Ptát se rodilého Čecha, jestli někdy viděl stoupat bublinky v pivu, zavání provokací. Rovněž ve Velké Británii znají pohled na pěnivý mok více než důvěrně. Není proto divu, že aparatura měnící nejrozšířenější skleníkový plyn na uhlík a kyslík vznikla za asistence českého vědce a na britské univerzitě. Konkrétně v Sheffieldu.
Představu o inspiraci pivem trochu nabourává fakt, že s myšlenkou, jak postavit takové zařízení, přišel americký badatel William Zimmerman.
Nedávno za tento přínos technickému pokroku převzal společně s profesorem Václavem Tesařem z Ústavu termomechaniky Akademie věd České republiky Moultonovu medaili za rok 2009. Toto ocenění uděluje každoročně již od roku 1929 Institut chemického inženýrství za nejlepší vědeckou publikaci v oboru.
Řasám pomáhají bublinky „Kolega Zimmerman navrhl rozkládat CO2 pomocí řas,“ vzpomíná profesor Václav Tesař na dobu před několika lety, kdy působil na sheffieldské univerzitě jako specialista na proudění kapalin.
Myšlenka má několik výhod. Zelené jednobuněčné organismy se rychle množí, nejsou příliš náročné na podmínky k životu, a když jich naroste víc, než je potřeba, mohou posloužit jako krmivo nebo biomasa k výrobě pohonných hmot.
Nápad zdánlivě jednoduchý, ale jeho uskutečnění bránil zásadní problém. Jak dát řasám dostatek času, aby si porcovaly skleníkový plyn co nejefektivněji a stačily tak zpracovat jeho přísun ve větším množství. „Zimmerman přišel s návrhem nechat probublávat oxid uhličitý skrze vysoký válec naplněný zelenými mikroorganismy. Ale i když v trubici přivádějící plyn byly vyvrtané sebemenší otvory, stoupaly k hladině bubliny o velikosti okolo jednoho centimetru,“ vypravuje profesor Tesař.
To se ukázalo jako velice málo efektivní, protože řasy nestačily plyn rozložit. Poradily si s ním teprve těsně u hladiny, kde se CO2 shromažďoval. Pokud by badatelský tým zůstal jen u této varianty, musel by mít bioreaktor doslova obří rozměry a nenašel by praktické uplatnění.
Profesor Tesař jako specialista na proudění kapalin proto zkoušel ověřit několik postupů založených na takzvané mikrofluidice – technice, která se zabývá vytvářením a usměrňováním toků tekutin v miniaturních kanálcích. „Mým cílem bylo donutit bubliny odtrhnout se od trysky dříve, než začnou narůstat do větších rozměrů,“ říká spoluautor bioreaktoru.
Posléze profesor Tesař dospěl k návrhu oscilátoru. Zařízení svou funkcí připomíná výhybku, která velice rychle rozděluje vodu smíchanou s oxidem uhličitým na malé dávky. Plyn se díky tomu dostává do trysek na dně válce tak rovnoměrně, že vznikají jedině bublinky o velikosti necelého milimetru. Jsou jich tisíce a v souhrnu mají větší povrch než několik desítek „obřích“, skoro centimetrových bublin. A co je stejně důležité, stoupají k hladině mnohem pomaleji. „Asi jako v pivu,“ použije profesor Tesař přirovnání srozumitelné v celém Česku. Řasy tak získají dostatek času plyn obklopit a vzít si z něho uhlík, který použijí jako stavební materiál pro svůj růst. Probublávání skleníkového plynu skrz válec naplněný řasami se v několika cyklech opakuje, až odchází z bioreaktoru pouze kyslík.
Prototyp čeká v laboratoři Oscilátor vyvinutý českým profesorem připomíná na první pohled rukodělné výtvory vyráběné lupenkovou pilkou. Deska z plexiskla je protkána různě úzkými kanálky a rozličně tvarovanými otvory. Ovšem ani ta nejtenčí lupénková pilka by na tak jemnou práci nestačila. Tvary vyřezává s přesností na desetiny milimetru laserový paprsek.
Systém dutin je vyladěný tak, aby voda začala proudit a mířit tam, kam je potřeba, jen pod vlivem hydrodynamických efektů. Oscilátor je prakticky bezporuchový a nenáročný na údržbu, protože se v něm nepohybují žádná šoupátka, ventily ani jiné mechanické součástky. Vzdušný cyklický bioreaktor, jak se zařízení oficiálně nazývá, má díky tvorbě velkého počtu miniaturních bublinek dostatečnou kapacitu, aby rozkládal oxid uhličitý během několika desítek minut. Ovšem k tomu, aby zvládl množství CO2 ve výfukových zplodinách z automobilových motorů, by musel mít poněkud větší rozměry. Vešel by se na přívěsný vozík za auto, ale to z praktického hlediska nepřichází v úvahu.
Mnohem pravděpodobnější je využití sheffieldského zařízení v tepelných elektrárnách nebo v teplárnách. Podle odhadu profesora Tesaře bude bioreaktor pro tyto účely vysoký přibližně čtyři metry a zabere plochu o rozloze rodinného domku. V areálu elektrárny zanedbatelné místo.
Problémy by nedělalo ani zpracování řas, kterým se bude v prostředí bohatém na oxid uhličitý velice dobře dařit. Odpadní teplo z elektrárenského komínu by se dalo využívat k sušení zelených mikroorganismů. Poté, co budou zbaveny vody, mohou posloužit jako surovina pro výrobu biopaliva.
Perspektivní využití bioreaktoru je více než pravděpodobné a zároveň velice přínosné. Vždyť například tepelné elektrárny a teplárny v České republice vypouštějí do atmosféry přes třicet milionů tun oxidu uhličitého ročně. Tento údaj vyplývá z Integrovaného registru znečišťování na webových stránkách ministerstva životního prostředí.
Pokud se o rozklad tohoto množství skleníkového plynu postarají řasy, lze ve stejném časovém období získat přes 11 milionů tun kyslíku. To je teoretický propočet.
Nyní záleží zejména na tom, za jak dlouho se podaří v praxi využít poznatků získaných provozem laboratorního bioreaktoru.
Ten zatím funguje jenom na sheffieldské univerzitě.
Obrázek
Kyslík z komínů
Okolí tepelných elektráren může za pár let sloužit jako kyslíkové lázně. Krok k tomuto cíli udělal tým vědců z britské univerzity v Sheffieldu, když vyvinul bioreaktor, zařízení, které rozkládá oxid uhličitý na kyslík a uhlík. Na výzkumu se podílel rovněž český vědec.
Profesor Václav Tesař, specialista v oboru mechaniky, vyvinul fluidní oscilátor pro tvorbu bublin miniaturních rozměrů
Ročně vypouštějí elektrárny a teplárny v Česku okolo 30 milionů tun oxidu uhličitého. Z každé tuny by bylo možné získat přibližně 350 kilogramů kyslíku.
Pokusný bioreaktor obsahuje řasy, kterými probublává voda s oxidem uhličitým (CO2). Řasám se v prostředí bohatém na CO2 výborně daří. mikrobubliny CO2
Přes fluidní oscilátor se voda s oxidem uhličitým vhání na dno bioreaktoru
fluidní oscilátor
Z hladiny bioreaktoru se odebírá kyslík a voda se zbývajícím CO2 se znovu přes oscilátor vhání na dno válce
Řasy ve válci o obsahu 250 litrů
Rozhodující je velikost bublin
Bubliny vytvářené s fluidním oscilátorem mají průměr okolo jednoho milimetru
Bubliny vytvářené bez fluidního oscilátoru mají průměr okolo devíti milimetrů
Bubliny vytvářené s fluidním oscilátorem stoupají bioreaktorem mnohem pomaleji a jejich povrch je mnohokrát větší, než u několika velkých bublin. Díky tomu mají řasy dost času rozebrat CO2 na uhlík a kyslík.
