Problém
Bublina projde reaktorem za několik sekund. Při 420 ppm je v ní oxidu uhličitého tak málo, že se během té doby stihne rozpustit jen zlomek a zbytek odejde hladinou. Není to vlastnost Heleny - je to nejslabší krok každého fotobioreaktoru, protože přestup plynu do kapaliny je pomalejší než samotná fotosyntéza. V obchodním centru Zličín jsme to změřili v provozu: limitem nebyla kultura ani objem, ale přívod uhlíku.
Koncentrátor na vstupu a menší bubliny ten krok optimalizují. BICCAPS ho ruší.
Princip
Absorpce a kultivace se rozdělí do dvou nádob a mezi nimi teče kapalina, ne plyn.
V absorbéru pohltí roztok uhličitanu draselného oxid uhličitý a vznikne z něj hydrogenuhličitan:
CO₂ + K₂CO₃ + H₂O → 2 KHCO₃
Je to průmyslově zavedená chemie, v čištění plynů známá jako Benfieldův proces už od 60. let.1
Nasycené médium se převede do reaktoru. Řasa si bikarbonát dopraví dovnitř buňky, enzym karboanhydráza z něj uvolní CO₂ pro fotosyntézu a v roztoku zbyde uhličitan - tedy sorbent v původní formě:
2 HCO₃⁻ → biomasa + O₂ + CO₃²⁻
Regenerované médium jde zpátky do absorbéru. Smyčka se uzavírá.2
Mezi nádobami neteče plyn, ale totéž médium, ve kterém roste kultura. Absorbér ho nasytí a pH klesne, reaktor ho vyčerpá a pH zase stoupne - je to výkyv pH na jedné kapalině, ne dva různé roztoky. Převod se váže na sklizňový cyklus: při horní hodnotě pH se odebere část objemu, oddělí se buňky, vyčeřené médium projde absorpční kolonou a vrátí se. Při hloubce výkyvu 0,2 až 0,5 mol/l nese litr média zhruba 9 až 22 gramů CO₂, takže pro přísun 2,7 kg CO₂ denně je potřeba převést 120 až 310 litrů, tedy jednotky litrů za hodinu.3 To je řádově tempo sklizně - smyčka proto nepřidává samostatnou operaci, jen se navěsí na tu, která už v provozu je.
Elegance je v tom, kdo sorbent obnovuje. V chemickém záchytu ze vzduchu to dělá pec při vysoké teplotě, řádově stovky stupňů Celsia.4 Tady fotosyntéza za pokojové teploty.
Co získáme
Oddělení absorpce od kultivace. Absorbér je malá kolona stavěná na jedinou úlohu. Reaktor nepotřebuje plynové rozvody, jen míchání.
Stejná produktivita jako při probublávání. V přímém srovnání dosáhla kultura v roztoku s 0,30 mol/l hydrogenuhličitanu stejné produkce biomasy jako táž kultura probublávaná dvouprocentním CO₂. Rozdíl nebyl statisticky významný.5
Zásobník uhlíku přímo v médiu. Bikarbonát v koncentraci 0,1 až 1 mol/l nese o dva až tři řády víc rozpuštěného uhlíku než médium sycené plynem.6 Kultura nehladoví ani v poledne a absorbér může pracovat v noci, zatímco reaktor pracuje ve dne.
Menší ztráty. Při pH 9 až 10 je volného CO₂ v roztoku minimum, takže není co odvětrat. V bublaném reaktoru odchází hladinou víc uhlíku, než kolik ho kultura spotřebuje.
Ekologická brána. Vysoké pH potlačuje bakterie i konkurenční řasy. Právě proto se spirulina desítky let pěstuje v otevřených nádržích.7 Otevřený systém se tím stává reálnou volbou.
Potlačení koalescence bublin. Vysoká iontová síla brání spojování bublin - efekt, který v médiu využíváme už dnes.
Co nevíme
Organismus. Neadaptovaná Chlorella vulgaris je nad pH kolem 9 inhibovaná, BICCAPS pracuje v pásmu 9 až 11.89 Buď kmen adaptujeme - jde to, trvá to generace a růstová rychlost obvykle klesne - nebo použijeme spirulinu, která v tom režimu žije přirozeně. Chceme prověřit obě cesty - každá vede k jinému produktu a jinému trhu.
Chemie média při vysokém pH. Fosfát se sráží, železo vypadává. Chelát, který používáme, drží přibližně k pH 11. Zbytek složení se musí přepočítat.
Koncentrace. Dnešní médium obsahuje bikarbonát jen jako pufr. BICCAPS s ním pracuje o dva řády výš, což znamená jinou osmotiku a další adaptaci.
Rychlost absorpce ze vzduchu. Uhličitan je slabší absorbent než hydroxid a bez katalyzátoru je záchyt z okolního vzduchu pomalý. Ze spalin nebo z koncentrovaného zdroje funguje rovnou.10
Oddělení buněk. Vyčeřit médium před vstupem do kolony je tentýž nevyřešený krok jako sklizeň - jen se z něj stává podmínka provozu, ne jeho konec. Publikované práce tu nabízejí elegantní řešení: jak kultura spotřebovává hydrogenuhličitan, pH samo stoupá a buňky vyvločkují. Zda to platí i pro naše médium a naši kulturu, nevíme.11
Kde jsme
Zatím jsme ve fázi přípravy. Adaptační trať povedeme odděleně od hlavního reaktoru: malý objem, postupný posun pH, měření růstové rychlosti a hledání bodu, kde se kultura zlomí. Hlavní reaktor mezitím jede plynnou cestou. Je to vedlejší trať mimo grantové aktivity, ale poznatky z ní - chování kultury při vysokém pH, chemie média, sklizeň flokulací - použijeme i v hlavní linii.
Tři otázky chceme zodpovědět daty, ne odhadem. Jak vysoko lze kmen adaptovat bez ztráty produktivity. Jaká je absorpční kapacita roztoku bez katalyzátoru. A jak si v tomhle režimu povede chlorella proti spirulině.
Co to neřeší
Uhlík skončí opět v biomase. BICCAPS zlepšuje nejslabší krok záchytu, ne trvanlivost uložení. Ta vede jinou cestou - pyrolýzou na biouhel.
Footnotes
-
Benfieldův proces - absorpce CO₂ horkým roztokem K₂CO₃, průmyslově používaná od 60. let při čištění syntézního plynu. ↩︎
-
Chi, Z., O’Fallon, J. V., Chen, S. (2011). Bicarbonate produced from carbon capture for algae culture. Trends in Biotechnology, 29(11), 537-541. ↩︎
-
Hloubka výkyvu 0,2-0,5 mol/l odpovídá 8,8-22 g CO₂ na litr média (44 g/mol). Cílový přísun 2,7 kg CO₂/den vychází z produktivity 2 g sušiny/l/den na 760 l (provozní náplň reaktoru 04). Hloubka výkyvu je odhad - publikované práce pracují s 0,1 až 0,7 mol/l, nejvyšší produktivita při 0,3 mol/l, nejvyšší využití uhlíku při 0,1 mol/l (Zhu et al. 2018). ↩︎
-
V chemickém záchytu ze vzduchu se sorbent regeneruje ohřevem na vysokou teplotu - u vápenného cyklu jde o stovky stupňů Celsia. ↩︎
-
Chi, Z., Elloy, F., Xie, Y., Hu, Y., Chen, S. (2014). Selection of microalgae and cyanobacteria strains for bicarbonate-based integrated carbon capture and algae production system. Applied Biochemistry and Biotechnology, 172, 447-457. Srovnání Dunaliella primolecta v 0,30 M NaHCO₃ proti probublávání 2 % CO₂: bez významného rozdílu. ↩︎
-
Bikarbonát 0,1-1 mol/l proti médiu sycenému plynem o několika procentech CO₂ (~1,7 mmol/l při 5 % CO₂, 25 °C, Henryho konstanta 0,034 mol/l/atm): poměr zhruba 60 až 600×. Proti vodě v rovnováze s okolním vzduchem (~14 µmol/l) je rozdíl o čtyři řády. Uvádíme to konzervativnější srovnání. ↩︎
-
Kultivace spiruliny v otevřených nádržích při vysokém pH je zavedená průmyslová praxe. Potvrzuje ji i studie konsorcia sinic Ataeian et al. (2019) při alkalitě 0,5 mol/l a výkyvu pH 10,4-11,2, produktivita 15,2 ± 1,0 g/m²/den. Vysoké pH funguje jako selekční tlak proti kontaminaci. ↩︎
-
Alkalihalofilní kmeny rostou při pH 9 až 11 běžně. Pro neadaptovanou Chlorella vulgaris je to pásmo za hranicí obvyklého optima a adaptace je nutná. ↩︎
-
Chi, Z., Xie, Y., Elloy, F., Zheng, Y., Hu, Y., Chen, S. (2013). Bicarbonate-based Integrated Carbon Capture and Algae Production System with alkalihalophilic cyanobacterium. Bioresource Technology, 133, 513-521. DOI 10.1016/j.biortech.2013.01.150. Pracovní pásmo pH potvrzuje i Ataeian et al. (2019): konsorcium sinic při alkalitě 0,5 mol/l a výkyvu pH mezi 10,4 a 11,2 mezi růstem a sklizní, produktivita 15,2 ± 1,0 g/m²/den. ↩︎
-
V alkalickém prostředí bohatém na bikarbonát nelimituje množství uhlíku, ale rychlost jeho přeměny na CO₂ u buňky. Doplnění karboanhydrázy (zinkový enzym) zvýšilo v digestátových kulturách specifickou růstovou rychlost o 21-82 %, měřeno v Erlenmeyerových baňkách. V polokontinuálním, provozně relevantním režimu efekt statisticky potvrzen nebyl. Berden-Zrimec et al. (2026), Phycology 6(1), 23. ↩︎
-
Zhu, C., Zhang, R., Cheng, L., Chi, Z. (2018). A recycling culture of Neochloris oleoabundans in a bicarbonate-based integrated carbon capture and algae production system with harvesting by auto-flocculation. Biotechnology for Biofuels, 11, 204. Alkalická flokulace vyvolaná vzestupem pH: výtěžnost 97,4 ± 0,21 % při 0,7 mol/l hydrogenuhličitanu, 97,7 ± 0,29 % s přídavkem 20 mM Ca²⁺. Nejvyšší produktivita při 0,3 mol/l, nejvyšší využití uhlíku při 0,1 mol/l. ↩︎