Izolacija mikroalga i cijanobakterija iz prirodnih ...

Izolacija mikroalga i cijanobakterija iz prirodnihstaništa i njihov uzgoj za proizvodnju bioplina

Kujundžić, Ivona

Undergraduate thesis / Završni rad

2021

Degree Grantor / Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: Josip Juraj Strossmayer University of Osijek, Department of biology / Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku, Odjel za biologiju

Permanent link / Trajna poveznica: https://urn.nsk.hr/urn:nbn:hr:181:702614

Rights / Prava: In copyright

Download date / Datum preuzimanja: 2021-10-11

Repository / Repozitorij:

Repository of Department of biology, Josip Juraj Strossmayer University of Osijek

Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku

Odjel za biologiju

Preddiplomski sveučilišni studij Biologija

Ivona Kujundžić

Izolacija mikroalgi i cijanobakterija iz prirodnih staništa i

njihov uzgoj za proizvodnju bioplina

Završni rad

Osijek, 2020.

TEMELJNA DOKUMENTACIJSKA KARTICA Završni rad

Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku

Odjel za biologiju

Preddiplomski sveučilišni studij Biologija: Prirodne znanosti

Znanstveno polje: Biologija

Izolacija mikroalgi i cijanobakterija iz prirodnih staništa i njihov uzgoj za proizvodnju bioplina

Ivona Kujundžić

Rad je izrađen na: Odjel za biologiju, Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku

Mentor: Izv. prof.dr. sc. Melita Mihaljević

Kratak sažetak završnog rada:

Mikroalge i cijanobakterije su široko rasprostranjeni biljni organizmi u svim vodenim staništima, a imaju

velik potencijal da se kao biomasa koriste u proizvodnji biogoriva. Cilj ovog rada je istražiti na koji način

se mikroalge i cijanobakterije izoliraju iz prirodnih staništa te masovno uzgajaju za proizvodnju bioplina

posebno kao kosupstrati. Tradicionalne metode izolacije opisane u radu odnose se na metodu izolacije

pojedinačnih stanica, metodu kojom se alge iz prirodnih staništa nasađuju na agar, metodu razrjeđivanja te

metodu taloženja i separacije pomoću gravitacije. Izolirane kulture uzgajaju se u laboratorijskim uvjetima pri

čemu su bitni čimbenici temperatura i svjetlost. Masovni uzgoj može se odvijati u otvorenim bazenima, na

malim površinama eutrofnih voda. Biomasa cijanobakteija i mikroalga može se koristiti u postupku

kodigestije za proizvodnju bioplina. Energetski učinak kodigestije mikroalga i cijanobakterija s drugim

organskim supstratima ukazuje na velike mogućnosti u unaprjeđivanju proizvodnje bioplina.

Broj stranica: 17

Broj slika: 11

Broj tablica: 1

Broj literaturnih navoda: 18

Jezik izvornika: hrvatski

Ključne riječi:mikroalge, cijanobakterije, metode izolacije, uzgoj, proizvodnja bioplina

Rad je pohranjen: na mrežnim stranicama Odjela za biologiju te u Nacionalnom repozitoriju završnih i

diplomskih radova Nacionalne i sveučilišne knjižnice u Zagrebu

BASIC DOCUMENTATION CARD Bachelor thesis

Josip Juraj Strossmayer University of Osijek

Department ofBiology

Undergraduate university study programme in Biology

Scientific Area: Natural sciences

Scientific field: Biology

Isolation of microalgae and cyanobacteria from natural environment and cultivation for biogass

production

Ivona Kujundžić

Thesisperformed at: Department od Biology. Josip Juraj Strossmayer University of Osijek.

Supervisor: Melita Mihaljević, Assoc. Prof.

Short abstract:

Microalgae and cyanobacteria are widespread plant organisms in all aquatic habitats, and they have great

potential to be used as biomass in biofuel production. The aim of this paper is to scrutinize how microalgae

and and cyanobacteria are isolated from natural habitats and mass-produced for biogas production, especially

as cosubstrates. The traditional isolation methods described in this paper are the single cell isolation method,

the method by which algae are planted on agar, the dilution method and separation by gravity. Isolated

cultures are grown in laboratory conditions where temperature and light are important factors. Mass

cultivation can take place in outdoor pools, on small areas of eutrophic waters. Biomass of cyanobacteria and

microalgae can be use in the codigestion process for biogas production. The energy efficiency of codigestion

of microalgae and cyanobacteria with other organic substrates indicates great potential in enhancing biogas

production.

Number of pages: 17

Number of figures: 11

Number of tables: 1

Number of references: 18

Original in: Croatian

Keywords:microalgae, cyanobacteria, isolation methods, cultivation, biogas production

Thesis deposited: on the Department ofBiologywebsiteandthe Croatian Digital ThesesRepositoryoft he

National and University Libraryin Zagreb.

SADRŽAJ:

1. UVOD ...........................................................................................................................1

1.1. Bioplin – obnovljivi izvor energije ..............................................................................1

1.2. Mikroalge i cijanobakterije kao sirovina u proizvodnji bioplina ...................................4

1.3. Cilj rada ......................................................................................................................5

2. TRADICIONALNE METODE IZOLACIJE MIKROALGI I CIJANOBAKTERIJA IZ

PRIRODNIH STANIŠTA ..................................................................................................6

2.1. Izolacija pojedinačnih stanicamikropipetom ................................................................6

2.2. Izolacija nasađivanjem na agar ....................................................................................7

2.3. Metoda razrjeđivanja ...................................................................................................8

2.4. Separacija gravitacijom – centrifugiranje i taloženje ....................................................9

3. UZGOJ MIKROALGI I CIJANOBAKTERIJA..............................................................9

3.1. Uzgoj u laboratorijskim uvjetima ................................................................................9

3.2. Masovni uzgoj u otvorenim bazenima ....................................................................... 11

4. Proizvodnja bioplina u kodigestiji s mikroalgama i cijanobakterijama .......................... 14

5. ZAKLJUČAK .............................................................................................................. 15

6. LITERATURA ............................................................................................................ 16

1

1. UVOD

1.1. Bioplin – obnovljivi izvor energije

Fosilna goriva to jest ugljen, nafta i zemni plin imaju široku primjenu u industriji i

od velike su važnosti za čovječanstvo. Najvećim dijelom se koriste u proizvodnji umjetnih

gnojiva, topline, plastike te goriva za prijevozna sredstva. Radi se o neobnovljivim

izvorima energije čija je količina ograničena, a izgaranjem, fosilnih goriva u atmosferu se

otpuštaju staklenički plinovi, u najvećoj mjeri CO2, koji pridonose globalnom zatopljenju i

zakiseljavanju mora i oceana. Kako bi sačuvali naš planet, znanstvenici već desetljećima

istražuju i primjenjuju nove tehnologije te teže korištenju alternativnih i obnovljivih izvora

energije. U prvom redu to su: vjetar, geotermalna energija te Sunce, a iskorištava se

energija iz biomase.

Primjenom suvremenih tehnologija i metoda moguće je uspješno iz biomase dobiti

nekoliko različitih vrsta biogoriva koji se mogu primjenjivati umjesto fosilnih goriva, s

time da imaju manji utjecaj na zagađenje okoliša. Prema različitim izvorima(sirovinama) i

tehnološkim procesima razlikujemo nekoliko ''generacija'', točnije, kategorija biogoriva.

Biogoriva prve generacije proizvode se iz jestivih sirovina kao što su kukuruz, soja,

šećerna repa te uljana repica. U prvu generaciju spadaju biodizel, bioetanol te bioplin.

Biogoriva druge generacije proizvode se iz poljoprivrednog i šumskog otpada. Proizvodnja

goriva druge generacije manje je zahtjevna zbog korištenja manje površine uzgoja i ima

veće prinose ali postoji velik problem kod ovakve proizvodnje a to je da su

lignocelulozne(drvene) sirovine snažno otporne degradaciji što otežava preradu. U goriva

druge generacije ubrajamo celulozni etanol, biometanol, HTU-dizel

(HydroThermalUpgrading) i drvni plin. Biogoriva treće generacije proizvode se preradom

algalnih sirovina koje se sastoje od mikroalgi i cijanobakterija (Montingelli i sur. 2015).

Alge mogu proizvesti i do 30 puta više energije po hektaru zemljišta nego žitarice što

biogoriva treće generacije čine energetski najisplativijima.

Bioplin se proizvodi postupkom anaerobne digestije. To je kompleks procesa u

kojima specijalizirani mikroorganizmi razgrađuju organsku sirovinu u anaerobnim

uvjetima (Gonzalez i sur. 2018) pri čemu nastaju u najvećoj mjeri metan (CH4) i ugljikov

dioksid (CO2), a što su glavne sastojine bioplina. Bioplin pored toga sadrži i niske

koncentracije dušika, amonijaka, sumporovodika, vodika i vodene pare.

2

Proces anaerobne digestije odvija se u četiri faze: hidroliza, fermentacija ili

acidogeneza, acetogeneza i metanogeneza (Bohutsky i Bouwer 2013). Proces

transformacije biomase u bioplin odvija se u 6 osnovnih koraka koji su prikazani na Slici 1.

Ključni koraci proizvodnje bioplina su upravo 5. i 6. korak (Slika 1) jer tada nastaje

metan, oko 70% iz acetata, te 30% iz vodika i ugljikova dioksida. Najvažniji čimbenici

koji utječu na količinu i sastav plina dobivenog anaerobnom digestijom su: sastav

supstrata, udio vode, temperatura, pH te lužnatost. Sastav bioplina najviše ovisi o sastavu

supstrata o kojem ovisi razina produkcije metana i ugljikova dioksida (Gonzalez i sur.

2018).

Slika 1: Proces transformacije biomase u bioplin: 1. Koloidne čestice biopolimera hidroliziraju u

monomere; 2. Iz aminokiselina i šećera u procesu fermentacije ili acidogeneze nastaju propionat,

butirat, laktat i etanol(posrednički produkti) te acetat i vodik ; 3. Dugolančane masne kiseline

procesom betaoksidacije i alkoholne fermentacije prelaze u hlapljive masne kiseline(VFA) i vodik;

4. Anaerobna oksidacija ili acetogeneza intermedijarnih produkata kao što je VFA u acetat,

ugljikov dioksid i vodik; 5. Acetat se transformira u metan; 6. Molekularni vodik i ugljikov

dioksid se transformiraju u metan(preuzeto i prilagođeno iz Bohutsky i Bouwer, 2013).

3

Produkcija bioplina putem procesa anaerobne digestije ima značajne prednosti u

usporedbi s drugim oblicima bioenergije. Procijenjeno je da se radi o energetski

najisplativijem procesu i neopasnom za okoliš, budući da pruža velike količine bioplina

koji se može primijeniti i uz to ne zagađuje okoliš izgaranjem kao fosilna goriva

(Montigneli i sur. 2015). Osim mikroalgi i cijanobakterija, supstrati za proizvodnju

bioplina anaerobnom digestijom mogu biti i stajski otpad i jestive sirovine kao što su

kukuruz, soja, šećerna repa te uljana repica.

Slika 2: Faze anaerobne digestije s uključenim mikroorganizmima za svaki korak anaerobne

digestije(preuzeto i prilagođeno prema Cavinato i sur. 2017).

4

1.2. Mikroalge i cijanobakterije kao sirovina u proizvodnji bioplina

Mikroalge su eukariotski jednostanični i kolonijalni organizmi koji se razvijaju u

gotovo svim staništima na Zemlji gdje ima dovoljno hranjivih tvari, svjetlosti i vode.

Budući da su lako prilagodljive, nastanjuju jezera, bare, potoke, rijeke, obalne i otvorene

vode mora i oceana, a neke su se vrste prilagodile ekstremnim uvjetima kao što su

vulkanski krateri, ekstremno slana staništa i stalno zamrznuto tlo.

Cijanobakterije su prokariotski organizmi jednostavne građe. Ne posjeduju jezgru

niti stanične organele. Glavna kemijska komponenta cijanobakterija su proteini. Nemaju

čvrstu polisaharidnu staničnu stijenku te zbog toga imaju manje polisaharida u odnosu na

eukariotske mikroalge što ih čini manje zahtjevnima za preradu (Bohutskyi i Bouwer

2013).

Mikroalge i cijanobakterije se primjenjuju u različite biotehnološke svrhe. Jedan od

novijih načina iskorištavanja algalne biomase jest primjena u proizvodnji bioplina. Algalna

biomasa se raznim procesima može preraditi u biogoriva, a pokazalo se da je upravo

proces anaerobne digestije(AD) najefektivniji u proizvodnji bioplina (Montingelli i sur.

2015).

Slika 3: Shematski prikaz integriranog kruga za proizvodnju biodizela i bioplina korištenjem algalne

biomase(preuzeto i prilagođeno prema Gonzalez-Gonzalez i sur. 2018).

5

Glavna prednost kultivacije mikroalgi i cijanobakterija u svrhu njihove daljnje

upotrebe je da se lako kultiviraju i rastu brže u usporedbi s drugim organskim sirovinama

kao što su više biljke te u kratkom vremenu mogu proizvesti velike količine biomase koja

se može dalje prerađivati (Pandey 2014). Pored toga, mogu se razvijati pod različitim

okolišnim uvjetima, tj. različitim uvjetima kakvoće vode, temperature, saliniteta i svjetla.

Kada su izložene fizičkom ili kemijskom stresu, inducira se proizvodnja velikih količina

proteina, lipida, ugljikohidrata, polimera i pigmenata

Prvi korak koji vodi ka proizvodnji bioplina jest odabir mikroalgi i cijanobakterija,

ovisno o tome što od njih želimo dobiti budući da imaju širok spektar makromolekula koje

se mogu iskorištavati u biotehnologiji (Pandey 2014). Sadrže različite količine lipida,

proteina, polisaharida, pigmenata, nukleinskih kiselina, te bioaktivnih tvari od velike

važnosti za procese prerade (Gonzalez i sur. 2018). Fiziološke, biokemijske i genetske

karakteristike koje omogućuju visok prinos za proizvodnju bioplina uključuju uspostavu

optimalnih uvjeta za rast kulture algi (temperatura, količina hranjivih tvari, salinitet te pH,

karakteristike rasta (stopa rasta i konačna gustoća), te analizu akumulacije metabolita

(Hannon i sur. 2010).

1.3. Cilj rada

Cilj ovog rada jest istražiti mogućnosti izolacije i uzgoja mikroalgi i cijanobakterija

iz prirodnih staništa u svrhu njihova masovnog uzgoja i upotrebe kao kosupstrata u

proizvodnji bioplina.

6

2. TRADICIONALNE METODE IZOLACIJE MIKROALGI I

CIJANOBAKTERIJA IZ PRIRODNIH STANIŠTA

Izolacija mikroalgi i cijanobakterija nužna je za dobivanje čiste kulture algi.

Predstavlja prvi korak pri odabiru sojeva mikroalgi za dobivanje pogodne biomase za

proizvodnju bioplina (Gikonyo 2014). Prije izolacije, moramo poznavati i razumjeti u

kakvim prirodnim uvjetima mikroalga ili cijanobakterija uspješno razvijaju kako bi

odabrali povoljan medij u koji ce se stanice izolirati, Osim toga, važno je utvrditi

najpogodniju metodu s obzirom na vrstu kako bi se izbjegla oštećenja ili kontaminacija.

Danas se koriste tradicionalne i automatizirane izolacijske metode koje su nastavno

opisane prema Andersen-u (2005).

2.1. Izolacija pojedinačnih stanicamikropipetom

Najpoznatija i najčešće primijenjena tradicionalna metoda izolacije je izolacija

jedne stanice (,,single cell isolation'') iz uzorka prikupljenog sa prirodnih staništa. Ova

metoda se provodi uz pomoć mikropipete ili staklenih kapilara koje su sterilizirane. Kako

bi mogli izolirati mikroalge potrebno pripremiti mikropipetu (Slika 4) na način da se

Pauster-ova pipeta drži u jednoj ruci iznad plamenika pažljivo rotirajući dok se staklo ne

omekša. Kada se staklo omekša, drugom rukom se uz pomoć pincete izduži kraj tako da se

formira tanka cjevčica dovoljno široka za prolazak alge, ali opet dovoljno uska da

istovremeno ne može ući više stanica. Povlačenje se mora izvršiti pažljivo kako ne bi

puknula. Kada se mikropipeta ohladi pincetom se prekine na određenom mjestu bez da se

ošteti vrh. Zato je najbolje preventivno napraviti više mikropipeta te ih provjeriti

mikroskopom. Postoje dva načina provođenja izolacije stanica pomoću mikropipete. Prvi

način je pomoću gumene tj, fleksibilne cjevčice čiji se jedan kraj stavi u usta a u drugi

umetne mikropipeta. Dok je cjevčica u ustima, jezikom se prekrije kako se voda tj. medij s

algama ne bi uvukao sve dok se gledajući kroz mikroskop ne uoči tražena mikroalga ili

cijanobakterija. Kada je stanica uočena, sa cjevčice se makne jezik pa zbog kapilarnosti

voda sa stanicama ulazi u mikropipetu. Najčešće zajedno sa ciljanom stanicom uđu i druge

stanice, pa se cijeli proces izolacije ponavlja u više navrata. Nakon što je izolirana jedna

stanica, uzorak se ispušta u Petrijevu zdjelicu. Drugi način je sličan prethodnome, jedina

razlika je što se ne koristi gumena cjevčica. Mikropipeta se mora uroniti u sterilnu vodu

dok voda ne uđe u mikropipetu, a nakon toga se mikropipeta stavlja iznad ciljane stanice

7

koja će zbog kapilarnosti ući u mikropipetu i nakon toga otpustiti u Petrijevu zdjelicu.

Uspješnost izolacije se provjerava Petrijeva zdjelica putem mikroskopa te se uzorak dalje

razrjeđuje dok se ne izolira jedna stanica. Kod ove metode, u oba slučaja je spretnost od

velike važnosti. Za primjenu ove metode potrebni su vrijeme, znanje, vještina i trud

izolatora (osoba koja vrši izolaciju).

2.2. Izolacija nasađivanjem na agar

Ovisno o vrstama mikroalgi, može se primijeniti i tehnika izolacije koja uključuje

nasađivanje na agar. Agar je ekstrakt crvenih morskih algi koji se otapa u vrućoj vodi i

zatim ohlađen daje želatinoznu masu. Prednost ove metode je da se u agar mogu dodavati

određene hranjive tvari koje potiču rast ciljanih algi te se radi o metodi selektivnog rasta.

Stanice mikroalgi se na agar nanose ezom na način da se eza uroni u uzorak i pomoću nje

rade pruge i okreće agar, ali neke alge se moraju uklopiti u agar na način da se pomiješaju

sa nestvrdnutim prohlađenim agarom. Kada se razvije kolonija algi, što uglavnom zahtjeva

dosta vremena(za slatkovodne vrste nekoliko dana, a za morske nekoliko mjeseci), one se

mogu prenijeti u tekući mediji ili opet na agar. Budući da je agar izuzetno povoljan za rast

raznih bakterija i gljiva, kod ove metode vrlo je bitno izbjegnuti njihov rast korištenjem

filtera.

Slika 4: Priprema mikropipete iz Pasteur-ove pipete. (a) Pasteur-ova pipeta drži rukom i rotira

nad plamenom kako bi se staklo omekšalo. (b) Kada je staklo omekšalo, pipeta se miče sa

plamena i izdužuje u tanku cjevčicu pomoću pincete. (c) i (d) Pinceta se zatim premjesti na

prikladan dio cjevčice i pokida, formirajući mikropipetu. (e) Vrh pipete vidljiv pod mikroskopom

koji nije prikladan za korištenje. (f) Vrh pipete vidljiv pod mikroskopom koji je prikladan da

korištenje(preuzeto i prilagođeno prema Andersen 2005).

8

2.3. Metoda razrjeđivanja

Metoda razrjeđivanja se upotrebljava već dugi niz godina i to ponajviše za vrste

koje su masovno razvijene u prirodnim staništima. Cilj ove metode je deponirati samo

jednu stanicu u eksperimentalnu podlogu, te tako postići jednostanični izolat. Ako je

poznata približna koncentracija stanica, lako je izračunati potrebno razrjeđenje tako da na

temelju vjerojatnosti, mali volumen sadrži jednu stanicu, međutim u praksi neki volumen

može sadržavati više od jedne stanice, a drugi uopće ne sadržavati. Ukoliko je nepoznat

približan broj stanica u volumenu, mogu se napraviti serijska razrjeđenja od 1:10 te je

obično potrebno oko pet i šest ponavljanja.

Slika 6: Ilustracija tehnike razrjeđivanja. Jedan volumen se uzima iz staklenke za

uzorak(lijevo) i prenosi u epruvetu sa sterilnim medijem. Nakon miješanja, jedan volumen se

uzme iz epruvete u prenosi u jažice sa sterilnim medijem. Zatim se uzima jedan volumen iz

epruvete i prenosi u novu epruvetu (srednja) sa sterilnim medijem. Nakon miješanja u epruveti,

proces se nastavlja (preuzeto i prilagođeno prema Andersen 2005).

Slika 5: Agarna ploča isprugana s sitnim, zelenim, okruglim algama(preuzeto i

prilagođeno prema Andersen 2005).

9

Razrjeđenje se može obaviti s različitim medijima kao što su destilirana voda,

morska voda, filtrirana voda s mjesta uzorkovanja ili njihovom kombinacijom. Osim toga u

izolacijske epruvete se mogu dodati različiti elementi, na primjer, amonij i selen, kako bi

se izdvojile vrste kojima su ti elementi potrebni za rast. Slično tome, epruvete se mogu

izlagati različitim svjetlosnim i temperaturnim režimima. Ova metoda najčešće se koristi u

svrhe otkrivanja novih vrsta.

2.4. Separacija gravitacijom – centrifugiranje i taloženje

Separacija pomoću gravitacije je učinkovita za razdvajanje jedinki prema njihovoj

veličini tj. kada želimo odvojiti veće od manjih stanica. Razlikujemo dvije metode:

centrifugiranje i taloženje. Prilikom centrifugiranja važno je točno postaviti parametre

centrifuge: RPM (rotacijska brzina), RCF (centrifugalna sila), vrijeme trajanja i

temperaturu, kako se stanice ne bi oštetile. Kod ove metode je vrlo važno brzo izvršiti

dekantaciju budući da pokretne alge mogu migrirati između taloga i supernatanta.

Sedimentacija se primjenjuje za odvajanje težih i nepokretnih alga, a uzorak se postavlja u

vertikalnu bocu sa medijem na određeni vremenski period, tijekom kojeg se kao pijesak u

vodi, talože na dnu. Supernatant se dekantira, a talog dalje izolira. Sedimentacija i

centrifugiranje se mogu ponoviti više puta dok se ne dobije željeni uzorak tj. monokultura.

3. UZGOJ MIKROALGI I CIJANOBAKTERIJA

3.1. Uzgoj u laboratorijskim uvjetima

Za uzgoj u laboratorijskim uvjetima potreban je klimatizirani prostor sa stabilnom

temperaturom. Variranja temperature direktno utječu na brzinu metabolizma algi, stoga je

važno prilagoditi stalnu temperaturu ovisno o potrebama vrste. Tropske vrste se obično

uzgajaju na temperaturama od 20 do 25°C, a to su: Spirulina, Scenedemsus,

Ankistrodemus, Monoraphidium, Chlorella i Clamydomonas. Najčešći odabir temperature

je 23°C. Osim temperature, vrlo je važna svjetlost, tj. njezin intenzitet, trajanje i valna

duljina koja omogućava fotosintezu. Problem koji se javlja kod svjetlosti je dodatno

zagrijavanje algi pomoću žarulja pa se najčešće koriste lampe od 40 i 20W na udaljenosti

od 25-30 cm kako bi se smanjio učinak zagrijavanja. Povezano sa svjetlošću, važan je i

10

odgovarajući fotoperiod prilikom kojeg su alge dio vremena na svjetlu i dio vremena na

tami, a najčešći omjer koji se koristi u komercijalne svrhe je 18:6 (18 sati svjetla, 6 sati

tame). U laboratoriju se alge čuvaju u sterilnim staklenim spremnicima, tj. u inkubatorima

te ih je potrebno minimalno tri puta tjedno ručno promiješati. U početku se alge uzgajaju u

manjim spremnicima, npr. epruvetama, zatim se nakon nekog vremena premještaju u veće

tikvice od 250 mL, pa u veće spremnike od 1 L i konačno u spremnike od 20 L, uz dodatak

određenog volumena medija (Reyes-Cruz i sur. 2018).

.

Slika 7: Fotografije rasta kulture vrste Chlorella vulgaris praćen u periodu

od 8 dana. (Web 3)

Slika 8. Inkubator s ugrađenom lampom za uzgoj mikroalgi. (Web 4)

11

3.2. Masovni uzgoj u otvorenim bazenima

Za masovni uzgoj mikroalgi i cijanobakterija nije potrebna značajna površina, a

koriste se takozvani bioreaktori u kojima se nalaze hranjivi vodeni medij te suspendirane

mikroalge ili cijanobakterije. Kako bi se uspješno umnožavale i rasle mikroalgama i

cijanobakterijama moraju biti dostupne hranjive tvari od koji su najvažnije dušik i fosfat

(Gikonyo, 2014). Mikroalge i cijanobakterije mogu se uzgajati u slatkoj, bočatoj, morskoj

i otpadnoj vodi, ovisno o njihovim fiziološkim, biokemijskim i genetskim

karakteristikama. Prije samog uzgoja, moraju se utvrditi optimalni uvjeti za rast,

karakteristike rasta te akumulacija metabolita. Razlikujemo dva osnovna tipa bioreaktora,

otvoreni i zatvoreni. Odabir tipa i dizajna bioreaktora za uzgoj mikroalgi i cijanobakterija

ovisi o trošku ulaganja i uspostavljanju optimalnih uvjeta za rast uz koje je najveći prinos

algalne biomase. Kada se odlučuje koji je kultivacijski sistem najprihvatljiviji uzima se u

obzir nekoliko parametara: biologija mikroalge i cijanobakterije, cijena zemljišta, utroška

energije, vode te hranjivih tvari, lokalni klimatski uvjeti te finalni produkt tj. organska

sirovina (Pandey i sur. 2014).

Najčešće primjenjivani industrijski oblik kultivacije mikroalgi i cijanobakterija jest

sustav otvorenih bazena tzv. ,,open pond systems''. Otvoreni sustavi mogu biti prirodni

vodotoci, lagune ili jezera ili mogu biti umjetno iskopani prilikom čega dolaze u različitim

oblicima kao što su na primjer bazeni oblika trkališta tzv. racewayponds koji su plitki i

široki ili okruglog oblika sa središnjom okretnom miješalicom. Okrugli bazeni najstariji su

sustavi masovne kultivacije algi, a vrlo su slični izgrađenim jezercima za pročišćavanje

otpadnih voda(Slika 9).

Slika 9: Okrugli bazeni za uzgoj mikroalgi i cijanobakterija. (Web 2)

12

Spremnici oblika trkališta najrašireniji su u upotrebi, a obično su konstruirani u

ovalnom obliku kao zatvorena petlja(Slika 10). Duboki su između 0,2 i 0,5 metara i imaju

miješalice nalik na vesla kojima se omogućava homogenizacija kulture algi s ciljem

stabilizacije njihove produkcije. Na taj način se prevenira taloženje algi na dno i

omogućava dostupnost hranjivih tvari i svjetlosti za sve alge. Uglavnom su izgrađeni od

betona, a mogu biti izgrađeni od staklenih vlakana ili membrana.

Otvoreni sustavi najčešće su primjenjivani iz mnogo razloga. Zahtijevaju

minimalnu količinu energije, lako se održavaju i čiste, gradnja je jeftinija i jednostavnija,

no s druge strane, u otvorenim sustavima je teško kontrolirati kontaminaciju jer su alge u

direktnom kontaktu s atmosferom te mogu doći u kontakt s patogenima koji mogu biti

doneseni kišom ili vjetrom. Osim toga, voda iz otvorenih sustava lako isparava i cijeli

sustav je po neposrednim djelovanjem temperaturnih promjena. Nadalje, nije moguće

kontrolirati uvjeti uzgoja pa je ograničen broj vrsta za uzgoj (Pandey i sur. 2014;Bosak

2017).

Mikroalge i cijanobakterije su mikroorganizmi koji imaju vrlo visoku stopu rasta u

optimalnim uvjetima. Stoga, kako bi prinos bio veći, algama se mora osigurati prigodno

okruženje i hranjive tvari. Neki od najvažnijih parametara koju utječu na rast algi su: izvor

ugljika, izvor dušika, opskrba svjetlom, salinitet, temperatura i pH.

Slika 10: Bazen oblika trkališta za uzgoj mikroalgi i cijanobakterija. (Web 2)

13

Budući da je ograničen broj vrsta koje se mogu uzgajati u otvorenim bazenima,

najčešće se uzgajaju one vrste koje su se pokazale najotpornije. Neke od njih su mikroalge

rodova Chlorella i Dunaliella, a od cijanobakterija rod Spirulina(Pandey i sur. 2014).

Osim otvorenih sustava za uzgoj postoje i zatvoreni sustavi. Zatvoreni sustavi su za

razliku od otvorenih efikasniji u fiksaciji ugljika zbog visoke razine homogenizacije,

međutim uzgoj je generalno skuplji. Termin zatvoreni sustavi se općenito odnosi na

fotobioreaktore u kojima nema direktne izmjene plinova i zagađivača između kulture i

vanjskog okoliša. Izmjena plinova odvija se kroz sterilizirani filter. Glavne prednosti

uzgoja algi u zatvorenim sustavima su: minimalna kontaminacija, bolja kontrola pH,

temperature, svjetla itd., manji gubitak ugljikova dioksida Zbog veće čistoće zatvoreni

fotobioreaktori se koriste za proizvodnji mikroalgi i cijanobakterija sa svrhom daljnje

prerade u kozmetičke i prehrambene proizvode, dok su otvoreni sustavi namijenjeni više za

proizvodnju bioplina. Postoji nekoliko tipova zatvorenih sustava, a to su: fotobioreaktori s

vertikalnim stupcem, fotobioreaktori s ravnim pločama i horizontalni cjevasti

fotobioreaktori(Pandey i sur. 2014).

Slika 11: Zatvoreni fotobioreaktori u obliku vertikalno postavljenih cijevi. (Preuzeto iz

Bosak 2017).

14

Tablica 1: Karakteristike otvorenih i zatvorenih bazena za uzgoj mikroalgi i cijanobakterija(preuzeto i

prilagođeno prema Pandey i sur 2014).

Karakteristika Otvoreni sustavi Zatvoreni sustavi

Evaporacija(isparavanje) Velika Nema je

Gubitak CO2 Velik Nizak

Ovisnost o vremenu Velika Niska

Čišćenje Nema Potrebno

Ulaganje Nisko Visoko

4. Proizvodnja bioplina u kodigestiji s mikroalgama i cijanobakterijama

Jedan do načina kojim se može povećati prinos metana za proizvodnju bioplina jest

korištenje kosupstrata tj. kodigestija. Kodigestija je metoda obrade supstrata u kojem su

različiti kosupstrati pomiješani i obrađeni zajedno. Radi se o energetski učinkovitom

procesu koji poboljšava proces anaerobne digestije (Kwientniewska i sur 2014). Upotreba

kosupstrata obično poboljšava prinos bioplina zbog uspostave pojačavajućeg učinka u

mediju te opskrbi hranjiva koje nedostaje. Dakle početnom supstratu, dodavanjem

kosupstrata, osiguravaju se dodatne hranjive tvari. Kodigestija biomase sa niskom razinom

dušika (npr. papir, drvni otpad, čvrsti komunalni otpad) s biomasom visoke razine dušika

(mulj iz kanalizacije, stajsko gnojivo, otpad iz klaonica) može povećati prinos metana čak

od 60-100% (Bohutsky, 2011).

Mikroalgalna biomasa generalno sadrži velike količine dušika, stoga je omjer C/N

(omjer ugljik/dušik) vrlo nizak (Ugetti i sur. 2016). Dodatkom supstrata bogatih ugljikom

može se uravnotežiti količina dušika. Na primjer, dodatak 15-50% otpadnog papira u

kulturu vrsta Scenedesmus i Chlorella rezultira povećanim prinosom metana

(Bohutsky2013). Također se pokazalo da kodigestija mikroalgi i cijanobakterija s

gnojovkom, a dobar primjer je kodigestija Scenedsmus i svinjskog gnojiva dala veće

prinose metana(Ugetti i sur. 2016). Istraživanja uspješnosti kodigestije mikroalga i

cijanobakterija iz prirodnih staništa (eutrofnog jezera i akvarija) u kodigestiji sa stajskom

gnojovkom pokazala su izvrsne rezultate u proizvodnji metana (Deže i sur. 2020).

Sveukupno, u procesu kodigestije mikroalga i cijanobakterija postižu se dobri prinosi

bioplina što upućuje na daljnja istraživanja kako bi se proizvodnja bioplina u malim

15

sustavima, a što je moguće ostvariti na stočarskim farmama, sve više primjenjivala. To je

mali korak u globalnom očuvanju energije i zaštite okoliša.

5. ZAKLJUČAK

Mikroalge i cijanobakterije naseljavaju sva vodena staništa, a masovno se razvijaju

u eutrofnim vodama. Tradicionalne metode njihove izolacije iz prirodnih staništa

obuhvaćaju slijedeće laboratorijske postupke: izdvajanje jedne stanice uz pomoć

mikropipeta, izolacija na agar, razrjeđivanje i separacija gravitacijom. Izolirane kulture

uzgajaju se u laboratorijskim uvjetima pri čemu su bitni čimbenici temperatura i svjetlost.

Masovni uzgoj može se odvijati u otvorenim bazenima, na malim površinama eutrofnih

voda. Biomasa cijanobakteija i mikroalga može se koristiti u postupku kodigestije za

proizvodnju bioplina. Energetski učinak kodigestije mikroalga i cijanobakterija s drugim

organskim supstratima ukazuje na velike mogućnosti u unaprjeđivanju proizvodnje

bioplina.

16

6. LITERATURA

Al Seadi T, Rutz D, Prassl H, Köttner M, Finsterwalder T, Volk S, Janssen R (2008)

Priručnik za bioplin. Intelligent Energy for Europe, BiG>East Biogas for Eastern Europe

Andersen R. A. (2005) AlgalculturingTechniques, Phycologica lSocietyof America.

Bohutskyi, P., Bouwer, E. (2013)

BiogasProductionfromAlgaeandCyanobacteriaThroughAnaerobicDigestion: A Review,

Analysis, and Research Needs. U: Lee JW (Ur.) Advanced Biofuels and Bioproducts.

SpringerScience+Business Media, New York, USA. 873-975.

Bosak, S. (2017) Mikrorganizmi u službi čovjeka. Priroda. 31-36.

Cavinato, C., Ugurlu, A., de Godos, I., Kendir, E., Gonzalez-Fernandez, (2017)

Biogasproductionfrommicroalgae. Microalgae-BasedBiofuelsandBioproducts. 155-182.

Deže D., Mihaljević M., Kovačić, Đ., Jovičić, D., Kralik, D., (2020) Natural

CommunitiesofMicroalgaeandCyanobacteriafromEutrophicated Waters as Potential Co-

substrates for Small-scaleBiogasproduction. Applied BiochemistryandBiotechnology.

Springer.

Gikonyo, B. (2014) Advances in Biofuel Production, Algae and Aquatic Plants. Oakville

Canada. Apple Academic Press.

González-González, L.M., Correa, D., Ryan, S., Jensen. P., Pratt, S., Schenk, P. (2018)

Integrated biodiesel and biogas production from microalgae: Towards a sustainable closed

loop through nutrient recycling. Renewabl eand Sustainable Energy Reviews. Elsevier.

(1137-1148)

Hannon, M., Gimpel, J., Tran, M., Rasala, B., Mayfield, S. (2010) Biofuels from algae:

challengesandpotential. Biofuels 1: 763–784.

Kwietniewska, E., Tys, J. (2014) Processcharacteristics,

inhibitionfactorsandmethaneyieldsofanaerobicdigestionprocess, withparticularfocus on

microalgalbiomassfermentation. RenewableandSuinstainable Energy Reviews. Elsevier.

491-500.

Montingelli, M., Tedesco, S., Olabi, A., (2015) Bioga sproduction from algal biomass: A

review. Renewable and Sunstainable Energy Reviews. Elsavier. 961-972.

Pandey, A., Lee, D., Chisti Y., Soccol,C. (2014) Biofuelsfromalgae. San Diego, California.

Elsevier.

Reyes-Cruz, J. (2018) Cultivation Systems of Microalgae for the production of Biofuels.

U: Biernat, K., (ur.) Biofuels – State of Development . Intech Open. 199. -218.

17

Uggetti, E., Passos, F., Sole, M., Garfi,M., Ferrer, I. (2016) Recent achievements in the

production of biogas grom microalgae. Waste and BiomassValorization.

DOI:10.1007/s12649-016-9604-3

Web 1. Dreamstime: NonRenewable Energy Illustrations&Vectors. (26.8.2020.)

https://www.dreamstime.com/illustration/non-renewable-energy.html

Web 2. Making biodiesel books. Open ponds Biofuels: Cultivating Pond Scum For Profit.

(26.8.2020.)https://making-biodiesel-books.com/all-about-algae/open-pond-biofuels/

Web 3.Semantic Scholar. Chlorella vulgaris in Airlift photobioreactor using commercial

NPK Nutrien https://www.semanticscholar.org/paper/Chlorella-vulgaris-in-Airlift-

photobioreactor-using-Ammar/6dad4b0b4fbd6100f6f8d1b6e55c3f1a1ebda450/figure/1

(13.9.2020.)

Web 4. University of Toronto. Faculty of applied science & engineering. Bioprocess

Engineering with Environmental Applications. https://www.labs.chem-

eng.utoronto.ca/allen/about/research-equipment/ (13.9.2020.)