Βιοτεχνολογική Παραγωγή Βιοκαυσίμων 3 ης Γενιάς Βιοκαύσιμα. Ευάγγελος Τόπακας

Transcript

1 Βιοτεχνολογική Παραγωγή Βιοκαυσίμων 3 ης Γενιάς Βιοκαύσιμα Ευάγγελος Τόπακας

2 Γενιές βιοκαυσίμων

3 Πρώτη ύλη: βιομάζα μικροφυκών Μικροφύκη Τα μικροφύκη είναι κυτταρικά εργοστάσια τα οποία λειτουργούν με ηλιακή ενέργεια μετατρέποντας το CO 2 σε βιοκαύσιμα, τρόφιμα και υψηλής αξίας βιοενεργά μόρια.

4 υναμικό της Βιομάζας των μικροφυκών Μικροσκοπικοί μικροοργανισμοί αιωρούμενοι σε νερό που οδηγούνται από τον ίδιο φωτοσυνθετικό μηχανισμό των ανώτερων φυτών όμως αναπτύσσονται γρηγορότερα αφού δεν απαιτούν αγγειακό σύστημα για μεταφορά θρεπτικών συστατικών -> αυξημένη φωτοσυνθετική ικανότητα πχ διπλασιάζουν τη βιομάζα σε 2-5 μέρες αντί μηνών στα φυτά Χρησιμοποιούν, όπως και τα φυτά, ατμοσφαιρικό CO 2 (global warming) Καλλιέργεια σε ακατάλληλες εκτάσεις για γεωργία μη ανταγωνιστικά με τα τρόφιμα Χρήση υφάλμυρου νερού, νερού από επεξεργασία αποβλήτων, μη πόσιμο εν απαιτούν τη χρήση ζιζανιοκτόνων, φυτοφαρμάκων κτλ εν περιέχει λιγνίνη οπότε δεν είναι αναγκαία η προκατεργασία της για την παραγωγή προϊόντων υσκολίες προκλήσεις για τον Χημικό Μηχανικό Ελλιπής γνώση της μικροβιολογίας των συστημάτων Ειδικές συνθήκες ανάπτυξης της βιομάζας προς την παραγωγή προϊόντος Προβληματική η συγκομιδή της βιομάζας (χαμηλή συγκέντρωση) Αναγκαία η πλήρης τεχνοοικονομική μελέτη για την παραγωγή του τελικού προϊόντος (πχ βιοντήζελ) Ανταγωνισμός με τα ορυκτά καύσιμα/προϊόντα

5 υναμικό της Βιομάζας των μικροφυκών

6 Παραγωγή Ενέργειας από Βιομάζα μικροφυκών Θερμοχημικές μέθοδοι -> καύση προς παραγωγή ηλεκτρισμού, μηχανικής ενέργειας και θερμότητας Βιολογικές μέθοδοι -> ζύμωση βιομάζας προς παραγωγή H 2, EtOH, βιοαερίου ή εκχύλιση ελαίου προς παραγωγή βιοντήζελ Μικροφύκη Βιοκαύσιμο Παραγωγικότητα Dunaliella sp. Αιθανόλη 11,0 mg g -1 Chlorococum sp. Αιθανόλη 3,83 g L -1 Neochlorosis oleabundans Βιοντήζελ 56,0 g g -1 Chlorococum sp. Βιοντήζελ 10,0 g L -1 Chlamydomonas reinhardtii Υδρογόνο 2,5 ml h -1 Spirulina platensis Υδρογόνο 1,8 μmol mg -1 S. platensis UTEX 1926 Μεθάνιο 0,40 m 3 kg -1 Spirulina Leb 18 Μεθάνιο 0,79 g L -1

7 Παραγωγή Ενέργειας από Βιομάζα μικροφυκών Παραγωγή Υδρογόνου (βιοφωτόλυση) - Ετήσια παγκόσμια κατανάλωση m 3 (παραγωγή NH 3 κτλ) - Καθαρό καύσιμο (εκπομπή μόνο ΝΟ χ ) - Πρώτη αναφορά παραγωγής H 2 από το γένος Anabaena Η φωτοσύνθεση μετατρέπει μόρια Η 2 Ο σε Η + και Ο 2, με τα Η + να μετατρέπονται σε αναερόβιες συνθήκες σε Η 2 από τη υδρογενάση. Το Ο 2 αποτελεί παρεμποδιστής του ενζύμου Λύση: - ιεργασία δυο σταδίων: α)αερόβια φωτοσύνθεση προς αποθηκευτικούς υδατάνθρακες και β) αναερόβια φωτοσύνθεση και μετατροπή μέρους υδατανθράκων σε Η 2. - Γενετική μηχανική του Chlamydomonas reinhardtii για την παραγωγή ανθεκτικών στο Ο 2 στελεχών

8 Παραγωγή Ενέργειας από Βιομάζα μικροφυκών Παραγωγή Αιθανόλης - Κύριος αντικαταστάτης της βενζίνης - Πολλές εφαρμογές στη βιομηχανία τροφίμων και φαρμάκων - Κλασσικό προϊόν αναερόβιας ζύμωσης C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Pi + 2NAD + 2CH 3 COCOO - + 2NADH + 2ATP + 2H 2 O+ 2H + CH 3 CΗO CH 3 CΗ 2 OH Αποκαρβοξυλάση του πυροσταφυλικού Αλκοολική δεϋδρογονάση Τα μικροφύκη αποτελούν μια πιθανή πηγή ζυμώσιμων σακχάρων εξαιτίας της μεγάλης συγκέντρωσης που εμφανίζουν κάποια είδη στη σύσταση τους πχ Chamydomonas sp., Chlorella sp., Oscillatoria sp. κ.α. Θεωρητικό μέγιστο παραγωγής αιθανόλης: από 1 kg γλυκόζης παράγεται 0,51 kg αιθανόλης και 0,49 kg CO 2

9 Παραγωγή Ενέργειας από Βιομάζα μικροφυκών Παραγωγή Βιοαερίου - Αποτελεί προϊόν ανεαρόβιας πέψης οργανικής ύλης - Αποτελείται κυρίως από CH %, CO %, ίχνη Η 2, H 2 S και CO - Ενεργειακό περιεχόμενο kj m -3 - ιεργασία 3 σταδίων: Βιομάζα Εκχύλιση λιπαρών Παραγωγή Βιοντήζελ * Υδρόλυση Παραγωγή ζυμώσιμων σακχάρων CH 4 CO 2 Ζύμωση Μετατροπή σε αλκοόλες, οξικό οξυ, πτητικά λιπαρά οξέα, αέρια Η 2 και CO 2 Μεθανογένεση Μεταβολισμός σε CH 4 και CO 2 *Αύξηση απόδοσης της παραγωγής βιοκαυσίμων αν προηγηθεί πρώτα εκχύλιση λιπαρών από τη βιομάζα των μικροφυκών

10 Παραγωγή βιολογικής «πίσσας» Προϊόν σύγχρονης έρευνας Algoroute ( Στο πλαίσιο του προγράμματος Algoroute που χρηματοδοτείται από την περιφέρεια του Λίγηρα στη Γαλλία, ερευνητές από εργαστήρια της περιοχής της Νάντης και της Ορλεάνης εφάρμοσαν μια διαδικασία υδροθερμικής υγροποίησης με υποκρίσιμο νερό για να μετατρέψουν τα κατάλοιπα των μικροφυκών σε μια μαύρη, ιξώδη, υδροφοβική ουσία η οποία μοιάζει πολύ με την άσφαλτο που παράγεται από το πετρέλαιο.

11 Παραγωγή Ενέργειας από Βιομάζα μικροφυκών Παραγωγή Βιοντήζελ - Κύριος αντικαταστάτης του πετρελαίου (ντήζελ) - Είναι ένα μη ορυκτό υγρό καύσιμο αποτελoύμενο από αλκυλεστέρες (μεθυλο ή αιθυλο) λιπαρών οξέων, οι οποίοι προέρχονται από τη μετεστεροποίηση ζωικών ή φυτικών λιπών και ελαίων. - Το βιοντήζελ μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε μόνο του είτε σε μίξη με το συμβατικό ντήζελ σε κλασικούς μη τροποποιημένους ντήζελοκινητήρες. - Το βιοντήζελ είναι βιοδιασπώμενο και μη τοξικό καύσιμο και τυπικά εκλύει στον κύκλο ζωής του περίπου 60% λιγότερο CO 2 σε σχέση με το πετροντήζελ αφού εκμεταλλεύεται το ατμοσφαιρικό CO 2, το οποίο μέσω της φωτοσύνθεσης έχει δεσμευτεί αρχικά στα φυτά από τα οποία παράγεται. - Η καύση του βιοντήζελ παράγει 67% λιγότερη αιθαλομίχλη από το συμβατικό ντήζελ, ενώ αντίθετα οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου (NOx) είναι αυξημένες κατά 10%.

12 Παρασκευή Βιοντήζελ Η μετεστεροποίηση είναι η διαδικασία ανταλλαγής ακυλομάδων μεταξύ εστέρων και οξέων (οξεόλυση), μεταξύ εστέρα και άλλου εστέρα, ή μεταξύ εστέρα και μίας αλκοόλης (αλκοόλυση) Μπορεί να χρησιμοποιηθεί: Μεθανόλη, αιθανόλη, προπανόλη, ισοπροπανόλη, βουτανόλη (καν. ή τριτ.), διακλ. αλκοόλες και οκτανόλη. Φθηνότερη και κοινά χρησιμοποιούμενη η Μεθανόλη

13 Χαρακτηριστικά του Βιοντήζελ Το βιοντήζελ είναι υγρό το οποίο ποικίλλει σε χρώματα, ανάλογα με την πρώτη ύλη που έχει χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή του (από χρυσαφί χρώμα προς σκούρο καφέ). Είναι μη αναμίξιμο στο νερό και έχει υψηλό σημείο ζέσεως και χαμηλή τάση ατμών. Τυπικά, το βιοντήζελ μεθυλεστέρων έχει σημείο ανάφλεξης περίπου στους 150 οc και πυκνότητα μικρότερη του νερού, περίπου 0,88 g/cm3.

14 Χαρακτηριστικά του Βιοντήζελ Το ιξώδες του βιοντήζελ είναι στα ίδια επίπεδα με εκείνο του πετροντήζελ, παρουσιάζοντας υψηλή λιπαντική ικανότητα με σχεδόν μηδενικό ποσό θείου (S). Στην παγκόσμια αγορά, χρησιμοποιείται ο βαθμός B για να εκφράσει την ποσότητα του καθαρού βιοντήζελ σε μίξη με το συμβατικό: το καύσιμο το οποίο περιέχει 20% βιοντήζελ συμβολίζεται Β20, ενώ το καθαρό βιοντήζελ συμβολίζεται Β100. Τα μίγματα Β20 μπορεί να χρησιμοποιηθούν ως έχουν σε συμβατικούς κινητήρες ντήζελ, ενώ τα Β100 χρησιμοποιούνται σε νέας γενιάς κινητήρες ώστε να μην υπάρξουν προβλήματα συντήρησης και απόδοσης στους αντίστοιχους συμβατικούς.

15 Περιβαλλοντικά οφέλη του Βιοντήζελ Εκπομπές CO και CO 2 λιγότερες κατά 50% και 78% συγκριτικά με το πετροντήζελ

16 Περιβαλλοντικά οφέλη του Βιοντήζελ ΥΠΕΡ Περιέχει λιγότερους αρωματικούς υδρογονάνθρακες και συγκεκριμένα 56% και 71% μικρότερη ποσότητα σε βενζοφθορανθένιο και βενζοπυρένιο, αντίστοιχα. Μηδενίζει τις εκπομπές θείου (SO 2 ), επειδή το βιοντήζελ δεν περιέχει θείο. Μειώνει κατά τουλάχιστον 65% την εκπομπή των σωματιδίων - τα μικρά μόρια των στερεών προϊόντων καύσης. Έχει μεγαλύτερο αριθμό κετανίων από το πετροντήζελ (αριθμού κετανίων μικρότερο από 40), βελτιώνοντας την απόδοση και τις εκπομπές των κινητήρων. ΚΑΤΑ Η καύση Β100 χωρίς πρόσθετα αυξάνει τις εκπομπές οξειδίων του αζώτου (ΝΟ x ) κατά 10% συγκριτικά με το συμβατικό ντήζελ -> πρόσθετα όπως το οξείδιο του δημητρίου εξαφανίζουν τις εκπομπές ΝΟ x

17 Πρώτες ύλες για την παραγωγή Φυτικά έλαια βιοντήζελ Αναγκαία χαρακτηριστικά: Εύκολη ανάπτυξη των φυτών με χαμηλό κόστος Υψηλή περιεκτικότητα σε λιπαρά Υψηλή περιεκτικότητα σε ακόρεστα λιπαρά για αποφυγή απόφραξης συστήματος μεταφοράς καυσίμου στους κινητήρες

18 Πρώτες ύλες για την παραγωγή βιοντήζελ Ελαιοκράμβη Ηλίανθος Μεγάλο κόστος από την αντίστοιχη παρασκευή καυσίμων βασισμένα στο πετρέλαιο λόγω ανταγωνισμού για την χρήση τους στη βιομηχανία τροφίμων και ελαιοχημικών. Ενδεχόμενη Λύση: Γενετική τροποποίηση διαφόρων μη αξιοποιήσιμων φυτών, τα οποία θα παράγουν μεγάλες ποσότητες ελαίων και τα οποία θα προορίζονται μόνο για την παραγωγή βιοντήζελ και όχι για τρόφιμα ή ζωικές τροφές ΑΝ ΌΜΩΣ το κόστος του πετρελαίου εξακολουθήσει να αυξάνεται, τότε το βιοντήζελ που παράγεται από έλαια που ήδη έχουν χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή τροφών ή φυτικά έλαια, θα γίνει πιο ανταγωνιστικό από πλευράς κόστους

19 Πρώτες ύλες για την παραγωγή βιοντήζελ Λίπη και έλαια απόβλητα διεργασιών παρασκευής τροφίμων Η παραγωγή του βιοντήζελ μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας ως πρώτη ύλη και απόβλητα λιπών και ελαίων, όπως πχ. χρησιμοποιημένα λάδια τηγανίσματος. Είναι φθηνά, αλλά παρουσιάζουν πολλά μειονεκτήματα, κυρίως λόγω της περιεκτικότητας σε προϊόντα υψηλού πολυμερισμού, της μεγάλης περιεκτικότητας σε ελεύθερα οξέα, της επιδεκτικότητας στην οξείδωση και του υψηλού ιξώδους (απενεργοποίηση τόσο αλκαλικών όσο και ενζυμικών καταλυτών). Για να γίνει χρήση αυτών των ελαίων για παραγωγή βιοντήζελ, είναι αναγκαία η αναβάθμιση της ποιότητας του ελαίου (προσροφητικά υλικά όπως πυριτικό μαγνήσιο)

20 υναμικότητα παραγωγής του βιοντήζελ από μικροφύκη Τυπικά, τα μικροφύκη διπλασιάζουν τη βιομάζα τους ανά 24h. Στην εκθετική φάση αύξησης, οι μικροοργανισμοί αυτοί παρουσιάζουν χρόνους διπλασιασμού που αγγίζουν τις 3,5 ώρες. Τα επίπεδα του παραγομένου ελαίου στα μικροφύκη κυμαίνεται από 20-50% ενώ σε κάποιες περιπτώσεις φτάνει το 80% του βάρους της ξηρής τους βιομάζας (Chlorella protothecoides).

21 υναμικότητα παραγωγής του βιοντήζελ από μικροφύκη Καλλιέργεια Απόδοση ελαίου (L/ha) Εδαφικές απαιτήσεις (M ha) 2 Υπάρχουσα καλ.γη (%) α Αραβόσιτος Φασόλι σόγιας Κραμβέλαιο Έλαιο Jatropha Ινδική καρύδα Φοινικέλαιο Μικροφύκη β ,1 Μικροφύκη γ ,5 2,5 α Για την κάλυψη του 50% των καυσίμων κίνησης στις Η.Π.Α. β 70% του βάρους της βιομάζας σε έλαιο γ 30% του βάρους της βιομάζας σε έλαιο

22 Συνδυασμός 3 ης γενιάς βιοκαυσίμων με άλλες ΑΠΕ

23 Μέθοδοι παραγωγής βιομάζας από μικροφύκη Η διάφορες μορφές ενέργειας που παράγονται από τα μικροφύκη είναι ουδέτερες άνθρακα, κατά συνέπεια δεν θα οδηγήσουν στην καθαρή μείωση του CO 2

24 Υψηλής προστιθέμενης αξίας προϊόντα

25 Υψηλής προστιθέμενης αξίας προϊόντα

26 Μέθοδοι παραγωγής βιομάζας Νερό (θαλασσινό) από μικροφύκη Ανόργανα άλατα [βασικών στοιχείων που περιέχουν άζωτο (Ν), φώσφορο (Ρ), σίδηρο (Fe) και σε κάποιες περιπτώσεις πυρίτιο (Si)] Φως για τη φωτοσυνθετική ανάπτυξη (διάχυτο ηλιακό) CO 2 (προσθήκη σακχάρων αυξάνει την παραγωγικότητα σε έλαιο) ΣΥΝΘΗΚΕΣ Η θερμοκρασία πρέπει να διατηρείται σε ένα εύρος 20 με 30 o C. Το CO 2 πρέπει να παρέχεται συνεχώς κατά τη διάρκεια της ημέρας (Για την παραγωγή 100 τόνων βιομάζας μικροφυκών δεσμεύονται περίπου 183 τόνοι CO 2 - ~50% της κυτ. βιομάζας είναι άνθρακας). Ιδανική η χρησιμοποίηση μέρους του CO 2 που παράγεται από σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Επιμήκεις λεκάνες Μέθοδοι Φωτοβιοαντιδραστήρες

27 Επιμήκεις λεκάνες Αποτελούνται από ένα κλειστό κανάλι ανακύκλωσης, το οποίο τυπικά έχει βάθος 0,3 μέτρα. Τα κανάλια των λεκανών είναι κατασκευασμένα από τσιμέντο και ενδέχεται να είναι επικαλυμμένα με λευκό πλαστικό, ενώ η μίξη και η κυκλοφορία πραγματοποιείται από έναν τροχό με πτερύγια. Κατά τη διάρκεια της ημέρας, η καλλιέργεια τροφοδοτείται συνεχώς με θρεπτικό μέσο μπροστά από το σημείο που βρίσκεται ο τροχός με τα πτερύγια. Η λήψη αιωρήματος γίνεται ταυτόχρονα ακριβώς πίσω από τον τροχό ανάδευσης, έτσι ώστε να έχει πραγματοποιηθεί πλήρως ένας κύκλος ανάπτυξης μέσα στα κανάλια.

28 Επιμήκεις λεκάνες Προβλήματα ιεργασίας Η ψύξη πραγματοποιείται μόνο μέσω της εξάτμισης και έτσι η απώλεια νερού μπορεί να είναι σημαντική. Χρησιμοποιούν το CO 2 λιγότερο αποδοτικά από τα κλειστά συστήματα των φωτοβιοαντιδραστήρων. ιάφορες μικροβιακές επιμολύνσεις μπορεί να επηρεάσουν την παραγωγικότητα. Μεγάλο μειονέκτημα του τρόπου αυτού παραγωγής μικροφυκών είναι η χαμηλή συγκέντρωση της παραγόμενης βιομάζας λόγω του χαμηλού ρυθμού ανάδευσης.

29 Επιμήκεις λεκάνες

30 Αυλωτοί Φωτοβιοαντιδραστήρες Ζώνη απαέρωσης Αποτελούνται από μία συστοιχία ευθύγραμμων διαπερατών σωλήνων, οι οποίοι είναι κατασκευασμένοι συνήθως από γυαλί ή πλαστικό (ηλιακός συλλέκτης). Οι σωλήνες έχουν συνήθως διάμετρο 0,1m ή και λιγότερο. Η διάμετρος αυτή είναι περιορισμένη, διότι το φως δεν διαπερνά σε μεγάλο βάθος μια υψηλής πυκνότητας καλλιέργεια μικροφυκών, που είναι και το ζητούμενο για έναν φωτοβιοαντιδραστήρα υψηλής παραγωγικότητας. Οι ηλιακοί συλλέκτες είναι προσανατολισμένοι κατάλληλα για τη δέσμευση όσο το δυνατόν μεγαλύτερης ποσότητας ηλιακού φωτός

31 Αυλωτοί Φωτοβιοαντιδραστήρες Ηλιακός συλλέκτης τύπου «φράκτη» Ελικοειδής αυλωτός φωτοβιοαντιδραστήρας 1000 λίτρων

32 Πράσινη δόμηση... και τέχνη...

33 Αυλωτοί Φωτοβιοαντιδραστήρες Μεγάλη παραγωγικότητα Χαμηλή πιθανότητα μόλυνσης Αποδοτική λήψη CO 2 Συνεχής λειτουργία Ελεγχόμενες συνθήκες καλλιέργειας Πλεονεκτήματα διεργασίας Μειονεκτήματα διεργασίας και αντιμετώπιση Προβληματικός καθαρισμός εσωτερικών και εξωτερικών τοιχωμάτων εξαιτίας ακαθαρσιών στην εξωτερική επιφάνεια ή κυτταρικών αποθέσεων εσωτερικά Σχεδιασμός επίπεδου τύπου φωτοβιοαντιδραστήρων: Παρεμπόδιση καθίζησης κυττάρων με χρήση τυρβώδους ροής μέσω αντλιών αερομεταφοράς (εμφύσησης αέρα -airlift) και όχι μηχανικών αντλιών για την προστασία των κυττάρων. Επιπλέον οι airlift μπορούν να χρησιμοποιούν καθαρό CO 2 για ανάδευση (φυσαλίδες) μεγιστοποιώντας τη δέσμευση άνθρακα

34 Επίπεδοι airlift Φωτοβιοαντιδραστήρες Πλεονεκτήματα - Βέλτιστη κατανομή φωτός - Ολοκληρωμένη ανάμειξη για την αποφυγή οξειδωτικού στρες ειδικά κάτω από συνθήκες έντονου φωτισμού - Ελάχιστη διατμητική τάση στα κύτταρα των μικροφυκών. - Αποδοτική μεταφορά αερίου - Εύκολη κλιμάκωση μεγέθους

35 Αυλωτοί Φωτοβιοαντιδραστήρες Μειονεκτήματα διεργασίας και αντιμετώπιση Παρεμπόδιση φωτοσύνθεσης από το προϊόν της (Ο 2 ) Υπό βέλτιστες συνθήκες η περιεκτικότητα σε Ο 2 μπορεί να φτάσει τα 10 g m -3 min -1 προκαλώντας παρεμπόδιση της φωτοσύνθεσης αλλά και φωτοξειδωτικές βλάβες στα κύτταρα. Περιορισμός μήκους σωλήνα ώστε το υγρό καλλιέργειας να επιστρέφει σε ζώνη απαέρωσης. Τυπικά δε πρέπει ένας σωλήνας να ξεπερνά τα 80 m συνεχόμενα. Το μήκος του σωλήνα εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως α) συγκέντρωση βιομάζας β) ένταση φωτός γ) ταχύτητα ροής δ) συγκέντρωση Ο 2 στην είσοδο του σωλήνα Επίσης πρέπει να απομακρυνθούν οι φυσαλίδες αέρα οι οποίες παρεμποδίζουν την απορρόφηση του φωτός, μειώνοντας τη ροή του υγρού καλλιέργειας Σχεδιασμός διαχωριστήρων αερίου-υγρού στις ζώνες απαέρωσης

36 Αυλωτοί Φωτοβιοαντιδραστήρες Μειονεκτήματα διεργασίας και αντιμετώπιση Έλεγχος ph: αύξηση κατά μήκος του σωλήνα εξαιτίας της απορρόφησης CO 2 Αυτόματος έλεγχος ph και προσθήκη CO 2 με επιπλέον σημεία εισαγωγής που τοποθετούνται κατά μήκος των σωλήνων. Έλεγχος θερμοκρασίας ιδιαίτερα τις ώρες με δυνατή ηλιοφάνεια. Τα περισσότερα είδη μικροφυκών αναπτύσσονται σε ένα εύρος ο C. Ακραίες τιμές υψηλότερα ή χαμηλότερα μπορεί να επιφέρουν βλάβες ή κυτταρικό θάνατο. Εγκατάσταση εναλλάκτη θερμότητας στη ζώνη απαέρωσης (σερπαντίνα) ή ψεκασμός νερού στις εξωτερικές σωληνώσεις (ηλιακός συλλέκτης)

37 Αυλωτοί Φωτοβιοαντιδραστήρες Der Biologe Jan Bogner kontrolliert das Wachstumsstadium von Kugelalgen (Chlorella vulgaris) in einem patentierten Röhrensystem der «Bioprodukte Prof. Steinberg Produktions- und Vertriebs GmbH & Co KG» in Klötze. (FOTO: DPA)

38 Αυλωτοί Φωτοβιοαντιδραστήρες Der Biologe Jan Bogner kontrolliert das Wachstumsstadium von Kugelalgen (Chlorella vulgaris) in einem patentierten Röhrensystem der «Bioprodukte Prof. Steinberg Produktions- und Vertriebs GmbH & Co KG» in Klötze. (FOTO: DPA)

39 Σύγκριση μεταξύ επιμήκων λεκανών και φωτοβιοαντιδραστήρων Παράμετρος Φωτοβιοαντιδραστήρας Επιμήκης λεκάνη Ετήσια παραγωγή βιομάζας (kg) Ογκομετρική παραγωγικότητα (kg m -3 d -1 ) 1,535 0,117 Επιφανειακή παραγωγικότητα (kg m -2 d -1 ) 0,048 α 0,072 γ 0,035 β Συγκέντρωση βιομάζας (kg m -3 ) 4,00 0,14 Ρυθμός αραίωσης (d -1 ) 0,384 0,250 Αναγκαία έκταση (m -2 ) Απόδοση ελαίου (m -3 ha -1 ) δ 99.4 δ 58.7 ε 42.6 ε Ετήσια κατανάλωση CO 2 (kg) Γεωμετρία συστήματος 132 παράλληλοι σωλ. 80m μήκους 0,06m διάμετρος σωλ. 978m -2 /λεκάνη 12m πλάτος 82m μήκος 0,3m βάθος Αριθμός μονάδων 6 8 α Βάση της περιοχής εγκατάστασης β Βάση της πραγματικής επιφάνειας της λεκάνης γ Βάση της προβαλλόμενης επιφάνειας των σωλήνων του φωτοβιοαντιδραστήρα δ Βάση του 70% επί του ξηρού βάρους της βιομάζας σε έλαιο ε Βάση του 30% επί του ξηρού βάρους της βιομάζας σε έλαιο

40 Σύγκριση μεταξύ επιμήκων λεκανών και φωτοβιοαντιδραστήρων Μεγαλύτερη ογκομετρική παραγωγικότητα της βιομάζας κατά την ανάπτυξη σε φωτοβιοαντιδραστήρες, η οποία υπερβαίνει κατά 13 φορές εκείνης που προκύπτει κατά την διάρκεια της ανάπτυξης σε επιμήκεις λεκάνες. Η ανάκτηση της βιομάζας των μικροφυκών (φιλτράρισμα ή φυγοκέντρηση ) από το μέσο ανάπτυξης είναι απαραίτητη για την εκχύλιση του παραγόμενου ελαίου Το κόστος της ανάκτησης σε φωτοβιοαντιδραστήρες είναι σαφώς μικρότερο από το αντίστοιχο κόστος από επιμήκεις, λεκάνες αφού η πρώτη μέθοδος έχει σαν αποτέλεσμα την παραγωγή συγκέντρωσης βιομάζας έως και 30 φορές περισσότερη από τη δεύτερη.

41 Σύγκριση μεταξύ επιμήκων λεκανών και φωτοβιοαντιδραστήρων Σύστημα παραγωγής Πλεονεκτήματα Περιορισμοί Επιμήκεις Λεκάνες - Χαμηλό κόστος - Εύκολος καθαρισμός - Χρήση μη καλλιεργούμενης γης - Μικρές απαιτήσεις σε ενέργεια - Εύκολη συντήρηση - Μαζική παραγωγή Αυλωτοί φωτοβιοαντιδραστήρες - Μεγάλη επιφάνεια φωτισμού - Κατάλληλοι για εξωτερικές καλλιέργειες - Σχετικά χαμηλού κόστους - Καλή παραγωγικότητα βιομάζας - Χαμηλή παραγωγικότητα βιομάζας - Ανάγκη μεγάλης έκτασης - Για περιορισμένα είδη μικροφυκών - Φτωχή ανάδευση, χρήση φωτός και CO 2 - Μεγάλη πιθανότητα μόλυνσης - υσκολία για μεγάλης διαρκείας καλλιέργειες - Ανάπτυξη σε τοιχώματα - ημιουργία ακαθαρσιών - Ανάγκη μεγάλης έκτασης - ιαβάθμιση ph, διαλυμένου Ο 2 και CO 2 κατά μήκος των σωλήνων

42 Επίπεδου τύπου φωτοβιοαντιδραστήρας Φωτοβιοαντιδραστήρας στήλης - Υψηλή παραγωγικότητα σε βιομάζα - υσκολία στον έλεγχο της - Εύκολη αποστείρωση θερμοκρασίας - Μικρή αύξηση στο Ο 2 - Μικρό ποσοστό υδροδυναμικής - Καλά φωτιζόμενος τάσης - Σχετικά χαμηλού κόστους - Μερικό ποσοστό ανάπτυξης σε - Εύκολος καθαρισμός τοιχώματα - Κατάλληλος για ακινητοποίηση μικροφυκών - Μεγάλη επιφάνεια φωτισμού *δεν περιλαμβάνουν ζώνες απαέρωσης* - Κατάλληλος για εξωτερικές καλλιέργειες - Συμπαγής - Μικρή επιφάνεια φωτισμού - Υψηλή μεταφορά μάζας - απανηρή σε σχέση με τις ανοικτές - Χαμηλή κατανάλωση ενέργειας δεξαμενές - Καλή ανάδευση και χαμηλές διατμητικές - ιατμητικές τάσεις τάσεις - Εκλεπτυσμένη κατασκευή - Εύκολη αποστείρωση - Μείωση της επιφάνειας φωτισμού - Κατάλληλος για ακινητοποίηση κατά την κλιμάκωση μεγέθους μικροφυκών - Μειωμένη φωτοπαρεμπόδιση και φωτοξείδωση

43 Συνθήκες καλλιέργειας μικροφυκών για παραγωγή λιπαρών Καθοριστικός ο ρόλος των συνθηκών καλλιέργειας των μικροφυκών στην παραγωγικότητα βιομάζας και λιπαρών Φωτοτροφική καλλιέργεια Χρήση ανόργανου άνθρακα (CO 2 ) για πηγή άνθρακα και ηλιακού φωτός για ενέργεια Πλεονέκτημα: Ελάχιστο κόστος και μικρή πιθανότητα μόλυνσης Τεχνολογία παραγωγής βιομάζας Υπαίθρια συστήματα ανάπτυξης όπως οι επιμήκεις λεκάνες Μειονέκτημα: Αργή παραγωγή βιομάζας, μειωμένη παραγωγικότητα λιπαρών Stress Περιορισμός αζώτου ή κάποιου θρεπτικού συστατικού Μέγιστη παραγωγή λιπαρών βιβλιογραφικά από το γένος Chlorella 179 mg/l/day

44 Συνθήκες καλλιέργειας μικροφυκών για παραγωγή λιπαρών Ετερότροφη καλλιέργεια Χρήση οργανικού άνθρακα τόσο ως πηγή άνθρακα όσο και για ενέργεια (απουσία ηλιακού φωτός) Πλεονέκτημα: - Υψηλή συγκέντρωση κυττάρων (δεν υπάρχει εξάρτηση στην παροχή φωτός) -> υψηλή παραγωγικότητα βιομάζας (20 φορές > φωτοτροφική) - Αύξηση περιεχομένου σε λιπαρά κατά 40% αλλάζοντας από φωτοτροφική σε ετερότροφη. Μέγιστη παραγωγικότητα βιβλιογραφικά 3700 mg/l/day - Αφομοίωση ποικιλίας οργανικών πηγών C όπως γλυκόζη, οξικά, γλυκερόλη, φρουκτόζη, σουκρόζη, λακτόζη, γαλακτόζη, μαννόζη Μειονέκτημα: - Πιθανότητα μόλυνσης από βακτήρια - Κόστος οργανικού άνθρακα (γλυκόζη, γλυκερόλη, λακτόζη κτλ) Συνδυασμός με διεργασίες προκατεργασίας και σακχαροποίησης 2 ης γενιάς βιοκαυσίμων

45 Ετερότροφη ανάπτυξη μικροφυκών με λιγνινοκυτταρινούχο βιομάζα Ενζυμική υδρόλυση της λιγνοκυτταρινούχου βιομάζας προς την παραγωγή σακχάρων τα οποία με τη σειρά τους χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη μικροφυκών ετερότροφα -> Αποδοτικότερη παραγωγή ελάίου -> Βιοντήζελ!

46 Solazyme Biodiesel

47 Ενοποιημένη ιεργασία παραγωγής Βιοντήζελ

48 Συνθήκες καλλιέργειας μικροφυκών Μιξότροφη καλλιέργεια Φωτοσύνθεση με παράλληλη χρήση ανόργανου (CO 2 ) ή/και οργανικού άνθρακα για την παραγωγή ενέργειας (φωτοτροφικές ή ετεροτροφικές συνθήκες ή και τα δυο). Μπορεί να χρησιμοποιήσουν το CO 2 που παράγουν ετεροτροφικά. Φωτοετερότροφη καλλιέργεια Απαίτηση φωτός για το μεταβολισμό των οργανικών ουσιών ως πηγή άνθρακα, δλδ είναι αναγκαία η παροχή φωτός ως πηγή ενέργειας σε σύγκριση με τις μιξότροφες που χρησιμοποιούν οργανικό άνθρακα. Ιδανική για την παραγωγή φωτορυθμιζόμενων μεταβολιτών Εξαιτίας των δυσκολιών στην κλιμάκωση μεγέθους και των μειωμένων αποδόσεων σε βιομάζα και λιπαρά, οι συνθήκες αυτές δε χρησιμοποιούνται για παραγωγή βιοκαυσίμων

49 Σύγκριση συνθηκών καλλιέργειας Συνθήκες καλλιέργειας Πηγή ενέργειας Πηγή άνθρακα Πυκνότητα κυττάρων Κλιμάκωση μεγέθους αντιδραστήρα Κόστος Προβλήματα κλιμάκωσης μεγέθους Φωτοτροφική Φως Ανόργανη Χαμηλή Ανοικτή δεξαμενή Χαμηλό - Χαμηλή πυκνότητα κυττάρων - Υψηλό κόστος συμπύκνωσης Ετερότροφη Οργανική Οργανική Υψηλή Συμβατικός επωαστήρας Μέτριο - Μόλυνση - Υψηλό κόστος υποστρώματος Μιξότροφη Φως και οργανική Ανόργανη και οργανική Μέτρια Κλειστός φωτοβιοαντιδραστήρας Υψηλό - Μόλυνση - Υψηλό κόστος εξοπλισμού - Υψηλό κόστος υποστρώματος Φωτοετερότροφη Φως Οργανική Μέτρια Κλειστός φωτοβιοαντιδραστήρας Υψηλό - Μόλυνση - Υψηλό κόστος εξοπλισμού - Υψηλό κόστος υποστρώματος

50 Επίδραση της πηγής φωτός Συστήματα καλλιέργειας μικροφυκών Ανοικτά συστήματα Κλειστά συστήματα ΠΗΓΗ ΦΩΤΟΣ Καινοτόμες πηγές φωτός (οπτικές ίνες)

51 Επίδραση της πηγής φωτός Χρήση τεχνητής πηγής φωτός σε φωτοβιοαντιδραστήρες I L /I o = exp(-γl) I L = ένταση φωτός σε βάθος L I o = ένταση προσπίπτουσας ακτινοβολίας γ= θολερότητα L= βάθος ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - Γρήγορη μείωση φωτεινότητας εξαιτίας σκίασης, σκέδασης, αποθέσεων στους σωλήνες - Εκπομπή θερμότητας από τους λαμπτήρες - Κατανάλωση ενέργειας - Υψηλό λειτουργικό κόστος εμπορικής εφαρμογής ΛΥΣΗ: Light Emitting Diode -> LED

52 LEDs Επίδραση της πηγής φωτός Καινοτόμες τεχνητές πηγές φωτός Μικρή κατανάλωση ενέργειας Μικρή εκπομπή θερμότητας Μεγάλη διάρκεια ζωής Στενή φασματική εκπομπή φωτός (20-30 nm) υνατότητα κατασκευών φωτισμού χαμηλού βάρους OFs (optical fibers) Μηχανική τροποποίηση επιφάνειας για παραγωγή πλευρικού φωτισμού οπτικών ινών Πλεονεκτήματα των LEDs Βύθιση των ινών απευθείας στο σύστημα καλλιέργειας μικροφυκών Χρήση διαφόρων πηγών φωτός (laser, LEDs) αλλά και ηλιακού φωτός

53 Επίδραση της πηγής φωτός Καινοτόμες τεχνητές πηγές φωτός Συνδυασμός οπτικών ινών με ηλιακό φως (OF Solar) Ηλιακή ακτινοβολία Ελεύθερη ενέργεια 1100 W/m 2 μέγιστη ένταση τις μεσημεριανές ώρες Πλήρες φάσμα φωτεινής ενέργειας (χρήση φίλτρου UV)

54 Επίδραση της πηγής φωτός Καινοτόμες τεχνητές πηγές φωτός Συνδυασμός οπτικών ινών με ηλιακό φως (OF Solar) Αντιμετώπιση διακυμάνσεων φωτεινότητας εξαιτίας ημερήσιου κύκλου ημέρας/νύχτας, καιρικών συνθηκών κτλ με χρήση LEDs

55 Τεχνολογίες συγκομιδής μικροφυκών ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Χαμηλή συγκέντρωση βιομάζας Τα κύτταρα φέρουν αρνητικό φορτίο στην επιφάνεια τους (algogenic organic material, AOM) Η επιλογή της τεχνολογίας εξαρτάται από τις ιδιότητες των μικροφυκών όπως είναι η πυκνότητα και το μέγεθος τους αλλά και από την τιμή των παραγόμενων προϊόντων ΤΕΧΝΙΚΕΣ Φυγοκέντρηση Κροκίδωση Καθίζηση ιήθηση και κοσκίνισμα Επίπλευση

56 Τεχνολογίες συγκομιδής μικροφυκών Φυγοκέντρηση Πλεονεκτήματα: Ταχύτητα: x g για 2-5 λεπτά ανακτά το 80-90% της βιομάζας Μειονεκτήματα: Καταστροφή κυττάρων σε ισχυρές βαρυτικές ή διατμητικές δυνάμεις Μεγάλο λειτουργικό κόστος

57 Τεχνολογίες συγκομιδής μικροφυκών Κρωκίδωση ιεργασία συγκέντρωσης διάσπαρτων σωματιδίων σε μεγαλύτερα τα οποία καθιζάνουν. Αυτοκροκίδωση: Συσσωμάτωση κυττάρων σε υψηλό ph που προκαλείται από εκτεταμένη κατανάλωση CO 2 Χημική κροκίδωση: Ανόργανα κροκιδωτικά: (FeCl 3, Al 2 (SO 4 ) 3 κτλ) εξουδετερώνουν τα αρνητικά επιφανειακά φορτία των μικροφυκών. Μειονέκτηματα όπως η ευαισθησία στο ph, το κόστος, η μόλυνση του τελ. προϊόντος Οργανικά κροκιδωτικά: πολυμερή μεγάλου ΜΒ αυξάνει το μέγεθος των συσσωματωμάτων για την καθίζηση τους. Βιοδιασπώμενα όπως η χιτοζάνη δεν επιμολύνουν το τελικό προϊόν.

58 Τεχνολογίες συγκομιδής μικροφυκών Επίπλευση ιεργασία βαρυτικού διαχωρισμού κατά την οποία φυσαλίδες αερίου συνδέονται στα στερεά σωματίδια μεταφέροντας τα στην επιφάνεια. Επίπλευση διαλυμένου αέρα και διασποράς αέρα Στοιχεία για τη τεχνική ή οικονομική βιωσιμότητα της μεθόδου είναι αρκετά περιορισμένα ως πιθανή μέθοδος συγκομιδής μικροφυκών Hanotu, J., Bandulasena, H.C. H. and Zimmerman, W. B. (2012), Microflotation performance for algal separation. Biotechnol. Bioeng., 109: doi: /bit.24449

59 Τεχνολογίες συγκομιδής μικροφυκών

60 Βιοτεχνολογική Παρασκευή Βιοντήζελ Η μετεστεροποίηση είναι η διαδικασία ανταλλαγής ακυλομάδων μεταξύ εστέρων και οξέων (οξεόλυση), μεταξύ εστέρα και άλλου εστέρα, ή μεταξύ εστέρα και μίας αλκοόλης (αλκοόλυση) Μπορεί να χρησιμοποιηθεί: Μεθανόλη, αιθανόλη, προπανόλη, ισοπροπανόλη, βουτανόλη (καν. ή τριτ.), διακλ. αλκοόλες και οκτανόλη. Φθηνότερη και κοινά χρησιμοποιούμενη η Μεθανόλη Αλλά όμως η αιθανόλη είναι ανανεώσιμη αλκοόλη!!

61 Σύνθεση βιοντήζελ Χημική Αλκοόλυση (Αλκαλικοί-όξινοι καταλύτες) Οι αλκαλικοί καταλύτες που συνήθως χρησιμοποιούνται είναι το NaOH ή KOH, κυρίως λόγω του χαμηλού τους κόστους. Επίσης χρησιμοποιούνται τα ανθρακικά και αλκοξείδια του νατρίου ή καλίου. Το μεθοξείδιο του νατρίου π.χ. είναι ένας πολύ δραστικός καταλύτης που εύκολα δίνει άλκυλ-εστέρες (>98%) σε περίπου 30 min (ξηρές συνθήκες). Οι όξινοι καταλύτες χρησιμοποιούνται σπανιότερα διότι δρουν διαβρωτικά (αναγκαίες οι υψηλότερες θερμοκρασίες και οι μοριακές αναλογίες των αντιδρώντων) -> Κατάλληλοι για λιπαρά προερχόμενα από μικροφύκη. Ενζυμική Αλκοόλυση (Λιπάσες) Περισσότερο αποτελεσματική, με μεγαλύτερο βαθμό εξειδίκευσης, απαιτεί λιγότερη κατανάλωση ενέργειας λόγω ήπιων συνθηκών αντίδρασης και παράγει λιγότερα παραπροϊόντα, καθιστώντας τη περιβαλλοντικά φιλική

62 Ένζυμα ως βιοκαταλύτες σύνθεσης βιοντήζελ 2. ευτεροταγής δομή 1. Πρωτοταγής δομή α-έλικες β-πτυχωτά φύλλα 3. Τριτοταγής δομή 4. Τεταρτοταγής δομή

63 Λιπάσες ως καταλύτες για την παραγωγή βιοντήζελ Όλες οι ενζυμικές αντιδράσεις είναι αμφίδρομες Παρουσία H 2 O Απουσία H 2 O

64 Λιπάσες ως καταλύτες για την παραγωγή βιοντήζελ Εμπορικά διαθέσιμα ένζυμα με μικρό κόστος (Candida antarctica) Πολύπλοκη δράση: Υδρόφιλες πρωτεΐνες που καταλύουν υδρόφοβα μόρια -> Ετερογενής αντίδραση-> Αντίδραση πάνω στη διεπιφάνεια! Προσέγγιση διεπιφάνειας -> άνοιγμα «καπακιού» -> κατάλυση Μείωση της ποσότητας νερού στρέφει την αντίδραση από την υδρόλυση -> σύνθεση υνατότητα ακινητοποίησης -> επαναχρησιμοποίηση του βιοκαταλύτη (50 διαδοχικές φορές για 100 μέρες χωρίς σημαντική απώλεια ενζυμικής δραστικότητας) Χρήση οργανικών διαλυτών όπως το κ-εξάνιο

65 Λιπάσες ως καταλύτες για την παραγωγή βιοντήζελ Πλεονεκτήματα χρήσης κ-εξανίου ιαλύτης εκχύλισης λιπαρών από μικροφύκη Έλεγχος νερού στο σύστημα ιάλυση λιπαρών με υψηλό Σ.Τ. Μείωση ιξώδους λιπαρών ιατήρηση ενζύμου σε αδιάλυτη μορφή -> ευκολότερη ανάκτηση Ευκολότερη ανάκτηση βιοντήζελ Παρεμπόδιση Λιπασών Παρεμποδιστική δράση μεθανόλης (stepwise προσθήκη ή χρήση εστέρων του μεθυλο ή αιθυλο οξικού ή ανυδρίτες τους) Παρεμποδιστική η παρουσία ελεύθερων οξέων ή φωσφολιπιδίων κτλ προσμίξεων Εξειδίκευση

66 ιεργασία ενζυμικής μετατροπής βιοντήζελ γλυκερόλη βιοκαταλύτης

67 Οικονομικά στοιχεία Ανταγωνιστικότητα Βιοντήζελ από μικροφύκη: Βασική παράμετρος -> παραγωγή βιομάζας Η ποσότητα βιομάζας μικροφυκών (Μ, τόνοι) η οποία περιέχει την ίδια ποσότητα ενέργειας με ένα βαρέλι αργού πετρελαίου εκφράζεται: Ε πετρελαίου :~ 6100MJ ενέργεια βαρελιού αργού πετρελαίου q: (m 3 ton -1 ) όγκος βιοαερίου αναερόβιας πέψης εκχυλισμένης βιομάζας w: (w/w)% λιπαρών της βιομάζας μικροφυκών Ε βιοαερίου : (MJ m -3 ) ενεργειακό περιεχόμενο βιοαερίου y: απόδοση του βιοντήζελ από τα λιπαρά των μικροφυκών Ε βιοντήζελ : (MJ ton -1 ) ενεργειακό περιεχόμενο βιοντήζελ

68 Οικονομικά στοιχεία Αν υποθέσουμε ότι το κόστος μετατροπής αργού πετρελαίου σε καύσιμα κίνησης είναι ίδιο με τη μετατροπή της βιομάζας σε βιοενέργεια, τότε η μέγιστη αποδεκτή τιμή που μπορεί να καταβληθεί για τη βιομάζα θα είναι ίδια με τη τιμή ενός βαρελιού αργού πετρελαίου Επιτρεπτή τιμή βιομάζας ($/τόνος) = ~340$ ~100$ 3000$/τόνος!!!

69 Προοπτικές παραγωγής βιοντήζελ από μικροφύκη ΚΥΡΙΑ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΡΙΤΗΣ ΓΕΝΙΑΣ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΩΝ εν είναι αναγκαία η χρήση καλλιεργήσιμων εκτάσεων εν ανταγωνίζονται τη βιομηχανία τροφίμων άρα πλεονεκτούν έναντι των βιοκαυσίμων 1 ης γενιάς ΕΜΠΟ ΙΑ Οικονομικά Αντιμετώπιση Πρόοδος σε τεχνολογίες παραγωγής (φωτοβιοαντιδραστήρες) και συγκομιδής της βιομάζας Καινοτόμες τεχνολογίες εκχύλισης λιπαρών (νωπή βιομάζα) Χρήση Γενετικής και Μεταβολικής Μηχανικής για την παραγωγή νέων στελεχών α) ενίσχυση φωτοσύνθεσης, β) ταχύτητα ανάπτυξης βιομάζας, γ) αύξηση περιεχόμενου λιπαρών, δ) αύξηση θερμοσταθερότητας, ε) μείωση του φαινομένου της φωτοπαρεμπόδισης