Projektā SMARB tiek izstrādāta inovatīva hibrīda mikroaļģu kultivēšanas sistēma #SMARB

Mikroaļģu biomasa ir daudzsološa izejviela atjaunojamās enerģijas ražošanai. Mikroaļģes biomasas iegūšanai tiek kultivētas speciāli izveidotās audzēšanas sistēmās. To augšanai nepieciešami konkrēti vides apstākļi, gaisma, ūdens, barības vielas un CO₂. Mikroaļģes galvenokārt izmanto gaismas enerģiju un CO₂, lai ražotu biomasu. Pašlaik komerciāla liela mēroga mikroaļģu biomasas kultivēšana enerģijas ieguvei nenotiek, jo nav atrisināta šādas tehnoloģijas ekonomiskā ilgtspējība. Tā nav ilgtspējīga galvenokārt augsto ražošanas izmaksu un zemās produktivitātes dēļ. Ir secināts, ka, ir jāveic ievērojami tehnoloģijas uzlabojumi, lai komerciāla mikroaļģu audzēšana bioenerģijas vajadzībām būtu ekonomiski izdevīga. Pašlaik tiek veikti plaši pētījumi un īstenoti pilota mēroga projekti tehnoloģijas pilnveidošanai.

Pēdējā laikā pētījumos galvenā uzmanība tiek pievērsta iespējamiem risinājumiem, lai samazinātu ražošanas izmaksas vienlaikus palielinot biomasas ražošanas efektivitāti. Efektīvai kultivēšanas tehnoloģijas izstrādei un optimālu augšanas apstākļu nodrošināšanai ir izšķiroša nozīme biomasas produktivitātes palielināšanā. Mikroaļģu audzēšanai tiek izmantotas dažādas kultivēšanas sistēmas. Tās izvēle ir atkarīga no kultivēšanas mērķa un mikroaļģu prasībām, tai jāspēj nodrošināt optimālus augšanas apstākļus vienlaikus nodrošinot zemas kapitālās un uzturēšanas izmaksas. Kultivēšanas sistēmas var iedalīt divās kategorijās: atvērta un slēgta tipa. Atvērta tipa kultivēšanas sistēmas parasti ir ovālas formas sekli baseini, kas visbiežāk izvietoti ārpus telpām, zem klajas debess, tādējādi mikroaļģu kultūras ir tiešā saskarē ar apkārtējo vidi. Atvērtie baseini parasti tiek izgatavoti no betona vai izvietoti padziļinājumos zemē, izklāti ar ūdeni necaurlaidīgu materiālu. Slēgta tipa sistēmās jeb fotobioreaktoros mikroaļģu biomasa ir nošķirta no apkārtējās vides. Šāda tipa bioreaktori var būt izvietoti gan iekštelpās, gan ārā. Slēgta tipa bioreaktori parasti tiek izgatavoti no stikla, organiskā stikla vai polivinilhlorīda (PVC) un ir ļoti dažāda veida un dizaina. Abu veidu tehnoloģijām ir savas priekšrocības un trūkumi. Lai gan pastāv daudz un dažādas kultivēšanas sistēmas, joprojām nepārtraukti tiek radītas jaunas kultivēšanas tehnoloģijas, kā arī tiek uzlabotas un pilnveidotas esošās sistēmas. Tas notiek tāpēc, ka neviena no esošajām sistēmām neatbilst uzstādītajām prasībām ekonomiski izdevīgai, augstas produktivitātes kultivēšanas sistēmai. Daudzos pētījumos ir secināts, ka atklātās sistēmas ir ekonomiski izdevīgākas tieši plaša mēroga komerciālai mikroaļģu biomasas iegūšanai bioenerģijas ražošanai, to zemāko izmaksu dēļ, tomēr ir nepieciešami būtiski uzlabojumi, lai sasniegtu augstāku mikroaļģu produktivitāti šajās sistēmās.

Pašreiz pielietoto atvērto sistēmu trūkums ir kultivēšanai nepieciešamā lielā zemes platība un zemā biomasas produktivitāte. Mikroaļģu kultūrai kultivēšanai baseinos ir jābūt zemā līmenī (0.2 – 0.4 m), lai nodrošinātu gaismas piekļuvi šūnām, tāpēc šādas sistēmas aizņem lielu platību. Lai saražotu pietiekami daudz biomasas, nepieciešamas lielas zemes platības baseinu izvietošanai. Projekta SMARB laikā ir izstrādāta inovatīva hibrīda kultivēšanas tehnoloģija, kas apvieno atklāto baseinu un slēgto fotobioreaktoru priekšrocības. SMARB koncepts balstās uz unikālu materiālu pielietojumu, modulāru sistēmu un mākslīgā apgaismojuma integrēšanu. Projekta realizācijas gaitā ir izstrādāts inovatīvs dizains, kas balstās uz atklāto baseinu principu, taču kā materiāls baseiniem izmantots organiskais stikls, kas palielina gaismas piekļuvi mikroaļģu kultūrām. Gaisma ir viens no būtiskākajiem priekšnosacījumiem veiksmīgai mikroaļģu kultivēšanai, jo mikroaļģes izmanto gaismas enerģiju biomasas ražošanai. Nepietiekams gaismas daudzums noved pie augšanas palēnināšanās, samazinātas biomasas ražas vai pat kultūras bojāejas. Gaismas daudzums mikroaļģu kultūrās ir tieši saistīts ar kultivēšanas sistēmas dizainu un izmantotajiem materiāliem. Turklāt kultivēšanas sistēmā baseini ir sakārtoti piramidāli viens uz otra, tādējādi samazinot kultivēšanai nepieciešamo zemes platību. Lai vēl vairāk palielinātu gaismas piekļuvi mikroaļģu šūnām un kompensētu augšējo baseinu radīto noēnojumu, sistēmā ir integrēts LED apgaismojums, kas apvienojumā ar saules gaismas izmantošanu, radīs optimālus gaismas apstākļus. Pašlaik ir pabeigta kultivēšanas sistēmas dizaina izstrāde, konstrukcijas izgatavošana un uzstādīšana. Notiek darbs pie sistēmas darbības optimizēšanas un kontroles sistēmas testēšanas.

Izstrādātā unikālā sistēma apvieno mikroaļģu biomasas iegūšanu ar biogāzes ražošanas blakusprodukta – digestāta attīrīšanu un CO₂ emisiju samazināšanu. Šādu sistēmu ir paredzēts integrēt esošās biogāzes stacijās, jo tā izmanto anaerobās pārstrādes blakusproduktus, atkritumproduktus un saražoto siltumu. Digestāts satur organiskās un neorganiskās vielas mikroaļģēm pieejamā formā, kuras tās spēj uzņemt un izmantot kā barības vielas. Šajā procesā digestāts tiek attīrīts un rezultātā, pēc biomasas ievākšanas, tiek iegūts attīrīts ūdens. Digestāta izmantošana nodrošina gan bioloģisku digestāta attīrīšanu, gan lētas barības vielas mikroaļģu kultivēšanai, tādējādi palielinot biomasas ražošanas ekonomisko izdevīgumu. Mikroaļģes spēj izmantot oglekļa dioksīdu kā papildus oglekļa avotu biomasas ražošanai. Pētījumos ir pierādīts, ka augstas produktivitātes sasniegšanai mikroaļģēm ir nepieciešama augstāka CO₂ koncentrācija nekā gaisā. Dūmgāzes, kas rodas biogāzes sadedzināšanas procesā, satur CO₂, kas parasti nonāk atmosfērā. Projekta gaitā ir izstrādāta sistēma dūmgāzu ievadīšanai mikroaļģu kultivēšanas baseinos, kā rezultātā tās nenonāk atmosfērā un tādējādi tiek samazinātas kaitīgās CO₂ emisijas gaisā, vienlaicīgi palielinot mikroaļģu produktivitāti. Turklāt kultivēšanas baseinu apsildīšanai aukstajā sezonā tiks izmantots biogāzes stacijā saražotais siltums. Iegūtā mikroaļģu biomasa tiks ievadīta atpakaļ biogāzes ražošanas sistēmā izmantojot to par izejvielu anaerobās pārstrādes procesā. Pirms tam no biomasas var tikt izdalīti augstvērtīgi savienojumi, tādi kā pigmenti, lipīdi, vitamīni, enzīmi u.c. tādējādi palielinot biomasas pievienoto vērtību.