Fotobioreaktor pro řasy – udržitelná technologie pro polární oblasti

Mikrořasy jsou často označovány jako biopalivo třetí generace. Vysoké náklady spojené s její produkcí a stále ještě nízká cena fosilních paliv však zamezuje širšímu uplatnění ve formě paliv. V dnešní době je však pozornost směřována na mikrořasové produkty  s vyšší přidanou hodnotou.

Vysoký obsah bílkovin a zajímavý lipidový profil mikrořas přispívají k vysokým nutričním hodnotám, které zvyšují potenciál jejich využití v potravinářském průmyslu. Přítomnost bioaktivních látek, například karotenoidů, fykobilin, polysacharidů, vitaminů a sterolů, má příznivý vliv na imunitní reakce, zlepšuje plodnost a kontrolu hmotnosti. Cenné látky obsažené v buňkách mikrořas jsou také využívány v kosmetických či farmaceutických přípravcích. Na principu procesu fotosyntézy potřebují mikrořasy k svému růstu světelné záření, oxid uhličitý a živiny. Kultivační systémy pro produkci mikrořasové biomasy, odborně nazývané fotobioreaktory, proto nacházejí uplatnění také v konceptech udržitelných technologií zpracovávající odpadní vody nebo při dekarbonizaci odpadních spalin.

Tzv. biorafinérie jsou schopny využívat na principu cirkulárního hospodářství látek obsažených v odpadních vodách či plynech a ve fotobioreaktorech je tak přetvářet v produkty s vyšší přidanou hodnotou. Zatímco vysoko-objemová produkce mikrořasové biomasy a uplatnění produktů z mikrořas již dosáhly komerčního uplatnění v Asii či Severní Americe, omezená evropská produkce nedokáže plně pokrýt vlastní poptávku po mikrořasových produktech. Limitovaná produkce je ovlivněna zejména nepříznivými klimatickými podmínkami, které zamezují rozšíření produkce ve státech severní nebo východní Evropy. Provoz kultivačních systémů je tak často omezen pouze na krátké letní období, kdy jsou teploty a intenzity slunečního záření vhodné pro efektivní produkci mikrořasové biomasy.

Na modelových fotobioreaktorech instalovaných v laboratořích Ústavu procesní a zpracovatelské techniky Fakulty strojní ČVUT v Praze se zkoumá vliv přenosových jevů na růst mikrořasové biomasy. Zajištění efektivního přenosu hmoty a vhodné hydrodynamické podmínky jsou velice důležité pro dosažení správného růstu mikrořas v průmyslovém měřítku. Na modelovém trubkovém a deskovém fotobioreaktoru je možné zkoumat vliv proměnných konstrukčních a provozních podmínek na růst biomasy. Získané poznatky jsou klíčové pro návrh metodologie zvětšování měřítka a přiblížení se komerčnímu uplatnění také v oblastech s nepříznivými klimatickými podmínkami pro růst mikrořas.

Vedle konstrukčních a provozních parametrů je důležité brát v úvahu také biologické požadavky kultivovaného druhu mikrořas. Vědecký tým prof. Josefa Elstera, CSc., z Centra polární ekologie Jihočeské univerzity a Centra pro algologii Botanického ústavu AV ČR se zaměřuje na růst polárních mikrořas, které byly izolovány v arktických oblastech, konkrétně na souostroví Svalbard (Špicberky). Polární mikrořasy jsou schopny růst při nízkých teplotách blížících se bodu mrazu. Vedle nízké teploty mohou polární mikrořasy k svému růstu využívat také nízké intenzity dopadajícího slunečního záření. Z prvotních studií vyplývá, že jsou polární mikrořasy schopny se adaptovat klimatickým podmínkám východní či severní Evropy. Možnost kultivace v zimních měsících a celková stabilizace produkce mikrořasové biomasy v průběhu roku by mohla výrazně napomoct rozšíření mikrořasového trhu v těchto oblastech, konkrétně také v České republice. Kmeny polárních mikrořas jsou schopny dosahovat vysokých produkcí cenných bioaktivních látek srovnatelných s konvenčními druhy mikrořas. Klíčovou roli by polární mikrořasy a s tím spojené kultivační technologie mohly hrát také při probíhající urbanizaci Arktidy. Rozvoj průmyslu ve vyšších zeměpisných šířkách s sebou nese také požadavky na vývoj udržitelných technologií pro produkci potravin, které nenaruší stávající biodiverzitu. S rostoucí spotřebou, která je s urbanizací úzce spojená, však lze předpokládat, že bude docházet k nárůstu produkce odpadních látek, pro které by šetrné zpracování ve fotobioreaktorech mohlo být vysoce přínosné.

Pro účely testování růstu polárních mikrořas bylo potřeba navrhnout unikátní fotobioreaktor, který by umožňoval dosáhnout požadovaných provozních parametrů v extrémních podmínkách zimních měsíců v České republice a letních měsíců v arktických oblastech. Konstrukce navrženého zařízení, které vznikalo ve spolupráci Ústavu procesní a zpracovatelské techniky Fakulty strojní ČVUT, Centra polární ekologie Jihočeské univerzity a Centra pro algologii Botanického ústavu AV ČR, se skládá z otočné deskové komory a přídavných měřících aparátů.

„Unikátní otočná konstrukce umožňuje natáčení deskové komory fotobioreaktoru podle aktuální polohy slunce. Dopadající sluneční záření je tak v průběhu dne efektivně využívané, což má za následek výrazné navýšení celkové výtěžnosti mikrořasové biomasy“, uvádí prof. Ing. Tomáš Jirout, Ph.D., vedoucí Ústavu procesní a zpracovatelské techniky FS. „Při návrhu otočné konstrukce bylo nutné brát zejména ohled na extrémní podmínky okolního prostředí, ve kterém byl fotobioreaktor instalován. Testování probíhalo v zimních měsících v České republice, konkrétně v prostorách Botanického ústavu AV ČR v Třeboni. Následně byl fotobioreaktor přesunut na Českou arktickou výzkumnou stanici, která se nachází na Špicberkách, v nejseverněji položeném městě na světě Longyearbyenu.“, dodává prof. Jirout.

Otočný fotobioreaktor prošel pilotním testem, při kterém byly vyzkoušeny různé provozní podmínky kultivace mikrořas. „Dle prvotních výsledků měření dosáhlo navržené zařízení v rámci výzkumných aktivit programu využití CO₂ k produkci cenných chemických látek, tzv. Bio-CCS technologie, velice dobrých výsledků a konstrukce odolala extrémním vnějším podmínkám. S blížícím se koncem polárního dne bylo nutné vyhodnotit také technický stav technologie po proběhlém pilotním testu a zajistit konzervaci zařízení na další měřící kampaň. S ohledem na úspěšnost provozu fotobioreaktoru je plánováno rozšíření ochrany koncepce zařízení z užitného vzoru na národní, respektive mezinárodní patent. Dále je také plánována příprava návazných projektů zaměřených na unikátní fotobioreaktory pro kultivaci mikrořas v extrémních podmínkách Arktidy či Antarktidy,“ vysvětluje prof. Tomáš Jirout.

Slibné prvotní výsledky kultivační kampaně prokázaly vhodnost použití navrženého fotobioreaktoru. Cílem další práce by měl být návrh metodologie zvětšování měřítka, která by přiblížila tyto kultivační systémy průmyslovému uplatnění, takže by mohly pomoci i při urbanizaci polárních oblastí.

Kontakt: Ing. Mgr. Vojtěch Bělohlav, Ph.D.; Vojtech.Belohlav@fs.cvut.cz