Izolacija mikroalga i cijanobakterija iz prirodnih ...
Transcript of Izolacija mikroalga i cijanobakterija iz prirodnih ...
Izolacija mikroalga i cijanobakterija iz prirodnihstaništa i njihov uzgoj za proizvodnju bioplina
Kujundžić, Ivona
Undergraduate thesis / Završni rad
2021
Degree Grantor / Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: Josip Juraj Strossmayer University of Osijek, Department of biology / Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku, Odjel za biologiju
Permanent link / Trajna poveznica: https://urn.nsk.hr/urn:nbn:hr:181:702614
Rights / Prava: In copyright
Download date / Datum preuzimanja: 2021-10-11
Repository / Repozitorij:
Repository of Department of biology, Josip Juraj Strossmayer University of Osijek
Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku
Odjel za biologiju
Preddiplomski sveučilišni studij Biologija
Ivona Kujundžić
Izolacija mikroalgi i cijanobakterija iz prirodnih staništa i
njihov uzgoj za proizvodnju bioplina
Završni rad
Osijek, 2020.
TEMELJNA DOKUMENTACIJSKA KARTICA Završni rad
Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku
Odjel za biologiju
Preddiplomski sveučilišni studij Biologija: Prirodne znanosti
Znanstveno polje: Biologija
Izolacija mikroalgi i cijanobakterija iz prirodnih staništa i njihov uzgoj za proizvodnju bioplina
Ivona Kujundžić
Rad je izrađen na: Odjel za biologiju, Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku
Mentor: Izv. prof.dr. sc. Melita Mihaljević
Kratak sažetak završnog rada:
Mikroalge i cijanobakterije su široko rasprostranjeni biljni organizmi u svim vodenim staništima, a imaju
velik potencijal da se kao biomasa koriste u proizvodnji biogoriva. Cilj ovog rada je istražiti na koji način
se mikroalge i cijanobakterije izoliraju iz prirodnih staništa te masovno uzgajaju za proizvodnju bioplina
posebno kao kosupstrati. Tradicionalne metode izolacije opisane u radu odnose se na metodu izolacije
pojedinačnih stanica, metodu kojom se alge iz prirodnih staništa nasađuju na agar, metodu razrjeđivanja te
metodu taloženja i separacije pomoću gravitacije. Izolirane kulture uzgajaju se u laboratorijskim uvjetima pri
čemu su bitni čimbenici temperatura i svjetlost. Masovni uzgoj može se odvijati u otvorenim bazenima, na
malim površinama eutrofnih voda. Biomasa cijanobakteija i mikroalga može se koristiti u postupku
kodigestije za proizvodnju bioplina. Energetski učinak kodigestije mikroalga i cijanobakterija s drugim
organskim supstratima ukazuje na velike mogućnosti u unaprjeđivanju proizvodnje bioplina.
Broj stranica: 17
Broj slika: 11
Broj tablica: 1
Broj literaturnih navoda: 18
Jezik izvornika: hrvatski
Ključne riječi:mikroalge, cijanobakterije, metode izolacije, uzgoj, proizvodnja bioplina
Rad je pohranjen: na mrežnim stranicama Odjela za biologiju te u Nacionalnom repozitoriju završnih i
diplomskih radova Nacionalne i sveučilišne knjižnice u Zagrebu
BASIC DOCUMENTATION CARD Bachelor thesis
Josip Juraj Strossmayer University of Osijek
Department ofBiology
Undergraduate university study programme in Biology
Scientific Area: Natural sciences
Scientific field: Biology
Isolation of microalgae and cyanobacteria from natural environment and cultivation for biogass
production
Ivona Kujundžić
Thesisperformed at: Department od Biology. Josip Juraj Strossmayer University of Osijek.
Supervisor: Melita Mihaljević, Assoc. Prof.
Short abstract:
Microalgae and cyanobacteria are widespread plant organisms in all aquatic habitats, and they have great
potential to be used as biomass in biofuel production. The aim of this paper is to scrutinize how microalgae
and and cyanobacteria are isolated from natural habitats and mass-produced for biogas production, especially
as cosubstrates. The traditional isolation methods described in this paper are the single cell isolation method,
the method by which algae are planted on agar, the dilution method and separation by gravity. Isolated
cultures are grown in laboratory conditions where temperature and light are important factors. Mass
cultivation can take place in outdoor pools, on small areas of eutrophic waters. Biomass of cyanobacteria and
microalgae can be use in the codigestion process for biogas production. The energy efficiency of codigestion
of microalgae and cyanobacteria with other organic substrates indicates great potential in enhancing biogas
production.
Number of pages: 17
Number of figures: 11
Number of tables: 1
Number of references: 18
Original in: Croatian
Keywords:microalgae, cyanobacteria, isolation methods, cultivation, biogas production
Thesis deposited: on the Department ofBiologywebsiteandthe Croatian Digital ThesesRepositoryoft he
National and University Libraryin Zagreb.
SADRŽAJ:
1. UVOD ...........................................................................................................................1
1.1. Bioplin – obnovljivi izvor energije ..............................................................................1
1.2. Mikroalge i cijanobakterije kao sirovina u proizvodnji bioplina ...................................4
1.3. Cilj rada ......................................................................................................................5
2. TRADICIONALNE METODE IZOLACIJE MIKROALGI I CIJANOBAKTERIJA IZ
PRIRODNIH STANIŠTA ..................................................................................................6
2.1. Izolacija pojedinačnih stanicamikropipetom ................................................................6
2.2. Izolacija nasađivanjem na agar ....................................................................................7
2.3. Metoda razrjeđivanja ...................................................................................................8
2.4. Separacija gravitacijom – centrifugiranje i taloženje ....................................................9
3. UZGOJ MIKROALGI I CIJANOBAKTERIJA..............................................................9
3.1. Uzgoj u laboratorijskim uvjetima ................................................................................9
3.2. Masovni uzgoj u otvorenim bazenima ....................................................................... 11
4. Proizvodnja bioplina u kodigestiji s mikroalgama i cijanobakterijama .......................... 14
5. ZAKLJUČAK .............................................................................................................. 15
6. LITERATURA ............................................................................................................ 16
1
1. UVOD
1.1. Bioplin – obnovljivi izvor energije
Fosilna goriva to jest ugljen, nafta i zemni plin imaju široku primjenu u industriji i
od velike su važnosti za čovječanstvo. Najvećim dijelom se koriste u proizvodnji umjetnih
gnojiva, topline, plastike te goriva za prijevozna sredstva. Radi se o neobnovljivim
izvorima energije čija je količina ograničena, a izgaranjem, fosilnih goriva u atmosferu se
otpuštaju staklenički plinovi, u najvećoj mjeri CO2, koji pridonose globalnom zatopljenju i
zakiseljavanju mora i oceana. Kako bi sačuvali naš planet, znanstvenici već desetljećima
istražuju i primjenjuju nove tehnologije te teže korištenju alternativnih i obnovljivih izvora
energije. U prvom redu to su: vjetar, geotermalna energija te Sunce, a iskorištava se
energija iz biomase.
Primjenom suvremenih tehnologija i metoda moguće je uspješno iz biomase dobiti
nekoliko različitih vrsta biogoriva koji se mogu primjenjivati umjesto fosilnih goriva, s
time da imaju manji utjecaj na zagađenje okoliša. Prema različitim izvorima(sirovinama) i
tehnološkim procesima razlikujemo nekoliko ''generacija'', točnije, kategorija biogoriva.
Biogoriva prve generacije proizvode se iz jestivih sirovina kao što su kukuruz, soja,
šećerna repa te uljana repica. U prvu generaciju spadaju biodizel, bioetanol te bioplin.
Biogoriva druge generacije proizvode se iz poljoprivrednog i šumskog otpada. Proizvodnja
goriva druge generacije manje je zahtjevna zbog korištenja manje površine uzgoja i ima
veće prinose ali postoji velik problem kod ovakve proizvodnje a to je da su
lignocelulozne(drvene) sirovine snažno otporne degradaciji što otežava preradu. U goriva
druge generacije ubrajamo celulozni etanol, biometanol, HTU-dizel
(HydroThermalUpgrading) i drvni plin. Biogoriva treće generacije proizvode se preradom
algalnih sirovina koje se sastoje od mikroalgi i cijanobakterija (Montingelli i sur. 2015).
Alge mogu proizvesti i do 30 puta više energije po hektaru zemljišta nego žitarice što
biogoriva treće generacije čine energetski najisplativijima.
Bioplin se proizvodi postupkom anaerobne digestije. To je kompleks procesa u
kojima specijalizirani mikroorganizmi razgrađuju organsku sirovinu u anaerobnim
uvjetima (Gonzalez i sur. 2018) pri čemu nastaju u najvećoj mjeri metan (CH4) i ugljikov
dioksid (CO2), a što su glavne sastojine bioplina. Bioplin pored toga sadrži i niske
koncentracije dušika, amonijaka, sumporovodika, vodika i vodene pare.
2
Proces anaerobne digestije odvija se u četiri faze: hidroliza, fermentacija ili
acidogeneza, acetogeneza i metanogeneza (Bohutsky i Bouwer 2013). Proces
transformacije biomase u bioplin odvija se u 6 osnovnih koraka koji su prikazani na Slici 1.
Ključni koraci proizvodnje bioplina su upravo 5. i 6. korak (Slika 1) jer tada nastaje
metan, oko 70% iz acetata, te 30% iz vodika i ugljikova dioksida. Najvažniji čimbenici
koji utječu na količinu i sastav plina dobivenog anaerobnom digestijom su: sastav
supstrata, udio vode, temperatura, pH te lužnatost. Sastav bioplina najviše ovisi o sastavu
supstrata o kojem ovisi razina produkcije metana i ugljikova dioksida (Gonzalez i sur.
2018).
Slika 1: Proces transformacije biomase u bioplin: 1. Koloidne čestice biopolimera hidroliziraju u
monomere; 2. Iz aminokiselina i šećera u procesu fermentacije ili acidogeneze nastaju propionat,
butirat, laktat i etanol(posrednički produkti) te acetat i vodik ; 3. Dugolančane masne kiseline
procesom betaoksidacije i alkoholne fermentacije prelaze u hlapljive masne kiseline(VFA) i vodik;
4. Anaerobna oksidacija ili acetogeneza intermedijarnih produkata kao što je VFA u acetat,
ugljikov dioksid i vodik; 5. Acetat se transformira u metan; 6. Molekularni vodik i ugljikov
dioksid se transformiraju u metan(preuzeto i prilagođeno iz Bohutsky i Bouwer, 2013).
3
Produkcija bioplina putem procesa anaerobne digestije ima značajne prednosti u
usporedbi s drugim oblicima bioenergije. Procijenjeno je da se radi o energetski
najisplativijem procesu i neopasnom za okoliš, budući da pruža velike količine bioplina
koji se može primijeniti i uz to ne zagađuje okoliš izgaranjem kao fosilna goriva
(Montigneli i sur. 2015). Osim mikroalgi i cijanobakterija, supstrati za proizvodnju
bioplina anaerobnom digestijom mogu biti i stajski otpad i jestive sirovine kao što su
kukuruz, soja, šećerna repa te uljana repica.
Slika 2: Faze anaerobne digestije s uključenim mikroorganizmima za svaki korak anaerobne
digestije(preuzeto i prilagođeno prema Cavinato i sur. 2017).
4
1.2. Mikroalge i cijanobakterije kao sirovina u proizvodnji bioplina
Mikroalge su eukariotski jednostanični i kolonijalni organizmi koji se razvijaju u
gotovo svim staništima na Zemlji gdje ima dovoljno hranjivih tvari, svjetlosti i vode.
Budući da su lako prilagodljive, nastanjuju jezera, bare, potoke, rijeke, obalne i otvorene
vode mora i oceana, a neke su se vrste prilagodile ekstremnim uvjetima kao što su
vulkanski krateri, ekstremno slana staništa i stalno zamrznuto tlo.
Cijanobakterije su prokariotski organizmi jednostavne građe. Ne posjeduju jezgru
niti stanične organele. Glavna kemijska komponenta cijanobakterija su proteini. Nemaju
čvrstu polisaharidnu staničnu stijenku te zbog toga imaju manje polisaharida u odnosu na
eukariotske mikroalge što ih čini manje zahtjevnima za preradu (Bohutskyi i Bouwer
2013).
Mikroalge i cijanobakterije se primjenjuju u različite biotehnološke svrhe. Jedan od
novijih načina iskorištavanja algalne biomase jest primjena u proizvodnji bioplina. Algalna
biomasa se raznim procesima može preraditi u biogoriva, a pokazalo se da je upravo
proces anaerobne digestije(AD) najefektivniji u proizvodnji bioplina (Montingelli i sur.
2015).
Slika 3: Shematski prikaz integriranog kruga za proizvodnju biodizela i bioplina korištenjem algalne
biomase(preuzeto i prilagođeno prema Gonzalez-Gonzalez i sur. 2018).
5
Glavna prednost kultivacije mikroalgi i cijanobakterija u svrhu njihove daljnje
upotrebe je da se lako kultiviraju i rastu brže u usporedbi s drugim organskim sirovinama
kao što su više biljke te u kratkom vremenu mogu proizvesti velike količine biomase koja
se može dalje prerađivati (Pandey 2014). Pored toga, mogu se razvijati pod različitim
okolišnim uvjetima, tj. različitim uvjetima kakvoće vode, temperature, saliniteta i svjetla.
Kada su izložene fizičkom ili kemijskom stresu, inducira se proizvodnja velikih količina
proteina, lipida, ugljikohidrata, polimera i pigmenata
Prvi korak koji vodi ka proizvodnji bioplina jest odabir mikroalgi i cijanobakterija,
ovisno o tome što od njih želimo dobiti budući da imaju širok spektar makromolekula koje
se mogu iskorištavati u biotehnologiji (Pandey 2014). Sadrže različite količine lipida,
proteina, polisaharida, pigmenata, nukleinskih kiselina, te bioaktivnih tvari od velike
važnosti za procese prerade (Gonzalez i sur. 2018). Fiziološke, biokemijske i genetske
karakteristike koje omogućuju visok prinos za proizvodnju bioplina uključuju uspostavu
optimalnih uvjeta za rast kulture algi (temperatura, količina hranjivih tvari, salinitet te pH,
karakteristike rasta (stopa rasta i konačna gustoća), te analizu akumulacije metabolita
(Hannon i sur. 2010).
1.3. Cilj rada
Cilj ovog rada jest istražiti mogućnosti izolacije i uzgoja mikroalgi i cijanobakterija
iz prirodnih staništa u svrhu njihova masovnog uzgoja i upotrebe kao kosupstrata u
proizvodnji bioplina.
6
2. TRADICIONALNE METODE IZOLACIJE MIKROALGI I
CIJANOBAKTERIJA IZ PRIRODNIH STANIŠTA
Izolacija mikroalgi i cijanobakterija nužna je za dobivanje čiste kulture algi.
Predstavlja prvi korak pri odabiru sojeva mikroalgi za dobivanje pogodne biomase za
proizvodnju bioplina (Gikonyo 2014). Prije izolacije, moramo poznavati i razumjeti u
kakvim prirodnim uvjetima mikroalga ili cijanobakterija uspješno razvijaju kako bi
odabrali povoljan medij u koji ce se stanice izolirati, Osim toga, važno je utvrditi
najpogodniju metodu s obzirom na vrstu kako bi se izbjegla oštećenja ili kontaminacija.
Danas se koriste tradicionalne i automatizirane izolacijske metode koje su nastavno
opisane prema Andersen-u (2005).
2.1. Izolacija pojedinačnih stanicamikropipetom
Najpoznatija i najčešće primijenjena tradicionalna metoda izolacije je izolacija
jedne stanice (,,single cell isolation'') iz uzorka prikupljenog sa prirodnih staništa. Ova
metoda se provodi uz pomoć mikropipete ili staklenih kapilara koje su sterilizirane. Kako
bi mogli izolirati mikroalge potrebno pripremiti mikropipetu (Slika 4) na način da se
Pauster-ova pipeta drži u jednoj ruci iznad plamenika pažljivo rotirajući dok se staklo ne
omekša. Kada se staklo omekša, drugom rukom se uz pomoć pincete izduži kraj tako da se
formira tanka cjevčica dovoljno široka za prolazak alge, ali opet dovoljno uska da
istovremeno ne može ući više stanica. Povlačenje se mora izvršiti pažljivo kako ne bi
puknula. Kada se mikropipeta ohladi pincetom se prekine na određenom mjestu bez da se
ošteti vrh. Zato je najbolje preventivno napraviti više mikropipeta te ih provjeriti
mikroskopom. Postoje dva načina provođenja izolacije stanica pomoću mikropipete. Prvi
način je pomoću gumene tj, fleksibilne cjevčice čiji se jedan kraj stavi u usta a u drugi
umetne mikropipeta. Dok je cjevčica u ustima, jezikom se prekrije kako se voda tj. medij s
algama ne bi uvukao sve dok se gledajući kroz mikroskop ne uoči tražena mikroalga ili
cijanobakterija. Kada je stanica uočena, sa cjevčice se makne jezik pa zbog kapilarnosti
voda sa stanicama ulazi u mikropipetu. Najčešće zajedno sa ciljanom stanicom uđu i druge
stanice, pa se cijeli proces izolacije ponavlja u više navrata. Nakon što je izolirana jedna
stanica, uzorak se ispušta u Petrijevu zdjelicu. Drugi način je sličan prethodnome, jedina
razlika je što se ne koristi gumena cjevčica. Mikropipeta se mora uroniti u sterilnu vodu
dok voda ne uđe u mikropipetu, a nakon toga se mikropipeta stavlja iznad ciljane stanice
7
koja će zbog kapilarnosti ući u mikropipetu i nakon toga otpustiti u Petrijevu zdjelicu.
Uspješnost izolacije se provjerava Petrijeva zdjelica putem mikroskopa te se uzorak dalje
razrjeđuje dok se ne izolira jedna stanica. Kod ove metode, u oba slučaja je spretnost od
velike važnosti. Za primjenu ove metode potrebni su vrijeme, znanje, vještina i trud
izolatora (osoba koja vrši izolaciju).
2.2. Izolacija nasađivanjem na agar
Ovisno o vrstama mikroalgi, može se primijeniti i tehnika izolacije koja uključuje
nasađivanje na agar. Agar je ekstrakt crvenih morskih algi koji se otapa u vrućoj vodi i
zatim ohlađen daje želatinoznu masu. Prednost ove metode je da se u agar mogu dodavati
određene hranjive tvari koje potiču rast ciljanih algi te se radi o metodi selektivnog rasta.
Stanice mikroalgi se na agar nanose ezom na način da se eza uroni u uzorak i pomoću nje
rade pruge i okreće agar, ali neke alge se moraju uklopiti u agar na način da se pomiješaju
sa nestvrdnutim prohlađenim agarom. Kada se razvije kolonija algi, što uglavnom zahtjeva
dosta vremena(za slatkovodne vrste nekoliko dana, a za morske nekoliko mjeseci), one se
mogu prenijeti u tekući mediji ili opet na agar. Budući da je agar izuzetno povoljan za rast
raznih bakterija i gljiva, kod ove metode vrlo je bitno izbjegnuti njihov rast korištenjem
filtera.
Slika 4: Priprema mikropipete iz Pasteur-ove pipete. (a) Pasteur-ova pipeta drži rukom i rotira
nad plamenom kako bi se staklo omekšalo. (b) Kada je staklo omekšalo, pipeta se miče sa
plamena i izdužuje u tanku cjevčicu pomoću pincete. (c) i (d) Pinceta se zatim premjesti na
prikladan dio cjevčice i pokida, formirajući mikropipetu. (e) Vrh pipete vidljiv pod mikroskopom
koji nije prikladan za korištenje. (f) Vrh pipete vidljiv pod mikroskopom koji je prikladan da
korištenje(preuzeto i prilagođeno prema Andersen 2005).
8
2.3. Metoda razrjeđivanja
Metoda razrjeđivanja se upotrebljava već dugi niz godina i to ponajviše za vrste
koje su masovno razvijene u prirodnim staništima. Cilj ove metode je deponirati samo
jednu stanicu u eksperimentalnu podlogu, te tako postići jednostanični izolat. Ako je
poznata približna koncentracija stanica, lako je izračunati potrebno razrjeđenje tako da na
temelju vjerojatnosti, mali volumen sadrži jednu stanicu, međutim u praksi neki volumen
može sadržavati više od jedne stanice, a drugi uopće ne sadržavati. Ukoliko je nepoznat
približan broj stanica u volumenu, mogu se napraviti serijska razrjeđenja od 1:10 te je
obično potrebno oko pet i šest ponavljanja.
Slika 6: Ilustracija tehnike razrjeđivanja. Jedan volumen se uzima iz staklenke za
uzorak(lijevo) i prenosi u epruvetu sa sterilnim medijem. Nakon miješanja, jedan volumen se
uzme iz epruvete u prenosi u jažice sa sterilnim medijem. Zatim se uzima jedan volumen iz
epruvete i prenosi u novu epruvetu (srednja) sa sterilnim medijem. Nakon miješanja u epruveti,
proces se nastavlja (preuzeto i prilagođeno prema Andersen 2005).
Slika 5: Agarna ploča isprugana s sitnim, zelenim, okruglim algama(preuzeto i
prilagođeno prema Andersen 2005).
9
Razrjeđenje se može obaviti s različitim medijima kao što su destilirana voda,
morska voda, filtrirana voda s mjesta uzorkovanja ili njihovom kombinacijom. Osim toga u
izolacijske epruvete se mogu dodati različiti elementi, na primjer, amonij i selen, kako bi
se izdvojile vrste kojima su ti elementi potrebni za rast. Slično tome, epruvete se mogu
izlagati različitim svjetlosnim i temperaturnim režimima. Ova metoda najčešće se koristi u
svrhe otkrivanja novih vrsta.
2.4. Separacija gravitacijom – centrifugiranje i taloženje
Separacija pomoću gravitacije je učinkovita za razdvajanje jedinki prema njihovoj
veličini tj. kada želimo odvojiti veće od manjih stanica. Razlikujemo dvije metode:
centrifugiranje i taloženje. Prilikom centrifugiranja važno je točno postaviti parametre
centrifuge: RPM (rotacijska brzina), RCF (centrifugalna sila), vrijeme trajanja i
temperaturu, kako se stanice ne bi oštetile. Kod ove metode je vrlo važno brzo izvršiti
dekantaciju budući da pokretne alge mogu migrirati između taloga i supernatanta.
Sedimentacija se primjenjuje za odvajanje težih i nepokretnih alga, a uzorak se postavlja u
vertikalnu bocu sa medijem na određeni vremenski period, tijekom kojeg se kao pijesak u
vodi, talože na dnu. Supernatant se dekantira, a talog dalje izolira. Sedimentacija i
centrifugiranje se mogu ponoviti više puta dok se ne dobije željeni uzorak tj. monokultura.
3. UZGOJ MIKROALGI I CIJANOBAKTERIJA
3.1. Uzgoj u laboratorijskim uvjetima
Za uzgoj u laboratorijskim uvjetima potreban je klimatizirani prostor sa stabilnom
temperaturom. Variranja temperature direktno utječu na brzinu metabolizma algi, stoga je
važno prilagoditi stalnu temperaturu ovisno o potrebama vrste. Tropske vrste se obično
uzgajaju na temperaturama od 20 do 25°C, a to su: Spirulina, Scenedemsus,
Ankistrodemus, Monoraphidium, Chlorella i Clamydomonas. Najčešći odabir temperature
je 23°C. Osim temperature, vrlo je važna svjetlost, tj. njezin intenzitet, trajanje i valna
duljina koja omogućava fotosintezu. Problem koji se javlja kod svjetlosti je dodatno
zagrijavanje algi pomoću žarulja pa se najčešće koriste lampe od 40 i 20W na udaljenosti
od 25-30 cm kako bi se smanjio učinak zagrijavanja. Povezano sa svjetlošću, važan je i
10
odgovarajući fotoperiod prilikom kojeg su alge dio vremena na svjetlu i dio vremena na
tami, a najčešći omjer koji se koristi u komercijalne svrhe je 18:6 (18 sati svjetla, 6 sati
tame). U laboratoriju se alge čuvaju u sterilnim staklenim spremnicima, tj. u inkubatorima
te ih je potrebno minimalno tri puta tjedno ručno promiješati. U početku se alge uzgajaju u
manjim spremnicima, npr. epruvetama, zatim se nakon nekog vremena premještaju u veće
tikvice od 250 mL, pa u veće spremnike od 1 L i konačno u spremnike od 20 L, uz dodatak
određenog volumena medija (Reyes-Cruz i sur. 2018).
.
Slika 7: Fotografije rasta kulture vrste Chlorella vulgaris praćen u periodu
od 8 dana. (Web 3)
Slika 8. Inkubator s ugrađenom lampom za uzgoj mikroalgi. (Web 4)
11
3.2. Masovni uzgoj u otvorenim bazenima
Za masovni uzgoj mikroalgi i cijanobakterija nije potrebna značajna površina, a
koriste se takozvani bioreaktori u kojima se nalaze hranjivi vodeni medij te suspendirane
mikroalge ili cijanobakterije. Kako bi se uspješno umnožavale i rasle mikroalgama i
cijanobakterijama moraju biti dostupne hranjive tvari od koji su najvažnije dušik i fosfat
(Gikonyo, 2014). Mikroalge i cijanobakterije mogu se uzgajati u slatkoj, bočatoj, morskoj
i otpadnoj vodi, ovisno o njihovim fiziološkim, biokemijskim i genetskim
karakteristikama. Prije samog uzgoja, moraju se utvrditi optimalni uvjeti za rast,
karakteristike rasta te akumulacija metabolita. Razlikujemo dva osnovna tipa bioreaktora,
otvoreni i zatvoreni. Odabir tipa i dizajna bioreaktora za uzgoj mikroalgi i cijanobakterija
ovisi o trošku ulaganja i uspostavljanju optimalnih uvjeta za rast uz koje je najveći prinos
algalne biomase. Kada se odlučuje koji je kultivacijski sistem najprihvatljiviji uzima se u
obzir nekoliko parametara: biologija mikroalge i cijanobakterije, cijena zemljišta, utroška
energije, vode te hranjivih tvari, lokalni klimatski uvjeti te finalni produkt tj. organska
sirovina (Pandey i sur. 2014).
Najčešće primjenjivani industrijski oblik kultivacije mikroalgi i cijanobakterija jest
sustav otvorenih bazena tzv. ,,open pond systems''. Otvoreni sustavi mogu biti prirodni
vodotoci, lagune ili jezera ili mogu biti umjetno iskopani prilikom čega dolaze u različitim
oblicima kao što su na primjer bazeni oblika trkališta tzv. racewayponds koji su plitki i
široki ili okruglog oblika sa središnjom okretnom miješalicom. Okrugli bazeni najstariji su
sustavi masovne kultivacije algi, a vrlo su slični izgrađenim jezercima za pročišćavanje
otpadnih voda(Slika 9).
Slika 9: Okrugli bazeni za uzgoj mikroalgi i cijanobakterija. (Web 2)
12
Spremnici oblika trkališta najrašireniji su u upotrebi, a obično su konstruirani u
ovalnom obliku kao zatvorena petlja(Slika 10). Duboki su između 0,2 i 0,5 metara i imaju
miješalice nalik na vesla kojima se omogućava homogenizacija kulture algi s ciljem
stabilizacije njihove produkcije. Na taj način se prevenira taloženje algi na dno i
omogućava dostupnost hranjivih tvari i svjetlosti za sve alge. Uglavnom su izgrađeni od
betona, a mogu biti izgrađeni od staklenih vlakana ili membrana.
Otvoreni sustavi najčešće su primjenjivani iz mnogo razloga. Zahtijevaju
minimalnu količinu energije, lako se održavaju i čiste, gradnja je jeftinija i jednostavnija,
no s druge strane, u otvorenim sustavima je teško kontrolirati kontaminaciju jer su alge u
direktnom kontaktu s atmosferom te mogu doći u kontakt s patogenima koji mogu biti
doneseni kišom ili vjetrom. Osim toga, voda iz otvorenih sustava lako isparava i cijeli
sustav je po neposrednim djelovanjem temperaturnih promjena. Nadalje, nije moguće
kontrolirati uvjeti uzgoja pa je ograničen broj vrsta za uzgoj (Pandey i sur. 2014;Bosak
2017).
Mikroalge i cijanobakterije su mikroorganizmi koji imaju vrlo visoku stopu rasta u
optimalnim uvjetima. Stoga, kako bi prinos bio veći, algama se mora osigurati prigodno
okruženje i hranjive tvari. Neki od najvažnijih parametara koju utječu na rast algi su: izvor
ugljika, izvor dušika, opskrba svjetlom, salinitet, temperatura i pH.
Slika 10: Bazen oblika trkališta za uzgoj mikroalgi i cijanobakterija. (Web 2)
13
Budući da je ograničen broj vrsta koje se mogu uzgajati u otvorenim bazenima,
najčešće se uzgajaju one vrste koje su se pokazale najotpornije. Neke od njih su mikroalge
rodova Chlorella i Dunaliella, a od cijanobakterija rod Spirulina(Pandey i sur. 2014).
Osim otvorenih sustava za uzgoj postoje i zatvoreni sustavi. Zatvoreni sustavi su za
razliku od otvorenih efikasniji u fiksaciji ugljika zbog visoke razine homogenizacije,
međutim uzgoj je generalno skuplji. Termin zatvoreni sustavi se općenito odnosi na
fotobioreaktore u kojima nema direktne izmjene plinova i zagađivača između kulture i
vanjskog okoliša. Izmjena plinova odvija se kroz sterilizirani filter. Glavne prednosti
uzgoja algi u zatvorenim sustavima su: minimalna kontaminacija, bolja kontrola pH,
temperature, svjetla itd., manji gubitak ugljikova dioksida Zbog veće čistoće zatvoreni
fotobioreaktori se koriste za proizvodnji mikroalgi i cijanobakterija sa svrhom daljnje
prerade u kozmetičke i prehrambene proizvode, dok su otvoreni sustavi namijenjeni više za
proizvodnju bioplina. Postoji nekoliko tipova zatvorenih sustava, a to su: fotobioreaktori s
vertikalnim stupcem, fotobioreaktori s ravnim pločama i horizontalni cjevasti
fotobioreaktori(Pandey i sur. 2014).
Slika 11: Zatvoreni fotobioreaktori u obliku vertikalno postavljenih cijevi. (Preuzeto iz
Bosak 2017).
14
Tablica 1: Karakteristike otvorenih i zatvorenih bazena za uzgoj mikroalgi i cijanobakterija(preuzeto i
prilagođeno prema Pandey i sur 2014).
Karakteristika Otvoreni sustavi Zatvoreni sustavi
Evaporacija(isparavanje) Velika Nema je
Gubitak CO2 Velik Nizak
Ovisnost o vremenu Velika Niska
Čišćenje Nema Potrebno
Ulaganje Nisko Visoko
4. Proizvodnja bioplina u kodigestiji s mikroalgama i cijanobakterijama
Jedan do načina kojim se može povećati prinos metana za proizvodnju bioplina jest
korištenje kosupstrata tj. kodigestija. Kodigestija je metoda obrade supstrata u kojem su
različiti kosupstrati pomiješani i obrađeni zajedno. Radi se o energetski učinkovitom
procesu koji poboljšava proces anaerobne digestije (Kwientniewska i sur 2014). Upotreba
kosupstrata obično poboljšava prinos bioplina zbog uspostave pojačavajućeg učinka u
mediju te opskrbi hranjiva koje nedostaje. Dakle početnom supstratu, dodavanjem
kosupstrata, osiguravaju se dodatne hranjive tvari. Kodigestija biomase sa niskom razinom
dušika (npr. papir, drvni otpad, čvrsti komunalni otpad) s biomasom visoke razine dušika
(mulj iz kanalizacije, stajsko gnojivo, otpad iz klaonica) može povećati prinos metana čak
od 60-100% (Bohutsky, 2011).
Mikroalgalna biomasa generalno sadrži velike količine dušika, stoga je omjer C/N
(omjer ugljik/dušik) vrlo nizak (Ugetti i sur. 2016). Dodatkom supstrata bogatih ugljikom
može se uravnotežiti količina dušika. Na primjer, dodatak 15-50% otpadnog papira u
kulturu vrsta Scenedesmus i Chlorella rezultira povećanim prinosom metana
(Bohutsky2013). Također se pokazalo da kodigestija mikroalgi i cijanobakterija s
gnojovkom, a dobar primjer je kodigestija Scenedsmus i svinjskog gnojiva dala veće
prinose metana(Ugetti i sur. 2016). Istraživanja uspješnosti kodigestije mikroalga i
cijanobakterija iz prirodnih staništa (eutrofnog jezera i akvarija) u kodigestiji sa stajskom
gnojovkom pokazala su izvrsne rezultate u proizvodnji metana (Deže i sur. 2020).
Sveukupno, u procesu kodigestije mikroalga i cijanobakterija postižu se dobri prinosi
bioplina što upućuje na daljnja istraživanja kako bi se proizvodnja bioplina u malim
15
sustavima, a što je moguće ostvariti na stočarskim farmama, sve više primjenjivala. To je
mali korak u globalnom očuvanju energije i zaštite okoliša.
5. ZAKLJUČAK
Mikroalge i cijanobakterije naseljavaju sva vodena staništa, a masovno se razvijaju
u eutrofnim vodama. Tradicionalne metode njihove izolacije iz prirodnih staništa
obuhvaćaju slijedeće laboratorijske postupke: izdvajanje jedne stanice uz pomoć
mikropipeta, izolacija na agar, razrjeđivanje i separacija gravitacijom. Izolirane kulture
uzgajaju se u laboratorijskim uvjetima pri čemu su bitni čimbenici temperatura i svjetlost.
Masovni uzgoj može se odvijati u otvorenim bazenima, na malim površinama eutrofnih
voda. Biomasa cijanobakteija i mikroalga može se koristiti u postupku kodigestije za
proizvodnju bioplina. Energetski učinak kodigestije mikroalga i cijanobakterija s drugim
organskim supstratima ukazuje na velike mogućnosti u unaprjeđivanju proizvodnje
bioplina.
16
6. LITERATURA
Al Seadi T, Rutz D, Prassl H, Köttner M, Finsterwalder T, Volk S, Janssen R (2008)
Priručnik za bioplin. Intelligent Energy for Europe, BiG>East Biogas for Eastern Europe
Andersen R. A. (2005) AlgalculturingTechniques, Phycologica lSocietyof America.
Bohutskyi, P., Bouwer, E. (2013)
BiogasProductionfromAlgaeandCyanobacteriaThroughAnaerobicDigestion: A Review,
Analysis, and Research Needs. U: Lee JW (Ur.) Advanced Biofuels and Bioproducts.
SpringerScience+Business Media, New York, USA. 873-975.
Bosak, S. (2017) Mikrorganizmi u službi čovjeka. Priroda. 31-36.
Cavinato, C., Ugurlu, A., de Godos, I., Kendir, E., Gonzalez-Fernandez, (2017)
Biogasproductionfrommicroalgae. Microalgae-BasedBiofuelsandBioproducts. 155-182.
Deže D., Mihaljević M., Kovačić, Đ., Jovičić, D., Kralik, D., (2020) Natural
CommunitiesofMicroalgaeandCyanobacteriafromEutrophicated Waters as Potential Co-
substrates for Small-scaleBiogasproduction. Applied BiochemistryandBiotechnology.
Springer.
Gikonyo, B. (2014) Advances in Biofuel Production, Algae and Aquatic Plants. Oakville
Canada. Apple Academic Press.
González-González, L.M., Correa, D., Ryan, S., Jensen. P., Pratt, S., Schenk, P. (2018)
Integrated biodiesel and biogas production from microalgae: Towards a sustainable closed
loop through nutrient recycling. Renewabl eand Sustainable Energy Reviews. Elsevier.
(1137-1148)
Hannon, M., Gimpel, J., Tran, M., Rasala, B., Mayfield, S. (2010) Biofuels from algae:
challengesandpotential. Biofuels 1: 763–784.
Kwietniewska, E., Tys, J. (2014) Processcharacteristics,
inhibitionfactorsandmethaneyieldsofanaerobicdigestionprocess, withparticularfocus on
microalgalbiomassfermentation. RenewableandSuinstainable Energy Reviews. Elsevier.
491-500.
Montingelli, M., Tedesco, S., Olabi, A., (2015) Bioga sproduction from algal biomass: A
review. Renewable and Sunstainable Energy Reviews. Elsavier. 961-972.
Pandey, A., Lee, D., Chisti Y., Soccol,C. (2014) Biofuelsfromalgae. San Diego, California.
Elsevier.
Reyes-Cruz, J. (2018) Cultivation Systems of Microalgae for the production of Biofuels.
U: Biernat, K., (ur.) Biofuels – State of Development . Intech Open. 199. -218.
17
Uggetti, E., Passos, F., Sole, M., Garfi,M., Ferrer, I. (2016) Recent achievements in the
production of biogas grom microalgae. Waste and BiomassValorization.
DOI:10.1007/s12649-016-9604-3
Web 1. Dreamstime: NonRenewable Energy Illustrations&Vectors. (26.8.2020.)
https://www.dreamstime.com/illustration/non-renewable-energy.html
Web 2. Making biodiesel books. Open ponds Biofuels: Cultivating Pond Scum For Profit.
(26.8.2020.)https://making-biodiesel-books.com/all-about-algae/open-pond-biofuels/
Web 3.Semantic Scholar. Chlorella vulgaris in Airlift photobioreactor using commercial
NPK Nutrien https://www.semanticscholar.org/paper/Chlorella-vulgaris-in-Airlift-
photobioreactor-using-Ammar/6dad4b0b4fbd6100f6f8d1b6e55c3f1a1ebda450/figure/1
(13.9.2020.)
Web 4. University of Toronto. Faculty of applied science & engineering. Bioprocess
Engineering with Environmental Applications. https://www.labs.chem-
eng.utoronto.ca/allen/about/research-equipment/ (13.9.2020.)