Co jsou řasy?
Čepička et al. Vesmír 89 (2010)
Collecting spirulina from a lake in Chad (photo J. Maley). Spirulina cakes (dihé) on sale in a local market in Chad (photo J. Maley).
Aztecs harvesting algae from lakes in the Valley of Mexico. Drawing in Human Nature, March 1978. (article by Peter T. Furst).
An illustration from the Florentine Codex (1540 1585) showing how the Aztecs harvested Spirulina (Arthrospira) off lakes by skimming the surface with ropes
Indie Hawai - Cyanotech
Výběr kmenů pro velkoplošné kultury fyziologická kritéria:
• eurytermní kmeny • kmeny s minimální fotoinhibicí • kmeny s minimální respirační rychlostí za tmy • kmeny tolerující vysoké koncentrace O2 • kmeny tolerující osmotický stres
Arthrospira platensis
Otevřené vs. uzavřené systémy
fotobioreaktory = uzavřené systémy
Otevřené nádrže lze rozdělit do čtyř typů: • kruhové nádrže, agitaci provádí rotující rameno
• podlouhlé nádrže • kultivační nádrže s určitým sklonem
• přirozené nádrže
Kruhové nádrže míchány rotujícím ramenem, Chlorella (Taiwan)
Podlouhlé nádrže Nejjednodušší konstrukce jsou mělké jámy v zemi, překryté nepropustnou fólií.
Sede Boker (Izrael)
V zemi vyhloubená nádrž, překrytá polyetylenovu fólií Madras (Indie)
Experimentální nádrže - podlouhlé Sede Boker (Izrael)
Technion-Heifa (Izrael)
Dortmund
Bloemfontein (JAR)
Velké produkční jednotky Podlouhlé nádrže na pěstování Arthrospira o celkové ploše 100 000 m2 Earthrise Company, Kalifornie
Kultivační nádrže s určitým sklonem Kultivační jednotky se skládají z kaskádovitě uspořádaných skleněných ploch, po kterých stéká řasová suspenze a je opět pumpována vzhůru (během dne za vysoké světelné intenzity). Během noci je řasová suspenze skladována v nádrži, provzdušňována a míchána (Třeboň)
Kultivační nádrž ve svahu, řasová suspenze meandruje od nejvyššího bodu k nejnižšímu, odkud je pumpována zpět nahoru. Sausal
Velkoplošné kultivace MBÚ AVČR Třeboň Opatovický Mlýn
Přírodní nádrže Jezero Twin Taung, Barma
jezero Texcoco, Mexiko Stará mapa (1720) jezera Texcoco
Arthrospira
Spirulina
A. platensis
A. maxima
aktivní pohyb bez kalyptry příčné přehrádky sotva znatelné
-linolenová kyselina 18:3n-6 (GLA) nenasycená mastná kyselina (PUFA) •účinně snižuje hladinu cholesterolu •využití při léčení atopických ekzémů •zmírnění příznaků premenstruačního syndromu •předpokládá se také pozitivní vliv na srdeční choroby, Parkinsonovu nemoc a roztroušenou sklerózu 1968 se zjistilo, že Arthrospira je jedinečná v obsahu GLA (nejbohatší řasový zdroj).
200 tablet/18 USD
180 tablet/33USD
Chlorella Jednobuněčná zelená kokální řasa, kulovitý až elipsoidní tvar, parietální chloroplast s pyrenoidem. Vysoká růstová rychlost – oblíbený modelový organismus. Na chlorele pan Melvin Calvin studoval temnostní fázi fotosyntézy. Chlorella má ze všech dosud studovaných organismů nejvyšší obsah chlorofylu. Které druhy se používají pro velkoplošné kultivace?
Kultivace Chlorella
Kruhovité kultivační nádrže (Taiwan)
Kultivační jednotky v Třeboni
USA, Japonsko, Taiwan, Holandsko, Německo, Israel, Česká republika, Bulharsko.
Zjištěné léčebné účinky Chlorella • chlorofyl protizánětlivé účinky, podporuje hojení ran • proti zácpě (vláknina, chlorofyl) • eliminace těžkých kovů a jiných jedů • léčba chudokrevnosti (chlorofyl, Fe, kyselina listová, vitamin B12) • protinádorová aktivita Ch. vulgaris. Růst fibrosarkomu u myší byl inhibován injekcí chlorelového extraktu • zlepšuje trávení, podporuje metabolismus • obsahuje anti-oxidant karoten • podporuje imunitní systém • pomáhá proti hypertenzi
Feoforbid v 1977 byly pozorovány vyrážky a svědění kůže po konzumaci Chlorella. Feoforbid vzniká při degradaci chlorofylu. Minimální efektivní dávka, která vyvolá dermatitidu je 25 mg/den. Experimenty na hlodavcích LD50 – 455mg /kg těles. hmotnosti/den.
chlorofyl
feofytin
chlorofyláza
feoforbid
Chlorofyláza je do určité míry schopná přežít zvýšenou teplotu – zůstává aktivní v řasových buňkách sušených za nízké teploty. Její aktivita se zvyšuje za vlhka (nevhodné skladování).
Taiwan 500 tab/25 USD Chlorelový med Malaisie
300 tablet /15 USD USA
Dávkování 6 tablet denně, zvýšit až na 20
Vláknina, Chlorella, probiotické bakterie Česko
225 tablet/240 Kč DDD 15 tab.
Rusko
Tvorba astaxantinu u Haematococcus
Haematococcus
Třída: Chlorophyceae
řád: Chlamydomonadales syntetizuje chlorofyl a, b a primární karotenoidy typické pro Chlorophyceae a cévnaté rostliny (-karoten, lutein, violaxantin, neoxantin a zeaxantin). Za určitých růstových podmínek začnou vegetativní buňky syntetizovat astaxantin (sekundární karotenoid) Astaxantin se u Haematococcus vyskytuje ve formě mono- a di-esterů mastných kyselin a tvoří až 95 % sekundárních karotenoidů
Haematococcus Životní cyklus Haematococcus pluvialis
vhodné médium
Po přemístění do vhodného prostředí se z tlustostěnných akinet bičíkaté zoospory, které rostou a dělí se (disperzní fáze). Bičíkovci zastaví dělení po proběhnutí 5 životních cyklů, pak se změní na nepohyblivé kulovité buňky (palmeloidní stádium). Nepohyblivé buňky pokračují v růstu a dělí se tvorbou aplanospor dalších cca 200 hodin. Produkční fáze - dochází k rychlému nárůstu biomasy a zvyšuje se obsah astaxantinu. Buňky stárnoucích kultur vytváří silnou stěnu a mění se v červené odpočívající akinety.
Pěstování Haematococcus pluvialis ve 30 litrovém bioreaktoru. Projekt EU: hledání nových zdrojů přírodního astaxantinu pro akvakultury. Využití pro pigmentaci masa lososů a korýšů.
Algatech - Israel
Velkoplošné kultivace – uzavřené fotobioreaktory v Negevské poušti
„červená“ fáze akumulace astaxantinu
Haematococcus
„Zelená“ a „červená“ fáze kultivace
Cyanotech - Hawai
Dunaliella Dunaliella (Chlorophyceae) má vejčité buňky (na bázi širší, v apikální části užší) 2-8 m x 5-15 m s dvěma stejně dlouhými bičíky. Velikost a tvar buněk jsou ovlivněny podmínkami vnějšího prostředí..
The orange color of Laguna Colorada is due to a type of micro-algae (Dunaliella salina)
zdroj beta-karotenu
Halotolerance Dunaliella preferuje vodní prostředí se salinitou větší než 2M (10 %). Typicky lze jednodruhové kultury Dunaliella nalézt v hypersalinních jezerech jako je Mrtvé Moře (Israel), Great Salt Lake (Utah, USA), Pink Lake (Austrálie). Dosud nebyl zjištěn žádný eukaryontní organismus s vyšší halotolerancí.
Pink Lake (západní Austrálie) hypersalinní jezero s Halobacterium
Glycerolový cyklus Calvinův cyklus
glykolýza
Extenzivní kultivace The large open ponds used for the culture of Dunaliella salina at Hutt Lagoon, Western Australia, by Congnis Nutrition and Health. The largest ponds are about 250 ha in area.
Sea salt salinas with halobacteria and Dunaliella, San Francisco Bay, California, 1999
Biopaliva z řas • alternativa fosilním palivům
• řasy nezabírají zemědělskou půdu • některé řasy lze pěstovat na mořské nebo odpadní vodě • řasy mají vysokou růstovou rychlost
biodiesel metan etanol, butanol „rostlinný“ olej = crude vegetable oil
Botryococcus braunii
Botryococcus
Vodní květ
koloniální zelená řasa (Trebouxiophyceae), velikost kolonií 30µm – 2mm. Typická organizace kolonií. Buňky usazeny uvnitř pohárků matrix, která je inpregnovaná lipidy (až 85% sušiny) z toho uhlovodíky tvoří (až 35 %), součástí olejových břidlic - Ordovik.
Výroba paliva z Botryococcus braunii -botryococceny (izoprenoidy) chemická přeměna na palivo krakování = pyrolýza
dlouhé uhlovodíky + organické molekuly (kerogeny) jsou štěpeny na prekurzory (C-C vazba)
Akumulace lipidů v buňkách řas a produkce bionafty Některé rozsivky (např. Amphora, Navicula, Nitzschia) přeměňují značnou část fixovaného C na lipidy (až 72 % sušiny) Produkce lipidů může zvýšena pokud jsou řasy vystaveny stresu (nedostatek N; příp. kombinace nedostatku N a Si u rozsivek – 2-3násobné zvýšení obsahu lipidů). Další pokusy byly dělány na Isochrysis (Haptophyta=Primnesiophyta). Produkce lipidů ve venkovní velkoplošné kultivaci představovala 6 g . m-2 . d-1. Pokus probíhal 45 dní. Pokud by bylo možné udržet produkci celý rok, výtěžek by představoval 21 tun . ha-1 . rok-1.
Isochrysis
Navicula
Amphora
Produkce biopaliv z rostlinných olejů transesterifikace
biopaliva
methylestery MK ethylestery MK = biodiesel (typicky produkován z rostlinných olejů)
Biomethanizace - metan anaerobní rozklad biomasy pomocí methanogenních bakterií Pokusy byly prováděny jak s makro-, tak s mikrořasami (např. Arthrospira maxima, Phaeodactylum tricornutum). Řasy většinou poskytovaly vyšší výtěžek methanu než cévnaté rostliny. 47-65 % dostupného C bylo přeměněno na metan. Arthrospira maxima
Přímá produkce energeticky bohatých látek Etanol z glycerolu Za optimálních růstových podmínek může halofytní zelený bičíkovec Dunaliella vyprodukovat až 8 g glycerolu . m-2. d-1. Glycerol jako takový nepředstavuje vhodné kapalné palivo. (teplo získané spálením 1 g glycerolu je 4,3 kcal, spálením 1 g benzínu získáme 11,4 kcal). Glycerol může být přeměněn na energetičtější palivo bakteriální fermentací (Bacillus sp.) Paliva vzniklá fermentací mají vyšší obsah energie (etanol 7,1 kcal . g –1). Alganol
Dunaliella
Solazyme
Part of was a test, in collaboration with the U.S Navy, which placed 100% algae fuel into 300- meter Maersk container vessel . This 100% algae fuel was used in a test to sail from Northern Europe to Indonesia. This voyage was highly successful. Using 300 tons of algae based fuel, these carriers made the one month voyage
US Navy successfully demonstrated Solazyme’s 100% algal-derived jet fuel, Solajet(R) HRJ-5, in an MH-60S Seahawk helicopter test flight in a 50/50 blend with petroleum-derived jet fuel. This is the first defense aircraft in history to fly on algae fuel.
Nanotechnologie
Losic et al. (2009); Pérez-Cabero et al. (2008)
Bio-Fuel Growing Eco Pods Rejuvenate Stalled Boston Project
