Kde je budoucnost biopaliv?

Proč si tedy palivo nevyrobit přímo z řas a muset čekat miliony let? Řasy se navíc využívají i k čistění odpadních vod, proč tedy nespojit oba přístupy – řasy vyčistí vodu, a ještě z nich budeme mít hnojiva nebo biopaliva. Zní to dobře, ale má to víc než jeden háček.

Stará vs. nová

Pokud se řekne biopalivo, představí si většina z nás nejspíš rozsáhlá řepková pole zaplavující v posledních letech naši krajinu. To jsou biopaliva první generace,  vyráběná z plodin sloužících primárně jako potraviny. Místo aby se však dostaly do regálů obchodů, spálí se v motorech. Zabírají tak ornou půdu, mezi motoristy nejsou populární a často nejsou ani kvalitní, ani ekologická, protože při jejich výrobě se vyprodukuje víc skleníkových plynů, než rostliny během fotosyntézy spotřebují. Podporují rovněž erozi půdy, negativně ovlivňují hmyz včetně včel, sama o sobě nejsou ani ekonomicky výhodná, aniž by byla finančně dotována státem a EU – jen díky nim a čerpání dotací jsou dnes řepková pole všude. Celospolečenská nevýhodnost takového podnikání je zkrátka dostatečně patrná.

Dále existují biopaliva druhé generace, pocházející z rostlinných zbytků ze zemědělství nebo z dřevařského průmyslu, jež se následně zpracovávají v bioplynových stanicích. A nakonec biopaliva třetí a čtvrté generace. Ta jsou produkována z mikroorganismů. Zjistilo se totiž, že rozličné druhy nejen mikroskopických řas, ale i prvoků (protist) obsahují velké množství tuků (tj. desítky procent sušiny) a zároveň se umí velmi rychle množit (mají krátký životní cyklus). Dají se pěstovat ve velkém s tím, že řasy potřebují pro svůj růst světlo na fotosyntézu a k tomu pouze minimum živin (v tekutém médiu stačí základní anorganické soli jako zdroje dusíku, fosforu, síry a mikroprvků; uhlík získávají z oxidu uhličitého ze vzduchu).

Mikrofotografie buněk Vischeria sp. v běžném světle (vlevo) a fluorescenční: zeleně svítí lipidová tělíska, červeně chlorofyl v plastidech. Tyto řasy se často používají k produkci biopaliv, neboť mají velmi vysoký obsah tuků sušině (50–70 %). Foto Jana Pilátová

Přednosti a nedostatky

Proto se dají pěstovat snad úplně všude – na pouštích i v polárních oblastech nebo na fasádách budov. Tedy na místech, která jsou jinak pro pěstování plodin nevyužitelná. Přirozeně se vyskytující mikroorganismy lze s novými nástroji v rukou biologů také geneticky modifikovat a vylepšit tím jejich dosavadní produkční vlastnosti. V takovém případě již lze mluvit o biopalivech čtvrté generace. Četní biotechnologové stále zápolí s tím, že se jim nedaří srazit cenu vypěstované sušiny na euro za kilogram. To je cena, kdy biopalivo z řas začne být konkurenceschopné fosilním palivům. Současné produkce se stále většinou pohybují kolem desetinásobku. Náklady na pěstování nejsou příliš horentní – jsou to výdaje na chemikálie na řasová média, energie na promíchávání, popř. ohřívání či ochlazování a dostatečný osvit. V optimálních podmínkách sice řasy skvěle rostou, netvoří však žádané lipidy – ty produkují až ve chvíli, kdy jsou ve stresu z nedostatku živin. Je v tom zjevný rozpor – hodně biomasy dostaneme v optimálních podmínkách, ovšem bez kýžených látek. Ty se tvoří za okolností zcela jiných, řasám nepříznivých.

Obtížná sklizeň

Energeticky a tím i finančně nejnáročnější fází je ovšem sklízení řas. Tyto mikroorganismy byly po celou svou existenci ve vodním prostředí selektovány k tomu, aby byly schopny pasivně se vznášet a držet se na hladině vystavené slunečnímu záření. K jejich promíchávání dochází jen vlněním a prouděním. Pokud totiž klesnou příliš hluboko, je s nimi konec – jsou tak maličké a často bez bičíků, že se zpět do vyšších vrstev vody již nemají šanci dostat. Pro pěstování je ovšem vznášení výhodná vlastnost, neboť na jejich promíchávání stačí jen málo energie. Při sklízení to je naopak velký problém, samy totiž nesedimentují. Filtrace je také náročná, jejich buňky jsou velmi drobné, a proto je zapotřebí jemných filtrů, které se však o to rychleji ucpávají. Centrifugace je energeticky velmi náročná a ani ta nezahustí biomasu na suché pelety. Dále se biomasa zpravidla suší – opět jde o energeticky náročný krok (pokud se nesuší na slunci). Pro efektivní extrakci kýžených látek je nezbytné rozbít buňky. Buňky řas jsou však jednak velmi drobné, jednak mají na svém povrchu relativně tuhou a pevnou buněčnou stěnu. Z těchto důvodů je velmi náročné je rozdrtit. Extrakce lipidů se provádějí organickými rozpouštědly nebo superkritickým oxidem uhličitým.

Sci-fi, nebo realita?

Otázka levné produkce biomasy řas tak stále není úplně vyřešená, ačkoli se na tom pracuje již přinejmenším posledních 60. let. Pro zajímavost – českoslovenští vědci, zejména prof. Šetlík v Třeboni, byli mezi prvními na světě, kdo se velkoplošnou kultivací řas zabývali. V roce 2017 došlo k jednomu z prvních průlomů na poli genetických modifikací mikrořas s ohledem na reálné zvýšení produkce lipidů již během samotné kultivace. Podle článku v prestižním časopisu Nature Biotechnology lze díky genetickému umlčení transkripčního faktoru ovlivnit metabolismu dusíku tak, že buňkám umožní během růstové fáze rovnou akumulovat také vysoké obsahy lipidů (až 55 %). I přesto se zdá, že v současnosti se biopaliva zatím bez dotací neobejdou anebo se firmy svými úspěchy na tomto poli nechlubí a drží si své tajemství pro sebe. Podle všeho však snaha o optimalizaci přeměny řas na biopaliva neustává – některé aerolinky deklarují, že jejich letadla již aspoň částečně na biopaliva z řas létají. Nechme se překvapit, jak se situace bude vyvíjet v budoucnu, zda biopaliva zůstanou spíš ve sférách sci-fi, či se stanou naší každodenní realitou.

(Ajjawi et al., 2017, https://www.nature.com/articles/nbt.3865)

Autorka studuje na katedře experimentální biologie rostlin