 6H 2O. Σχήμα 4.17 Jar-Test με το φύκος S. rubescens και τη χρήση FeCl 3 6H 2O. 62 Σχήμα 4.18 Jar-Test με το φύκος S. rubescens και τη χρήση Al 2(SO 4) 3 18H 2O. Σχήμα 4.19 Jar-Test με το φύκος S. rubescens και τη χρήση FeCl 3 6H 2O, AlCl 3, 63 Al 2(SO 4) 318H 2O. Σχήμα 4.20 Jar-Test με το φύκος D. tertiolecta και τη χρήση FeCl 3 6H 2O. 64 Σχήμα 4.21 Jar-Test με το φύκος S. rubescens και τη χρήση AlCl Σχήμα 4.22 Jar-Test με το φύκος D. tertiolecta και τη χρήση FeCl 3 6H 2O και 65 AlCl 3. Σχήμα 4.23 Jar-Test με το φύκος D. tertiolecta και τη χρήση FeCl 3 6H 2O, AlCl 3, 65 Al 2(SO 4) 318H 2O. Σχήμα 4.24 Σύγκριση δυναμικού Ζήτα. 66 Σχήμα 4.25 Οπτική πυκνότητα του D. tertiolecta με χρήση μαγνητικού υλικού. 67 Σχήμα 4.26 Μέτρηση οπτικής πυκνότητας του D. tertiolecta σε διαφορετικές 68 συγκεντρώσεις. Σχήμα 4.27 Μέτρηση της οπτικής πυκνότητας σε αραιωμένα δείγματαμε τη 68 χρήση μαγνητικού υλικού. Σχήμα 4.28 Μέτρηση της οπτικής πυκνότητας των α) υπερκείμενου υγρού 69 S.rubescens και β) D. tertiolecta με τη προσθήκη 0,5 και 1 ml μαγνητικού υλικού. Σχήμα 4.29 Σύγκριση της οπτικής πυκνότητας των S. rubescens και D ii

4 tertiolecta με τη χρήση ίδιων ποσοτήτων μαγνητικού υλικού. Σχήμα 4.30 Μέτρηση της οπτικής πυκνότητας σε αραιωμένα δείγματαμε τη 70 χρήση μαγνητικού υλικού. Σχήμα 4.31 Μέτρηση της οπτικής πυκνότητας του μικροφύκους D. tertiolecta 71 με τη χρήση μαγνητικού υλικού. Σχήμα 4.32 Ισοθερμική συσχέτιση του μικροφύκους D. tertiolecta. 73 Σχήμα 4.33 Ισοθερμική συσχέτιση του μικροφύκους S. rubescens. 74 iii

5 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 2.1: Σύγκριση ετήσιας παραγωγής ελαίων σε διάφορα φυτικά είδη (Πηγή: Mata et al., 2010). 7 Πίνακας 3.1 Σύσταση των θρεπτικών μέσων (Feng et al., (2011), (Aravantinou et al., (2013). 23 Πίνακας 3.2 Δειγματοληψίες. 23 Πίνακας 3.3 Πειράματα Jar-Test. 38 Πίνακας 3.4 Παρασκευή μαγνητικών υλικών. 43 Πίνακας 3.5 Διεξαγωγή πειραμάτων με ποικιλία μαγνητικών υλικών. 44 Πίνακας 3.6 Διεξαγωγή πειραμάτων με αραίωση. 45 Πίνακας 4.1 Αποτελέσματα βαρυτικής καθίζησης των μικροφυκών S. rubescens και D. tertiolecta. 57 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 3.1 Αντιδραστήρας καλλιέργειας μικροφύκους S. rubescens και η 24 εξέλιξή του κατά τη διάρκεια του χρόνου. Εικόνα 3.2 Διάταξη πειράματος jar-test. 37 Εικόνα 4.1 Οπτικό μικροσκόπιο α) S.rubescens, β) D. tertiolecta. 56 Εικόνα 4.2 Φωτογραφίες των μικροφυκών S.rubescens και D. tertiolecta καθώς και των μαγνητικών υλικών (FeSO4 7H2O+Biochar) και (FeSO4 7H2O+AC) με τη χρήση SEM. 56 iv

6 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η αύξηση των ενεργειακών απαιτήσεων όπως και η έλλειψη ορυκτών καυσίμων καθιστούν αναγκαία τη χρήση εναλλακτικών πηγών ενέγειας. Τα μικροφύκη αποτελούν μία από τις πλέον υποσχόμενες εναλλακτικές πηγές ενέργειας. Το στάδιο της συλλογής της βιομάζας από τις καλλιέργειες μικροφυκών είναι το πιο περίπλοκο και αυτό με το πιο υψηλό κόστος, το οποίο αναφέρεται ότι αποτελεί έως και το 20-30% του συνολικού κόστους παραγωγής βιομάζας. Αυτός είναι και ο κύριος λόγος που εστιάστηκε η συγκεκριμένη εργασία στο κομμάτι της συλλογής με την χρήση κροκιδωτικών και μαγνητικών υλικών για την καθίζηση της βιομάζας, προκειμένου αυτή να συλεχθεί και να επεξεργασθεί περαιτέρω. Στη παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε καλλιέργεια δύο ειδών μικροφυκών σε εργαστηριακής κλίμακας αντιδραστήρες. Συγκεκριμένα εξετάστηκε ένα φύκος του γλυκού νερού, Scenedesmus rubescens και ένα φύκος αλμυρού νερού, Dunaliella tertiolecta και στη συνέχεια, με τις καλλιέργειες των δύο φυκών πραγματοποιήθηκαν πειράματα για την συλλογή τους. Από τις εργαστηριακές μετρήσεις που διεξάχθηκαν προσδιορίστηκαν οι εξής παράγοντες: τα αιωρούμενα και πτητικά αιωρούμενα στερεά, η οπτική πυκνότητα και η θολερότητα των καλλιεργειών, η χλωροφύλλη, το ph, τα ανιόντα όπως και η περιεκτικότητα των φυκών σε λιπίδια. Όλα τα πειράματα διεξήχθηκαν υπό ελεγχόμενες συνθήκες. Επίσης σε τακτά χρονικά διαστήματα έγινε μικροσκοπική εξέταση σε οπτικό μικροσκόπιο και ηλεκτονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Εν συνεχεία, χρησιμοποιήθηκαν οι καλλιέργειες για να πραγματοποιηθούν πειράματα συλλογής της βιομάζας με τη χρήση κοινών κροκιδωτικών (άλατα Fe 3+ και Al 3+ ) και μαγνητικών μικροσωματιδίων. Συγκεκριμένα έγιναν 27 πειράματα jar-test και 24 πειράματα με τη χρήση μαγνητικών υλικών. Στο κεφάλαιο 1 και 2 γίνεται αναφορά στα μικροφύκη και τις μεθόδους των διεργασιών συλλογής αυτών, καθώς και στα βιοκαύσιμα. Στη συνέχεια, στο 3 ο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή των πειραματικών διατάξεων, των εργαστηριακών μετρήσεων και σκοπτική περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας που ακολουθήθηκε. Στο 4 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα των εργαστηριακών και των πειραματικών μετρήσεων. Στο 5 ο κεφάλαιο γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων της παρούσης εργασίας με αποτελέσματα που έχουν ευρεθεί σε άλλες παρόμοιες μελέτες στη βιβλιογραφία. Τέλος, στο 6 ο κεφάλαιο, ακολουθούν τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τα πειραματικά αποτελέσματα της παρούσας εργασίας. Απο τη μελέτη που πραγματοποιήθηκε συμπαιρένεται οτι η χρήση κροκιδωτικών και μαγνητικών υλικών είναι κατάλληλες και αποδοτικές για τη συλλογή βιομάζας των μικροφυκών, v

7 με ποσοστό αφαίρεσης της βιομάζας έως και 95%. Σε αντίθεση με τη μέθοδο της καθίζησης, στην οποία το ποσοστό αφαίρεσης εξαρτάται κυρίως απο το είδος και τη μορφολογία του κάθε μικροφύκους. vi

8 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ.. i ΠΕΡΙΛΗΨΗ v ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΕΙΣΑΓΩΓΗ...1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΜΙΚΡΟΦΥΚΗ Γενικά χαρακτηριστικά Ιστορική αναδρομή ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΜΙΚΡΟΦΥΚΩΝ Επίδραση φυσικοχημικών παραγόντων στη μικροβιακή αύξηση Ένταση και πηγή φωτός Θερμοκρασία Θρεπτικά CO ph Αλατότητα Θολερότητα Επίδραση βιοτικών παραγόντων στη μικροβιακή αύξηση Είδος Παθογόνοι μικροοργανισμοί Ανταγωνιστικότητα Συστήματα καλλιέργειας Ανοιχτά συστήματα Κλειστά συστήματα ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΥΛΛΟΓΗΣ ΜΙΚΡΟΦΥΚΩΝ Καθίζηση Διήθηση Φυγοκέντρηση Κροκίδωση Μαγνητικά υλικά ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ vii

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3- ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ Στερεά Οπτική πικνότητα Χλωροφύλλη Μέτρηση θολερότητας ph Ανιόντα Λιπίδια Μικροσκοπική εξέταση Οπτικό μικροσκόπιο Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης ((SEM) ΣΥΓΚΟΜΙΔΗ- ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑΣ Καθίζηση σε κώνο Imhoff Κροκίδωση Μαγνητικά υλικά...38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4- ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΜΙΚΡΟΦΥΚΩΝ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΉ ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ ΣΥΛΛΟΓΗ ΜΙΚΡΟΦΥΚΩΝ Καθίζηση σε κώνο Imhoff Κροκίδωση Μαγνητικά υλικά ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ...71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5- ΣΥΖΗΤΗΣΗ...75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6- ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...78 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...80 viii

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1- ΕΙΣΑΓΩΓΗ Καθώς διανύουµε τον 21ο αιώνα, ο κόσµος βρίσκεται αντιµέτωπος µε δύο µεγάλα προβλήµατα: 1) την εξάντληση των ορυκτών καυσίµων και την προκύπτουσα εξάρτηση από τις χώρες εξαγωγής των ορυκτ ών κα υσίµων, καθώς και 2) την υπερθέρµανση του πλανήτη µέσω των εκποµπών των αερίων του θερµοκηπίου (Hinrichs and Kleinbach, 2006). Οι συµβατικές πηγές ενέργειας καλύπτουν τις µεγαλύτερες ενεργειακές απαιτήσεις της ανθρωπότητας. Τα καύσιµα που βασίζονται στο πετρέλαιο και το φυσικό αέρ ιο έχουν περιορισ µένα αποθέµατα. Η µείωση των αποθεµάτων, σε συνδυασµό µε τη συνεχή αύξηση των παγκόσµιων ενεργειακών απαιτήσεων είναι που καθιστούν τις ανανεώσιµες πηγές ενέργειας πιο ελκυστικές (Sheehan et al., 1998). Οι απαιτήσεις αυτές ενδείκνυται να καλυφθούν µέσω των εναλλακτικών πηγών καυσίµων, όπως είναι τα βιοκαύσιµα, τα οποία είναι καύσιµα που παράγονται από ανανεώσιµες πηγές, και συγκεκριµένα το βιοντί ζελ που είναι πολλά υποσχόµενο (Ahmad et al., 2011). Έρευνες γίνονται εδώ και χρόνια σε διάφορους τοµείς των εναλ λακτικών πηγών ενέργειας όπως για την παραγωγή βιοαιθανόλης, βιοντίζελ, στο βιοαέριο καθώς και στην ανάπτυξη του υδρογόνου (Antoni et al., 2007). Όλες αυτές οι νέες τεχνολογίες ωστόσο, παρουσιάζουν σηµαντικά µειονεκτήµατα. Μέχρι στιγµής, είτε δεν είναι αρκετά παραγωγικές, είτε βρίσκονται σε αντίθεση µε το δηµόσιο συµφέρον λόγω της χρήσης αγροτικών εκτάσεων. Τα ανωτέρω ζητήµατα πρέπει και µπορούν να αντιµετωπιστούν, για παράδειγµα, µε το να ελέγχεται η ποσότητα της βιοµάζας που θα παρέχεται για την παραγωγή βιοκαυσίµων χωρίς να ανταγωνίζεται την παραγωγή τροφίµων ή να βλάπτεται το περιβάλλον (Antoni et al., 2007). Η καλλιέργεια φυκών ως πρώτη ύλη για βιοκαύσιµα µπορεί να είναι η λύση σε όλα αυτά τα προβλήµατα, µια και έχει αναδειχθεί ως ένας βιώσιµος πόρος για την παραγωγή βιον τίζελ και βιοαιθανόλης (Chisti, 2007). Η παραγωγή βιοντίζελ από µικροφύκη βασίζεται στην εξαγωγή των ελαίων υπό τη µορφή λιπιδίων, και στη µετέπειτα µετατροπή τους σε βιοκαύσιµο, στην περίπτωση αυτή βιοντίζελ, µέσω της διαδικασίας της µετεστεροποίησης. Σε αντίθεση µε άλλες καλλιέργειες που χρησιµοποιούνται σήµερα για την παραγωγή βιοκαύσιµου, όπως σογιέλαιο, 1

11 φοινικέλαιο, αραβοσιτέλαιο, ορισµένα στελέχη φυκών περιέχουν έως και 70 % λιπίδια. Αυτό σηµαίνει ότι ε ίναι σε θέση να παράγ ουν περισσότερα από 30 φορές της ποσότητας του βιοκαύσιµου (ανά έτος ανά µονάδα έκταση γης ) σε σύγκριση µε τις άλλες καλλιέργειες. Eπίσης ένα άλλο πλεονέκτηµα είναι ότι τα φύκη χρησιµοποιούν CO 2 ως πηγή άνθρακα για να αναπτυχθούν µε αποτέλεσµα τη µείωση των εκποµπών του CO 2 και του φαινόµενου το θερµοκηπίου (Chisti, 2007). Τα µικροφύκη µπορεί να αναπτ υχθούν σε δύο διαφορετικά συστήµατα, στους φωτοβιοαντιδραστήρες (PBR) ή σε ανοιχτές λίµνες. Δε δοµένου ότι οι λίµνες είναι λιγότερο παραγωγικές και καλύπτουν εκτεταµένη έκταση, οι βιοαντιδραστήρες είναι η ευνοϊκότερη λύση καθώς καθιστούν δυνατή την προµήθεια βιοµάζας, χωρίς να επηρεάζεται το κόστος της γεωργικής γης που ανταγωνίζεται την παραγωγή τροφίµων (Chen, 1996). Ωστόσο, για την τεχνολογία των βιοαντιδραστήρων είναι απαραίτητη η περαιτέρω έρευνα για τη βελτιστοποίηση αυτών των συστηµάτων (Chisti, 2007). Οι σηµαντικότερες τεχνικές προκλήσεις για τη βιοµηχανική καλλιέργεια µικροφυκών είναι: 1) οι συνθήκες διατ ήρησης των υψηλότερ ων επ ιπέδων παραγωγικότητας βιοµάζας, 2) η µείωση του κόστους κατασκευής και συντήρησης της εγκατάστασης και 3) η µείωση του κόστους λειτουργικότητας του συστήµατος (Barbosa, 2003). Ένας σηµαντικός παράγοντας που πρέπει να µελετηθεί για τον τοµέα λειτουργικότητας ενός τέτοιου συστήµατος, αλλά και τη βέλτιστη αποτελεσµατικότητα αυτού, είναι οι τρόποι συλλογής της βιοµάζας, µια και αυτό το σηµείο της επεξεργασίας αποτελεί ένα µεγάλο ποσοστό του κόστους του τοµέα αυτού. Η µέθοδος συλλογής των µικροφυκών από την καλλιέργεια έχει σηµαντική επιρροή τόσο στο τελικό κόστος που εκτιµάται ότι αντιστοιχεί στο 20 εως 30% του συνολικού κόστους παραγωγής, όσο και στην συνολική παραγωγικότητα της µονάδας. Υπάρχει πληθώρα διαθέσιµων επιλογών συλλογής και συµπύκνωσης µιας καλλιέργειας. Οι κυριότερες µέθοδοι αποτελο ύνται από τη φυγοκέντριση, την κροκίδωση, τη διήθηση, την επίπλευση, ειδικότερα την επίπλευση µε διαλυµένο αέρα (Dissolved Air Flotation - DAF), την καθίζηση και την ηλεκτροφόρηση µε πιο κοινές τις µεθόδους της φυγοκέντρισης και της κροκίδωσης. Ερευνητικές µελέτες πραγµατοποιούνται για τη συλλογή των µικροφυκών µε νέους και οικονοµικούς τρόπους, όπως την αυτοκροκίδωση κατά την οποία εµφανίζεται το φαινόµενο της 2

12 κροκίδωσης µικροφυκών µε άλλου είδους µικροφύκη, τη συλλογή των µικροφυκών µε προσθήκη µαγνητικών νανοσωµατιδίων στην καλλιέργεια, τη χρήση υπερήχων και τη γενετική τροποποίηση των µικροφυκών. Στην παρούσα εργασία πραγµατοποιήθηκε καλλιέργεια δυο ειδών µικροφυκών, ενός γλυκού νερού (Scenedesmus rubescens) και ενός αλµυρού (Dunaliella tertiolecta) και εν συνεχεία διερευνούνται πιθανοί τρόποι συλλογής της βιοµάζας µε κοινές φυσικο -χηµικές µεθόδους αλλά και µε τη χρήση µαγνητικών µικροσωµατιδίων. Συγκεκριµένα, διεξάχθηκε η µελέτη συγκοµιδής των µικροφυκών µε τη χρήση κροκιδωτικών αλλά και µαγνητικών µικροσωµατιδίων, προσπαθώντας να βρεθεί η καλύτερη µέθοδος για τον διαχωρισµό της βιοµάζας των φυκών από το θρεπτικό µέσο. Για τον έλεγχο όλων των παραµέτρων άλλαζε κάθε φορά µόνο ένας παράγοντας και οι υπόλοιποι παρέµεναν σταθεροί. 3

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2- ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 2.1 ΜΙΚΡΟΦΥΚΗ Γενικά χαρακτηριστικά Τα «φύκη» (ενικός: φύκος) / άλγη είναι προκαρυωτικοί ή ευκαρυωτικοί, φωτοσυνθετικοί μικροοργανισμοί, που μπορούν να αναπτυχθούν γρήγορα και να ζουν σε δύσκολες συνθήκες λόγω της απλής δομή τους (μονοκύτταροι ή πολυκύτταροι). Ο όρος «alga,-ae» προέρχεται από τη λατινική λέξη που σημαίνει «θαλάσσιο γρασίδι», αλλά όπως χρησιμοποιείται σήμερα περιλαμβάνει πολλές πρόσθετες μορφές. Η ελληνική λέξη για τα άλγη είναι «φύκος», και ως εκ τούτου, η μελέτη τους λέγεται φυκολογία (Sharma, 2007). Παρά το γεγονός ότι η πλειοψηφία των φυκών είναι υδρόβια, λίγα είδη έχει παρατηρηθεί ότι αναπτύσσονται στο έδαφος (Aravantinou and Manariotis, 2014). Τα φύκη είναι ο κύριος πρωτογενής παράγοντας στους ωκεανούς, οι οποίοι καλύπτουν το 71% της επιφάνειας της γης (Andersen, 2005) και επίσης είναι οργανισμοί οι οποίοι αναπτύσσονται σε υδατικό περιβάλλον και χρησιμοποιούν την ηλιακή ακτινοβολία και το διοξείδιο του άνθρακα για την ανάπτυξή τους. Τα περισσότερα φύκη είναι οργανισμοί με κύτταρα που περιέχουν έναν πυρήνα και άλλα οργανίδια που περιβάλλονται από μεμβράνες, δηλαδή είναι ευκαρυωτικοί οργανισμοί, ικανοί να φωτοσυνθέσουν και συνεισφέρουν περίπου 40 εως 50% του οξυγόνου της ατμόσφαιρας (Andersen, 2005). Τα μονοκύτταρα φύκη έχουν μέγεθος 2 εως 40 μm και ζουν μεμονωμένα ή κατά ομάδες σε κάθε ελεύθερη υδάτινη επιφάνεια (Andersen, 2005). Τα φύκη δεν βγάζουν άνθη ή καρπούς όπως επίσης δεν έχουν πραγματικά φύλλα, βλαστούς και ρίζες, και έχουν απλές αναπαραγωγικές δομές. Κοινό χαρακτηριστικό των φυκών είναι η παρουσία ειδικών ενώσεων στο κύτταρό τους, που έχουν φωτοχημικές ιδιότητες, οι οποίες είναι διάφορες χρωστικές ουσίες που απορροφούν μια περιοχή του φάσματος του ηλιακού φωτός. Το χρώμα των φυκών οφείλεται στα διάφορα είδη χλωροφύλλης, a, b και c καθώς και στις καροτινοειδείς χρωστικές. Το σώμα των φυκών ονομάζεται θαλλός. Όλα τα τμήματα του θαλλού μπορούν να φωτοσυνθέσουν εάν έχουν χλωροφύλλη. Υπάρχουν διάφορα είδη μικροφυκών τα οποία κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τη σύνθεση των χρωστικών τους σε κυανόφυτα, χλωρόφυτα, χαρόφυτα, ροδόφυτα, γλαυκόφυτα, διάτομα, φαιόφυτα, χρυσόφυτα, πυρρόφυτα και ευγληνόφυτα. Επίσης υπάρχουν αυτότροφα και ετερότροφα 4

14 φύκη (Van den Hoek et al., 2002). Η ικανότητα των φυκών να φωτοσυνθέσουν, κάνουν τα φύκη πολύ σημαντικά για τη φύση (Markou & Georgakakis, 2011). Έχει αποδειχθεί ότι η ανάπτυξη μερικών φυκών μπορεί να επηρεαστεί από τις ποσότητες των θρεπτικών συστατικών του νερού (π.χ. άζωτο), τη θερμοκρασία ή ακόμη και από τη διάρκεια και διακύμανση της ακτινοβολίας του ηλιακού φωτός. Τα φύκη χρησιμοποιούνται τα τελευταία χρόνια και ως δείκτης της ποιότητας των επιφανειακών υδάτων, γιατί ορισμένα είδη αναπτύσσονται μόνο σε εύτροφα νερά ενώ άλλα είναι πολύ ευαίσθητα σε οργανική ή χημική ρύπανση. Τα φύκη χρησιμοποιούνται και στη βιομηχανία τροφίμων. Κάποια είδη χρησιμοποιούνται ως εδώδιμα, από άλλα παράγονται χημικές ενώσεις που μοιάζουν με άμυλο, ενώ άλλα χρησιμοποιούνται ως γαλακτοματοποιητές στην παρασκευή γαλακτοκομικών προϊόντων. Μια άλλη σημαντική χρήση των φυκών είναι στην φαρμακευτική και χημική βιομηχανία, για παράδειγμα κατά την παρασκευή σαμπουάν, πλαστικών, εντομοκτόνων, ελαστικών, χαρτιού, υφασμάτων, λιπασμάτων και άλλων (Castro & Huber, 1999; Mata et al., 2010). Tα φύκη είναι η αρχική πηγή των υδρογονανθράκων που βρίσκονται στα αποθέματα του αργού πετρελαίου (crude oil) και του φυσικού αέριου (Andersen, 2005). Επίσης, τα μικροφύκη έχουν υψηλό λιπιδιακό περιεχόμενο και υψηλές τιμές παραγωγικότητας. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, μια νέα και πολύ σημαντική χρήση των φυκών, με τεράστιο ενδιαφέρον, την επεξεργασία λυμάτων και την παραγωγή μεθανίου και κατ επέκταση την παρασκευή βιοκαυσίμων Ιστορική αναδρομή Η πρώτη χρήση φυκών από τον άνθρωπο ξεκίνησε πριν 2000 χρόνια στην Κίνα. Oι κάτοικοι χρησιμοποιούσαν το είδος φύκους Nostoc για να επιβιώσουν κατά τις περιόδους του λιμού. Η μελέτη της φυσιολογίας των μικροφυκών ξεκίνησε στα τέλη του 19ου αιώνα, ενώ οι βιοτεχνολογικές εφαρμογές ξεκίνησαν στα μέσα του 20ου αιώνα (Spolaore et al., 2006). Το 1890 πραγματοποιήθηκε η πρώτη καλλιέργεια ενός είδους μικροφύκους, Chlorella vulgaris, από τον Beijerinck. Η φυσιολογία των φυτών μελετήθηκε το 1919 στο Warburg της Γερμανίας. H μαζική καλλιέργεια των μικροφυκών ξεκίνησε μετά το 1948 στο πανεπιστήμιο Stanford των Ηνωμένων Πολιτειών, το Essen της Γερμανίας και 5

15 το Τόκυο της Ιαπωνίας με τις αντίστοιχες μελέτες να συνοψίζονται στο βιβλίο του Burlew (1953) (Aravantinou et al., 2013). Η πρώτη πιλοτική μονάδα ανάπτυξης μικροφυκών πραγματοποιήθηκε στην οροφή κτιρίου του πανεπιστημίου MIT των Ηνωμένων Πολιτειών το 1951 από την εταιρία του Arthur D. Little (Arthur D. Little Inc.) με χρήση του στελέχους Chlorella pyrenoidosa. Σκοπός της εταιρίας ήταν η συνεχής ανάπτυξη των μικροφυκών, η μελέτη των συνθηκών της ανάπτυξης, η αποτίμηση της οικονομικής βιωσιμότητας ενός παρόμοιου έργου και η χρήση των προϊόντων της καλλιέργειας (Borowitzka, 1999). Έρευνες και μελέτες για την επεξεργασία των μικροφυκών και τις χρήσεις τους σε διάφορες βιοτεχνολογικές εφαρμογές εκπονούνται τα τελευταία 70 χρόνια. Στις αρχές της δεκαετίας του 1950, τα φύκη ήταν η λύση για την καταπολέμηση της ανεπαρκούς ποσότητας πρωτεϊνών σε συνδυασμό με την κατακόρυφη αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού. Εκείνη την εποχή ξεκίνησαν και οι πρώτες μελέτες για τη χρήση τους ως αντιβιοτικά (Spolaore, 2006). Στην Ιαπωνία αναπτύχθηκε η πρώτη καλλιέργεια σε μεγάλη κλίμακα στις αρχές της δεκαετίας του 1960 κατά την οποία ασχολήθηκαν με το είδος Chlorella. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1970 αυξήθηκε το ενδιαφέρον της χρήσης των μικροφυκών ως εναλλακτική πηγή ενέργειας, λόγω της πρώτης πετρελαϊκής κρίσης (Mata et al., 2010). Σήμερα, η διακύμανση της τιμής του πετρελαίου, η ανάγκη για μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου και η στροφή προς τις εναλλακτικές πηγές ενέργειας και καυσίμων οδηγούν σε μία κατακόρυφη αύξηση του ενδιαφέροντος της επεξεργασίας των μικροφυκών για την παραγωγή βιοντίζελ. Ήδη ορισμένες εταιρίες κατασκευάζουν αντιδραστήρες για την παραγωγή βιοντίζελ από μικροφύκη (PBRs), ενώ άλλες επικεντρώνονται στην παραγωγή βιοντίζελ μέσω της επεξεργασίας λυμάτων (Spolaore, 2006). Εκτιμάται, ότι μετά από ορισμένα χρόνια, τα μικροφύκη θα αποτελέσουν την κύρια ανανεώσιμη πηγή καυσίμων. Στον παρακάτω πίνακα φαίνεται η ετήσια παραγωγή ελαίων σε (L/ha) σε διάφορα είδη. 6

16 Σοδειά Παραγωγή Ελαίων (L/ha) Καλαμπόκι 172 Σόγια 446 Φυστίκι 1059 Canola 1190 Ελαιοκράμβη 1190 Jatropha 1892 Karanj (Pongamia pinnata) 2590 Καρύδα 2689 Φοινικέλαιο 5950 Μικροφύκη (30% έλαια κ.β.) Μικροφύκη (70% έλαια κ.β.) Πίνακας 2.1 Σύγκριση ετήσιας παραγωγής ελαίων σε διάφορα φυτικά είδη (Mata et al., 2010). 2.2 ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΜΙΚΡΟΦΥΚΩΝ Στις καλλιέργειες ανάπτυξης μικροφυκών σε βιομηχανική κλίμακα υπάρχουν πολλοί παράγοντες που μπορεί να επηρεάσουν την αύξηση της βιομάζας. Τέτοιοι παράγοντες μπορεί να είναι αβιοτικοί και βιοτικοί. Αβιοτικοί παράγοντες θεωρούνται οι φυσικοχημικοί παράμετροι που μπορούν να επηρεάσουν την καλλιέργεια, όπως το φως, η θερμοκρασία, τα θρεπτικά, το CO2, το ph, η αλατότητα καθώς και η θολερότητα. Στους βιοτικούς παράγοντες συμπεριλαμβάνονται η επίδραση της παρουσίας παθογόνων μικροοργανισμών και η ανταγωνιστικότητα με άλλα είδη μικροφυκών (Mata et al., 2010) Επίδραση φυσικοχημικών παραγόντων στην αύξηση μικροφυκών Ένταση και πηγή φωτός Το φως, συγκεκριμένα, το είδος της ακτινοβολίας και η ένταση είναι κρίσιμοι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση της ανάπτυξης των μικροφυκών, τόσο σε εσωτερικούς όσο και σε εξωτερικούς χώρους. Κάτω από πραγματικές και ουσιαστικά ευνοϊκές συνθήκες (δηλαδή χαμηλά έως μέτρια επίπεδα φωτός), οι αποδόσεις φωτοσυνθετικής ικανότητας αναφέρονται σε ένα εύρος 4,5 έως 7% σε λίμνες και φωτοαντιδραστήρες (Ma and Hanna, 1999; Scragg et al, 2002). Aυτό μεταφράζεται σε μια απόδοση του gdry biomassm -2 d -1. Tο άφθονο φως είναι απαραίτητο για την ανεμπόδιστη φωτοσύνθεση των μικροφυκών και την παραγωγή ενέργειας κατά την ανάπτυξή τους. Οι ανοιχτές τεχνητές λίμνες με μεγάλη επιφάνεια, ενδεχομένως να 7

17 παρουσιάζουν μεγαλύτερη φωτοσυνθετική απόδοση, όμως, η απόδοσή τους επηρεάζεται από αρκετούς παράγοντες όπως η εποχή, το κλίμα, η διάρκεια της ημέρας και τυχόν κτίσματα που βρίσκονται κοντά, τα οποία μπορούν να δημιουργήσουν σκιά (Ryan, 2009). Στα κλειστά συστήματα η αξιοποίηση του φυσικού φωτός είναι ένα από τα βασικά οικονομικά εμπόδια στις καλλιέργειες αυτές, και για αυτό το λόγο γίνεται συχνά η ταυτόχρονη χρήση τεχνητού και φυσικού ηλιακού φωτός. Αρκετές προσπάθειες έχουν πραγματοποιηθεί για την παραγωγή βιοκαυσίμων με χαμηλό κόστος, μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας. Εντούτοις, το υψηλό κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας με τεχνητές πηγές φωτός σε συμβατικούς φωτοαντιδραστήρες παραμένει ένα σημαντικό μειονέκτημα. Για την μείωση του κόστους έχουν προταθεί διαφορετικές στρατηγικές φωτισμού για την ενίσχυση του ρυθμού παραγωγής των μικροφυκών και την απόδοση των λιπιδίων τους που προορίζεται για τα βιοκαύσιμα (Melis et al, 1999). Σημειώνεται ότι οι φωτοαντιδραστήρες μπορούν να χρησιμοποιήσουν τεχνητό και ηλιακό φως, ή ακόμα και συνδυασμό αυτών. Οι μεγάλες αποδόσεις μικροφυκών σε λιπίδια με τη χρήση φωτοαντιδραστήρων οφείλεται κυρίως στη σταθερότητα καθ όλη τη διάρκεια ανάπτυξης των καλλιεργειών και της σταθερής έντασης του τεχνητού φωτός. Οι περισσότερες προσεγγίσεις εργαστηριακής κλίμακας για τη μελέτη παραγωγής μικροφυκών εκμεταλλεύονται λάμπες φθορισμού, οι οποίες έχουν σχετικά υψηλή κατανάλωση ενέργειας ανά μονάδα φωτοσυνθετικής ενεργής ακτινοβολίας (Photosynthetically active radiation, PAR). Τα περισσότερα εμπορικά συστήματα καλλιέργειας μικροφυκών εξακολουθούν να διεξάγονται σε ανοικτές δεξαμενές με χρήση της ηλιακής ενέργειας ως μοναδική πηγή φωτός. Ωστόσο, η απόδοση των εξωτερικών συστημάτων είναι συνήθως χαμηλή, και απαιτείται μεγάλη επιφάνεια (Ma and Hanna, 1999) Θερμοκρασία Η θερμοκρασία είναι ο σημαντικότερος περιοριστικός παράγοντας, μετά το φως, για την καλλιέργεια φυκών σε κλειστά και ανοιχτά συστήματα. Η επίδραση της θερμοκρασίας για πολλά είδη μικροφυκών στο εργαστήριο είναι καλά τεκμηριωμένη, αλλά το μέγεθος της επίδρασης της θερμοκρασίας στην ετήσια παραγωγή βιομάζας σε εξωτερικούς χώρους δεν έχει ακόμα επαρκώς διερευνηθεί. Το εύρος της θερμοκρασίας στο οποίο η παραγωγικότητα των μικροφυκών αποκτά τη μέγιστη δυνατή τιμή διαφέρει 8

18 ανάλογα με το εξεταζόμενο στέλεχος. Πολλά μικροφύκη μπορούν να ανεχθούν εύκολα θερμοκρασίες έως και 15 ο C χαμηλότερα από τη βέλτιστη θερμοκρασία ανάπτυξης, αλλά η λειτουργία σε θερμοκρασία μεγαλύτερη κατά 2 έως 4 ο C από τη βέλτιστη θερμοκρασία, μπορεί να οδηγήσει στην πλήρη απώλεια της καλλιέργειας (Mata et al., 2009; Converti et al., 2009; Munoz and Guieysse, 2006). Προβλήματα υπερθέρμανσης μπορεί να προκύψουν σε κλειστά συστήματα καλλιέργειας κατά τη διάρκεια ζεστών περιόδων, όπου η θερμοκρασία στο εσωτερικό του αντιδραστήρα μπορεί να φθάσει στους 55 ο C. Σε αυτήν την περίπτωση, ένα σύστημα ψύξης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μείωση της θερμοκρασίας σε περίπου 20 έως 26 ο C (Moheimani, 2005) Θρεπτικά Αρκετές μελέτες έχουν περιγράψει συγκεκριμένη σύνθεση θρεπτικού μέσου για ανάπτυξη μικροφυκών που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για βιομηχανική κλίμακα παραγωγής λιπιδίων από μικροφύκη. Αυτά περιλαμβάνουν τόσο τον περιορισμό των θρεπτικών αζώτου και φωσφόρου, αλλά και της επιπλέον προσθήκης CO2. Η συνολική απόδοση των μικροφυκών σε βιοκαύσιμα δεν εξαρτάται μόνο από τη συγκέντρωση της βιομάζας που επιτυγχάνεται, αλλά επίσης και από την περιεκτικότητα των μεμονωμένων κυττάρων σε λιπίδια. Σε γενικές γραμμές, η παραγωγικότητα και το περιεχόμενο των λιπιδίων είναι αντιστρόφως ανάλογα μεταξύ τους σε συνθήκες στρες. Για παράδειγμα, η στέρηση του αζώτου (ή φωσφορικών, σε μικρότερο βαθμό), περιορίζει την ανάπτυξη των κυττάρων (Σχήμα 2.1), αυξάνοντας παράλληλα την περιεκτικότητα σε λιπίδια. Οι Liu et al. (2008) έδειξαν ότι η υψηλή συγκέντρωση σιδήρου θα μπορούσε επίσης να προκαλέσει σημαντική συσσώρευση λιπιδίων στο θαλάσσιο είδος C. νulgaris. Αυτό σημαίνει ότι ορισμένες μεταβολικές αντιδράσεις συσχετίζονται με τη συσσώρευση λιπιδίων στο C. vulgaris και είναι πιθανόν να τροποποιηθούν από το υψηλό επίπεδο συγκέντρωσης του σιδήρου στο αρχικό μέσο. Ο Illman et al. (2000) διαπίστωσε ότι η μείωση του αζώτου στο θρεπτικό υπόστρωμα, αυξάνει την περιεκτικότητα των λιπιδίων και στα πέντε είδη Chlorella, μεταξύ των οποίων της C. Emersonii και του C. Minutissima. 9

19 Σχήμα 2.1 Σχηματική αναπαράσταση του ρυθμού αύξησης μικροφυκών (-) σε καλλιέργειες διαλείποντος έργου σε σχέση με την συγκέντρωση θρεπτικών (- - -) 1: λογαριθμική φάση, 2: εκθετική φάση ανάπτυξης, 3: γραμμική φάση ανάπτυξης, 4: στάσιμη φάση ανάπτυξη, 5: φάση θανάτου (Πηγή: Mata et al., 2010). Για την ανάπτυξη των μικροφυκών είναι αναγκαία η παρουσία θρεπτικών στοιχείων όπως το άζωτο, ο φώσφορος και το διοξείδιο του άνθρακα. Η χρήση υδάτων που είναι πλούσια σε αυτά τα θρεπτικά στοιχεία, όπως είναι τα ύδατα από γεωργικές επεξεργασίες ή και από εκροές βιομηχανικών λυμάτων, μειώνουν την ανάγκη για τεχνητή παροχή θρεπτικών στοιχείων CO2 Το CO2 αποτελεί την κύρια πηγή άνθρακα, ο οποίος μαζί με το άζωτο, το φώσφορο και το κάλιο χρησιμοποιούνται ως θρεπτικά συστατικά για την ανάπτυξη των φυκών. Στα ανοιχτά συστήματα χρησιμοποιείται το CO2 της ατμόσφαιρας. Όταν το ατμοσφαιρικό CO2 δεν επαρκεί, ακολουθεί τεχνητή εισαγωγή. Στα κλειστά συστήματα η αξιοποίηση του ατμοσφαιρικού CO2 δεν είναι δυνατή και έτσι προστίθεται με τεχνητά μέσα, ως διάλυμα ανόργανου άνθρακα, για την εξασφαλισμένη ανάπτυξη των φυκών (Lundquist et al., 2010). Η επίδραση του CO2 στην ανάπτυξη φυκών έχει εξεταστεί από διάφορους ερευνητές. Ο Chiu et al. (2009) ανέφερε αύξηση της παραγωγής βιομάζας και της συσσώρευσης λιπιδίων με την αύξηση της περιεκτικότητας του CO2 σε καλλιέργειες Nannochloropsis oculata. Παρόμοια αποτελέσματα αναφέρθηκαν από τους De Morais and Costa (2007) για καλλιέργειες Scenedesmus obliquus και Chlorella kessleri, οι οποίες απομονώθηκαν από μια λίμνη επεξεργασίας σε θερμοηλεκτρική μονάδα στη Βραζιλία, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι τα μικροφύκη αυτά έχουν τη δυνατότητα για βιο-σταθεροποίηση των εκπομπών CO2 σε θερμοηλεκτρικές μονάδες. 10

20 ph Το ph είναι άλλος ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την αύξηση της βιομάζας των μικροφυκών στην καλλιέργεια. Oι αντιδράσεις δέσμευσης του διοξειδίου του άνθρακα είναι ταχύτερες σε τιμές ph < 8,0 (Amaro et al., 2011). Ο Moheimani (2005) ανέφερε ότι για το Pleurochrysis carterae η μέγιστη παραγωγικότητα σε φωτοβιοαντιδραστήρα επέρχεται σε ph 7,7 έως 8,0 και σε εξωτερική δεξαμενή με αύλακες σε ph 9,1 έως 9, Αλατότητα Η αλατότητα σε ανοιχτά και κλειστά συστήματα καλλιέργειας μικροφυκών μπορεί να επηρεάσει την ανάπτυξη και τη σύνθεση των κυττάρων των μικροφυκών. Kάθε είδος μικροφύκους έχει διαφορετικό επιθυμητό εύρος αλατότητας. Η περιεκτικότητα αλάτων στις καλλιέργειες μπορεί να αυξηθεί κατά την περίοδο των θερινών μηνών λόγο της αύξησης της θερμοκρασίας και κατ επέκταση της εξάτμισης. H αλατότητα επηρεάζει τα φύκη με τρεις τρόπους. 1) προκαλώντας οσμωτικό στρες, 2) ιοντικό στρες λόγω υψηλής περιεκτικότητας αλάτων, και 3) αλλάζοντας την εκλεκτική διαπερατότητα της κυτταρικής μεμβράνης λόγο της αυξημένης συγκέντρωσης ιόντων. Η πιο εύκολη λύση για τον έλεγχο της αλατότητας είναι η πρόσθεση φρέσκου νερού ή άλατος όταν απαιτείται (Mata et al., 2010) Θολερότητα Η μέτρηση της θολερότητας είναι μια σημαντική παράμετρος για την εκτίμηση της ποιότητας των επιφανειακών υδάτων. Η θολερότητα ενός δείγματος οφείλεται σε κολλοειδή σωματίδια, ανόργανης ή οργανικής προέλευσης. Το μέγεθος, το σχήμα και η σύσταση των σωματιδίων επηρεάζουν το βαθμό σκέδασης του φωτός (Ζανάκη, 1996). Η θολερότητα είναι ένας σημαντικός παράγοντας στην καλλιέργεια μικροφυκών καθώς επηρεάζει τη διάχυση του φωτός στην υδάτινη στήλη. Η ανάμιξη και η ομογενοποίηση της καλλιέργειας είναι υπεύθυνες για τη σωστή κατανομή των θρεπτικών, τη μεταφορά του διοξειδίου του άνθρακα στην καλλιέργεια αλλά και την κυκλοφορία των κυττάρων των μικροφυκών από το σκοτάδι στη ζώνη του φωτός. Μια χαμηλή τιμή θολερότητας έχει σαν αποτέλεσμα τη γρήγορη ανάμιξη της καλλιέργειας, αλλά και τη διαπερατότητα 11

21 του φωτός σε όλη τη στήλη του διαλύματος της καλλιέργειας. Σε αντίθεση, μια υψηλή τιμή θολερότητας μπορεί να προκαλέσει την εμπόδιση της διαπερατότητας του φωτός αλλά και τη καταστροφή των κυττάρων λόγω της μεγαλης περιεκτικότητα της καλλιέργειας σε κύτταρα μικροφυκών. Η παρουσία μεγάλου αριθμού κυττάρων σε μια καλλιέργεια έχει σαν αποτέλεσμα τη διάσπασή τους κατά την ανάμιξη η οποία προκαλείται μέσο μηχανικών δραστηριοτήτων. Η ιδανική τιμή της θολερότητας εξαρτάται από το είδος του μικροφύκους και πρέπει να ελέγχεται πριν την διεξαγωγή μιας τέτοιες καλλιέργειας σε βιομηχανική κλίμακα, έτσι ώστε να αποτραπεί η μείωση της παραγωγικότητας (Mata et al., 2010) Επίδραση βιοτικών παραγόντων στη μικροβιακή αύξηση Κατά την καλλιέργεια των μικροφυκών, εκτός από τους φυσικοχημικούς παράγοντες σημαντικό ρόλο παίζει και η επίδραση των βιοτικών παραγόντων, όπως το είδος του φύκους, οι παθογόνοι μικροοργανισμοί καθώς και η ανταγωνιστικότητα αυτών Είδος Τα φύκη μπορεί να είναι αυτότροφα ή ετερότροφα. Η φωτοαυτότροφη καλλιέργεια αποτελεί τον πιο συνηθισμένο τύπο για την ανάπτυξη των μικροφυκών. Ο μηχανισμός της φωτοσύνθεσής τους είναι παρόμοιος με αυτόν που χρησιμοποιείται και από τους φυτικούς οργανισμούς του εδάφους, κατά τον οποίο μετατρέπουν τα ανόργανα συστατικά και τη φωτεινή ενέργεια σε οργανική ύλη (Li et al., 2008). Η μόνη διαφορά είναι το ότι τα μικροφύκη αποτελούν μέρος του υδατικού συστήματος. Η χρήση του νερού, του CO2 και των θρεπτικών συστατικών από αυτούς τους μικροοργανισμούς παρουσιάζει αυξημένη απόδοση, όπως και η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε βιομάζα. Αυτό είναι και το πλεονέκτημα των μικροφυκών (Gouveia, 2011). Επίσης, εμπλουτίζουν το νερό με οξυγόνο. Στο υδάτινο περιβάλλον, γλυκών και αλμυρών νερών, τα φύκη αποτελούν τη βάση της τροφικής αλυσίδας (Ελληνική φυκολογική εταιρία, 2008). Τα ετερότροφα φύκη αναπτύσσονται κάτω από συνθήκες έλλειψης φωτός, άρα 12

22 δεν φωτοσυνθέτουν, και παραλαμβάνουν με την τροφή τους τις χημικές ουσίες που είναι απαραίτητες για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών τους (Castro et al., 1999). Οι ετερότροφες καλλιέργειες παρουσιάζουν υψηλότερα επίπεδα παραγωγής βιομάζας σε σχέση με τις αυτότροφες. Επίσης, η χρήση συνθηκών ετερότροφης καλλιέργειας για την ανάπτυξη των μικροφυκών οδηγεί σε σχεδόν 20 φορές μεγαλύτερη παραγωγή σε λιπίδια σε σύγκριση με τις αυτότροφες συνθήκες. Όμως, κύρια μειονεκτήματα αυτού του τύπου καλλιέργειας αποτελούν τα συχνά προβλήματα μόλυνσης από βακτήρια, τα οποία χρησιμοποιούν σάκχαρα ως πηγή του άνθρακα που χρειάζονται για την ανάπτυξη τους (Chen et al., 2011) Παθογόνοι μικροοργανισμοί Κίνδυνος μόλυνσης ανοιχτών συστημάτων καλλιέργειας μικροφυκών μπορεί να επέλθει από άλλους μικροοργανισμούς όπως είναι τα βακτήρια, οι μύκητες, τα πρωτόζωα και άλλα είδη μικροφυκών. Oι μικροοργανισμοί αυτοί αποσταθεροποιούν και διαταράσσουν την ανάπτυξη και την καλλιέργεια των μικροφυκών (Markou and Georgakakis, 2011) Ανταγωνιστικότητα H παραγωγή βιομάζας επηρεάζεται σημαντικά και από τη μόλυνση της καλλιέργειας, όχι μόνο από παθογόνους μικροοργανισμούς αλλά και από διάφορα άλλα είδη μικροφυκών. Σε αυτή την περίπτωση τα είδη μικροφυκών που αναπτύσσονται ανταγωνίζονται για τα θρεπτικά. Η ανταγωνιστικότητα αυτή μπορεί να εξαλειφθεί ή να μειωθεί με την επιλογή στελεχών που αναπτύσσονται σε ακραίες συνθήκες περιβάλλοντος. Μια τέτοια περίπτωση είναι η Spirulina, η οποία είναι πολύ ανταγωνιστική σε συνθήκες περιβάλλοντος με υψηλό ph και σχετικά υψηλών συγκεντρώσεων αμμωνίας. Μια άλλη λύση για την αποφυγή τέτοιων καταστάσεων ανταγωνιστικότητας είναι να πραγματοποιηθούν οι καλλιέργειες κάτω από τις ιδανικές συνθήκες για τα επιλεγμένα είδη όπως είναι η περίπτωση των ειδών που δεσμεύουν αέριο άζωτο και καλλιεργούνται σε θρεπτικό μέσο απουσίας αζώτου. (Markou and Georgakakis, 2011). 13

23 2.2.3 Συστήματα καλλιέργειας Τα συστήματα καλλιέργειας που υπάρχουν για τις καλλιέργειες μικροφυκών διαχωρίζονται σε ανοιχτά και κλειστά Ανοιχτά συστήματα (Open Ponds) Τα ανοιχτά συστήματα (ανοιχτές λίμνες open ponds) αποτελούν τα παλαιότερα και απλούστερα συστήματα για μαζική καλλιέργεια μικροφυκών. Τα συστήματα αυτά αποτελούνται από μια ή περισσότερες αβαθείς λίμνες, με βάθος που δεν ξεπερνά τα 30 cm. Οι λίμνες αυτές μπορεί να είναι και στεγασμένες σε θερμοκήπια. Στα ανοιχτά συστήματα οι συνθήκες ανάπτυξης των φυκών ταυτίζονται με τις φυσικές συνθήκες στις οποίες αυτά αναπτύσσονται (Wiley et al., 2011). Το σχήμα των ανοιχτών συστημάτων μπορεί να είναι κυκλικό, λιμνοθάλασσας ή τεχνητών καναλιών και το υλικό κατασκευής που χρησιμοποιείται είναι οπλισμένο σκυρόδεμα (Zhiyou and Johnson, 2009; Ryan, 2009). Ορισμένα από τα μειονεκτήματα των ανοιχτών συστημάτων είναι τα εξής: 1) Επειδή είναι ανοικτά στον αέρα, συχνά υπάρχει απώλεια νερού λόγω εξάτμισης και η παραγωγή βιομάζας είναι περιορισμένη. 2) Η παραγωγή βιομάζας επηρεάζεται σημαντικά και από τη μόλυνση της καλλιέργειας και από διάφορα άλλα είδη μικροφυκών, καθώς και από άλλους παθογόνους μικροοργανισμούς. 3) Η δυσκολία που υπάρχει στο να διατηρηθούν οι ιδανικές συνθήκες καλλιέργειας καθώς και η δυσκολία ανάκτησης της βιομάζας που αυξάνει σημαντικά το κόστος (Zhiyou and Johnson, 2009; Ryan, 2009). Όμως, το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας των ανοιχτών συστημάτων είναι χαμηλότερο συγκριτικά με αυτό των κλειστών συστημάτων Κλειστά συστήματα (Φωτοβιοαντιδραστήρες - PBR) Τα κλειστά συστήματα έχουν σχεδιαστεί για να ξεπερνούν τα προβλήματα μόλυνσης και εξάτμισης που εμφανίζονται στα ανοιχτά συστήματα. Κατασκευάζονται από διάφανα υλικά έτσι ώστε να διεισδύουν οι ακτίνες του ήλιου στο εσωτερικό τους. Οι 14

24 δεξαμενές όπου αναπτύσσεται η καλλιέργεια παρουσιάζουν έναν υψηλό λόγο επιφάνειας προς όγκο (Chisti, 2007). Το πλέον χρησιμοποιούμενο μοντέλο αντιδραστήρα αυτής της κατηγορίας είναι σωληνοειδούς μορφής, με τους διάφανους σωλήνες να βρίσκονται ευθυγραμμισμένοι με τις ακτίνες του ήλιου. Το υγρό κινείται στους σωλήνες μέσω αντλίας. Μέρος των μικροφυκών συλλέγεται αφού περάσει από τους ηλιακούς σωλήνες συλλογής, κάνοντας με αυτόν τον τρόπο δυνατή τη συνεχή καλλιέργεια των μικροφυκών. Σε κάποιες περιπτώσεις μπορεί να απαιτηθεί τεχνητός φωτισμός ο οποίος επιβαρύνει το τελικό κόστος καλλιέργειας. Επίσης, χρησιμοποιείται αντλία για την επικράτηση τυρβώδους ροής στον αντιδραστήρα, η οποία εμποδίζει την επικάθιση της βιομάζας των φυκών (Zhiyou and Johnson, 2009). Η διεργασία της φωτοσύνθεσης παράγει οξυγόνο, το οποίο δεν αποτελεί πρόβλημα στα ανοικτά συστήματα, διότι επιστρέφει στην ατμόσφαιρα αντίθετα από ότι στα κλειστά συστήματα, στα οποία τα επίπεδα οξυγόνου όταν αυξάνοντα σημαντικά μπορεί να αναστέλουν τη δράση των μικροφυκών και να τα δηλητηριάσουν. Για αυτόν τον λόγο, τα μικροφύκη πρέπει να επιστρέφουν σε μία ζώνη απαερίωσης (degassing), όπου φυσαλίδες αέρα διαπερνούν το υγρό μίγμα ώστε να απομακρυνθεί το οξυγόνο από το σύστημα. (Zhiyou and Johnson, 2009). Στους φωτοβιοαντιδραστήρες πρέπει να ρυθμίζεται η θερμοκρασία για να αναπτυχθεί η καλλιέργεια αλλά και η παραγωγικότητα κατά τη διάρκεια της ημέρας (Chisti, 2007). Στόχος της κατασκευής και της τοποθέτησης ενός φωτοβιοαντιδραστήρα δεν είναι η επίτευξη της μέγιστης δυνατής παραγωγικότητας κατ όγκο, αλλά η αποδοτική χρήση της ενέργειας του φωτός και η μείωση της διάρκειας του σκοτεινού σταδίου, ώστε η συνολική παραγωγικότητα να βρίσκεται σε υψηλά επίπεδα (Slegers et al., 2011). Οι φωτοβιοαντιδραστήρες παρουσιάζουν ορισμένα μειονεκτήματα σε σύγκριση με τα ανοικτά συστήματα. Πρώτον, καθίσταται δύσκολη τη μεταφορά των αντιδραστήρων αυτών σε μεγάλη κλίμακα (scale up). Επίσης, ο περιορισμός του φωτισμού δεν είναι δυνατό να αντιμετωπιστεί τελείως, επειδή το ποσοστό διείσδυσης του φωτός είναι αντιστρόφως ανάλογο της συγκέντρωσης των κυττάρων. Επιπρόσθετα, η επικάθιση των κυττάρων στα τοιχώματα των σωλήνων του αντιδραστήρα μπορεί να περιορίσει ακόμη περισσότερο τη διείσδυση του φωτός. Μολονότι, στα κλειστά συστήματα η συγκέντρωση της βιομάζας βρίσκεται αυξημένη σε σύγκριση με τα ανοικτά, η ανάπτυξη 15

25 των μικροφυκών δεν είναι η βέλτιστη λόγω συχνών μεταβολών της θερμοκρασίας και της έντασης του φωτός. Τέλος, το κόστος τους είναι τουλάχιστον 10 φορές υψηλότερο από το κόστος των ανοικτών συστημάτων (Zhiyou and Johnson, 2009). Παρά όλα αυτά, τα πλεονεκτήματα των βιοαντιδραστήρων είναι πολύ σημαντικά. Το κυριότερο πλεονέκτημα είναι η αποφυγή μόλυνσης της καλλιέργειας και εξάτμισης του νερού, τα οποία αποτελούν προβλήματα των ανοικτών συστημάτων. Επιπρόσθετα, η παραγωγή στα κλειστά συστήματα είναι κατά μέσο όρο 13 φορές μεγαλύτερη αυτής των ανοικτών. Επίσης, η συλλογή των μικροφυκών είναι πιο εύκολη και χαμηλότερου κόστους σε σχέση με τα ανοικτά συστήματα, λόγω της μεγάλης αραίωσης που υπάρχει στα τελευταία. Η συγκέντρωση των μικροφυκών στα κλειστά συστήματα είναι κατά προσέγγιση 30 φορές μεγαλύτερη αυτής των ανοικτών (Zhiyou and Johnson, 2009). 2.3 ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΥΛΛΟΓΗΣ ΜΙΚΡΟΦΥΚΩΝ Η μέθοδος συλλογής των μικροφυκών από την καλλιέργεια έχει σημαντική επιρροή τόσο στο τελικό κόστος που εκτιμάται ότι αντιστοιχεί στο 20 εως 30% του συνολικού κόστους παραγωγής, όσο και στην συνολική παραγωγικότητα της μονάδας. Υπάρχει πληθώρα διαθέσιμων επιλογών συλλογής και συμπύκνωσης μιας καλλιέργειας. Οι κυριότερες μέθοδοι αποτελούνται από τη φυγοκέντριση, την κροκίδωση, τη διήθηση, την επίπλευση, ειδικότερα την επίπλευση με διαλυμένο αέρα (Dissolved Air Flotation - DAF), την καθίζηση και την ηλεκτροφόρηση. Από τις τεχνικές αυτές, η φυγοκέντριση και η κροκίδωση προτιμούνται για τη συλλογή των μικροφυκών σε βιομηχανική κλίμακα, ενώ εναλλακτικές τεχνικές αποτελούν η επίπλευση με διαλυμένο αέρα (DAF) και η διήθηση (Chen et al., 2011). Τέλος, εργαστηριακές έρευνες υποδεικνύουν ορισμένους νέους τρόπους συλλογής, όπως την αυτοκροκίδωση κατά την οποία εμφανίζεται το φαινόμενο της κροκίδωσης μικροφυκών με άλλου είδους μικροφύκη, τη συλλογή των μικροφυκών με προσθήκη μαγνητικών νανοσωματιδίων στην καλλιέργεια, τη χρήση υπερήχων και τη γενετική τροποποίηση των μικροφυκών (Amaro et al., 2011), με σκοπό αυτά να αποκτήσουν μαγνητικές ιδιότητες και να απομακρυνθούν από το διάλυμα λόγω έλξης από εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (Chen et al., 2011). 16

26 2.3.1 Kαθίζηση Η καθίζηση αποτελεί μία συνήθη μέθοδο κατά την οποία εφαρμόζεται ο διαχωρισμός των μικροφυκών από το υγρό μέσο και η μετέπειτα συλλογή τους. Η πυκνότητα και η διάμετρος των κυττάρων των μικροφυκών καθώς και η επαγόμενη ταχύτητα καθίζησης επηρεάζουν την καθίζηση των αιωρούμενων στερεών στο μίγμα. Η αποτελεσματικότητα της μεθόδου απομάκρυνσης στερεών με τη βοήθεια της βαρύτητας εξαρτάται σημαντικά από την πυκνότητα των σωματιδίων των μικροφυκών. Η μέθοδος αυτή δεν είναι αποτελεσματική για σωματίδια χαμηλής πυκνότητας, τα οποία δεν καθιζάνουν εύκολα στο σύνολο τους. Η καθίζηση αποτελεί μία από τις πιο αργές μεθόδους συλλογής ( cm/h) (Chen et al., 2011). Στα πλεονεκτήματα της μεθόδου περιλαμβάνονται το χαμηλό κόστος, η απουσία εξωτερικής μόλυνσης, όπως στην περίπτωση χρήσης χημικών κροκιδωτικών και η δυνατότητα ανακύκλωσης νερού πλούσιου σε θρεπτικά συστατικά (Christenson and Sims, 2011) Διήθηση Κατά τη διήθηση διαχωρίζονται τα σωματίδια μέσω φίλτρου συγκεκριμένου ανοίγματος πόρων, και η διαδικασία αυτή διεξάγεται υπό πίεση ή υπό κενό. Τα σωματίδια μικρότερης διαμέτρου από το άνοιγμα πόρων του φίλτρου, διαπερνούν, ενώ τα υπόλοιπα συγκρατούνται από το φίλτρο (Brennan et al., 2010) Φυγοκέντρηση Η φυγοκέντρηση ενός δείγματος γίνεται συνήθως στα 1000 rpm για 20 min. και μπορεί να γίνει είτε σε όλο το δείγμα εφόσον υπάρχει δυνατότητα χωρητικότητας στη φυγόκεντρο, είτε διαδοχικά με φυγοκέντρηση των επιμέρους ποσοτήτων. Η μέθοδος της φυγοκέντρησης είναι η γρηγορότερη μέθοδος συμπύκνωσης, που όμως μπορεί να καταστρέψει τους ευαίσθητους οργανισμούς (Chen et al., 2011) Κροκίδωση Κροκίδωση είναι η διεργασία κατά την οποία επιτυγχάνεται η αποσταθεροποίηση των μικροφυκών η οποία έχει σκοπό να εξουδετερώσει ή τουλάχιστον να μειώσει το 17

27 δυναμικό Ζήτα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την συνένωση των μικροφυκών σε μικρά συσσωματώματα, με προσθήκη κροκιδωτικού, συνήθως αλάτων τρισθενούς αργιλίου ή τρισθενούς σιδήρου. Tα τελευταία χρόνια εκτός από τα παραπάνω άλατα, χρησιμοποιούνται και διάφορα πολυμερή ώστε να επιτυγχάνεται αποτελεσματικότερη αφαίρεση κολλοειδούς υλικού. Με ταχεία ανάμιξη επιτυγχάνεται ομοιόμορφη διασπορά του κροκιδωτικού, η αποσταθεροποίηση των μικροφυκών, το πλησίασμα μεταξύ των κυττάρων του μικροφύκους και η δημιουργία μικρών συσσωματωμάτων, τα οποία δεν έχουν τέτοιο μέγεθος ώστε να μπορούν να αφαιρεθούν με καθίζηση, και για αυτό υποβάλλονται σε μια διεργασία αργής ανάδευσης ώστε να έρχονται σε επαφή μεταξύ τους και να κολλάνε το ένα πάνω στο άλλο. H βραδεία ανάδευση χρειάζεται ώστε να μην διασπούνται τα συσσωματώματα και αντιθέτως να δημιουργούνται θρόμβοι. Eπίσης, για να επιτευχθεί αποτελεσματική κροκίδωση θα πρέπει να γίνει κατάλληλη επιλογή του είδους και των δόσεων των κροκιδωτικών καθώς και κατάλληλος σχεδιασμός των δεξαμενών κροκίδωσης (υδραυλικός χρόνος παραμονής, γεωμετρία, τρόπος και ισχύς ανάδευσης), και αυτό κατορθώνεται με πειραματικές μελέτες εργαστηριακής κλίμακας (Chen et al., 2011) Μαγνητικά υλικά Μια πρωτοπόρα τεχνική συλλογής των μικροφυκών αποτελεί ο διαχωρισμός των στερεών από το υγρό με μαγνητικά υλικά. Παρόλο που η συγκεκριμένη μέθοδος βρίσκεται ακόμη σε επίπεδο εργαστηριακών ερευνών, μπορεί να αποτελέσει μία πρωτοποριακή τεχνική συλλογής των μικροφυκών με χαμηλό κόστος συλλογής, εξοικονόμηση ενέργειας και απλή λειτουργία (Xu et al., 2011). Η μέθοδος αυτή εξαλείφει τους παράγοντες οι οποίοι επιβαρύνουν τις υπόλοιπες τεχνικές όπως για παράδειγμα το κόστος της συλλογής των μικροφυκών και τη μόλυνση αυτών (Prochazkova et al., 2013), καθώς επίσης έχει τη δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης του θρεπτικού μέσου της καλλιέργειας, που με αυτό τον τρόπο συμβάλλει στη μείωση των απαιτήσεων της εγκατάστασης σε θρεπτικά συστατικά (Xu et al., 2011). Κατά την τεχνική αυτή τα μικροφύκη διαχωρίζονται από το υγρό με τη χρήση μαγνητικών μικροσωματιδίων τα οποία έλκονται από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, 18

28 δηλαδή παρατηρείται προσρόφηση των μικροφυκών στο μαγνητικό υλικό. Κατά την προσρόφηση παρατηρείται η συσσώρευση του φύκους σε μια διεπιφάνεια. Οι διάφοροι τύποι προσρόφησης κατατάσσονται σε τρεις κατηγορίες: φυσική προσρόφηση, χημική προσρόφηση και εναλλαγή ιόντων. Η φυσική προσρόφηση οφείλεται στην επίδραση αδύνατων ελκτικών δυνάμεων van der Waals (Gerba, 1984). Η χημική προσρόφηση οφείλεται σε αρκετά ισχυρές ελκτικές δυνάμεις, οι οποίες οδηγούν στο σχηματισμό χημικών ενώσεων, συνήθως δεν είναι ανατρέψιμη παρά μόνο όταν αυξηθεί η θερμοκρασία της επιφάνειας του προσροφητή. Η εναλλαγή ιόντων είναι ένας μηχανισμός προσρόφησης όπου ένα ιόν εναλλάσσεται με ένα ή περισσότερα ιόντα από την επιφάνεια του προσροφητή με ίδιο συνολικό ηλεκτρικό φορτίο ή σθένος. Η εναλλαγή ιόντων βασίζεται σε ελκτικές ηλεκτροστατικές δυνάμεις που προκύπτουν λόγω του αντίθετου ηλεκτρικού (Χρυσικόπουλος, 2009). 2.4 ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ Τα βιοκαύσιμα είναι καύσιμα τα οποία παράγονται από ανανεώσιμες ύλες του εμβιόκοσμου και χρησιμοποιούνται πρωτογενώς ή κατόπιν επεξεργασίας. Επίσης είναι καθαρά, μη τοξικά, βιοαποικοδομήσιμα, που έχουν αμελητέες εκπομπές μονοξειδίου του άνθρακα, οξειδίων του θείου και μικροσωματιδίων και τέλος δεν συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, μια και το CO2 που απελευθερώνεται κατά την καύση δεσμεύεται από το φυτό (Demirbas, 2007). Τα βιοκαύσιμα διακρίνονται σε βιοκαύσιμα πρώτης, δεύτερης, τρίτης και τέταρτης γενιάς (Ahmad et al., 2011). Στα βιοκαύσιμα της πρώτης γενιάς ανήκουν τα καύσιμα που παράγονται από διαθέσιμες πρώτες ύλες (σάκχαρα, άμυλο, φυτικά και ζωικά έλαια). Το μειονέκτημα των βιοκαυσίμων πρώτης γενιάς είναι ότι οι πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή, χρησιμοποιούνται και στη διατροφική αλυσίδα των ανθρώπων και ζώων [παραγωγή βιοαιθανόλης (σακχαροκάλαμο), βιοντίζελ (ελαιούχοι σπόροι)] και έτσι υπάρχει αρνητική επίδραση στη διαθεσιμότητα των τροφών. Επίσης, κατά την παραγωγή των βιοκαυσίμων παράγονται παραπροϊόντα. Τα βιοκαύσιμα αυτής της γενιάς παράγονται με μετεστεροποίηση (χημική μετατροπή των ελαίων σε λιπαρό εστέρα, βιοντίζελ) (Ahmad et al., 2011). 19

29 Στα βιοκαύσιμα δεύτερης γενιάς χρησιμοποιούνται πρώτες ύλες που δεν χρησιμοποιούνται για τροφές όπως, φυτά (γλυκό σόργο, αγριαγκινάρα), γεωργικά παραπροϊόντα (άχυρα, φύλλα και κελύφη καρπών), βιομηχανικά παραπροϊόντα (πριονίδι, όξινα έλαια, λιπαρά οξέα). Τα μειονεκτήματα αυτής της γενιάς είναι η διαθεσιμότητα των πρώτων υλών και των απαιτούμενων εκτάσεων. Μερικά από τα βιοκαύσιμα που ανήκουν σε αυτή την κατηγορία είναι το βιοντίζελ, το συνθετικό ντίζελ, το πράσινο ντίζελ, η βιοαιθανόλη, η βιομεθανόλη και η συνθετική κηροζίνη. Τα συνθετικά βιοκαύσιμα αυτής της γενιάς παράγονται με θερμοχημικές και καταλυτικές διεργασίες όπως η πυρόλυση και η εξαέρωση (Ahmad et al., 2011). Τα βιοκαύσιμα τρίτης γενιάς έχουν ως στόχο την αύξηση απόδοσης παραγωγής των πρώτων υλών. Η χρησιμοποιούμενη πρώτη ύλη είναι τα μικροφύκη. Υπολογίζεται ότι τα μικροφύκη μπορούν να αποδώσουν περίπου 30 φορές περισσότερη ενέργεια ανά μονάδα καλλιεργούμενης έκτασης. Επίσης τα μικροφύκη χρησιμοποιούν το διοξείδιο του άνθρακα ως θρεπτική ύλη. Μερικά από τα βιοκαύσιμα που ανήκουν σε αυτή τη γενιά είναι το βιοντίζελ, το συνθετικό ή πράσινο ντίζελ, η βιοαιθανόλη κ.α. (Ahmad et al., 2011) Σε ερευνητικό επίπεδο βρίσκονται τα βιοκαύσιμα τέταρτης γενιάς που έχουν στόχο την ανάπτυξη βιομάζας αποδίδοντας λιγότερο άνθρακα (μέσω CO2) κατά την καύση τους (αρνητικό ισοζύγιο άνθρακα) σε σχέση με εκείνο που δεσμεύεται κατά την ανάπτυξή τους. Κάποια από τα βιοκαύσιμα αυτής της γενιάς είναι το βιουδρογόνο, το βιομεθάνιο, τα συνθετικά βιοκαύσιμα κ.α. (Τουλούμης Α., 2010) Μερικά από τα πλεονεκτήματα της χρήσης των μικροφυκών για την παραγωγή βιοκαυσίμων είναι τα παρακάτω: Η δυνατότητα ανάπτυξής τους σε υγρό μέσο, γλυκού ή αλμυρού (θαλασσινού) νερού ή και ακόμα στην απορροή ενός βιολογικού καθαρισμού. Η ευκολία χειρισμού, χωρίς την ανάγκη συνεχούς παρακολούθησης. Ο αυξημένος ρυθμός αναπαραγωγής (περίπου 1-3 διπλασιασμοί ανά ημέρα). Η αυξημένη παραγωγή βιομάζας σε σύγκριση με τους υπόλοιπους φυτικούς οργανισμούς. 20

30 Δεν δημιουργούνται παραπροϊόντα κατά την ανάπτυξη τους τα οποία πρέπει να απομακρυνθούν για την περαιτέρω επεξεργασία των μικροφυκών, όπως μίσχοι και φλοιοί. Η δυνατότητα χρήσης αζώτου και φωσφόρου από υγρά απόβλητα, διαφόρων ειδών, όπως αστικά, αγροτικά, κτηνοτροφικά και βιομηχανικά. Η αυξημένη μετατροπή φωτονίων από την ηλιακή ακτινοβολία (περίπου 3.8% αντί 0.5% των φυτικών οργανισμών στη Γη) (Gouveia, 2011). Υψηλή χωρητικότητα για δέσμευση CO2. Χρήση και μη καλλιεργήσιμων εκτάσεων. Η παραγωγή γίνεται όλη τη διάρκεια του έτους. Τα μικροφύκη δεν ρυπαίνουν, μια και μπορούν να καλλιεργηθούν χωρίς λιπάσματα ή φυτοφάρμακα. Ελαχιστοποίηση των εκπομπών οξειδίων του αζώτου (NOx), κατά τη χρήση μικροφυκών για την παραγωγή βιοντίζελ. Παραγωγή παραπροϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας (πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες, βαφές, βιοπολυμερή, ζωοτροφές, λιπάσματα κ.α.). (Gouveia, 2011) 21