Wykorzystanie mikrobiologicznych systemów hybrydowych do

Roman Zagrodnik
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Wykorzystanie mikrobiologicznych systemów hybrydowych do
wytwarzania wodoru z produktów odpadowych
W świecie, gdzie energia jest elementem koniecznym do szybkiego rozwoju
społecznego, a wraz z rozwojem nowoczesnej cywilizacji poziom jej zużycia dramatycznie
wzrasta, zagadnienie otrzymywania taniej i ogólnie dostępnej energii powinno zajmować
ważne miejsce. Szczególnie w ostatnim okresie widać, iż koszt uzyskania energii z
tradycyjnych źródeł wzrasta w sposób trudny do przewidzenia. Ceny paliw rosną, co odbija
się na społeczeństwie i doprowadza do spowolnienia rozwoju gospodarczego. Odpowiedzią
na obecne problemy energetyczne jest wykorzystanie odnawialnych źródeł energii takich jak
np. biomasa. Jednak niezależnie od źródła pochodzenia, energia musi dotrzeć do
użytkownika poprzez wydajny nośnik, który może być wykorzystany w szerokiej gamie
zastosowań. Uważa się, że szczególnie korzystnym nośnikiem energii jest wodór. Wodór jest
czystym i wydajnym paliwem i jest powszechnie uznawany jako potencjalny substytut paliw
kopalnych.
Spośród wielu metod generowania wodoru, dużym zainteresowaniem cieszy się jego
biologiczna produkcja z wykorzystaniem konwersji substratów organicznych na drodze
fermentacji i fotofermentacji, gdyż są to procesy najbardziej efektywne. Pozwalają one na
neutralizację szerokiego zakresu ścieków i odpadów oraz na produkcję czystego wodoru.
Proces ciemnej fermentacji prowadzą bakterie anaerobowe, rozkładające związki organiczne
do wodoru, dwutlenku węgla i lotnych kwasów tłuszczowych.
Natomiast proces
fotofermentacji prowadzą fotoheterotroficzne purpurowe bakterie bezsiarkowe, które oprócz
światła i warunków beztlenowych wymagają także prostych związków organicznych. Dlatego
też świetnie nadają się do dalszego przetwarzania kwasów organicznych i alkoholi będących
metabolitami fermentacji ciemnej. Istnieje więc potrzeba badania układów bardziej
skomplikowanych, wykorzystujących kilka procesów jednocześnie.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Celem
mojej
pracy
doktorskiej
jest
zbadanie
mikrobiologicznych
procesów
generowania wodoru (fotofermentacji i ciemnej fermentacji) z wykorzystaniem bioreaktorów i
spreparowanych wcześniej nowych porowatych materiałów immobilizacyjnych na których
osadzone będą bakterie. W badaniach wykorzystywane są czyste kultury bakterii
prowadzących fermentację ciemną z rodziny Clostridium- C. beijerinckii i C. acetobutylicum,
oraz purpurowe bezsiarkowe bakterie fotofermentujące Rhodobacter sphaeroides O.U.001.
W dalszej kolejności planuję stworzyć i zbadać jednoetapowy system hybrydowy, w którym
oba ww. procesy będą zachodzić jednocześnie. Bioreaktor będzie zawierał zarówno
mikroorganizmy przeprowadzające fermentację ciemną jak i bakterie fotofermentujące.
Zaletą systemu jednoetapowego w porównaniu do dwuetapowego (w którym obie
fermentacje zachodzą w odrębnych reaktorach) jest krótszy czas i mniejsza przestrzeń
potrzebna do przeprowadzenia procesu a także wysoka wydajność produkcji wodoru. Kwasy
organiczne będące produktami procesu "ciemnego", są wykorzystywane przez bakterie
fotofermentujące, co doprowadzi do ich całkowitej redukcji do wodoru i dwutlenku węgla.
Istotą projektu jest określenie zarówno metabolitów gazowych (H2, CO2) jak i ciekłych (kwasy
organiczne i alkohole) i optymalizacja procesu aby uzyskiwać maksymalną produkcję
wodoru, przy maksymalnym stopniu redukcji związków organicznych zawartych w ścieku.
Jako ścieki podczas badań stosuje odpady z przemysłu browarnianego, cukrowniczego, i
gorzelnianego.
Moja praca ma charakter badań aplikacyjnych w której wykorzystuje fotobioreaktory
płaskopłytowe do prowadzenia procesu generowania wodoru w trybie ciągłym w małej skali.
Tworzenie systemów działających w trybie ciągłym w znacznym stopniu ułatwia prowadzenie
procesów przemysłowych, jednocześnie znacznie obniżając koszty produkcji. Wyniki
przeprowadzonych badań dostarczą informacji na temat kinetyki i stabilności produkcji
wodoru w systemie ciągłym oraz pozwolą na jakościowe i ilościowe oznaczenie ciekłych
produktów procesu fermentacji. Przeprowadzone badania będą stanowiły cenne źródło
informacji i punkt wyjścia do praktycznego zastosowania ich do produkcji wodoru.
Warty podkreślenia jest fakt, że techniki biologicznego otrzymywania wodoru są dobrze
dostosowane do produkcji energii w małej i średniej wielkości instalacjach w lokalizacjach ,
gdzie biomasa lub ścieki są dostępne. Technologia ta prezentuje więc nowe podejście w
kwestii energii i oczyszczana ścieków przemysłowych w Wielkopolsce. Doniesienia
literaturowe oraz badania przeprowadzone w grupie badawczej do której należę wskazują
bowiem, iż odpowiednimi substratami dla ciemnej fermentacji i fotofermentacji są ścieki
pochodzące z wielu procesów przemysłowych: cukrowni, przemysłu browarnianego czy
przemysłu mleczarskiego. W Wielkopolsce istnieje natomiast wiele przedsiębiorstw
działających w tych obszarach. Wymienić można chociażby "Lech Browary Wielkopolski",
"Mleczarnie Naramowice" działające na terenie Poznania, czy cukrownie "Diamant" ze Środy
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Wielkopolskiej. Ścieki pochodzące z tych zakładów są źródłem cukrów i kwasów
organicznych będących doskonałym źródłem energii dla bakterii prowadzących ciemną i
jasną fermentację. Gdyby system ten uległ komercjalizacji pozwoliłoby to na tworzenie
przyzakładowych jednostek, które utylizując wytworzone ścieki, jednocześnie produkowałyby
wodór. Gaz ten mógłby zostać zużyty jako źródło energii bezpośrednio w zakładzie
przemysłowym z wykorzystaniem ogniw paliwowych. Jest to korzystne z ekonomicznego
punktu widzenia, a jednocześnie w pewnym stopniu zabezpiecza bezpieczeństwo
energetyczne regionu.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego