Nr wniosku: 184089, nr raportu: 14265. Kierownik (z rap.): mgr

Nr wniosku: 184089, nr raportu: 14265. Kierownik (z rap.): mgr Roman Józef Zagrodnik
Odpowiedzią na obecne problemy rosnącego zapotrzebowania na energię, kurczących się rezerw paliw kopalnych i
związanych z nimi zmian klimatu jest wykorzystanie odnawialnych źródeł energii - takich jak biomasa i 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 "paliwem przyszłości" może być wodór, ponieważ jest
czystym i wydajnym paliwem, dlatego jest powszechnie uznawany jako potencjalny substytut paliw kopalnych. Niestety,
przemysłowe otrzymywanie wodoru jest obecnie oparte w 98% właśnie na konwencjonalnych 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 (wodoru).
Proces ciemnej fermentacji pozwala uzyskiwać wysokie szybkości produkcji H2 z wykorzystaniem złożonych
substratów organicznych, takich jak: skrobia, celuloza czy materiały odpadowe. Jednak maksymalna teoretyczna
wydajność produkcji H2 w tym procesie wynosi tylko 4 mole H2 /molglukozy (z 12 mol H2 możliwych do uzyskania).
Produkty uboczne ciemnej fermentacji składają się głównie z lotnych kwasów tłuszczowych, takich jak kwas octowy,
masłowy, czy propionowy. Natomiast fotofermentacja prowadzona przez purpurowe bakterie bezsiarkowe pozwala
wykorzystać produkty uboczne ciemnej fermentacji do produkcji dodatkowych ilości wodoru, dzięki wykorzystaniu
energii słonecznej. Połączenie tych dwóch procesów w układ hybrydowy pozwoliłoby osiągać wydajności wynoszące 12
mol H2 /molglukozy.
Celem projektu było więc zbadanie procesów ciemnej i jasnej fermentacji z określeniem zarówno metabolitów
gazowych (H2 , CO2 ) jak i ciekłych (kwasy organiczne i alkohole) i optymalizacja tych procesów tak, aby uzyskiwać
maksymalną produkcję wodoru, przy maksymalnym stopniu redukcji związków organicznych zawartych w pożywce.
Mikrobiologiczna produkcja wodoru była badana w bioreaktorach o zróżnicowanej konstrukcji pracujących w różnych
trybach. Rezultatem projektu jest zaprojektowanie i skonstruowanie nowatorskiego systemu produkcji wodoru opartego o
fotobioreaktor płaskopłytowy ( pozwalający na pracę ciągłą i półciągłą). Badania koncentrowały się na poznaniu wpływu
podstawowych parametrów procesów takich jak: pH, temperatura, intensywność światła, rodzaj i stężenie substratu, ilość
inokulum czy hydrauliczny czas retencji na wydajność i szybkość produkcji wodoru. Produkcja H2 przez
fotofermentujące bakterie R. sphaeroides oraz prowadzące ciemną fermentację bakterie C. beijerinckii i C. acetobutylicum
była analizowana i optymalizowana oddzielnie, co dostarczyło informacji na temat kinetyki i stabilności biologicznych
procesów produkcji H2 . Dodatkowo zbadano możliwość immobilizacji mikroorganizmów na nośnikach w postaci
silanizowanych szkieł porowatych i polimetakrylanu 2-hydroksyetylu. Immobilizacja pozwoliła na przeprowadzenie
procesów w trybie ciągłym z niskim hydraulicznymi czasami retencji. Zaletą procesów ciągłych w stosunku do układów
okresowych jest stabilność warunków wewnątrz bioreaktora co znacznie wydłużyło czas jego pracy. Głównym rezultatem
projektu jest stworzenie i zbadanie jednoetapowego ciągłego systemu hybrydowego prowadzonego w trybie ciągłym i
opartego na połączeniu procesów ciemnej i jasnej fermentacji.
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. W stworzonych układach
hybrydowych kwasy organiczne będące produktem ciemnej fermentacji były wykorzystywane przez bakterie
fotofermentujące, doprowadzając do całkowitej konwersji substratu (skrobi) do wodoru i CO2 . Zbliżone wyniki
otrzymano dla skrobi jako substratu. Jednak aktywacja bakterii C. acetobutylicum na skrobi okazała się być kluczowa dla
otrzymania wysokiej aktywności bakterii zarówno w procesie z pojedynczą jak i łączoną kulturą bakteryjną.
Przeprowadzone badania dostarczyły cennych informacji, a otrzymane wyniki mogą być użyte do stworzenia układów
biologicznej produkcji wodoru w większej skali.