RAPORT ŞTIINŢIFIC ŞI TEHNIC (RST) - icpe-ca.ro · 1 Program PNCDI III - Creşterea competitivităţii economiei româneşti prin cercetare, dezvoltare şi inovare Subprogramul

1

Program PNCDI III - Creşterea competitivităţii economiei româneşti prin cercetare, dezvoltare şi inovare

Subprogramul 2.1. Competitivitate prin cercetare, dezvoltare şi inovare - Proiect experimental demonstrativ

RAPORT ŞTIINŢIFIC ŞI TEHNIC (RST)

„Dezvoltarea și validarea de soluții fiabile pentru producere de biogaz din biomasă algală în Rezervația Biosferei Delta Dunării”

(acronim BIOALG)

Cod proiect: PN-III-P2-2.1-PED-2016-0068 Contract 170PED/2017

ETAPA DE EXECUŢIE NR. 1/2017

Studii de cercetare, elaborare concept model demonstrativ, prelevare și evaluare probe de biomasă, achiziție materiale și echipamente

Contractor: Institutul Național de Cercetare Dezvoltare pentru Inginerie Electrică, (INCDIE ICPE-CA) Partener P1: Institutul Național de Cercetare Dezvoltare Delta Dunării, Tulcea (INCDDD)

Termen de predare: 11.12.2017

2

OBIECTIV GENERAL:

Obiectivul general al proiectului îl reprezintă dezvoltarea unui model demonstrativ experimental de laborator de nivel TRL 3 ce va fi folosit pentru validarea de soluții fiabile si eficiente de valorificare energetică a biomasei algale prelevată din Rezervația Biosferei Delta Dunării, cu producere de biogaz și fertilizanți ecologici. Modelul demonstrativ va permite efectuarea de cercetări preliminare de laborator necesare identificării speciilor algale care pot fi utilizate pentru implementarea de tehnologii de biogaz in regiunea deltei Dunării.

OBIECTIVELE ETAPEI DE EXECUTIE:

Obiectivele specifice etapei 1/2017 sunt următoarele: Elaborarea unui studiu documentar privind valorificarea algelor pentru producerea

de biogaz, cu prezentarea unor aspecte teoretice și rezultate experimentale din literatura de specialitate;

Evaluarea metodelor de gestionare a algelor aplicate în prezent, prelevarea biomasei algale și evaluarea pe baza pigmenților algali;

Elaborare concept model demonstrativ și tehnologie de fermentare anaerobă; Achiziție de materiale și echipamente pentru prelevare alge și analize de laborator.

REZULTATELE ETAPEI: - Realizare design siglă proiect; - Creare pagina web, in variantele limba română și limba engleză

http://www.icpe-ca.ro/proiecte/proiecte-nationale/pn-2016-2020/bioalg/bioalg.htm http://www.icpe-ca.ro/eng/projects/national-projects/bioalg-en/bioalg-en.htm

- Raport de cercetare ce include investigație critică privind valorificarea algelor pentru producere de biogaz; studiu documentar si de teren privind evaluarea metodelor de gestionare alge, prelevarea biomasei algale și evaluarea pe baza pigmenților algali;

- Concept model demonstrativ experimental de laborator; - Tehnologie de fermentare anaerobă a biomasei algale; - Comunicare științifică la Conferința “Sinergii Strategice la Marea

Neagă”, Constanța, 05-07.10.2017

GRADUL DE REALIZARE A OBIECTIVELOR:

Rezultatele etapei 1/2017 prezentate mai sus sunt în deplin acord cu obiectivele generale și specifice stabilite în propunerea de proiect și confirmă realizarea cu succes a acestora.

3

Cod proiect: PN-III-P2-2.1-PED-2016-0068

Contract 170PED/2017

Etapa 1/2017 - Studii de cercetare, elaborare concept model demonstrativ, prelevare și evaluare probe de biomasă, achiziție materiale și echipamente

Activitatea 1.1 - Analiza privind valorificarea algelor pentru producerea de biogaz, elaborare concept model demonstrativ, evaluarea metodelor de gestionare alge și

prelevare probe de biomasă Activitatea 1.2 – Achiziție materiale și echipamente

COLECTIV DE ELABORARE:

Coordonator INCDIE ICPE-CA:

Dr. ing. Carmen MATEESCU – Director de proiect

Dr. chim. Marius LUNGULESCU

Drd. ing. Ana-Maria LUCHIAN

Ing. Daniel LIPCINSKI

Drd. ing. Nicolae TĂNASE

Drd. biol. Robert DUCU

Biol. Nicoleta BUTOI

Dr. ing. Ioana ION

Dr. ing. Dorian MARIN

Tehn. Adrian MILITARU

Partener P1 INCDDD:

Dr. biol. Liliana TÖRÖK – Responsabil partener P1

Dr. biol. Zsolt TÖRÖK

MSc. Raluca BOZAGIEVICI

Tehn. Vasile BĂNESCU

4

CUPRINS: Pag.

Capitol 1 Investigație critică privind valorificarea algelor pentru producerea de biogaz

1.1 Introducere 1.2 Valorificarea algelor in industria biocombustibililor 1.3 Avantajele utilizării biomasei algale în industria biogazului 1.4 Evaluarea potențialului de biogaz al macroalgelor

1.4.1 Caracteristicile și clasificarea macroalgelor marine 1.4.2 Potențialul de biometan al algelor marine 1.4.3 Evaluarea randamentelor energetice de biometan din macroalge

1.5 Evaluarea potențialului de biogaz al microalgelor 1.5.1 Caracteristicile și compoziția chimică a microalgelor 1.5.2 Potențialul de biometan al microalgelor 1.5.3 Pretratarea microalgelor pentru conversia în biogaz 1.5.4 Rezultate experimentale de laborator

3 3 4 6 9 10 13 16 17 19 20 22 23

Capitol 2 Evaluarea metodelor de gestionare a algelor aplicate în prezent, prelevarea biomasei algale și evaluarea pe baza pigmenților algali

2.1 Introducere 2.2 Metodologia de cercetare 2.3 Investigații și prelevări de material biologic 2.4 Evaluarea biomasei algale în mediile de cultură 2.5 Prezența și răspândirea algelor în Rezervația Biosferei Delta Dunării 2.6 Metode de gestionare a algelor 2.7 Selectarea zonelor cu potențial de valorificarea a algelor ca resursă naturală pentru producerea de biogaz 2.8 Evaluarea potențialului de exploatare a biomasei algale în mediile naturale investigate 2.9 Evaluarea potențialului de exploatare a biomasei algale în mediile de cultură

25 25 25 26 26 28 28

31

42

43

Capitol 3 Elaborare concept model demonstrativ si tehnologie de fermentare anaerobă

3.1 Elaborare schema concept model experimental demonstrativ 3.2 Elaborare tehnologie de fermentare anaerobă

47 47 49

Capitol 4 Concluzii și recomandări Bibliografie

54

55

5

CAPITOL 1

Investigație critică privind valorificarea algelor pentru producerea de biogaz

1.1 Introducere

Odata cu cresterea preocuparii pentru identificarea si utilizarea de noi surse de energie care sa suplineasca consumul de combustibil fosil, o atentie deosebita este acordata si producerii de biocombustibili.

Percepția asupra termenului de biocombustibil a suferit schimbări majore în ultimul deceniu. La inceputul anilor 2000, odată cu Directiva 2003/30/EC privind biocombustibilii, acestia erau considerați cei destinați preponderent domeniului transporturilor, mai exact bioetanol provenit din porumb în SUA, din trestia de zahăr în Brazilia, precum și biodiesel din rapiță și bioetanol din cereale în Europa.

O schimbare majoră în semnificația acestui termen a survenit în anul 2008 când au devenit din ce în ce mai frecvente și mai serioase controversele legate de utilizarea terentului agricol pentru scop energetic în detrimentul hranei. Aceste dezbateri au dus la apariția Directivei 2009/28/EC privind energiile regenerabile, conform căreia 10% din energia pentru transport trebuie să provina din resurse regenerabile, însă această prevedere a permis o abordare usor schimbată față de Directiva 2003/30/EC în sensul că a inclus în prevedere vehiculele electrice.

În anul 2014, Comisia Europeană a limitat cota de biocombustibili proveniți din culturi agricole la 7%, ceea ce a constituit o provocare dificila pentru sectorul transporturi datorită imposibilității sistemelor de biocomobustibili de generatiile a doua și a treia de a asigura restul de 3% în vederea conformării cu prevederile Directivei 2009/28/EC. În acest context, în februarie 2015, Comitetul de Mediu al Parlamentului European a emis un comunicat în care declară că biocombustibilii avansați, proveniți din alge marine sau din anumite tipuri de deșeuri, trebuie să asigure 1,25% din consumul energetic în transport până în anul 2020.

Biocombustibilii de prima generatie sunt derivati din biomasa comestibila, in special porumb, soia si trestie de zahar. Acesti biocombustibili prezinta o serie de dezavantaje si controverse generate in primul rand de faptul ca nu exista suficiente ferme capabile sa livreze mai mult de circa 10% din necesarul de combustibil lichid, in special in tarile in curs de dezvoltare. De asemenea, utilizarea biocombustibililor de prima generatie determina o crestere a costurilor pentru hrana animalelor si implicit a costurilor produselor alimentare. In plus, daca se iau in considerare si emisiile totale generate de cresterea, recoltarea si procesarea porumbului la stabilirea costurilor biocombustibililor, devine clar faptul ca biocombustibilii de prima generatie nu sunt foarte prietenosi mediului. Bioetanolul este produs in mod curent din porumb si trestie de zahar, in timp ce biodieselul este produs in special din ulei de palmier, ulei de soia si seminte oleaginoase de rapita.

A doua generatie de biocombustibili este reprezentata de biomasa celulozica, ce include reziduuri lemnoase de tipul reziduuri agricole (coceni de porumb, paie de grau etc.), ierburi cu crestere rapida si materiale lemnoase care sunt cultivate pentru scopul

6

de a produce biocombustibil dar si reziduuri lemnoase rezultate din constructii si demolari. Avantajul celei de a doua generatii de biocombustibili este acela ca acste materiale se gasesc din abundenta si nu interfera cu productia de hrana. Cea mai mare parte a acestor plante energetice poate fi cultivata pe marginea drumurilor, a santurilor sau terenurilor dezafectate, nefiind necesara utilizarea terenurilor agricole. Este important de mentionat faptul ca biomasa celulozica poate fi convertita in diferite tipuri de combustibil precum etanol, benzina, diesel dar si combustibil pentru rachete.

A treia generatie de biocombustibili include biocombustibili produsi din alge si cianobacterii. Algele crescute in lacuri si helestee sunt mult mai eficiente in capturarea energiei solare decat plantele superioare, in special cand sunt crescute in bioreactoare. Daca productia de alge ar putea fi scalata pana la nivel de capacitate industriala, mai putin de 6 hectare de teren ar fi necesare la nivel mondial pentru a asigura necesarul curent de combustibil. Acesta consta in mai putin de 0,4% teren arabil, ceea ce ar reprezenta o tinta realizabila la nivelul agriculturii globale. Atât macroalgele, cât și microlgele, sunt considerate biocombustibili de generația a treia, într-un fel biocombustibilii viitorului.

Prin conținutul bogat de lipide și de alți compuși organici cu potențial de fermentare aerobă și anaerobă, precum carbohidrați, proteine, biomasa algală poate fi considerată un substrat organic foarte avantajos pentru producerea de biogaz. Totuși, în prezent, producția la scară comercială de biocombustibili din alge este încă foarte redusă.

1.2 Valorificarea algelor în industria biocombustibililor

Biocombustibilii produsi din alge reprezinta o optiune interesanta pentru domeniul energiilor regenerabile. Potentialul acestora va fi explorat in aceasta sectiune. Algele reprezintă un grup de sisteme biologice extrem de diversificat, conținând mii de specii cunoscute și posibil sute de mii sau chiar milioane de specii încă nedescoperite. Marea diversitate de specii algale oferă o mare varietate de tulpini ce pot constitui materie primă pentru producerea de biocombustibili de diverse tipuri (biodiesel, biogaz etc.).

Algele sunt un grup de organisme eucariote ce apartin clasei Phylum Protista. Aceste organisme utilizeaza energia solara pentru transformarea bioxidului de carbon si apei in carbohidrati si alti produsi de metabolism. In timpul acestui proces este eliberat oxigenul. Algele contin clorofila care este necesara pentru procesul de fotosinteza. Multe alge contin si alti pigmenti care extind domeniul de radiatie luminoasa utililizata de aceste organisme pentru fotosinteza.

Organsimele clasificate drept alge sunt grupate impreuna in functie de o serie de proprietati distincte. Aceste proprietati includ existenta pigmentilor fotosintetici specifici fiecarui grup, structura peretelui celular, tipul produsilor de depozit, mecanismul de motilitate, modul de reproducere si altele. Un numar de grupe algale isi au denumirea provenita de la culoarea predominanta afisata de majoritatea algelor din componenta grupului. In figura 1.1 sunt prezentate cateva specii de alge cu proprietati care le recomandă pentru producerea de biocombustibili.

Algele sunt raspandite pretutindeni in apa (ape dulci, ape sarate) dar si in sol. Avand in vedere faptul ca oceanele acopera circa 70% din suprafata globului, algele

7

acvatice sunt producatorul majoritar de oxigen si un utilizator important de bioxid de carbon. Fitoplanctonul este alcatuit predominant din alge unicelulare. Acest fitoplancton este principala sursa de hrana pentru numeroase animale acvatice mari si mici.

Figura 1.1 Exemple de alge biocombustibile (sursa: http://newenergyandfuel.com)

Toate algele sunt alcatuite primar din proteine, carbohidrati, grasimi si acizi nucleici in diferite proportii. Dupa cum procentajul poate varia de la un tip de alge la altul, unele tipuri de alge sunt constituite din pana la 40% acizi grasi, raportat la masa lor globala. Acesti acizi grasi pot fi extrasi si convertiti in biocombustibil. Algele microscopice sunt organisme multicelulare care prezinta un numar de structuri specializate ce servesc anumitor functii. O serie de specii de alge prezinta lamele ce le permite captarea la maxim a luminii solare. Numeroase specii de alge sunt studiate pentru posibilitatea cultivarii acestora in scop energetic pentru productia de uleiuri vegetale. In tabelul 1.1 este prezentata o lista a acestor specii de alge.

Tabel 1.1 Specii de alge pentru producerea de biocombustibil

Denumirea speciei Clasa de apartenență

Neochloris oleoabundans Clasa Chlorophyceae Scenedesmul dimorphus Clasa Chlorophyceae. Specii preferate

pentru producerea de uleiuri pentru biodiesel. Dezavantaj: Produce strat gros de sediment daca nu este agitat constant

8

Phaeodactylum tricornutum Diatom Pleurochrisis carterae Clasa Haptophyta Unicellular

coccolithophorid alga. Este capabila de calcifiere la nivel subcelular

Prymnesium parvum Alge toxice Tetraselmis chui Alge marine unicelulare Tetraselmis suecica NA Isochrysis galbana Microalge Nannochloropsis salina (Nannochloris oculata)

Bortryococcus braunii Poate produce lanturi de hidrocarburi cu molecule mari, reprezentand 86% din masa sa in stare uscata

Dunaliella tetriolecta Randament in ulei de circa 37%. Crestere rapida

Nannochloris sp. NA Nota: NA – nu exista date disponibile

Chlorophyceae, algele verzi, sunt speciile de alge cele mai preferate de catre cercetatori pentru studii de laborator. Totusi, algele verzi au tendinta de a produce amidon in loc de lipide si necesita azot pentru crestere. Avanatjul acestora este ca au o viteza de crestere foarte mare la 300C si radiatie luminoasa bogata in solutii apoase.

Bacilliarophya, alga diatomica, este o alta specie de alga preferata de cercetatori. Algele diatomice au nevoie de silicon care sa fie prezent in mediul de cultura.

Atunci cand algele sunt crescute in mediu sarac in nutrienti, acestea produc mai mult uleiuri per kilogram de masa algala, insa cantitatea de alge este mai redusa. Majoritatea algelor sunt tolerante la fluctuatii de temperatura, dar diatomii prefera un domeniu de temperatura relativ redus. 1.3 Avantajele utilizării biomasei algale în industria biogazului

Metodele și tehnologiile de producere biocombustibili din alge nu sunt suficient de documentate, nici în consens în diferite publicații științifice, deși numeroși autori (Jard et al.) afirmă că producerea de biogaz din alge marine este aproape de stadiul de comercializare întrucât chiar și carbohidrații complecși pot fi transformați în biogaz.

În plus, balanța energetică a sistemelor de biogaz din alge este superioară sistemelor de producere biodiesel din alge, în primul rând deoarece sistemele de biogaz utilizează resurse umede (deci nu este necesară operația de uscare care este mare consumatoare de energie), dar și pentru faptul că pentru producerea de biogaz nu este necesară extragerea uleiurilor, procedură ce se impune pentru producerea de biodiesel.

În figura 1.2 sunt prezentate succinct avantajele valorificarii biomasei algale pentru producerea de biogaz.

9

Figura 1.2 Avantajele valorificării biomasei algale în industria biogazului Potențialul de biometan al algelor, adică producția de metan generat prin

fermentarea anaerobă a biomasei algale, variază mult în funcție de numeroși factori, între care pot fi menționați:

- locul de creștere și de colectare a algelor; - perioada anuală în care algele sunt recoltate; - durata radiației solare în locurile de proveniență a algelor; - nivelul de azot din apele in care cresc algele; - tehnologia utilizată, parametrii operaționali, tipul de inocul utilizat în procesele

de fermentare și raportul volumentric inocul/substrat, configurația și volumul reactoarelor, etc.

Datele de literatură prezintă un potențial de biogaz pentru algele marine în intervalul 150 – 350 litri CH4/kg solide volatile. În tabelul 1.2 este prezentat potențialul de biometan al câtorva specii de macroalge și microalge ce au fost utlizate în cercetări de laborator.

În ceea ce privește microalgele, acestea sunt considerate un substrat de fermentare foarte avantajos datorită productivității mari într-un timp de creștere foarte scurt, conținutului redus de carbon și lipsei competiției pentru terenurile agricole.

Potențialul de biometan al microalgelor variază între 100 și 450 litri CH4 /kg solide volatile. Explicația pentru domeniul larg al potențialului de biometan este dată de faptul că performanțele procesului de fermentare anaerobă diferă semnificativ de la o specie la alta, dar și amestecul de substrat ce include specii diferite determină productivitați de biogaz diferite.

10

Tabelul 1.2 – Potențialul de biometan al unor alge și plante acvatice

Tipul de algă litri CH4 /kg solide

volatile

Referința bibliografică

Alge marine brune Himanthalia elongata 261 Allen, 2015 Laminaria digitata 218 Allen, 2015 Fucus serratus 96 Allen, 2015 Saccharina lattissima 335 Vanegas, 2013 Ascophyllum nodosum 166 Allen, 2015 Undaria pinnatifida 242 Jard, 2013 Saccorhiza polyschides 255 Vanegas, 2013

Sargassum muticum 130 Jard, 2013 Alge marine roșii Palmaria palmata 279 Jard, 2013 Gracilaria verrucosa 144 Jard, 2013 Plante acvatice dulcicole Elodea Nuttalii 415-520 Zehnsdorf,

2011 Microalge Arthrospira platensis 293 Mussgnug,

2010 Chlamidomonas reinhardtii 387 Mussgnug,

2010

Chlorella kessleri 218 Mussgnug, 2010

Chlorella vulgaris 310-350 Sanchez, 1993

Dunaliella salina 323 Mussgnug, 2010

Dunaliella 420 Chen, 1987

Euglena gracilis 325 Mussgnug, 2010

Nanochloropsis spp. 312 Schmack, 2008

Scenedesmus obliquuus 178 Mussgnug,

2010

Spirulina 424 Schmack, 2008

Spirulina maxima 190-340 Samson, 1983 Chlorella-Scenedesmus 100-140 Yen, 2007

Microalge verzi 310 Schmack, 2008

11

Conținutul ridicat de lipide din biomasa algală constituie un alt avantaj care recomandă utilizarea acestei bioresurse pentru producerea de biogaz, comparativ cu tipuri de biomasă terestră, având în vedere faptul că randamentul teoretic de biogaz din lipide este mai ridicat (1390 litri biogaz/kg solide volatile) decât cel din proteine (800 litri biogaz /kg solide volatile) sau carbohidrați (746 litri/kg solide volatile).

Pentru a atinge o performanță crescută a metodei de transformare a biomasei algale în biogaz, este esențială considerarea și evaluarea următorilor factori cu potențial de influență asupra randamentului de biogaz: tipul biomasei algale utlizate ca substrat majoritar și/sau substrat de co-digestie, tehnicile de cultivare, metodele de pretratare a algelor, configurația instalației de biogaz, gazul care se dorește a se obține (metan sau hidrogen), tipul de materiale co-substrat, integrarea tehnologiei de biogaz cu alte tehnologii (de ex. aquacultura, extragere preliminară componenți prin biorafinare etc.). 1.4 Evaluarea potențialului de biogaz al macroalgelor

Macroalgele, sinonim tehnic al ‘algelor marine’ este un termen colectiv care se refera la o serie de organisme macroscopice, eucariote si multicelulare. In general, exista in jur de 10.000 de specii de alge marine clasificate in trei categorii diferite si anume: 1. Algele marine brune: Saccharina latissima; Himanthalia elongate; Laminaria digitata; Fucus serratus; Ascophylum nodosum; Undaria pinnatifida; Saccorhiza polyschides; Sargassum muticum. 2. Macroalgele rosii: Gracilaria verrucosa, Palmaria palmate si Asparagopsis armata. 3. Algele marine verzi: Codium tomentosum si Ulva lactuca Avantajele macroalgelor ca materie prima complementara din sursa marina sunt evidente, acestea reprezentand o resursa inca neexploatata corespunzator:

- nu intra in competitie cu bioresursele terestre, deoarece cresc in mediu marin; - pot fi cultivate in conditii mai slabe in ceea ce priveste apa si nutrientii sai, fiind astfel mai usor de recoltat, - continutul lor ridicat de carbohidrati le face adecvate pentru bioconversia in molecule de combustibil precum metan, hidrogen, etanol, n-butanol, etc. Algele marine sunt recoltate de mult timp, cele brune fiind de doua ori mai

dominante in ceea ce priveste recolta fata de volumul algelor rosii. Algele verzi sunt mai putin valoroase, nefiind recoltate in cantitati semnificative.

In anul 2010, productia totala de alge marine pe plan mondial a fost de 19 milioane de tone (FAQ 2010), iar cele mai recente estimari (FAQ 2014) realizate pentru anul 2013 indica faptul ca la nivel global au fost produse 26 de milioane de tone (masa biomasa algala umeda) de plante acvatice de crescatorie, predominant alge marine.

De asemenea, in decurs de 13 ani, in perioada 2000-2013, s-a constatat o crestere de 129% in recoltarea algelor marine.

Figura 1.3 indica cateva exemple de alge marine brune (a, b, c, d, e) si verzi (f) (recoltate din regiunea Cork, Irlanda).

12

Figura 1.3 Alge marine colectate de pe tarm (a) Himanthalia elongate (b) Laminaria digitata (c) Fucus serratus (d) Saccharina latissima (e) Ascophylum nodosum (f) Ulva lactuca (Imagine de la Eoin Allen si Muhammad Rizwan Tabassum, Institutul de Cercetare a Mediului, Universitatea Cork, Irlanda).

Obiectivul principal al recoltarii macroalgelor marine il reprezintă dezvoltarea durabila prin identificarea si implementarea unei alternative de producere a biogazului algal drept a treia generatie de biocombustibil.

1.4.1 Caracteristicile și clasificarea macroalgelor marine

Algele marine nu prezinta lignina in compozitia lor chimica si au continut scazut de celuloza si lipide. In general, cele brune sunt bogate in polifenoli care se degradeaza cu dificultate in coditii anaerobe si pot astfel inhiba digestia anaeroba. Algele marine brune sunt produse pentru a obtine alginati utilizati ca agenti de ingrosare, agenti de gelifiere si stabilizatori pentru produsele cosmetice congelate, iar algele marine rosii sunt utilizate pentru producerea de antibiotice s. a. Totodata, algele marine sunt indicatori excelenti de poluare si sunt utilizati pentru reducerea eutrofizarii, cultivarea si recoltarea lor eliminand substantele nutritive din apa.

Un parametru esențial în evaluarea biomasei algale pentru producerea de biogaz îl reprezintă raportul carbon : azot. Nivelurile optime ale raportului C : N al substratului pentru fermentarea anaeroba sunt cuprinse in intervalul 20 : 1 si 30 : 1.

13

Fermentarea anaerobă a substraturilor azotate, avand raportul C : N mai mic de 15, poate duce la un proces de fermentare problematic cauzat de excesul de amoniac in sistemul de fermentare. Concentratiile de proteina ca sursa primara de azot sunt scazute in cazul algelor marine brune, contrar celor determinate pentru algele rosii si verzi, conducand la situatii in care, spre exemlu, U. lactuca, poate avea un raport C : N de 10, in timp ce Saccharina latissima poate prezenta un raport C:N de 22. Jard și colab. (2013) mentioneaza ca exista o variație sezonieră a conținutului de proteine. S. latissima prezinta o valoarea maximă a proteinei în luna mai, adica 150 g / kg solide totale și o valoare minima de 73 g / kg solide totale în timpul verii. Conținutul ridicat de proteine duce la creșterea nivelului de azot si implicit la un raport C : N mai scăzut. Astfel, pe măsură ce vara progresează din luna mai până în luna august în emisfera nordică, raportul C : N in biomasa algala crește. Aceasta, la rândul său, poate duce la rezultate mai mari ale testului potențial biometric. Valorile de 204 litri CH4 / kg solide volatile au fost înregistrate în luna mai pentru S. latissima, crescând la 256 litri CH4 / kg solide volatile în luna august (Jard et al., 2013). Bruhn și colab. (2011) au cultivat U. lactuca în iazuri sau bazine deschise. Raportul C : N al U. lactuca a variat de la 7,9 la 24,4. Nivelul de radiatie luminoasa initiala a fost sugerat drept factor de control important în raportul C:N. In conditii de multă lumină algele acumulează mai mult carbon și carbohidrați, ceea ce duce la o creștere a raportului C:N.

O analiza aprofundată a macroalgelor evaluează conținutul total de solide sau materia uscata, conținutul de solide volatile și conținutul de cenușă al substratului. Solidul total poate fi definit ca masa materialului rămas după încălzirea substratului la 105° C timp de 1 oră, exprimată ca procent din masa materialului umed inițial. Conținutul de solide volatile poate fi definit ca masa solidelor pierdute prin evaporare in timpul incalzirii la 550° C timp de 2 ore într-un creuzet acoperit, fiind exprimat ca procent din solidele totale (APHA, 2005). Jard și colaboratorii sai (2013) au constatat un conținut de solide totale în algele marine brune cuprins între 8,5 și 18,5% (Saccorhiza polyschides și respectiv Saccharina latissima), în algele roșii in intervalul 8,3 până la 16% (Asparagopsis armata și Palmaria palmate) și 10,1% în Ulva. Alga U. lactuca proaspata a avut un conținut de solide totale între 9,6% (Msuya și Neori, 2008) și 20,4% (Lamare and Wing, 2001). Dupa evaluarea unei game largi de alge marine brune, roșii și verzi, Jard si colaboratorii (2013) au găsit un interval semnificativ de larg al solidelor volatile pentru diferite alge marine recoltate în Franța.

În cazul algelor marine brune, valorile au variat de la 44,6% până la 63% din totalul solidelor (Saccorhiza polyschides și Himanthalia elongate), iar pentru algele roșii valorile au variat de la 51,6% la 73,8% (Asparagopsis armata și Palmaria palmate). U. lactuca a avut cel mai mare conținut de solide volatile respectiv 82,1%.

Jard si colab. (2013) sugereaza că, vara, algele ar acumula mai mult carbon, raportul C : N ar crește și Ulva ar avea un conținut mai mare de solide volatile. Totuși, acest lucru este contrazis de Briand și Morand (1997) care au găsit o tendință diferită în variația solidelor volatile ale Ulva lactuca. O recolta din luna iunie a condus la un raport solide volatile / solide totale de 83%, în timp ce recolta din august a condus la un raport

14

de 65%. S-a constatat că odată cu evoluția sezonului, biodegradabilitatea algelor marine a scăzut.

Analiza finală a probei de biomasă macroalgală evaluează continutul de carbon, hidrogen și azot dintr-o probă solidă si uscată a substratului. Aceasta permite generarea unei ecuații stoechiometrice a conținutul total de solide din substrat. De exemplu, Allen și colaboratorii (2013a) au constatat că Ulva proaspătă a avut 25% carbon, 3,7% hidrogen, 27,5% oxigen și 3,3% azot. Proporțiile au condus la o ecuație stoechiometrică a speciei Ulva.

Aplicarea ecuației Buswell permite stabilirea unui potențial teoretic de producere a biogazului. Folosind ecuația stoechiometrică pentru specia Ulva colectată de Allen și colab. (2013a), se constată o producție maximă teoretica de metan de 431 litri CH4 / kg solide volatile la un conținut de metan in biogaz de 51,5% (ecuatia 1).

𝐶𝑛𝐻𝑎𝑂𝑏 + (𝑛 −𝑎

4−

𝑏

2) 𝐻2𝑂 (𝑛

2+

𝑎

8−

𝑏

4) 𝐶𝐻4 + (

𝑛

2−

𝑎

8+

𝑏

4) 𝐶𝑂2 (1)

În tabelul 1.3 sunt prezentate caracteristicile unor specii de alge marine, colectate din regiunea Cork in anul 2013, iar în figura 1.5 sunt redate valorile sub formă grafică.

Tabel 1.3 Caracteristicile algelor marine (adaptate dupa Allen si colab. 2015)

Substrat

% solide totale

din masa

umeda

% solide volatile

din masa

umeda

% cenusa

din solide totale

C % din solide totale

H % din solide totale

N % din solide totale

O % din solide totale

Raport C:N

A. nodosum 23.2 19.4 16.1 40.4 5.3 1.6 36.6 26.0 H. elongate 12.65 8.10 36.0 30.8 4.1 1.4 27.7 21.4 L. digitata 14.20 10.24 27.2 34.2 4.8 1.5 32.3 22.3 F. spiralis 13.72 13.92 29.4 36.1 4.7 2.1 27.7 17.3 F. serratus 20.07 14.74 26.6 37.1 4.8 2.4 29.1 15.5 F. vesiculosus 21.18 16.11 24.0 26.8 3.2 1.5 44.5 17.6 S. polyschides 15.25 13.11 14.0 36.1 5.0 1.6 44.3 23.2 S. latissima 15.49 10.09 34.9 29.1 3.8 1.2 31.0 24.0 A. esculenta 18.72 11.91 36.4 29.3 4.2 1.9 28.2 15.5 U. lactuca 18.03 10.88 39.7 30.0 4.4 3.5 22.4 8.5

15

Figura 1.5 Caracteristicile chimice ale unor specii de alge marine

Raportul C : N pentru majoritatea probelor de alge marine colectate de Allen si colaboratorii sai (2015) de pe coasta Cork in anul 2013 a prezentat valori de 15-20 reprezentand excesul de carbon. Raportul C : N optim pentru digestia anaerobă este de 20 :1 până la 30 :1. Solidele volatile au variat de la un nivel minim de 8% din masa umedă pana la 19%.

1.4.2 Potențialul de biometan al algelor marine

a. Potentialul de biometan prin fermentarea anaerobă a speciei Ulva lactuca (alge marine verzi)

Asa cum a fost mentionat anterior, Allen și colaboratorii sai (2013a) au recoltat U. lactuca din regiunea Cork, Irlanda și au evaluat potențialul de biometan pentru Ulva proaspătă va fiind de 183 litri CH4 /kg solide volatile.

Ecuația Buswell indica un potential de 431 litri CH4 / kg solide volatile. Astfel, indicele de biodegradabilitate (BI) este de 42%, ceea ce indică faptul că o cantitate mare de energie a ramas în materialul namolul iar mai puțin de jumătate a fost transformata in biometan.

Ulva are în mod obișnuit un raport C : N scăzut, toate probele provenite din Cork prezentănd un raport C : N mai mic de 10. De asemenea, raportul solide volatile / solide

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

TS % din gr.umeda

VS % din gr.umeda

Ash C H N O Raport C:N

A. nodosum H. elongate L. digitata F. spiralis F. serratus

F. vesiculosus S. polyschides S. latissima A. esculenta U. lactuca

16

totale a fost de 58 %. Tabelul 1.4 prezinta randamentele de metan obtinute pentru Ulva pre-tratata.

Tabel 1.4 Randamentele specifice de metan obtinute din macroalga Ulva lactuca

Starea fizica a macroalgei Ulva

lactuca Pre-tratament

Randament specific de metan (litri CH4/kg

solide volatile) Țara de proveniență

Fara pre-tratament in stare proaspata 183 Irlanda in stare proaspata 174 Danemarca in stare proaspata 128 Franta

Fara spalare fara spalare in stare ofilita 165 Irlanda fara spalare macerata 271 Danemarca

Cu spalare, fara uscare cu spalare tocata 171 Danemarca cu spalare macinata 191 Irlanda cu spalare macerata 200 Danemarca cu spalare in stare ofilita 221 Irlanda

Cu uscare si maruntire cu spalare si uscare tocata 241 Franta cu spalare si uscare macerata 250 Irlanda

In urma analizarii datelor obtinute, s-a constatat ca un factor foarte important care poate varia semnificativ rezultatele potentialului de biometan il reprezinta pre-tratamentele precum privarea de apa (ofilirea), spalarea si uscarea:

o Ofilirea sau privarea de apa (vestejirea) este o metodă ieftină pentru a crește conținutul de solide totale și, ca atare, producția de metan pe unitatea de volum. Cu toate acestea, ofilirea este dificilă în climatele oceanice temperate cu precipitații semnificative de vară (cum ar fi Irlanda). Ofilirea este totusi mai puțin benefica în comparație cu macerarea;

o Spălarea poate fi efectuată pentru a reduce concentrația de săruri care pot fi inhibitoare pentru microorganismele metanogene. Cu toate acestea spălarea nu pare a fi benefică în ceea ce privește creșterea randamentului specific de metan;

o Uscarea pare a fi o tehnica de pretratare de mare folos. Aceasta creste randamentul specific de metan la 241 - 250 litri CH4 / kg solide volatile. Metoda este, de asemenea, benefică intrucat poate crește producția de metan pe volum de substrat de la cca. 20 m3 / t până la 100 m3 / t (Allen et al., 2013a; Bruhn și colab., 2011).

b. Potentialul de biometan prin mono-fermentarea anaerobă a algelor marine brune

Rezultatele potentialului de biometan prezentate in literatura de specialitate sunt rezumate în Tabelul 3. Acestea sunt variate și reflectă faptul că algele au fost colectate din diferite țări, în diferite perioade ale anului, cu lungime a zilei și radiație a luminii diferite, cu nivele diferite de azot în apa, etc.

17

Metodologia de evaluare a potentialului de biometan poate de asemenea să difere prin folosirea diverselor tipuri de inocul, raport inocul-substrat si volum al reactorului.

Cu toate acestea, se poate afirma că algele brune (cu excepția F. serratus) tind să genereze între 150 și 350 litri CH4 / kg solide volatile (tabel 1.5).

Tabel 1.5 Randamentele specifice de metan obtinute din alge marine brune si rosii

Alge marine Potentialul de biometan, litri CH4/kg solide volatile

Provenienta specie algală

Alge marine brune H. elongate 261 Irlanda

202 Franta L. digitata 218 Irlanda

246 Irlanda F. serratus S. latissima

96 Irlanda 342 Irlanda 335 Irlanda 223 Norvegia 220 Norvegia 209 Franta

A. nodusum 166 Irlanda U. pinnatifida 242 Franta S. polyschides 255 Irlanda

216 Franta S. muticum 130 Franta

Alge marine rosii P. palmata 279 Franta G. verrucosa 144 Franta

c. Oportunitatea stocării algelor marine pentru producere de biogaz

Stocarea algelor marine este foarte importanta pentru obtinerea unui randament specific ridicat de metan. Adams si colaboratorii sai (2011) au identificat un maxim in randamentul specific de metan in luna iulie.

In figura 1.6 se poate observa ca perioada iunie-noiembrie reprezinta un timp propice pentru recoltarea algelor marine (randamentul mediu in exces de 235 litri/ kg solide volatile), in timp ce in perioada mai-decembrie media obtinuta a fost de 220 litri/kg solide volatile, conducand la necesitatea de însilozare/stocare a algelor marine pentru a permite o buna furnizare de biogaz pe tot parcursul anului.

Recoltarea algelor marine trebuie realizată la intervale de timp optime pentru a permite o producție maximă de biomasă și un potențial ridicat de metan. Cu toate acestea, producția biogazului la scară largă este, de obicei, un proces continuu care necesită furnizarea de materii prime de înaltă calitate în fiecare an. Astfel, recolta sezonieră ar necesita conservarea biomasei algale pentru utilizarea în funcție de necesități.

18

Figura 1.6. Variatia anuală a potentialului de metan pentru L. digitata

O posibilitate de conservare a algelor marine este eliminarea continutului de apa

prin uscare. Acesta este un proces cu consum energetic ridicat, deoarece conținutul de solide totale la recoltare este sub 20% în cele mai multe alge marine.

O altă metodă pentru conservarea și depozitarea algelor marine poate fi conservarea prin insilozare. Însilozarea este practicată pe scară largă în întreaga lume pentru conservarea culturilor agricole cum ar fi porumbul sau iarba (Wilkinson si colab., 2003). Principiul conservării silozului se bazează pe conversia carbohidraților solubili în apă, in acizi organici precum acidul lactic, prin bacterii producătoare de acid lactic în condiții anaerobe. Acumularea acestora duce la o reducere a valorii pH-ului biomasei însilozate și inhibă creșterea microorganismelor nedorite, cum ar fi clostridia, drojdiile și mucegaiurile în absența oxigenului (McDonald si colab., 1991). Acest lucru previne descompunerea compușilor organici.

Conservarea silozului este frecvent utilizată pentru producerea furajului dar s-a dovedit de asemenea, a fi o metodă adecvată pentru stocarea materiilor prime pentru producerea biogazului (Herrmann si colab., 2011). S-a constatat că produsele de fermentare a silozului măresc randamentul specific de metan și pot compensa pierderile generate in timpul depozitarii (Herrmann si colab., 2011). 1.4.3 Evaluarea randamentelor energetice de biometan din macroalge

Randamentele de alge marine pe hectar in decursul unui an variaza in functie de specii, de pozitia geografica, de nivelul de nutrienti al mediului si de metoda de cultivare. Christiansen (2008) sugerează că un hectar de ferma ar putea produce 130 de tone de alge umede pe an. Tabelul 1.6 prezinta o comparație a randamentului energetic brut pentru sistemele de biocombustibil lichid de primă generație.

Se poate afirma că biometanul provenit din alge are potențialul să depășească cele mai bune randamente ale biocombustibililor din prima generație cu principalul avantaj că nu necesită teren agricol. Acest lucru este important de remarcat daca se ia în considerare faptul că în anul 2011 fiecărei persoane de pe planetă îi reveneau circa 0,2 hectare de teren arabil (Murphy & Thamsiriroj, 2011).

50

100

150

200

250

300

Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sept. Oct. Nov. Dec.

Ran

dam

ent s

peci

fic d

e m

etan

(litri

/ kg

VS)

luna (2008, UK)

19

Tabelul 1.6 Productia de energie bruta estimata pentru prima generatie de biocombustibil

Substrat Productia de biocombustibil (litri/hectar/an)

Energia bruta (GJ/hectar/an)

Etanol Grau 3150 66,5 Sfecla de furaj 5500 117 Ulei de palmier 5500 160 Ulei de rapita 1320 42 Ulei de floarea soarelui 800 26

Energia netă de biometan provenit din alge marine pe hectar este inca necunoscută. De obicei, macroalgele pot fi disponibile pentru producere de biogaz in urmatoarele trei situatii:

1. Ulva lactuca sub formă de reziduu de biomasa acumulata in estuarele de coasta, necesitand indepartarea pentru a se asigura curatarea zonei marine costiere ; 2. Deseuri de alge marine: alge marine colectate de pe țărm ; 3. Alge rezultate din acvacultură: alge marine cultivate si recoltate in acest scop. Se poate afirma că energia necesara pentru productia de biometan din biomasa

algala creste de la cazul 1 la cazul 3. Se estimeaza că acvacultura este metoda de generare biomasa algala ce va necesita cea mai mare energie de producție. Este puțin probabil ca aceasta metoda să furnizeze același nivel de producție de energie precum culturile de pe uscat. Îngrășămintele, erbicidele și varul nu trebuie folosite pentru cultivare. De obicei, algele marine vor atrage azot din apele poluate (cum ar fi în imediata vecinătate a fermelor de somon) și astfel pot acționa ca agenți de imbunatatire a calitatii mediului.

În concluzie, utilizarea macroalgelor reprezinta o oportunitate majora de producere a biogazului algal drept a treia generatie de biocombustibil, acest aspect privind in mod direct dezvoltarea durabila prin punerea in evidenta a unei tehologii cu caracter fezabil, sustenabil, regenerabil si în armonie cu mediul inconjurator. 1.5 Evaluarea potențialului de biogaz al microalgelor

Microalgele sunt un grup variat de organisme unicelulare cu potential mare in a ne oferi o mare diversitate de solutii in cerintele crescande privind necesarul de combustibil lichid sau gazos, pentru transport sau alte aplicatii tehnologice. Speciile microalgale cresc in medii acvatice foarte variate, de la ape dulci la ape saline saturate. Algele utilizeaza CO2 in procesul de fotosinteza, fiind responsabile de fixarea a peste 40% din bioxidul de carbon la nivel global, responsabile de aceasta proprietate fiind majoritar microalgele marine (Falkowski si colab).

Algele pot produce biomasa intr-un ritm de crestere foarte rapid, unele specii algale dublandu-si volumul in doar 6 ore, iar multe alte specii algale prezentand chiar doua dublari ale biomasei in decursul unei zile (Sheehan si colab). Toate algele au capacitatea de a produce uleiuri cu valoare energetica ridicata, iar numeroase specii de

20

alge au fost identificate ca avand potentialul de a acumula in mod natural niveluri ridicate de uleiuri, ponderea de ulei ajungand pana la 50% din totalul biomasei uscate (de exemplu specia de microalga Botryococcus spp.) (Kojima si colab).

Microalgele sunt printre speciile biologice cu creșterea cea mai rapidă, productivitatea de ulei a algelor raportată la unitatea de suprafață fiind mai mare de 7-31 ori față de productivitatea de ulei a palmierului, care este următoarea resursă vegetală cea mai productivă, așa cum se poate observa din tabelul 1.7.

Acest aspect este foarte important si pentru evaluarea potentialului de biogaz al microalgelor, având în vedere cele menționate anterior, adică faptul că conținutul ridicat de lipide din biomasa algală constituie un alt avantaj care recomandă utilizarea acestei bioresurse pentru producerea de biogaz, comparativ cu tipuri de biomasă terestră prezentate în tabelul 1.7.

Tabel 1.7 Productivitatea de ulei a microalgelor

Productivitatea teoretică de biogaz este de: o substrat lipide: 1390 litri biogaz/kg solide volatile; o substrat proteine: 800 litri biogaz/kg solide volatile; o substrat carbohidrați: 746 litri/kg solide volatile.

Balanța energetică a sistemelor de biogaz din alge este superioară sistemelor de producere biodiesel din alge, deoarece:

sistemele de biogaz utilizează resurse umede, deci nu se impune operația de uscare care este mare consumatoare de energie;

pentru producerea de biogaz nu este necesară extragerea uleiurilor, procedură costisitoare ce se impune pentru producerea de biodiesel.

Cu un potential de, cel mai probabil, milioane de specii, diversitatea algala ofera cercetatorilor nelimitate optiuni de identificare tulpini pentru producere de biocombustibili, precum si material genetic bogat ce poate fi utilizat in folosul imbunatatirii tulpinilor selectate. Speciile microalgale ce pot fi investigate in nelimitate cercetari pentru biocombustibil isi au originea in grupe biologice ale caror relatii ancestrale sunt semnificativ mai largi decat in cazul celor mai diverse plante terestre, asigurand astfel o larga diversitate genetica.

21

In grupul microalgelor considerate de interes pentru valorificare in domeniul bioenergetic sunt inclusi diatomii, algele verzi, algele brune, primnesiofitele, eustigmatofitele si cianobacteriile, membrii din toate aceste familii fiind cercetati ca tulpini potential utilizabile in producerea de biocombustibili. 1.5.1 Caracteristicile și compozitia chimică a microalgelor

Compozitia chimica a celulelor algale poate varia in limite largi, precum in cazul plantelor superioare. Proportile diferitilor constituenti sunt influentate de cativa factori de mediu, printre cei mai importanti fiind temperatura, iluminarea, valoarea pH-ului, nutrientii minerali si furnizarea de CO2 (Becker, 1994). Componentele analizate și prezentate în cele mai multe studii sunt carbohidratii, lipidele si proteinele (Tabelul 12). Cantitatea de proteine, carbohidrati si lipide variază intre 6-71 %, 4-64 % si 1.9-40% din totalul de solide (TS), conform studiilor comparative ale lui Becker (1994). Variatia mare face compararea sa fie dificila, dar in general compozitia de biomasa algala se situează in intervalele prezentate in tabelul 1.8.

Tabelul 1.8 Compoziția chimică a diferitelor microalge, exprimată în procent de materie uscată (Becker, 1994)

Tulpina Proteine Carbohidrați Lipide Acizi nucleici Scenedesmus obliquus 50-60 10-17 12-14 3-6 Scenedesmus quadricauda 47 - 1.9 - Scenedesmus dimorphus 8-18 21-52 16-40 - Chlamydomonas rheinhardii 48 17 21 - Chlorella vulgaris 51-58 12-17 14-22 4-5 Chlorella pyrenoidosa 57 26 2 - Spirogyra sp. 6-20 33-64 11-21 - Dunaliella bioculata 49 4 8 - Duneliella salina 57 32 6 - Euglena gracilis 39-61 14-18 14-20 - Prymnesium parvum 28-45 25-33 22-28 1-2 Tetraselmis maculata 52 15 3 - Porphyridium cruentum 28-39 40-57 9-14 - Spirulina platensis 46-63 8-14 4-9 2-5 Spirulina maxima 60-71 13-16 6-7 3-4.5 Synechococcus sp. 63 15 11 5 Anabaena cylindrica 43-56 25-30 4-7 -

Compozitia biomasei algale poate fi controlată prin forțarea algelor la adaptarea la mediul de crestere. Aceasta adaptare se explică printr-o acumulare a nutrientilor, atunci cand microalgele sunt cultivate in mediu lipsit de nutrienti. Influenta nivelurillor de nutrienti in mediul de crestere asupra compozitiei biomasei algale a fost demonstrata de Ilman et al. (2000). In cercetarea sa, cel mai ridicat nivel de lipide (63%) a fost obținut la specia C. emersonii, crescuta in mediu cu continut scazut de azot (tabel 1.9). Cea mai mare valoare calorica de 29 kJ/g a fost obtinuta intr-un mediu lipsit de azot.

22

Tabelul 1.9 Continutul celular al tulpinilor de Chlorella crescute pe mediu Watanabe si mediu cu nivel de azot redus (Ilman et al. 2000)

Specie Conditii de crestere

Proteine (%)

Carbohidrati (%)

Lipide (%)

Valoare calorica (KJ/g)

C. vulgaris

Control 29 ± 2.5

51 ± 2 18 ± 2.1 18 ± 0.7

N-scazut 7 ± 1.6

55 ± 3.2 40 ± 2.1 23 ± 2.1

C. emersonii

Control 32 ± 2.9

41 ± 2.5 29 ± 2.5 21 ± 0.7

N-scazut 28 ± 3.8

11 ± 2.2 63 ± 1 29 ± 0.7

C. protothecoides

Control 38 ± 3 52 ± 2.3 11 ± 3.2 19 ± 1.6 N-scazut 36 ± 3 41 ± 3 23 ± 1.2 24 ± 2

C. sorokiniana

Control 45 ± 2.9

38 ± 2.2 20 ± 1.6 21 ± 0.7

N-scazut 42 ± 1.6

32 ± 2.5 22 ± 2.6 20 ± 1.6

C. minutissima

Control 24 ± 3.1

42 ± 3.2 31 ± 3.2 21 ± 1.2

N-scazut 9 ± 2 14 ± 2.1 57 ± 2.5 21 ± 1

1.5.2 Potențialul de biometan al microalgelor

Microalgele pot fi considerate un substrat avantajos pentru fermentarea anaeroba datorita productivității ridicate de biomasa, continutului scazut de cenusa, precum și ca urmare a lipsei de competitivitate pentru terenul arabil.

O conversie mai rapida și mai bună a biomasei la metan poate fi obținută prin alegerea optima a tulpinilor algale. Unele tulpini nu prezinta perete cellular, alte tulpini prezinta un perete celular proteic, fara celuloza sau hemiceluloza. Aceste atribute le confera o degradabilitate mai usoara (Mussgnug et al. 2010). Insă în afară de degradabilitatea facila, trebuie luate in considerare și alte caracteristici precum productivitatea sau sensibilitatea la contaminarea din mediu.

Productia de biogaz specific din biomasa microalgală variaza intre 287 si 611 litri /kg solide volatile iar productia de metan intre 100-452 litri /kg solide volatile (Tabel 1.20). Aceste variatii mari pot fi puse pe seama faptului că performanta fermentăriii anaerobe este foarte specifica tulpinii, fapt ce poate fi explicat prin compozitia celulara diferita precum si prin diferenta structurală a peretilor celulari ai tulpinilor. Variatia in productia de biometan poate fi explicata de asemenea prin influenta diferitelor metode de testare a biometanului potential (BMP).

Cateva recomandari practice pentru imbunătățirea fermentării anaerobe a microalgelor sunt date de Heerenklege et al. (2010) si Golueke et al. (1957), care afirmă că fermentarea termofilă a microalgelor conduce la un randament de biogaz mai ridicat decat fermentarea mezofilă. Uscarea microalgelor reduce randamentul biogazului si de aceea nu este recomandata. Astfel, prin teste de degradare a Tretraselmis sp., Mussgnug

23

et al. (2010) a raportat o scadere a producției de biogaz cu 20% la proba de biomasă uscată fată de proba de biomasă umedă.

Tabelul 1.20 Productia de metan si biogaz din diferite specii microalgale, dupa Mussgnug et al. (2010); Sialve et al. (2009) si Heerenklage et al. (2010))

Specia microalgală

Temp. [ºC]

Productivitate biogaz [litri /kg solide volatile]

Productivi-tate CH4 [litri/kg solide

volatile]

Continut CH4 [%] Referința

Arthrospira platensis 481 ± 14 293 61 Mussgnug

et al., 2010 Chlamydomonas

reinhardtii 587 ± 9 387 66 Mussgnug et al., 2010

Chlorella kessleri 335 ± 8 218 65 Mussgnug et al., 2010

Chlorella vulgaris 28-31 - 310-350 68-75 Sanchez si Traviesco,

1993

Dunaliella salina 505 ± 25 323 64 Mussgnug et al., 2010

Dunaliela 35 - 420 - Chen, 1987

Euglena gracilis 485 ± 3 325 67 Mussgnug et al., 2010

Nanochloropsis spp. 38 388 312 80.5 Schmack,

2008 Scenedesmmus

obliquus 287 ± 10 178 62 Mussgnug et al., 2010

Spirulina 35 320-310 - Chen,

1987

38 556 424 76.3 Schmack, 2008

Spirulina maxima 35 - 190-340 - Samson si

LeDuy, 1983

Namol alge mixte (Chlorella-

Scenedesmus)

35-50 - 170-320 62-64 Golueke et al., 1957

50 500 Nespecificat - Golueke et al., 1957

35 405 Nespecificat - Oswald et al. 1960

45 611 Nespecificat - Golueke et al., 1959

35 - 100-140 - Yen et al., 2007

Alge verzi 38 420 310 73.9 Schmack, 2008

24

Continutul ridicat de lipide din biomasa poate fi un avantaj deoarece productia de biogaz din lipide este in general mai mare (1390 litri/kg solide volatile) decat din proteine (800 litri/kg solide volatile) sau carbohidrati (746 litri/kg solide volatile) (VDI 4630 2006).

Biomasa microalgala are o compozitie diferita fata de alte tipuri de biomase, deci aceste productii trebuie adaptate pentru a preveni supraestimarea fezabilitatii procesului per total. Productia teoretica de metan din biomasa microalgala determinată prin calcule este de 1014 litri/kg VS pentru lipide, 446 litri/kg VS pentru proteine si 415 litri/kg VS pentru carbohidrati (Heaven et al., 2011). Un exces de lipide si/sau proteine nu este de dorit pentru ca acesta ar conduce la o acumulare de amoniac si acizi grasi cu lanturi lungi (LCFAs), care sunt inhibitori importanti ai microorganismelor anaerobe. (Chen et al., 2008).

1.5.3 Pretratarea microalgelor pentru conversia în biogaz

Unele microalge prezintă un perete celular foarte gros, fapt ce face ca fermentarea anaeroba sa fie foarte dificilă. În cazul în care o specie de interes prezintă un perete celular rigid, rezistent la digestia anaerobă, este necesară o pretratare in prealabil care poate permite o productivitate mai mare de biogaz. Tabelul 1.21 ofera o prezentare generala a diferitelor metode de pre-tratare pentru a imbunatatii degradabilitatea anaeroba a biomasei supuse fermentării.

Tabelul 1.20 Prezentare generala a metodelor de pre-tratament pentru a imbunatatii degradabilitatea anaeroba a namolului. (adaptat dupa Carrere et al., 2010)

Pretratare Opțiuni Hidroliza termică (>100ºC) -temperaturi diferite

Tratare mecanică

-ultrasunete -liza-centrifugare -forfecare lichida (placa de coliziune, omogenizator cu presiune inalta) -macinare

Pretratare chimică -oxidare -tratamente alcaline

Pretratare biologică -enzime -pradatori

Aceste metode de pretratare a substratului organic de fermentare sunt aplicabile si microalgelor. Schwede si colab. (2013) au demonstrat ca pretratarea termică a Nannochloropsis salina, inaintea fermentării anaerobe, a crescut semnificativ productia de metan. De asemenea si tipul de stocare a microalgelor are un efect semnificativ asupra productiei de metan (Gruber-Brunhumer et al., 2015). In tratarea namolului activ, numeroase tehnici diferite de tartare au fost aplicate cu succes pentru a creste productia de metan (Carrere et al., 2010), tehnici ce ar putea fi folosite si pentru microalge, pentru a le intensifica fermntarea anaerobă.

25

Alzate si colaboratorii săi (2012) au testat fermentarea anaeroba a trei amestecuri microalgale. Pretratarile au inclus tratamente termice, ultrasunete si biologice. Tehnicile de pretratare biologică au aratat o crestere neglijabila a productiei de metan (Alzate et al., 2012). Cea mai mare crestere a productiei de metan (46-62%) a fost obtinuta prin hidroliza termica. Temperatura optima pentru acest pretratament a depins de speciile de microalge folosite (Alzate et al., 2012). Pretratarea cu ultrasunete a dus la o creștere a productivitatii de metan de pana la 24%, atingând o valoare energetică de 10.000 kJ/kg solide totale. Influenta variațiilor inghetare-dezghetare asupra fermentării algale au fost studiate de Kinnunen et al. (2014). Astfel, s-a arătat că aceste tehnici de pretratare au facilitat hidroliza proteica si au crescut productia de metan cu 32-50% in experimente de fermentare anaerobă la 20ºC, in comparatie cu fermentarea biomasei algale netratate. Heerenklage et al. (2010) au demonstrat că tratarea la presiune ridicată, precum și tratarea enzimatică, au crescut productia de metan la specia microalgală C. vulgaris in comparatie cu proba netratată.

1.5.4 Rezultate experimentale de laborator

Potrivit lui Murphy si Thamsiriroj (2013) design-ul si configuratia optima a reactorului de fermentare sunt stabilite în functie de caracteristicile materiei prime. Pentru experimente de fermentare a unor biomase algale cu un conținut de 2-12% solide totale, se utilizează in mod obisnuit reactoare cu agitare continua (CSTR, precum cel prezentat în figura Figura 1.7.

Concentrarea solidelor microalgelor, recoltate prin metodele mecanice prezentate în tabelul 1.20, se situează intre 0.5-27% (Christenson si Sims, 2011), astfel că aceste biomase sunt adecvate pentru fermentarea în CSTR. Timpul de retentie solida si hidraulica (HRT si SRT) sunt parametri cheie in procesele anaerobe (Sialve et al., 2009) si ar trebui sa fie destul de ridicate pentru a permite populatiilor microbiene active, in special metanogenelor, sa descompună material organică până la stadiu de biogaz. Un timp de retentie hidraulic insuficient limiteaza hidroliza, in consecință toate celelalte etape, deci randamnetul de descompunere va fi mult diminuat.

Figura 1.7 Model de laborator pentru experimente de fermentare anaerobă

26

In tabelul 1.21 sunt menționate rezultatele unor experimente de laborator de fermentare anaerobă a biomasei microalgale, prin care s-a evaluat producerea de metan in sisteme cu alimentare continua. Cea mai mare productie de metan pentru experimentele de laborator desfășurate a fost de 310 litri/kg solide volatile (Asinari Di San Marzano și colab., 1982).

Tabelul 1.21 Productia de metan si biogaz de la diferite specii microalgale obținută în

experimente de fermentare continua

Specia microalgală

Temp. [Cº]

Timpul de retenție

hidraulică HRT [zile]

Rata de încărcare organică [g solide

volatile/litru*zi]

Producția de CH4 [litri/ kg

VS]

Producția de biogaz

[litri/kg solide

volatile]

Continut CH4 [%] Referința

Tretraselmis (proaspat)

35 14 2 310 419-431 72-74 Asinari Di San Marzano et al., 1982

Tretraselmis (uscat)

35 14 2 260 351-361 72-74

Tretraselmis (uscat) + NaCl 35 g/L

35 14 2 250 338-347 72-74

Spirulina maxima

35 33 0.97 260 361-382 68-72 Samson si LeDuy, 1982

Alți cercetători au aratat ca productia de metan este dependenta de speciile folosite si de conditiile de cultivare (Sialve și colab., 2009). Concentrația de metan din biogaz se situează in intervale similare (intre 68 și 74%) pentru majoritatea cercetărilor de laborator, indiferent de speciile folosite si de conditiile de operare, ceea ce indica o eficiență buna a conversiei materiei organice algale la metan.

27

CAPITOL 2

Evaluarea metodelor de gestionare a algelor aplicate în prezent, prelevarea biomasei algale și evaluarea pe baza pigmenților algali

2.1 Introducere Algele, producători primari cu o largă răspândire, reprezintă una din resurse

planetare exploatate de către om încă din perioada 4700 i.e.n., în agricultură ca material fertilizant al solurilor, în zootehnie ca sursă complementară a hranei animalelor, în scopuri farmaceutice ca surse de vitamine, anticoagulante, antihelmintice, bactericide sau bacteriostatice, în alimentația omului sau materie primă pentru diferite industrii și ramuri meșteșugărești (Péterfi et. al., 1976).

Necesitatea din ce în ce mai ridicată de combustibil la nivel global a contribuit la găsirea unor soluții pentru producerea unor surse de energie alternativă. În acest fel, s-a deschis drumul studiilor realizate cu scopul de a pune în valoare capacitatea energetică a algelor (Chisti, 2008).

Datorită eficienței fotosintetice ridicate a algelor microscopice și a capacității acestora de a produce lipide ce pot fi utilizate ca materie primă pentru biodiesel, guverne ale țărilor din Comunitatea Europeană au început să investească în programe de cercetare care urmăresc să pună în valoare resursa energetică pe care acestea o reprezintă. S-au lansat teme de cercetare și s-a început dezvoltarea unor tehnologii care să permită utilizarea și comercializare ca resursă energetică a algelor microscopice, a macroalgelor marine (Bruton et al., 2009, ***, 2010) sau, ca în cazul prezentului studiu a macroalgelor de apă dulce. Mai mult decât atât, au apărut grupuri de consultanță la nivele guvernamentale care furnizează autorităților consiliere în materie de gestionare a înfloririlor din apele dulci și a florei marine (***, 2017b).

Prezentul capitol cuprinde următoarele activități de cercetare: Analiza bibliografică a prezenței și răspândirii algelor macrofite de apă dulce și

marină, în Rezervația Biosferei Delta Dunării; Evaluarea metodelor de gestionare a algelor aplicate in prezent; Selectarea zonelor din care s-ar putea face recoltări sustenabile ale algelor din

stocuri naturale în vederea valorificării acestora pentru producerea de biogaz; Evaluarea biomasei algelor fitoplanctonice din ecosistemele acvatice investigate; Evaluarea biomasei în medii de cultură

2.2 Metodologia de cercetare

La analiza informațiilor legate de prezența și distribuția algelor pe teritoriul Rezervației Biosferei Delta Dunării, precum și cea pentru evaluarea metodelor de gestionare a algelor s-au utilizat:

- metodele clasice de investigație a literaturii de specialitate existentă la Biblioteca Națională, biblioteci universitare și bibliotecile/arhivele Institutului Național de Cercetare Dezvoltare Delta Dunării, Tulcea și Institutul Național de Cercetare Dezvoltare Marină „Grigore Antipa”

28

- motoarele de căutare on-line ale revistelor de specialitate sau ale paginilor personale ale cercetătorilor care fac parte din comunitățiile științifice ResearchGate, Academia.

2.3 Investigații și prelevări de material biologic În vederea selectării zonelor din care pot fi făcute recoltări sustenabile ale algelor

din stocuri naturale pentru valorificarea lor ca sursă de biogaz s-au realizat ieșiri în teren și observații în 19 locații aflate în Rezervația Biosferei Delta Dunării și în zone limitrofe acesteia.

Algele macrofite au fost prelevate prin desprinderea manuală a algelor fixate de diferite suporturi naturale sau artificiale. Probele prelevate au fost depozitate în recipenți de plastic cu probă de apă din locul prelevării și transportate în laborator în vederea:

o identificării speciei/speciilor prelevate; o evaluării cantității de biomasă recoltată; o pregătirii primare a materialului biologic pentru testele de fermentabilitate

Algele microscopice (fitoplanctonice) au fost prelevate prin: o filtrarea a 30 de litri de apă prin fileul fitoplanctonic cu dimensiune de 25 µm. o extragere de subprobe de 250 ml / stație de prelevare

După prelevare probele au fost ținute la rece și transportate în laborator în vederea evaluării cantității de biomasă.

2.4 Evaluarea biomasei algale în mediile de cultură Biomasa algelor fitoplanctonice a fost cuantificată prin evaluare fluorometrică

(Tudor et al., 2015), pe următoarele lungimi de undă: 450nm, 525nm, 570nm, 590nm, 610nm și 680nm, a pigmenţilor algali (clorofilă „a”, clorofilă „c”, ficocianobilina, ficoeritrină, fucoxantină şi peridinină) utilizând un spectorfluorometru de tip bbe MOLDAENKE Cuvette-Fluorometer workstation 25 (Figura 2.1).

Figura 2.1 Spectorfluorometru bbe MOLDAENKE Cuvette-Fluorometer workstation 25

Probele fitoplanctonice prelevate din mediile naturale (lac Ciuperca, Capul

Porcului - Marea Neagră) au fost repartizate în laborator, în vase de cultură.

29

Cantitatea de biomasă din vasele de cultură a fost stimulată prin adăugare de substanțe nutritive (Tabelul 2.1) și comparată cu proba martor provenită din aceeași sursă naturală. Biomasa algală a fost stimulată în mediile de cultură și în cazul unei probe prelevată din rețeaua de canalizare a orașului Tulcea și ținută timp de 2 luni în vase de cultură de 100 litri la temperatura camerei (27°C) și cu expunere la lumină timp de 12 ore.

Tabelul 2.1 Probe fitoplanctonice – prelevare si tratare

Denumirea setului

Data prelevării

Data adăugării soluției nutritive

(SN)

Stația Tip soluție nutritivă

SET 1 06.10.2017 Lac Ciuperca BS_martor 04.11.2017 fără BS_SN0.5 06.11.2017 Universal Vilmorin 08.11.2017 10.11.2017 12.11. 2017 14.11. 2017

SET 2 06.11.2017 Marea Neagră MN_martor 07.11.2017 fără

MN_SN 0,5

08.11.2017 Universal

(Vilmorin) 10.11.2017 12.11. 2017 14.11. 2017 16.11. 2017 18.11.2017

SET 3 Tulcea Aj1-martor 12.11. 2017 fără

Aj1_SN0,5

13.11.2017 Universal

(Vilmorin) 14.11.2017 15.11.2017 16.11.2017 17.11.2017 18.11.2017 19.11.2017 20.11.2017

Dinamica dezvoltării algelor din mediile de cultură s-a evaluat prin măsurători

zilnice pe o perioada de 10 zile. La sfărșitul fiecărui ciclu de 10 zile, în funcție de cantitatea de biomasă produsă, au fost realizate ajustări ale concentrațiilor de nutrienți adăugate mediilor de cultură sau modificări ale condițiilor locale (de exemplu aerarea mediilor).

30

2.5 Prezența și răspândirea algelor în Rezervația Biosferei Delta Dunării Cercetarea bibliografică a scos în evidență faptul că în prezent există o

centralizare riguroasă a numărului și distribuției algelor de apă dulce și marină în Rezervația Biosferei Delta Dunării.

Diverse tipuri de studii efectuate în ultimii 20 de ani de către Institutul Național de Cercetare Dezvoltare „Delta Dunării” și colaboratori ai acestuia au scos în evidență faptul că au existat preocupări cu privire la studiul prezenței și răspândirii algelor în deltă încă de la începutul secolului al XIX-lea și că de-a lungul timpului a fost evidențiată existența a 1485 specii de alge din care 24 sunt alge macrofite aparținând filumurilor Charophyta și Rhodophyta (Török, 2009).

În cadrul cercetărilor realizate de Institutul Național de Cercetare Dezvoltare Marină „Grigore Antipa” au fost evidențiate existența a 520 specii și varietăți de alge marine, din care 388 de specii microfitobentonice răspândite în zona costieră marină a României. Din totalul speciilor identificate un număr de 168 de specii și varietăți fiind identificate în sectorul marin din fața Deltei Dunării (Petreanu, 1997).

În ceea ce privește, prezența și distribuția substratului vegetal reprezentat de macroflora algală din zona costieră românească a Mării Negre aceasta ocupă un loc aparte printre celelalte categorii de substrat intrând în componența biocenozei midiilor de piatră. (Sburlea et al., 2006). Componentă ecosistemică deosebit de importantă cu rol de substrat sau zonă de hrănire pentru alte categorii de organisme asigură protecția faunei asociate împtriva valurilor și a răpitorilor, având totodată capacitatea de epurare a apei prin reținerea nutrienților și a metalelor grele (Marin & Timofte, 2011).

Zona costieră românească ca de altfel întreaga zonă costieră a Mării Negre a suferit datorită presiunii antropice modificări (Afanasyev, 2010; Berov, 2012; Dumont, 1999; Karaçuha & Karaçuha, 2013; Sava et al., 2011) care au dus printre altele, ca în aproape 70 de ani să aibă loc o reducere pregresivă a algelor macrofite din zona costieră românească și dispariția a 124 de specii (Sburlea et al., 2006).

2.6 Metode de gestionare a algelor

La nivel global cele mai multe programe de gestionare a algelor în mediile naturale sunt programe preventive ce urmăresc controlul înfloririlor algelor micrscopice (***, 2011; ***, 2015; ***, 2017a; ***, 2017b).

În România la nivel guvernamental există proiecte care urmăresc controlul integrat al poluării cu nutrienți (***, 2016), la nivel regional există programe care vizează reducerea poluării apelor, programe elaborate și implementate de către Administrația Națională „Apele Române”, dar nu există programe sau strategii referitoare la managementul algelor.

Politica în domeniul mediului referitoare la gestionarea algelor, indiferent ca vorbim de abordarea problemei sub aspect de „plagă” datorită dezvoltării excesive a fitoplanctonului și a apariției cianobacteriilor cu potențial toxic, fie că vorbim de de gestionarea a algelor ca resursă naturală este practic inexistentă.

31

Utilizarea algelor, în special al algelor marine ca bioresursă în scopuri farmaceutice a devenit o preocupare a cercetătorilor români încă de la începutul anilor 1980 (Negreanu-Pîrjol et al., 2011; Cadar et al., 2016).

La nivelul autoritățiile de mediu centrale sau regionale din România nu există preocupări sau strategii cu privire la exploatarea economică a algelor ca o posibilă soluție la diminuarea unui fenomen natural cum este cel al infloririlor algale cu impact negativ asupra mediului.

Diminuarea impactului negativ prin găsirea unor soluții de exploatare poate fi unul sustenabil ținând cont, de exemplu, de apariția unor situații ca cea semnalată și în presă în urmă cu aproape 10 ani (***, 2008):

"In 2004, Directia Apelor Dobrogea - Litoral (DADL) a recoltat 9.000 de metri cubi de alge. Un an mai tarziu s-au strans 15.000 metri cubi, in 2006 s-au adunat 20.000 de metri cubi, iar in anul urmator 40.000 de metri cubi. Un metru cub de alge cantareste aproximativ o tona", a spus Catalin Anton, purtatorul de cuvant al Directia Apelor Dobrogea - Litoral (DADL) [......]. Conform contractelor de inchiriere a plajelor, operatorilor privati le revine sarcina de recoltare a algelor aduse de apa la mal. In cazul exploziei fenomenului de inflorire algala, intervine DADL, care detine utilaje specializate pentru recoltarea si transportul florei in exces. In Romania algele ajung direct la groapa de gunoi [.....]. "Sanctiunile pot ajunge in acest caz pana la 300 milioane lei vechi", a declarat Vasile Petro, comisar-sef al Garzii Financiare Constanta.”

Observațiile și studiile ulterioare perioadei mai sus menționate arată faptul că

macrofitele algale continuă să înregistreze biomase ridicate în perioada iunie-august, în plin sezon turistic. Aceste observații sunt relativ frecvente pe litoralul românesc al Mării Negre (Marin et al., 2011, 2015) dar, ele sunt rare și localizate în special la limita Rezervației Biosferei Delta Dunării.

Proliferarea speciilor oportuniste din grupul macoralgelor verzi, cu ciclu de viață scurt ce pot produce biomase mari într-un timp relativ scurt, ocupă în prezent 80% din suprafața bentonică de mică adâncime a zonei costiere românești (Nastac et al., 2014).

Din cele 30 de specii existente în prezent doar 17 specii (Tabelul 2.2) înregistrează abundențe ridicate.

32

Tabelul 2.2: Lista speciilor de alge macrofite dominante îm zona costieră a Mării Negre

Ca urmare a celor menționate mai sus, prin proiectul BIOALG se urmărește identificarea zonelor cu alge macrofite de pe teritoriul Rezervației Biosferei Delta Dunării și testarea capacității de fermentare a acestora, precum și testarea metodelor de recoltare și utilizare a algelor fitoplanctonice care dezvoltă abundențe ridicate mari în perioadele de înflorire algală.

33

2.7 Selectarea zonelor cu potențial de valorificarea a algelor ca resursă naturală pentru producerea de biogaz

Ca urmare a investigațiilor de teren efectuate în perioada octombrie – noiembrie 2017 în zonele aflate la limita Rezervației Biosferei Delta Dunării au fost identificate 19 zone care necesită investigații în anul 2018 pentru evaluarea disponibilitatii algale (Fig. 2.2).

Figura 2.2 Distribuția zonelor de investigare și prelevare

Amplasarea geografică a zonelor și a tipului de potențial pozitiv (+), negativ (-), respectiv a celor care necesită investigații suplimentare (*) pentru efectuarea de prelevări a algelor fitoplanctonice sau a celor macrofite cu scopul utilizării acestora ca și resursă energetică este detaliată în tabelul 2.3.

34

Tabel 2.3: Tipul de potențial de utilizare a algelor ca și resursă energetică

Nr. crt. Coordonatele locului investigat Numele locului Jud. Data Potențial

1 N45º 12,779’ / E028º 45,707’ 7 țevi (Fig. 3) TL 2017.10.10 (-) 2 N45º 12,119’ / E028º 46,908’ Dunărea Veche(Fig. 4) TL 2017.10.10 (*) 3 N45º 11,112’ / E028º 46,938’ Lac Ciuperca (Fig. 5) TL 2017.10.10 (+)

4 N45º 10,519’ / E028º 51,050’ canal Dunăre-Lac Zaghen (Fig. 6) TL 2017.10.16 (*)

5 N45º 10,152’ / E028º 50,856’ Lac Zaghen (Fig. 7) TL 2017.10.16 (*) 6 N45º 08,468’ / E028º 56,879’ mlaștina Nufăru (Fig. 8) TL 2017.10.16

7 N45º 02,434’ / E029º 11,105’ canal Dunăre-complex turistic Murighiol (Fig. 9) TL 2017.10.16 (-)

8 N45º 02,445’ / E029º 11,095’ canal centură Lac Murighiol (Fig. 10) TL 2017.10.16 (*)

9 N45º 00,904’ / E029º 04,890’ canal zona Sarinasuf (Fig. 11) TL 2017.10.16 (*)

10 N45º 02,512’ / E028º 56,147’ pârâu în Valea Nucarilor (Fig. 12) TL 2017.10.16 (+)

11 N44º 57,204’ / E028º 51,864’ Lac Razim (zona Sarichioi) (Fig. 13) TL 2017.10.16 (*)

12 N44º 53,482’ / E028º 49,822’ Canal Enisala (Fig. 14) TL 2017.10.16 (-)

13 N44º 46,688’ / E028º 54,101’ canal la nord de Cap Doloșman (Fig. 15) TL 2017.10.16 (*)

14 N44º 46,212’ / E028º 55,158’ Cap Doloșman (Nord) TL 2017.10.16 (*)

15 N44º 45,390’ / E028º 56,554’ Cap Doloșman (Sud-Est) (Fig. 16) TL 2017.10.16 (*)

16 N 44º 38,086’ / E028º 50,072’ canal 5 (grindul Lupilor) (Fig. 17) CT 2017.10.17 (*)

17 N44º 32,850’ / E028º 46,579’ Lac Sinoe (zona cetății Histria) (Fig. 18) CT 2017.10.17 (*)

18 N44º 26,854’ / E028º 45,618’ balta semisărată pe grindul Chituc (Fig. 19) CT 2017.10.17 (*)

19 N44º 25,762’ / E028º 46,143’ grindul Chituc (Sud) (Fig. 20) CT 2017.10.17 (+)

Evaluarea preliminară a zonelor selectate arată că zona din apropierea orașului Tulcea, numită “la 7 țevi” (Figura 2.3) amplasată în zona inundabilă a Dunării, precum și brațul Dunărea Veche (Figura 2.4), din apropierea orașului Tulcea, probabil datorită fluctuațiilor mari ale nivelului apei pe parcursul unui an, nu întrunesc condiții propice pentru dezvoltarea algelor macrofite și nici nu au fost semnalate de-a lungul timpului înfloriri masive ale algelor fitoplanctonice.

35

Figura 2.3 Amplasarea geografică a zonei investigate 7 țevi

Figura 2.4 Amplasarea geografică a zonei investigate Dunărea Veche

Lacul Ciuperca deține atât un potențial ridicat pentru utilizarea algelor fitoplanctonice ca resursă pentru producerea de biogaz, cât și pentru algele macrofite de apă dulce care se găsesc fixate pe diverse tipuri de suport natural (pietre amplaste de jur împrejurul lacului) sau artificial (pontoane de acostare, terasamentul inundabil, din beton, al malurilor) (Figura 2.5).

36

Figura 2.5 Amplasarea geografică a zonei investigate Lac Ciuperca

Atât în canalul care asigură intrarea apei din Dunăre (braț Tulcea) în Lacul Zaghen, cât și în zona investigată a lacului nu au fost identificate alge macrofite (Figurile 2.6 și 2.7).

Figura 2.6 Amplasarea geografică a zonei investigate canal Dunăre-Lac Zaghen

37

Figura 2.7 Amplasarea geografică a zonei investigate Lac Zaghen

Zona amplasată între localitățile Nufaru și Victoria (județul Tulcea, România) (Figura 2.8) este o mlaștina dominată de stuf (Phragmites australis) și papură Typha sp. Mlaștina are în unele zone pietre de-a lungul țărmurilor, dar acestea sunt colonizate de macroalgele rar.

Figura 2.8 Amplasarea geografică a zonei investigate mlaștina Nufăru

38

În canalul care duce la Dunăre (braț Sfântu Gheorghe), în apropiere de Murighiol, nu au fost identificate alge macrofite (Figura 2.9).

Figura 2.9 Amplasarea geografică a zonei investigate Canal Dunăre-complex turistic Murighiol

Pe malul canalului, de-a lungul malului nordic al Lacului Murighiol, macroalgele coloniale au fost rare (Figura 2.10).

Figura 2.10 Amplasarea geografică a zonei investigate Canal centură Lac Murighiol

39

În canalul din apropiere de localitatea Sarinasuf, amplasat paralel cu țărmul de vest al golfului din partea nord-vestică a lacului Razim (Razelm), investigat în 16 X 2017, nu a fost identificate aglomerări de alge macrofite (Figura 2.11).

Figura 2.11 Amplasarea geografică a zonei investigate canal zona Sarinasuf

De-a lungul țărmului cursului de apă ce străbate localitatea Valea Nucarilor (județul Tulcea, România) au fost identficate aglomerări masive de Cladophora sp. (Fig. 2.12).

Figura 2.12 Amplasarea geografică a zonei investigate pârâu în Valea Nucarilor

40

Alge macrofite au fost identificate atât fixate pe suport dur (pietre) cât și pe suprafața nisipoasă din apropierea digului amplasta pe malul lacului Razim (Razelm), în localitatea Sarichioi (Rezervația Biosferei Delta Dunării) (Figura 2.13).

Figura 2.13 Amplasarea geografică a zonei investigate Lac Razim (zona Sarichioi)

Canal de legătură dintre Lacul Babadag și Lacul Razim (Rezervația Biosferei Delta Dunării) investigat în zona fermei de pește Enisala, nu avea alge macrofite (Fig. 2.14).

Figura 2.14 Amplasarea geografică a zonei investigate Canal Enisala

41

Alge macrofite din genul Cladophora au fost identificate de-a lungul unei secțiuni fără stuf amplasată în zona de mal a canalului situat la limita nordică a Capului Dolosman (Rezervația Biosferei Delta Dunării) (Figura 2.15).

Figura 2.15 Amplasarea geografică a zonei investigate Canal la nord de Cap Doloșman

Investigațiile făcute la limita sudică a Capului Dolosman (Rezervația Biosferei Delta Dunării) nu au evidențiat prezența algelor macrofite (Figura 2.16).

Figura 2.16 Amplasarea geografică a zonei investigate Cap Doloșman (Sud-Est)

42

De-a lungul țărmului Canalului 5, în zona podului amplasat pe grindul Lupilor în apropiere de malul Mării Negre (Rezervația Biosferei Delta Dunării, România) s-au înregistrat în 17 X 2017 aglomerări de Characeae (Figura 2.17).

Figura 2.17 Amplasarea geografică a zonei investigate canal 5 (grindul Lupilor)

Cea mai mare parte a liniei de coastă (vestică) a lacului Sinoe este acoperită de o porțiune largă de stuf, ceea ce face ca accesul în lac să fie posibil în relativ puține secțiuni ale malului.

La capătul acestei centurii de stuf (Figura 2. 18), în apropierea ruinelor vechii cetăți Histria au fost înregistrate. în anii cu niveluri mai ridicate ale apei, aglomerări masive de alge macrofite amplasate atât pe zona stâncoasă a malului cât și în masa apei.

Investigațiile din data de 17.10.2017, datorită nivelului foarte scăzut al apei din lac, nu au mai confirmat însă existența acestora în zona menționată.

43

Figura 2.18 Amplasarea geografică a zonei investigate Lac Sinoe (zona cetății Histria)

În partea de sud a digului marin Chituc (Rezervația Biosferei Delta Dunării) a fost identificată o baltă înconjurată de stuf amplasat pe nisip inundat periodic (Figura 2.19).

Balta cu o concentrație relativ ridicată de săruri a fost investigată în repetate rânduri în anii precedenți dar în niciuna din cazuri nu au fost identificată prezența algelor macrofite.

Figura 2.19 Amplasarea geografică a bălții semisărată pe grindul Chituc

44

În cazul algelor macrofite respândite în zona marină a Rezervației Biosferei Delta Dunării a fost identificată o zonă stâncoasă pe partea sudică a grindului Chituc (Figura 2.20).

Figura 2.20 Amplasarea geografică a zonei stâncoase cu Ulva intestinalis

2.8 Evaluarea potențialului de exploatare a biomasei algale în mediile naturale investigate

Cu toate că au fost înregistrate 149.599 specii și infraspecii (Guiry & Guiry, 2017) de alge din care 30.000 sunt cunoscute ca fiind microalgae, puține dintre acestea au în prezent semnificaţie comercială.

Există un consens că eficiența fotosintetică a plantelor terestre este de 1% sau mai mică. Promotorii utilizării algelor în tehnologia pentru biocombustibili se așteaptă ca limitele eficienței fotosintetice a microalgelor să fie între 3 și 6%. Valoarea de 6% fiind stabilită ca o eficiență absolută maximă teoretică, care este puțin probabilă să fie obținută vreodată în condiții reale (Bruton et al., 2009; Chisti, 2008).

Colectarea algelor rezultate din eutrofizare reprezintă o bună oportunitate de a utiliza biomasa produsă de acestea și de a evita impactul negativ ulterior asupra ecosistemului, chiar dacă această activitate poate fi una limitată sau localizată, și nu ar trebui să fie realizată fără o analiză amănunțită a impactului potențial asupra ecosistemului. (Bruton et al., 2009).

Una dintre activitățile esențiale de cercetare necesare pentru elaborarea modelului experimental pentru producerea de biogaz este aceea de evidențiere a capacității energetice a algelor din Rezervația Biosferei Delta Dunării.

45

În condițiile climei din sud-estul României, algele fitoplanctonice pot dezvolta

biomase mari (peste 200 µg/litru) în corpurile de apă puternic eutrofe începând din luna iulie până toamna târziu (Török, 2013, 2014; Török et al. 2015). Acest fenomen cunoscut sub denumirea de înflorire algală ar putea fi analizat și din prisma exploatării sale ca resursă naturală, tinându-se însă cont de faptul că delta este o rezervația naturală care se supune reglementărilor specifice legate de protecția și exploatarea resurselor sale (***, 1993; ***, 2005).

Măsurătorile biomasei fitoplanctonice din zonele investigate în luna octombrie 2017 (Fig 2) nu sunt elocvente (biomasa fitoplanctonică variind în această perioadă a anului între 12,11 µg/litru de clorofila „a” în zona marină și 106,52 µg/litru de clorofila „a” în canalul Enisala) pentru face o selecție a zonelor în care se vor derula activitățile pentru „Izolarea și testarea/analizarea capacității fermentative a biomasei algale” (A2.2.2/2018 contract NR. 170PED ⁄ 2017), datorită faptului că a trecut perioada de înflorire algală.

În acest moment, se poate însă aprecia faptul că lacul Ciuperca (amplasat la limita rezervației) și canalul Enisala pot avea potențial de exploatare a biomasei fitoplanctonice.

Totodată. în baza expertizei și a evaluărilor din anii anteriori, datorită concentrației medii/lac de 104,73 µg/litru de clorofila „a”, lacul Puiu amplasat în interiorul deltei poate fi deasemenea selectat pentru testele de fermentație.

Investigațiile efectuate în zona marină au scos în evidență prezența în cantități mari a speciei Ulva intestinalis, în zona digului amplasat la limita Rezervației Biosferei Delta Dunării. 2.9 Evaluarea potențialului de exploatare a biomasei algale în mediile de cultură

Este cunoscut faptul că pentru a obține biomasa fitoplanctonică necesară producerii de biogaz se utilizează diverse metode ca: sedimentare, filtrare, centrifugare, flocularea pentru concentrarea acestora și că au fost dezvoltate numeroase scenarii la diferite scări de la cultivarea în laborator până la stimularea dezvoltării acestora în iazuri (Rogers et al., 2014). Aceste studii au arătat că este necesar să se obțină în urma recoltării o suspensiei cu cel puțin 2 - 7% alge (materie solidă totală) pentru ca recoltarea acestora să fie una sustenabilă (Bruton et al., 2009).

Recoltarea eficientă a algelor din mediile naturale este considerată cheia succesului economic, iar cea mai bună experiență în recoltarea biomasei microbiene până în prezent provine de la operatorii de stații de epurare a apelor reziduale (Bruton et al., 2009). Prin urmare, datorită faptului că prezentul studiu a început după perioada de înflorire a algelor fitoplanctonice în Delta Dunării iar în România operatorii stațiilor de epurare nu urmăresc și îndepărtarea din apă a biomasei algale, au fost realizate evaluări ale biomasei algale în și laborator.

Rezultatele obținute (Tabelul 2.4) prin adăugarea de soluții nutritive, au fost comparate cu rezultatele obținute în probele martor (Tabelul 2.5). Prin aceste analize comparative, s-a urmărit obținerea de date referitoare la cantitatea de suspensie algală

46

care ar trebui filtrată din mediu natural în sezonul estival al anului viitor, astfel încât să se poată atinge procentul recomandat în literatura de specialitate mai sus menționată.

Tabel 2.4 Valorile biomasei algale obținută prin adăugare de soluții nutritive

DATA SET experimental Total concentrație (µg/l) / Observații

BS_SN0.5 4,04 (+) SN

Biomasa algală a înregistrat

variații mici pe aproape toată perioada de derulare a

experimentului

04.11.2017 BS_SN0.5 3,89 06.11.2017 BS_SN0.5 3,53 (+) SN 07.11.2017 BS_SN0.5 3,42 08.11.2017 BS_SN0.5 3,99 (+) SN 09.11.2017 BS_SN0.5 4,02 10.11.2017 BS_SN0.5 4,69 (+) SN 11.11.2017 BS_SN0.5 5,03 12.11.2017 BS_SN0.5 6,20 (+) SN 13.11.2017 BS_SN0.5 33,62 14.11.2017 BS_SN0.5 12,68 (+) SN

MN_SN0.5 7,54 (+) SN

Biomasa algală a înregistrat o

tendință descrescătoare

pe toată perioada derulării

experimentului

10.11.2017 MN_SN0.5 7,74 11.11.2017 MN_SN0.5 5,70 (+) SN 12.11.2017 MN_SN0.5 4,65 13.11.2017 MN_SN0.5 3,60 (+) SN 14.11.2017 MN_SN0.5 3,33 15.11.2017 MN_SN0.5 3,24 (+) SN 16.11.2017 MN_SN0.5 2,75 17.11.2017 MN_SN0.5 3,03 (+) SN 18.11.2017 MN_SN0.5 2,83

Aj1_SN0,5 683,38 Biomasa algală a înregistrat o

tendință descrescătoare

pe toată perioada derulării

experimentului

13.11.2017 Aj1_SN0,6 705,10 (+) SN 14.11.2017 Aj1_SN0,7 635,32 15.11.2017 Aj1_SN0,8 344,71 (+) SN 16.11.2017 Aj1_SN0,9 294,88 17.11.2017 Aj1_SN0,10 201,42 (+) SN 18.11.2017 Aj1_SN0,11 147,38 19.11.2017 Aj1_SN0,12 144,73 (+) SN 20.11.2017 Aj1_SN0,13 134,09

47

Tabel 2.5 Valorile biomasei algale în probele martor fără adăugare de soluții nutritive

Date Martor Biomasa (µg/l) Observatii

07.10.2017 259,99 Lac Ciuperca 12.10.2017 BS_m 125,98

Proba martor a fost tinută in laborator în recipienți

fara adaugare de soluție nutritivă (SN)

18.10.2017 BS_m 129,11 19.10.2017 BS_m 38,17

20.10.2017 BS_m 28,84 03.11.2017 BS_m 4,24 04.11.2017 BS_m 4,27 06.11.2017 BS_m 4,01 07.11.2017 BS_m 4,02 08.11.2017 BS_m 4,95 09.11.2017 BS_m 5,51 10.11.2017 BS_m 5,59 11.11.2017 BS_m 5,96 12.11.2017 BS_m 6,04 13.11.2017 BS_m 16,44 14.11.2017 BS_m 5,88 07.11.2017 12,56 Marea Neagra 08.11.2017 MN_m 10,11

Proba martor a fost tinută in laborator în recipienți

fara adaugare de soluție nutritivă (SN)

09.11.2017 MN_m 6,63 10.11.2017 MN_m 5,42 11.11.2017 MN_m 4,09 12.11.2017 MN_m 3,71 13.11.2017 MN_m 3,20 14.11.2017 MN_m 3,11 15.11.2017 MN_m 3,05 16.11.2017 MN_m 3,07 17.11.2017 MN_m 3,03 18.11.2017 MN_m 2,87 09.2017 apa robinet Tulcea 12.11.2017 Aj1-m 352,22

Proba martor (apa de robinet) a fost ținută în acvariu de 100 litri cu

expunere la lumină timp de 2 luni, ulterior acestei perioade au început

măsurătorile

13.11.2017 Aj1-m 356,45 14.11.2017 Aj1-m 361,89 15.11.2017 Aj1-m 385,85 16.11.2017 Aj1-m 387,98 17.11.2017 Aj1-m 415,06 18.11.2017 Aj1-m 405,15 19.11.2017 Aj1-m 407,53 20.11.2017 Aj1-m 404,60

48

Analizând datele din tabelul 2.4 în ceea ce privește valorile biomasei algale obținută prin adăugare de soluții nutritive, se constată că pe perioada de experimentare 04.11-14.11.2017, biomasa algală codificată BS a înregistrat variații mici pe aproape toată perioada de derulare a experimentului, înregistrând un maxim de concentrație microalgală de 33,62 µg/l.

În perioada de experimentare 10.11-18.11.2017, proba codificata MN a înregistrat o tendință de scădere constantă a concentrația de biomasa algală, de la o concentrație de 7,74 µg/l la 2,83 µg/l. Aceeași tendință descrescătoare a concentrației biomasi algale s-a înregistrat si pentru proba de biomasă algală codificată Aj1, în experimentul de cultivare desfășurat în perioada 13.11 - 21.11.2017.

În ceea ce privește evaluarea valorilor biomasei algale în probele martor fără adaos de soluții nutritive, proba de biomasă algala BS prelevată din Lacul Ciuperca, Tulcea și ținută în laborator a prezentat o scădere a concentrației de biomasă de la 259,99 µg/l la un minim de 4.01 µg/l, urmată de o ușoară creștere pe parcursul următoarei săptămâni de experimentări.

Proba martor prelevată din Marea Neagră și tinută in laborator în recipienți fara adaugare de soluție nutritivă a înregistrat o scădere constantă a concentrației de biomasă, de la 12,56 µg/l la 2,87 µg/l.

Proba martor reprezentând apa de robinet din rețeaua de apă a orașului Tulcea și care a fost menținută în acvariu de 100 litri cu expunere la lumină timp de 2 luni, urmată de măsurători, a prezentat o creștere a concentrației microalgale, de la 352,22 µg/l la 415,06 µg/l urmată de o ușoară scădere la 404,60 µg/l.

49

CAPITOL 3

Elaborare concept model demonstrativ si tehnologie de fermentare anaerobă

3.1 Elaborare schema concept model experimental demonstrativ Dezvoltarea şi implementarea tehnologiilor de biogaz prezintă numeroase

avantaje de ordin economic şi de mediu, rezolvând probleme importante precum dispunerea deşeurilor şi obţinerea de energii nepoluante.

Comparativ cu tehnologiile clasice aerobe de tratare a apelor reziduale organice, procedeele anaerobe prezintă tehnologii variate şi foarte eficiente, cu avantaje net superioare faţă de procedeele aerobe, printre acestea putând fi menţionate următoarele:

Prezintă o capacitate crescută de degradare avansată a substanţelor reziduale concentrate;

Generează cantităţi foarte mici de nămoluri reziduale; Necesită consumuri energetice foarte scăzute; Generează profit prin producerea de biogaz. Cu toate aceste avantaje, procedeele anaerobe sunt foarte sensibile la mici şocuri

de încărcare organică, la scădereea pH-ului şi prezintă o viteză de dezvoltare a microorganismelor anaerobe relativ scăzută, determinând timpi de retenţie hidraulică ridicaţi. Aceste probleme se traduc deseori în performanţe reduse ale reactoarelor anaerobe convenţionale.

Modelul experimental demonstrativ care va fi realizat in cadrul prezentului proiect de cercetare va fi conceput astfel incat sa creeze conditii optime de descompunere a masei organice, prin asigurarea unui regim de temperatura constant si controlabil, in domeniu termic mezofil, precum si prin dotarea cu componente de purificare a gazului, de captare si prelevare astfel incat produsii de fermentare sa poate fi monitorizati continuu. De asemenea, modelul experimental demonstrativ va permite controlul parametrilor operationali, precum si monitorizarea proceselor biochimice din interiorul incintelor de fermentare.

Conceptul de model demonstrativ cuprinde urmatoarele elemente componente: - Doua incinte de fermentare, fiecare având volumul de 5 litri, confecționate din inox,

prevăzute cu mantale de incalzire cu termoreglare, manometre de presiune, intrări/ieșiri gaze (gaz inert, biogaz) si gura de alimentare/evacuare prevăzută cu garnitură de etanșare pentru evitarea pierderilor de gaz;

- Patru vase de purificare biogaz, reprezentate de sticle de spălare cu barbotor, in care va fi introdusă soluție bazică de hidroxid sau carbonat de sodiu pentru reținerea bioxidului de carbon și concentrarea biogazului în metan;

- Doua pungi de prelevare gaze fiecare avand volumul de 5 litri, tip Supel-Inert Multi-Layer Foil, captusite cu folie de aluminiu impotriva permeabilizării, dotate cu valva si sistem de prelevare gaz pentru analiza chimica;

- Rezervor de alimentare probă de biomasă algală și rezervor de evacuare nămol fermentat;

- Stand de sustinere componente model experimental, structuat pe trei nivele. Schema de concept pentru modelul experimental demonstrativ ce va fi realizat in etapa a doua este prezentata in imaginea din figura 2.21.

50

51

3.2 Elaborare tehnologie de fermentare anaerobă

Activităţile experimentale de fermentare anaerobă ce vor fi desfăşurate în cadrul etapei de proiect următoare, utilizând modelul experimental demonstrativ al cărui concept a fost realizat in acestă etapă de proiect, vor avea ca scop identificarea unor posibilităţi de valorificare a biomasei algale provenite din Rezervația Biosferei Delta Dunării pentru producerea de biogaz, în vederea identificării oportunității de dezvoltare și implementare proiecte de biogaz în cadrul unor proiecte de cercetare-dezvoltare viitoare.

Cercetările experimentale vor urmări evaluarea comparativă a potenţialului de biogaz a unor tipuri de biomasă algală marină și dulcicolă, speciile algale recomandate a fi luate in analiză fiind cele menționate in capitolul 2.

Biomasa algală va fi supusă experimentelor de fermentare anaerobă în teste ce vor fi desfașurate simultan in cele două incinte de fermentare (bioreactoare anaerobe) din componența modelului experimental, iar monitorizarea proceselor biochimice în ceea ce privește producția de biogaz si de biometan va fi efectuată zilnic, pe toată durata experimentelor, cu analiza calitativă și cantitativă a biogazului rezultat și determinarea valorii energetice a acestuia.

Pentru desfășurarea experimentelor de laborator, modelul experimental demonstrativ va fi operat utilizând tehnologia de fermentare anaerobă a căror operații principale sunt prezentate in schema din figura 2.22 și sunt descrise în continuare.

Figura 2.22 Schema operațiilor de flux tehnologic

a. Evaluarea calitativă a substratului organic prin analize fizico-chimice de laborator

Materia primă cu incarcare organica utilizată drept biomasă în reactoarele de fermentare anaerobă este principalul factor care determină producţia de biogaz pentru situaţia în care se doreşte obţinere de biogaz cu un excedent energetic semnificativ faţă de autoconsumul energetic adică faţă de biogazul necesar nevoilor termice proprii ale sistemului de producere a lui.

52

Înainte de a fi supus experimentelor de fermentare anaerobă, substratul orgaic de tip biomasă algală trebuie să fie supus unor analize fizico-chimice de laborator. Astfel, pentru caracterizarea materialului de alimentare corespunzător fiecărui experiment în parte se vor determina următorii parametri fizico-chimici:

- pH; - Raport Carbon / Azot - Consum chimic de oxigen CCOCr (mgO2/l); - Consum biochimic de oxigen CBO5 (mgO2/l); - Reziduu total la 1050C si la 5500C (solide totale si solide volatile); - Potasiu, fier, nickel si alte oligoelemente necesare metabolismului microbian; - Diverse săruri precum amoniu, azotat, azotit, sulfat.

Determinările analitice se vor efectua conform metodelor standardizate în vigoare ce vor fi prezentate in etapa de experimentari.

b. Pregatirea substratului organic de fermentare (biomasa algala)

Materia primă de tip biomasă algală trebuie să asigure mediul prielnic dezvoltării şi activităţii microorganismelor ce participă la digestia substratului şi, în final, la producerea biogazului. Acest mediu trebuie să satisfacă următoarele condiţii generale, valabile pentru toate substraturile de fermentare anaerobă:

- să conţină materie organică biodegradabilă, - să aibă o umiditate ridicată, peste 90%, - să aibă un pH neutru sau aproape neutru (6,8 – 7,3), - să conţină carbon şi azot într-o anumită proporţie (raportul C/N: 15-25), - să nu conţină substanţe inhibitoare pentru microorganisme (metale grele,

detergenţi, antibiotice, sulfaţi în concentraţii mari, formol, fenoli şi polifenoli etc. Pentru obţinerea biogazului se pot utiliza materii prime organice de provenienţe diferite, care satisfac condițiile de mai sus, dar proiectul de față vizează evaluarea posibilității de producere biogaz din biomasă algală prelevată din Rezervația Biosferei Delta Dunării, experimente ce vor fi realizate în cadrul unui model demonstrativ de laborator de nivel TRL3. Rezultate experimentelor de laborator ce vor fi obținute prin testarea diverselor tipuri de biomasă algală de apă dulce și marină vor fi utilizate ulterior pentru aplicarea de noi proiecte de cercetare care să se finalizeze prin dezvoltarea și implementarea de tehnologii de biogaz in regiunea Deltei Dunării. Astfel, materia primă ce va fi utilizată drept biomasa de fermentare in modelul demonstrativ de laborator ce va fi realizat in etapa a II-a, constă în amestecuri de biomasă algală de tip macroalge și fitoplancton, utilizate ca substrat de fermentare principal, in amestec cu materiale de co-digestie pentru reglarea parametrilor fizico-chimici și microbiologici ai masei organice fermentabile. Pentru experimentele de fermentare în modelul exterimental demonstrativ, cantitatile ce material algal ce vor fi luate in lucru si proportiile din fiecare component de co-digestie vor fi urmatoarele:

biomasă algală umedă;

53

apă de diluție (volum determinat dupa analizele de laborator, în funcție de umiditatea substratului algal);

inocul de tip dejecții de vite, nămol fermentat de la stații de epurare sau nămol fermentat anaerob în sisteme de biogaz, in raport volumetric față de substratul organic de 10 volume substrat : 1 volum inocul.

c. Reglarea acidității amestecului de substrat organic (biomasă algală+inocul)

Este bine cunoscut faptul ca procesul de fermentare anaerobă se desfăşoară în mod optim la o aciditate cuprinsă între 6.8 şi 8. Valori ale pH mai mici 6.5 încetinesc considerabil fermentarea metanogenă. În cursul procesului de fermentare anaerobă, este necesară menţinerea unui echilibru dinamic între formarea acizilor volatili (produşii primei faze de descompunere) şi consumarea lor de către bacteriile metanogene, adică un conţinut de acizi volatili relativ scăzut (500 mg CH3COOH /litru). Perturbarea metabolismului bacteriilor metanogene determină acumularea în mediu a acizilor volatili, datorită procesului lent de asimilare a acestora. Deşi, până la un punct, ei sunt neutralizaţi de alcalinitatea biomasei algale, care are capacitate de tamponare datorită prezenţei bicarbonaţilor, după epuizarea acestora se încetineşte activitatea bacteriilor metanogene şi se produce un dezechilibru care perturbă procesul până la blocarea acestuia. Având în vedere sensibilitatea deosebită a bacteriilor metanogene la variaţii mici ale pH-ului, funcţionarea corectă a procesului impune menţinerea pH-ului în limite relativ restrânse. Nivelul pH-ului biomasei algale în interiorul reactorului este un factor critic în fermentarea anaerobă şi trebuie sa nu fie mai mic de 7,2, preferabil situandu-se intre 7,2 si 8. In acest scop, inainte de alimentare se va regla pH-ul amestecului prin adaugarea unei substante bazice (lapte de var, hidroxid de sodiu). Verificarea aciditatii biomasei de fermentare se va realiza cu ajutorul unui pH-metru de laborator de tip Hanna Instruments, cu afisare simultana pH si temperatura.

d. Verificarea și reglarea umidității amestecului organic

Pentru alimentarea in incintele de fermentare, conţinutul de solide totale nu trebuie să depăşească concentraţia de 8-10 %, respectiv umiditatea masei organice să se situeze în jur de 90-92%. Prin urmare, se va determina cantitatea de apă care trebuie adăugată masei organice pentru atingerea consistenţei necesare şi se va realiza amestecul optim de fermentare înainte de alimentarea în reactor. Determinarea umiditatii amestecului, respectiv a continutului de solide totale, se va realiza dupa reglarea pH-ului, prin prelevarea a trei probe de amestec, uscarea in etuva la 1050C, urmata de racirea in exsicator si cantarirea la balanta analitica. Avand in vedere neomogenitatea amestecului, cu prezenta de flocoane si fibre vegetale, materiale in suspensie, se va efectua determinarea umiditatii pentru un numar de trei probe prelevate dupa omogenizare, luandu-se in considerare pentru testele de fermentare valoarea medie a celor teri determinari.

54

e. Alimentarea bioreactoarelor de fermentare anaerobă și crearea condițiilor de anaerobioză

Amestecul astfel preparat va fi introdus in bioreactoarele de fermentare, adică în incintele de inox prevăzute cu manta de incalzire si control al temperaturii pentru regim mezofil. Realizarea conditiilor de anaerobioză în interiorul recipientilor se va realiza prin purjarea aerului de deasupra masei organice cu azot tip 5.0, puritate 9,999%, timp de cateva secunde, pana la evacuarea totală a aerului din sistem.

f. Desfășurarea experimentului de fermentare anaerobă

Experimentele de fermentare anaerobă vor fi conduse în regim staţionar, respectiv modelul experimental demonstrativ va fi alimentat într-o singură șarjă la momentul inițial şi va fi lăsat să funcţioneze până la epuizarea substratului organic, momentul de final al testului de fermentare fiind decis de încetarea producției de biogaz determinat prin analize cromatografice. După alimentarea substratului organic de fermentare (biomasă algală și inocul) și crearea condițiilor anaerobe in incintele de fermentare, deasupra masei fermentabile, se vor conecta incintele de fermentare la vasele de absorbție ce conțin soluții alcaline destinate purificării biogazului. Apoi vasele de absorbție de vor conecta la pungile de prelevare biogaz prevazute cu valvă și sistem de prelevare biogaz. Dupa asamblarea elementelor componente se va porni încălzirea electrică a incintelor de fermentare pentru crearea regimului de temperatură mezofil, temperatura fiind stabilită la 37 ± 2 0C.

g. Monitorizarea procesului de fermentare anaerobă și evaluarea potențialului de biogaz al biomasei algale prin analiză chimică instrumentală

Pe parcursul investigatiilor metanogenelor din punct de vedere fiziologic si ecologic, este de multe ori necesara monitorizarea gazelor produse in urma proceselor metabolice. Metabolismul bacteriilor metanogene cu producere de energie implica oxidarea hidrogenului si reducerea concomitenta a bioxidului de carbon.

Determinarea concentratiei de metan in amestecul de gaze produs de bacteriile metanogene se poate realiza prin analiza chimica instrumentala, cu ajutorul unui cromatograf de gaze.

Acest tip de instrument de masura este folosit pe scara larga în aplicaţiile chimice pentru determinarea compozitiei chimice a unui amestec de gaze. Se bazeaza pe separarea componentilor dintr-o proba foarte mica din amestecul gazos, proba care este purtata de catre un gaz eluent de-a lungul unei coloane cromatografice, urmata de masurarea separata a concentratiei fiecarui component in gazul eluent cu ajutorul unor detectoare speciale (detectoare cu termoconductivitate, cu ionizare in flacara, spectrometre de masa)

În cazul gazului natural şi hidrocarburilor se folosesc următoarele tipuri de gaze purtătoare: heliu, hidrogen, argon si azot, uneori un amestec al acestora, dar cel mai des

55

utilizat este heliu, pentru ca are cel mai mic coeficient de difuzie si conductivitate electrică. Un factor important în alegerea gazului purtător il are şi tipul de detector utilizat.

Pentru determinarea concentratiei de metan in biogazul rezultat in procesele de fermentare anaeroba, se va utiliza un sistem gaz cromatograf cuplat cu un spectrometru de masa, tip VARIAN GC450/MS240, prezentat in figura 2.23. Echipamentul este dotat cu detectori FID, TCD si spectrometru de masa. Pentru analiza cromatografica, proba de analizat trebuie să fie uscată şi fara urme de substanţe solide. In acest sens sunt montate filtre şi membrane pe traiectul injectorului. Filtrele filtrează particulele solide pâna la mărimi micronice şi membranele opresc urmele de lichide din proba gazoasă. Amestecul de biogaz va fi prelevat din incintele de fermentare cu ajutorul unui balon de cauciuc, destinat special prelevarii de hidrocarburi, sau cu ajutorul unei seringi de prelevare gaze. De asemenea, recipientul de prelevare gaze poate fi decuplat de la sistemul de colectare si de purificare gaze si poate fi atasat direct la cromatograf pentru analiza instrumental a biogazului generat.

Figura 2.23 Sistem GC/MS pentru analiza biogazului rezultat prin fermentarea

biomasei algale Evaluarea calitativa a biogazului rezultat se va efectua pentru o perioada de experimentari de minim o luna, dupa circa 2 saptămâni de la demararea experimentelor de fermentare, știut fiind faptul că in perioada initiala de start sau de acomodare a proceselor biologice nu sunt inregistrate producții de gaze care sa indice o activitate microbiana semnificativa. Concentratia procentulală de metan din biogaz va fi determinată pentru fiecare din probele de biogaz prelevate de la cele două bioreactoare din componența modelului demonstrativ de laborator. Pe baza rezultatelor obținute prin analiză chimică instrumentală, se va determina potențialul de biogaz al materialelor algale luate în experimentări si vor fi elaborate concluzii și recomandări privind potențialul de valorificare energetică pentru producere de biogaz corespunzător speciilor algale studiate.

56

CAPITOL 4

Concluzii și recomandări

Algele reprezintă o bioresursă atractivă pentru producerea de biocombustibil datorită potențialului lor de creștere rapida, a compoziției chimice bogate în lipide și în alți compuși organici cu valoare energetică ridicată dar si faptului că algele nu necesită teren agricol, deci nu creează controverse privind destinația terenului arabil în scop energetic, în detrimentul hranei. Aspectele de etică în utilizarea bioresurselor finite provenind din terenuri arabile (la nivel mondial revenind circa 0,2 ha teren arabil pentru fiecare locuitor) pentru producerea de energie sunt criterii importante ce trebuie luate în considerare în promovarea și implementarea tehnologiilor de valorificare a bioresurselor.

Numeroase lucrări de cercetare au indicat potențialului de biogaz al diferitelor tipuri de macro si microalge, randamentul de transformare în biometan variind intre 100 si 450 litri CH4 pentru fiecare kilogram de solide volatile conținute de masa algală fermentabilă.

Performanțele procesului de fermentare anaerobă diferă semnificativ de la o specie la alta, dar și amestecul de substrat ce include specii diferite determină productivitați de biogaz diferite. Pentru a atinge o performanță crescută a metodei de conversie a biomasei algale în biogaz, se recomandă considerarea și evaluarea următorilor factori cu potențial de influență asupra randamentului de biogaz: tipul biomasei algale utlizate ca substrat majoritar și/sau substrat de co-digestie, tehnicile de cultivare, metodele de pretratare a algelor, configurația instalației de biogaz, produsul gazos care se dorește a se obține (metan sau hidrogen), tipul de materiale co-substrat folosite pentru co-digestie, integrarea tehnologiei de biogaz cu alte tehnologii (de ex. aquacultura, extragere preliminară componenți prin biorafinare etc.).

În concluzie, algele sunt considerate ca fiind cei mai promițători candidati pentru producerea de biomasa, respectiv biogaz si biodiesel, datorita abilitatii lor de crestere rapida, a producerii unor mari cantitati de lipide, carbohidrati si proteine, crescand in ape de calitate redusa, fiind capabile sa stocheze si sa recicleze bioxidul de carbon provenit din emissile de gaze industriale si sa indeparteze poluantii din industrie, agricultura si din apele uzate municipale.

Din rezultatele preliminare obținute în cadrul prezentei etape de proiect, se pot desprinde următoarele concluzii și recomandări:

Speciile de apă dulce din genul Cladophora se recomandă a fi recoltate pentru utilizarea în testele de fermentație;

Zonele cu potențial ridicat pentru valorificarea speciilor din genul Cladophora sunt lacul Ciuperca și cursurile de apă din zonele limitrofe Rezervației Biosferei Delta Dunării. Se recomandă continuarea investigaților în interiorul rezervației în perioada primăvară-vară;

Specia marină Ulva intestinalis identificată în zonă stâncoasă pe partea sudică a grindului Chituc se recomandă a fi recoltată pentru utilizarea în testele de fermentație;

Se recomandă continuarea măsurătorilor de evaluare a biomasei în laborator cu schimbarea protocolului de stimulare a dezvoltării biomasei algale și de concentrare a suspensiei.

57

Bibliografie:

Adam D Hughes, Kenneth D Black, Iona Campbell, Johanna J Heymans, Kyla K Orr, Michele S. Stanley, Maeve S. Kelly (2013) Comments on „Prospects for the use of macro-algae for fuel in Ireland and UK: An overview of marine management issues. Marine Policy 38 (2013) 554–556.

Afanasyev D., 2010, Phytogeographical structure of macrophyte alga flora of the Black Sea Russian shelf, Journal of Environmental Protection and Ecology 11, No 4, 1332–1335

Allen, E., Browne, J., Hynes, S., Murphy, J.D. (2013) The potential of algae blooms to produce renewable gaseous fuel. Waste Management doi.org/10.1016/j.wasman.2013.06.017 (IF 2.801).

Allen, E., Browne, J., Murphy, J.D. (2013) Evaluation of biomethane potential from co-digestion of nitrogenous substrates. Environmental Technology DOI:10.1080/09593330.2013.806564

Allen, E; Wall, D., Murphy, J.D (2014). Biomethane potential from seaweeds collected from the Irish coastline.

Alzate M.E., Munoz R., Rogalla F., Fdz-Polancoand F. Perez-Elvira S.I., Biochemical methane potential of microalgae: Influence of substrate to inoculum ratio, biomass concentration and pretreatment Bioresource Technology. 123 (2012), pp. 488-494.

Angelidaki I, Alves M, Bolzonella D, Borzacconi L, Campos JL, Guwy AJ, Kalyuzhnyi S, Jenicek P, Van Lier JB (2009). Defining the biomethane potential (BMP) of solid organic wastes and energy crops: A proposed protocol for batch assays. Water Science and Technology p. 927-34.

Annette Bruhn, Jonas Dahl, Henrik Bangs Nielsen Lars Nikolaisen, Michael Bo Rasmussen, Stiig Markager, Birgit Olesen, Carlos Arias, Peter Daugbjerg Jensen (2011) Bioenergy potential of Ulva lactuca: Biomass yield, methane production and combustion. Bioresource Technology 102, 2595–2604

Astrid Werner, Declan Clarke, Stefan Kraan (2004). Strategic Review of the Feasibility of Seaweed Aquaculture in Ireland. NDP Marine RTDI Desk Study Series REFERENCE: DK/01/008.ISSN: 1649 5063

Becker E. (1994). Microalgae-Biotechnology and microbiology. Cambridge University Press.

Berov D.N., 2012, Structure of Cystoseira spp. macroalgal communities and the influence of anthropogenic factors on their distribution. Macroalgae as an indicator of the ecological state of coastal marine ecosystems in the Black Sea, Abstract of PhD tesis, 32 page, 02.22.01 Ecology and conservation of ecosystems, BULGARIAN ACADEMY OF SCIENCES Institute for biodiversity and ecosystem research

Brennan, L. and Owende P. (2010) „Biofuels from microalgae-A review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and coproducts‟ Renewable and Sustainable Energy Reviews vol 14, pp557-577

Briand, X., Morand, P., (1997). Anaerobic digestion of Ulva sp. 1. Relationship between Ulva composition and methanisation. Journal of Applied Phycology 9, 511–524.

Burrows M.T, MacLeod M, Orr K (2011) Scottish Association for Marine Science Internal Report No. 269, Mapping the intertidal seaweed resources of the Outer Hebrides, prepared by SAMS and the Hebridean Seaweed Company, Prepared for Highlands and Islands Enterprise and Scottish Enterprise, 45pp.

58

Burton T., Lyons H., Lerat Y., Stanley M., Rasmussen M. B., 2009, A Review of the Potential of Marine Algae as a Source of Biofuel in Ireland, report Sustainable Energy Ireland, 92 pag.

Cadar E., Erimia C-L., Tomescu A., Paris S., Sirbu R.2016Marine Algae from Black Sea - Important Resources in the Pharmaceutical and Medical ResearchEuropean Journal of Interdisciplinary Studies, 4(1): 27-33

Chisti Y., 2008, Response to Reijnders: Do biofuels from microalgae beat biofuels from terrestrial plants? Trends in Biotechnology, 26 (7): 351-352

Christiane Herrmann, Jamie FitzGerald, Richard O’Shea, Ao Xia, Pádraig O’Kiely, Jerry D. Murphy, Ensiling of seaweed for a seaweed biofuel industry, Bioresource Technology 196, 2015, 301–313.

Chynoweth DP, Fannin KF, Srivastava VJ (1987). Biological gasification of marine algae. In: Bird KT, Benson PH, editors. Developments in Aquaculture and Fisheries Science. Amsterdam: Elsevier Science Publishers; 1987.

De Schamphelaire, L., Verstraete, W. (2009) „Revival of the Biological Sunlight-to-Biogas Energy Conversion System‟, Biotechnology and Bioengineering vol 103, pp296-304

Dumont H.J., 1999, Black Sea red data book, 413 pag., GEF Black Sea Environment Programme

Falkowski PG, Barber RT, Smetacek VV. Biogeochemical controls and feedbacks on ocean primary production. Science. 1998;281(5374):200–207.

Golueke C.G., Oswald W.J., Gotaas H.B. (1957), Anaerobic digestion of algae Appl. Microbiol. 5 (1), 47-55.

Guiry, M.D. & Guiry, G.M. 2017. AlgaeBase. World-wide electronic publication, National University of Ireland, Galway. http://www.algaebase.org; searched on 31 October 2017.

Heerenklage J., Maxfield T., Zapf A., Adwiraah H., Wieczorek N., Koerner I. (2010) Anaerobic digestion of microalgae – possibilities and limits. Proceedings of third International Symposium on Energy from Biomass and Waste, Venice, Italy.

Jard G., Marfaing H., Carrère H., Delgenes J.P., Steyer J.P., Dumas C. (2013). French Brittany macroalgae screening: Composition and methane potential for potential alternative sources of energy and products. Bioresource Technology http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2013.06.114

Karaçuha A., Karaçuha M. E., 2013, Changes of Macroalgae Biomass in Sinop Peninsula Coast of the Black Sea, Turkey Turkish Journal of Fisheries and Aquatic Sciences 13: 725-736, DOI: 10.4194/1303-2712-v13_4_18

Kelly, M.E., Dworjanyn, S., 2008. The potential of marine biomass for anaerobic biogas production: a feasibility study with recommendations for further research, pp. 1–103. ISBN: 978-1-906410-05-6.

Kojima E, Zhang K. Growth and hydrocarbon production of microalga Botryococcus braunii in bubble column photobioreactors. J Biosci Bioeng. 1999;87(6):811–815.

Lamare, M.D., Wing, S.R., (2001). Calorific content of New Zealand marine macrophytes. N. Z. J. Mar. Freshwater Res. 35, 335–341.

59

Marin O.A., Timofte F., 2011, Atlasul macrofitelor de la litoralul românesc, 170 pag., Editura Boldas, Constanța

Marin O., Berov D., Todorov E., 2015, Macrophytobenthic Communities from the Romanian Black Sea Coast - Indicators of the Ecological Status of Coastal Water Bodies, Cercetări Marine, 45: 195-205

Msuya, F., Neori, A., (2008). Effect of water aeration and nutrient load level on biomass yield, N uptake and protein content of the seaweed Ulva lactuca cultured in seawater tanks. J. Appl. Phycol. 20, 1021–1031.

Morand, P., Carpentier, B., Charlier, R.H., Mazé, J., Orlandini, M., Plunkett, B.A., De Waart, J.,(1991). Seaweed Resources in Europe: Uses and Potential. John Wiley & Sons, Chichester.

Murphy J, Braun R, Weiland P., Wellinger A. (2011) Biogas from Crop Digestion. IEA Bioenergy, available In: http://www.iea-biogas.net/_content/publications/publications.php

Murphy, J.D., Thamsiriroj, T. (2011) What will fuel transport systems of the future? Materials Today, 14, (11) 518 – 524

Murphy, J.D., Power, N.M. (2008). How can we improve the energy balance of ethanol production from wheat? Fuel, 87 (10-11)1799 – 1806

Mussgnung, J.H., Klassen, V., Schluter, A. and Kruse, O. (2010) „Microalgae as substrates for fermentative biogas production in a combined biorefinery concept,‟ Journal of Biotechnology, vol 150, pp51-56

Nastac M., Gheorghiu K., Mihu I., 2014, Characteristics of macro-algae biomass from romanian Black Sea coast, Proceedings 2nd International Conference - Water resources and wetlands. 11-13 September, 2014 Tulcea (Romania), pag. 383-387

Negreanu-Pîrjol B., Negreanu-Pîrjol T., Paraschiv G., Bratu M., Sîrbu R., Roncea F., Meghea A., 2011, Physical-chemical characterization of some green and red macrophyte algae from the romanian Black Sea littoral, Studii şi Cercetări Ştiinţifice Chimie şi Inginerie Chimică, Biotehnologii, Industrie Alimentară, 12 (2), pp. 173 – 184

Nicolic Vasile “Producerea si utilizarea biogazului pentru obtinerea de energie” – suport de curs, 2006.

Nkemka VN, Murto M. (2010). Evaluation of biogas production from seaweed in batch tests and in UASB reactors combined with the removal of heavy metals. Journal of Environmental Management 91:1573-1579.

Østgaard K., Indergaard M., Markussen S., Knutsen S.H.,and Jensen A. (1993) Carbohydrate degradation and methane production during fermentation of Laminaria saccharina (Laminariales, Phaeophyceae), J. Appl. Phycol. 5 (1993),pp. 333–342

Parker MS, Mock T, Armbrust EV. Genomic insights into marine microalgae. Annu Rev Genet. 2008; Vol.42, pp. 619–645.

Pedersen, M.F., Borum, J., (1996). Nutrient control of algal growth in estuarine waters. Nutrient limitation and the importance of nitrogen requirements and nitrogen storage among phytoplankton and species of macroalgae. Mar. Ecol. Prog. Ser.142, 261–272.

Péterfi Șt., Ionescu Al. (edit), 1976, Tratat de algologie, vol 1, 587 pag, Editura Academiei RSR, București

60

Petreanu A., 1997, Black Sea Biological Diversity, Romania, Romanian National Report, Black Sea Environmental Series, vol 4, 314 pag, United Nations Development Programme, USA

Peu, P., Sassi, J.F., Girault, R., Picard, S., Saint-Cast, P., Béline, F., Dabert, P., (2011). Sulphur fate and anaerobic biodegradation potential during co-digestion of seaweed biomass (Ulva sp.) with pig slurry. Bioresource Technology 102, 10794–10802.

Posten, Clemens (Ed.) and Walter, Christian (Ed.). Microalgal Biotechnology: Integration and Economy. Berlin, Boston: De Gruyter, 2012. Web. Retrieved 8 Nov. 2013, from http://www.degruyter.com/view/product/185619

Ragan, M.A., Glombitza, K.W., (1986). Phlorotannins, brown algae polyphenols. Progress in Phycological Research 4, 32–241.

Ryan C. Christiansen (2008) British report: Use kelp to produce energy Available In: http://www.biomassmagazine.com/articles/2166/british-report-use-kelp-to-produce-energy/

Rogers J.N., Rosenberg J. N., Guzman B. J., Oh V. H., Mimbela L. E., Ghassemi A., Betenbaugh M. J., Oyler G. A., Donohue M.D., 2014, A critical analysis of paddlewheel-driven raceway ponds for algal biofuel production at commercial scales, Algal Research 4: 76–88

Rui Jiang, Kapilkumar Nivrutti Ingle, Alexander Golberg, Macroalgae (seaweed) for liquid transportation biofuel production: what is next?, Algal Research Vol. 14, 2016, pp. 48–57

Sava D., Doroftei E., Arcuş M., 2011, Ecology and distribution of macrophytic red algae from the Romanian Black Sea coast, Botanica Serbica, 35 (1): 37-41

Sburlea A., Boicenco L., Bologa A.S., 2006, Vegetația submarină de la litoralul românesc al Mării Negre. Importanță pentru ecosistem și măsuri de conservare, 17 pag., broșură proiect CNCSIS /425/2006, INCDM „Grigore Antipa”

Sheehan J, Dunahay T, Benemann J, Roessler P. A Look Back at the U S Department of Energy's Aquatic Species Program – Biodiesel from Algae. Vol. 328. National Renewable Energy Laboratory; CO, USA: 1998. ▪ ▪ Outlines some of the early successes and challenges faced by groups currently addressing algae biofuels.

Shiplu Sarker, Anette Bruhn, Alastair James Ward, Henrik Bjarne Møller (2012) BIO-FUEL FROM ANAEROBIC CO-DIGESTION OF THE MACRO-ALGAE ULVA LACTUCA AND LAMINARIA DIGITATA International Scientific Conference on Renewable energy and energy efficiency Latvia, May 2012

Sialve B, Bernet N, Bernard O. Anaerobic digestion of microalgae as a necessary step to make microalgal biodiesel sustainable. Biotechnol Advances. 2009;27(4):409–416.

Smyth, B.M., Murphy, J.D., O'Brien, C. (2009). What is the energy balance of grass biomethane in Ireland and other temperate northern European climates? Renewable and Sustainable Energy Reviews 13(9): 2349-2360

Stephenson, AL, Kazamia E, Dennis JS, Howe CJ, Scott SA & Smith AG (2010). Life-cycle assessment of potential algal biodiesel production in the United Kingdom: a comparison of raceways and air-lift tubular bioreactors. Energy Fuels 24, 4062–4077

61

Thamsiriroj, T., Murphy, J.D. (2009). Is it better to import palm oil from Thailand to produce biodiesel than to produce biodiesel from indigenous Irish rape seed? Applied Energy 86 (5) 595–604

Török L., 2009. The analysis of the information on algae and revised checklist from Danube Delta Biosphere Reserve, Scientific Annals of Danube Delta Institute, vol. 15: 47-66, Tulcea.

Török, L., 2013, Hazard risk and alert level in assessment of a rehabilitated urban lake Scientific Annals of the Danube Delta Institute vol. 19, pag. 111-116, doi: 10.7427/DDI.19.15

Török, L. 2014, Assessment of phytoplankton variation by spectral fluorescence in the Danube Delta Biosphere Reserve Journal of Environmental Protection and Ecology, 15 (2): 517-525

Török, L., Pavelescu, G., Török, Zs., Carstea E.M., 2015, Optical characterization of aquatic ecosystems for the northern Dobrogean Plateau, Conference Procedings: 15th International Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM 2015, (Hydrology & Water Resources), 1: 477 – 484, DOI: 10.13140/RG.2.1.3118.3209

Tudor I.M., Ibram O., Török L., Covaliov S., Doroftei M., Tudor M., Năstase A., Navodaru I., 2015 Metode de monitorizare a indicatorilor biologici în ecosistemele acvatice ale Deltei Dunării, DOI: 10.13140/RG.2.1.4342.1201, In book: Ghid metodologic de monitorizare a factorilor hidromorfologici, chimici şi biologici pentru apele de suprafaţă din Rezervaţia Biosferei Delta Dunării, Chapter: 3, Publisher: Centrul de Informare Tehnologică Delta Dunării, Editors: Iuliana-Mihaela TUDOR, pp.95 -142

Vanegas C.H. and Bartlett J. (2013) Green energy from marine algae: biogas production and composition from the anaerobic digestion of Irish seaweed species. Environmental Technology, 2013 http://dx.doi.org/10.1080/09593330.2013.765922

Vivekanand V., Eijsink V.G.H., and Horn S.J. (2011) Biogas production from the brown seaweed Saccharina latissima: Thermal pretreatment and codigestion with wheat straw, J. Appl.Phycol.. doi: 10.1007/s10811-011-9779-8

Yen, H.-W., Brune, D. E. (2007) „Anaerobic co-digestion of algal sludge and waste paper to produce methane‟, Bioresource Technology, vol 98, pp130–134

***, 1993, LEGE nr.82 din 20 noiembrie 1993 privind constituirea Rezervaţiei Biosferei "Delta Dunării", IN: M.Of. nr. 283/7 dec. 1993

***, 2005, LEGE nr.113 din 28 aprilie 2005 privind aprobarea Ordonanţei de urgenţă a Guvernului nr. 69/2004 pentru modificarea şi completarea Legii nr. 192/2001 privind resursele acvatice vii, pescuitul şi acvacultura. IN: Monitorul Oficial nr. 395/10 mai 2005

***, 2008, Algele, cosmarul litoralului romanesc, România Liberă, online, 04 iunie 2008 http://romanialibera.ro/index.php/actualitate/eveniment/algele--cosmarul-litoralului-romanesc-126229

***, 2010, Algal Biofuel R & D at NREL, NREL/BR-510-49123, 6 pag., https://www.nrel.gov/docs/fy10osti/49123.pdf

***, 2011, Algae Management and Off-flavor in U.S. Catfish Operations, 2009, APHIS Info Sheet, Veterinary Servixes, Centers for Epidiemiology and Animal Health, 3 pag.

***, 2015, Algal Toxin Risk Assessment and Management Strategic Plan for Drinking Water, Strategy Submitted to Congress to Meet the Requirements of P.L. 114-45, 81 pag., 810R04003 US Environmental Protection Agency

62

***, 2017a, Freshwater Algae Control, Department of Ecology State of Washington, online search 25.10.2017 http://www.ecy.wa.gov/programs/wq/plants/algae/index.html

***, 2017b, Managing algal blooms, WaterNSW, online search 25.10.2017, http://www.water.nsw.gov.au/water-management/water-quality/algal-information

***, 2017c, Algal Biofuels, The Bioenergy Technologies Office’s Advanced Algal Systems Program, U.S. Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE), online search 25.10.2017, https://energy.gov/eere/bioenergy/algal-biofuels

***, 2016, Controlul integrat al Poluării cu Nutrienți, http://www.mmediu.ro/categorie/controlul-integrat-al-poluarii-cu-nutrienti/96

Directive 2003/30/EC of the European Parliament and of the Council of 8 May 2003 on the promotion of the use of biofuels or other renewable fuels for transport. Available In: http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:32003L0030:en:NOT Directive 2009/28/EC of the European Parliament and of the Council of 23 April 2009 on the promotion of the use of energy from renewable sources. Available IN: Directives 2001/77/EC and 2003/30/EC http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:32009L0028:EN:NOT European Commission - IP/12/1112 New Commission proposal to minimise the climate impacts of biofuel production Brussels, 17 October 2012. Available in: http://europa.eu/rapid/press-release_IP-12-1112_en.htm European Parliament News (2013). European Parliament backs switchover to advanced biofuels. Press release - Environment − 11-09-2013. Available in: http://www.europarl.europa.eu/news/en/news-room/content/20130906IPR18831/html/European-Parliament-backs-switchover-to-advanced-biofuels European Academies Science Advisory Council (EASAC) 2013. The current status of biofuels in the European Union, their environmental impacts and future prospects. EASAC policy report 19 December 2012 ISBN: 978-3-8047-3118-9. Available In: www.easac.eu

FAO (2010). The State of World Fisheries and Aquaculture – 2010 (SOFIA); 2010.