Téma: ENERGIE – Biomasa

Téma: ENERGIE – Biomasa

Wed Mar 01 14:26:08 CET 2017

Pro energetické účely se nemusí používat jen dřevní odpad či zbytky ze zemědělské produkce, ale budoucnost má především mikrobiální biomasa. Perspektivní je produkce energetických řas, kvasinek a plísní, které produkují lipidy nebo bioethanol. Jejím výzkumem se v rámci Strategie AV21 zabývají experti z Ústavu přístrojové techniky AV ČR.

V roce 2006 stanovila Evropská agentura pro životní prostředí tzv. evropský potenciál biomasy, který by zachovával ochranu biologické rozmanitosti a minimalizoval nepříznivé dopady. Rostlinná biomasa, již lze využít pro energetické účely a výrobu biopaliv, má vskutku výrazný potenciál. V roce 2030 by totiž mohla až 15 % poptávky pokrývat energie ze zemědělských, lesnických a odpadních produktů.



Biomasou obsahující látky vhodné pro výrobu kapalných biopaliv (lipidy, uhlovodíky aj) se zabývají rovněž experti z Centra ALGATECH Mikrobiologického ústavu AV ČR v Třeboni. Na snímku masová kultura mikrořasy Chlorella vulgaris. (Foto: Stanislava Kyselová, AV ČR)

 

Přestože největší podíl na výrobě elektrické energie z obnovitelných zdrojů mají v zemích EU vodní elektrárny (43,9 % v roce 2014), podíl biomasy a větrných či solárních zdrojů v posledních letech narůstá. Množství elektrické energie vyráběné z biomasy včetně obnovitelného odpadu vzrostlo v EU mezi lety 2004 a 2014 o 80 % a podíl biomasy na výrobě elektřiny z obnovitelných zdrojů (2014) dosáhl 18 %.

Tento trend je patrný i v České republice. Například ČEZ v roce 2016 meziročně navýšil objem elektrické energie vyrobené z biomasy v tuzemských elektrárnách o 35 %. Celkem 500 tisíc MWh by vystačilo pro pokrytí roční spotřeby 200 tisíc českých domácností.

Ačkoli je v současnosti nejvyužívanějším druhem biomasy dřevo, vědci se vydávají i cestou tzv. mikrobiální biomasy (kvasinky, bakterie a řasy). Tímto výzkumem se zabývají experti Centra ALGATECH Mikrobiologického ústavu AV ČR v Třeboni či Ústavu přístrojové techniky AV ČR v Brně. V jejich případě jde například o perspektivní produkci energetických řas, kvasinek produkujících lipidy nebo bioethanol. Jak vyzdvihuje dr. Ota Samek, experti z brněnského pracoviště AV ČR chtějí využít speciální analytické metody, které umožňují rychlou a přesnou detekci složení jednotlivých substancí, a to bezprostředně během kultivace. Právě tak lze zajistit jejich maximální produkci a výtěžnost.

Snímání otisků prstů

Vědci z Ústavu přístrojové techniky AV ČR chtějí do svých výzkumů zapojit speciální analytické metody, které umožní rychlou a přesnou detekci složení jednotlivých substancí přímo během kultivace na výrobní biotechnologické lince. Mohou tak sledovat vliv kultivace na kvalitu a zvýšení podílu energeticky bohatých olejů vhodných pro výrobu biopaliv. Monitorování zajistí jejich maximální produkci a výtěžnost.

Pro tyto účely využívají tzv. Ramanovu spektroskopickou metodu, která zjišťuje vliv kultivačních parametrů na produkt určený k biotechnologickému zpracování (viz obr. 1). Metoda přináší informace o chemických vazbách v podobě tzv. „otisku prstu“, jenž je jedinečný pro daný vzorek. Jde o nedestruktivní techniku, která se zakládá na osvětlení vzorku zářením o určité vlnové délce a detekci záření na jiných vlnových délkách, vzniklého rozptylem ve vzorku.

Obr_1
Obr. 1 – Princip Ramanovy laserové spektroskopie. Po dopadu laserového paprsku (zelená šipka) se část záření rozptýlí na stejné vlnové délce jako laser (zelené šipky). Ramanovské záření pozorujeme na jiných vlnových délkách – posuv vlnových délek je závislý na vlastnostech vzorku (červené šipky).

Velmi slabé a rozptýlené záření obsahuje údaje o vibracích atomů v chemických vazbách zastoupených ve vzorku. Spektrální analýza, jež trvá řádově desítky sekund, umožňuje chemické vazby identifikovat a odlišit vzorky s různým zastoupením – například lipidů, DNA, RNA, cukrů, pigmentů, sacharidů, amidů atd. Ozářený objem vzorku určuje prostorové rozlišení, s jakým lze tyto data získat. Pomocí silně zaostřených laserových svazků můžeme získat informace o chemických vazbách obsažených v jednotlivých buňkách. (obr. 2).


Obr. 2 – Experimentální zařízení. Vzorek umístěný na Petriho misce analyzujeme v reálném čase během kultivace. Laserový svazek fokusuje mikroskopický objektiv.

 

Aplikace Ramanovy spektroskopie

Vezměme si například palmový olej. Má vysoký bod tání a velký obsah nasycených tuků. Využívá se proto v potravinářském a kosmetickém průmyslu a významný je i pro průmysl energetický.

Experti Ústavu přístrojové techniky AV ČR sledují v reálném čase kultivaci kvasinek Metschnikowia pulcherrima (i v nesterilním prostředí) na mediích, jež obsahují odpadní materiály agro-průmyslové produkce, a na modifikovaných lignocelulozových materiálech. Tyto kvasinky produkují v případě zásadních změn v kultivaci (teplota, medium) olej, který je podobný palmovému. Smyslem je navrhnout speciální kultivační metody kvasinek (obr. 3) společně s analytickou metodou založenou na Ramanově spektroskopii, jež detekuje složení jednotlivých mastných kyselin přímo během kultivace (obr. 4).


Obr. 3 – Kultivace kvasinek při specifické teplotě 15 °C, kdy je produkce žádaného oleje maximální.


Obr. 4 – Příklad Ramanova spektra olejové kapénky, kterou vyprodukovala kvasinka. Detail zobrazuje suspenzi vzorku s olejovou kapénkou o velikosti pět µm.

 

Unikátní metoda se zakládá na přístupu tzv. kalibračního transferu, který pracoviště vyvíjí ve spolupráci s norskými partnery (Norwegian University of Life Sciences a Norwegian Institut of Food, Fishering and Aquaculture – NOFIMA) a Ústavem chemie potravin a biotechnologií Fakulty chemické VUT Brno.

Co je kalibrační transfer, vysvětluje dr. Samek: „Přesné složení mastných kyselin testovacích vzorků mikroorganismů (plísně, kvasinky a bakterie) se nejdříve určí standardní techniky plynové chromatografie (fyzikálně-chemické separační metody). Stejné vzorky se následně vyhodnotí Ramanovou spektroskopií a za použití softwaru se „převedou/transferují“ společně s výsledky plynové chromatografie do sestrojení kalibrační křivky ramanovských spekter. Pro neznámý vzorek potom stačí použít takto získanou kalibrační křivku k detailnímu a rychlému stanovení mastných kyselin ve vzorku.“

Spolupráce s norskými vědci zahrnuje i výzkum olejových kapének, které jsou produkovány plísněmi (obr. 5). Ty se kultivují na mediích s odpadními materiály (například kuřecí a jatečné tuky), jež obsahují pouze nasycené tuky. Kvasinky dokážou přeměnit obsažené nasycené mastné kyseliny na nenasycené (obsahující dvojné uhlíkové vazby C=C), které lze využít jako biopalivo nebo třeba jako krmivo pro lososy na rybích farmách. Jde o tzv. „mikrobiální továrnu“ přetvářející nasycené mastné kyseliny na nenasycené, které jsou lépe využitelné.


Obr. 5 – Lipidové kapénky zobrazené technikou fluorescenční mikroskopie (plíseň Mucor circinelloides). Lipidové kapénky lze využít k výrobě biopaliva. (Zdroj: Volha Shapaval, Norwegian University of Life Science, As, Norsko)

 

„Mezi známé nenasycené mastné kyseliny patří například omega 3, kterou továrna také umí vyrobit. Omega 3 mastné kyseliny jsou například důležité pro lidský metabolismus. Pro přesnou detekci složení mastných kyselin (především jde o poměr nasycených a nenasycených) opět využíváme během kultivace plísní Ramanovu spektroskopii. Mikrobiální továrna tak řízeně produkuje žádoucí substance,“ doplňuje Ota Samek.

Měření na biomase a případně i na jednotlivých buňkách ukazují, že lze sledovat kvalitu a obsah olejů v daných buňkách vystavených různým kultivačním podmínkám. Specifické využití mají pro firmy, které se zabývají biotechnologickými aplikacemi v oblasti bioenergetiky a biopaliv.

Chceme-li dodržet závazky ke snížení emisí skleníkových plynů přijaté na klimatických konferencích v Paříži (2015) a Maroku (2016), bude nezbytné hledání nových zdrojů, které nahradí fosilní. Právě biotechnologie patří k jednomu z nejperspektivnějších oborů, protože zaručuje správné a šetrné využití přírodních energetických zdrojů.

 

Připravili:
Ota Samek, Ústav přístrojové techniky AV ČR,
Luděk Svoboda, Odbor akademických médií SSČ AV ČR,

Foto: Archiv Ústavu přístrojové techniky AV ČR
Foto Karusel: Stanislava Kyselová, AV ČR