Energia zawsze pozostawała elementem koniecznym do szybkiego

Nr wniosku: 248273, nr raportu: 14264. Kierownik (z rap.): mgr Roman Józef Zagrodnik
Energia zawsze pozostawała elementem koniecznym do szybkiego rozwoju społecznego, a wraz
z rozwojem nowoczesnej cywilizacji poziom jej zużycia dramatycznie wzrasta. Ponad 80% obecnie
wytwarzanej energii pochodzi z paliw kopalnych. Ich zasoby są jednak ograniczone i szybko zużywane co
skutkuje zanieczyszczeniami atmosfery i nasileniem efektu cieplarnianego. Ostatnie lata pokazały, że koszt
uzyskania energii z tradycyjnych źródeł wzrasta w sposób trudny do przewidzenia. Odpowiedzią na
powyższe problemy jest wykorzystanie odnawialnych źródeł energii, takich jak biomasa, czy energia Słońca.
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 i "paliwem przyszłości" może być wodór, ponieważ jest czystym i wydajnym paliwem,
posiada najwyższą energię spalania spośród znanych paliw (142 MJ/kg), a jedynym "popiołem" jest woda.
Niestety, przemysłowe otrzymywanie wodoru jest obecnie oparte w około 96% właśnie na paliwach
kopalnych. Atrakcyjną alternatywą odnawialnej produkcji wodoru wydają się być metody biologiczne,
a w szczególności konwersja substratów organicznych z wykorzystaniem procesów fotofermentacji i ciemnej
fermentacji. Procesy te pozwalają na wykorzystanie szerokiego zakresu substancji organicznych jako źródeł
węgla, dlatego też oferują podwójną funkcję – przetwarzania odpadów z jednoczesną produkcją energii (H2).
Ciemna fermentacja prowadzona przez niektóre bakterie heterotroficzne pozwala na wykorzystanie
szerokiego zakresu substancji organicznych, w tym złożonej biomasy, jak ścieki i odpady, do wytwarzania
wodoru oraz kwasów organicznych jako produktów ubocznych. Dlatego też maksymalna teoretyczna
wydajność produkcji H2 w tym procesie wynosi tylko 4 mole H2/molglukozy. Natomiast fotofermentacja
prowadzona przez purpurowe bakterie bezsiarkowe pozwala wykorzystać produkty uboczne ciemnej
fermentacji (głównie kwas masłowy i octowy) do produkcji dodatkowych ilości wodoru, dzięki
wykorzystaniu energii słonecznej. Połączenie tych dwóch procesów w układzie hybrydowym pozwoliłoby
osiągać wydajności wynoszące 12 mol H2/molglukozy.
Rezultatem prac w ramach rozprawy doktorskiej jest zaprojektowanie i skonstruowanie
nowatorskiego systemu produkcji wodoru opartego o fotobioreaktor płaskopłytowy (pozwalający na pracę
ciągłą i półciągłą). Dodatkowo zbadano możliwość immobilizacji mikroorganizmów na nośnikach w postaci
silanizowanych szkieł porowatych i monolitów opartych o polimetakrylan 2-hydroksyetylu. Immobilizacja
pozwoliła na przeprowadzenie procesów w trybie ciągłym przy niskim hydraulicznym czasie retencji. Zaletą
procesów ciągłych w stosunku do układów okresowych jest stabilność warunków wewnątrz bioreaktora co
znacznie wydłużyło czas jego pracy i zwiększyło szybkość produkcji H2. Najlepsze rezultaty w procesie
ciągłej fotofermentacji otrzymano dla modyfikowanego szkła porowatego jako nośnika dla bakterii. Proces
ten trwał 70 dni, a ilość wytworzonego wodoru wyniosła 4,14 L. Z kolei dla zawiesiny bakterii otrzymano
jedynie 2,39 L H2. Badania przeprowadzone w ramach rozprawy doktorskiej pozwoliły przeanalizować
podstawowe parametry procesów ciemnej fermentacji (Clostridium beijerinckii and Clostridium
acetobutylicum) i fotofermentacji (Rhodobacter sphaeroides), takie jak: pH, temperatura, intensywność
światła, rodzaj i stężenie substratu, ilość inokulum czy hydrauliczny czas retencji. Poznano ich wpływ na
skład metabolitów ciekłych i wydajność produkcji wodoru oraz ustalono wartości optymalne dla danych
parametrów, tak aby uzyskiwać maksymalną produkcję wodoru, przy maksymalnym stopniu redukcji
związków organicznych zawartych w pożywce. Dostarczyło to informacji na temat kinetyki i stabilności
biologicznych procesów produkcji H2.
Głównym rezultatem rozprawy doktorskiej było stworzenie i zbadanie jednoetapowego ciągłego
systemu hybrydowego prowadzonego w trybie ciągłym i opartego na połączeniu procesów ciemnej i jasnej
fermentacji (C. acetobutylicum + R. sphaeroides) w jednym bioreaktorze. Zaletą jednoetapowego układu
hybrydowego w porównaniu do dwuetapowego, w którym oba procesy zachodzą w odrębnych bioreaktorach
jest redukcja czasu fermentacji i zwiększona produktywność wodoru. Eksperymenty wskazały, że połączenie
ciemnej i jasnej fermentacji skutkowało zwiększeniem ilości produkowanego wodoru. Wymagało to jednak
ścisłej kontroli parametrów procesu. Procesy hybrydowe są bowiem bardziej wrażliwe na zmiany warunków
w bioreaktorze niż procesy z czystymi szczepami bakteryjnymi. Badania optymalizacyjne wskazały, że
warunki pH mają kluczowe znacznie dla hybrydowego procesu produkcji wodoru. Badania koncentrowały
się na zastosowaniu skrobi jako źródła węgla, ponieważ ten biopolimer jest powszechnie obecny w biomasie
odpadowej, która może być wykorzystana jako substrat do procesu wielkoskalowego. W stworzonych
układach hybrydowych kwasy organiczne będące produktem ciemnej fermentacji były wykorzystywane
przez bakterie fotofermentujące, doprowadzając do całkowitej konwersji substratu (skrobi) do wodoru i CO 2.
Ponadto ilość wodoru wytworzona w układzie hybrydowym była 3 razy wyższa niż w procesie ciemnej
fermentacji (odpowiednio 5,11 i 1,78 mol H2/molskrobi). Przeprowadzone badania dostarczyły cennych
informacji, a otrzymane wyniki mogą być użyte do stworzenia układów biologicznej produkcji wodoru
w większej skali. Dalsze badania powinny koncentrować się poszukiwaniu mikroorganizmów z podobnymi
wymaganiami pH, tak aby stworzyć stabilne i wydajne systemy hybrydowe z mieszaną kulturą bakteryjną.