Tretja generacija proizvodnje biovodika s pomočjo, z mikroalgami Scenedesmus obliquus hranjenimi bakterijami Clostridium butyricum in mešanico prilagojenih mikroorganizmov

UVOD

Tretja generacija proizvodnje biovodika s pomočjo, z mikroalgami Scenedesmus obliquus hranjenimi bakterijami Clostridium butyricum in mešanico prilagojenih mikroorganizmov Biovodik, se kot (stranski) produkt mikroorganizmov v literaturi večkrat omenja kot bodoči vir energije, saj je v primerjavi z zemeljskim plinom njegovo pridobivanje relativno varno in okolju prijazno ter omogoča večjo decentralizacijo proizvodnje. Vodik biološkega izvora je mogoče pridobivati s (ne)posredno biofotolizo vode s pomočjo zelenih alg in cianobakterij, kot tudi s pomočjo bakterij, ki omogočajo fotofermentacijo organskih snovi, kjer je svetloba nujno potrebna za potek reakcij oz. s pomočjo bakterij, ki omogočajo fermentacijo tudi v temi, v anoksičnih pogojih, kjer kisik ne deluje kot akceptor elektronov.

NAMEN RAZISKAVE

Raziskovalna skupina Patricije Moure se je odločila primerjati količino in čistost biovodika, ki ga proizvedejo čiste, gram pozitivne anaerobne bakterije Clostridium butyricum ter mešanica anaerobnih mikroorganizmov, ki so prisotni v odpadnih vodah. Skupina je kot substrat fermentacije uporabila biomaso pridobljeno iz zelenih alg Scenedesmus obliquus. Namen raziskave je torej bil tudi določiti vsebnost in dostopnost sladkorjev in ogljikovih hidratov iz biomase ter raziskati sposobnost omenjenih kultur pri pretvorbi hranil v vodik.

POTEK DELA

Znanstveniki so, zaradi enostavnih pogojev gojenja ter visokega izkoristka proizvodnje in hrambe ogljikovih hidratov, kot najoptimalnejši vir substrata fermentacije izbrali mikroalge Scenedesmus obliquus. Mikroalge so bile pred inkubacijo z bakterijami centrifugirane, posušene ter zmlete v prah. Po obdelavi s toplotnim šokom, so bili mikroorganizmi odpadnih voda razdeljeni v gojišči (namenjeni obogatitvi kultur bakterij rodu Clostridium), kjer so po toplotni selekciji pri 37oC oz. 58oC preživele mezofilne (LE37) oz. termofilne (LE58) bakterije. Podobno je bila čista kultura bakterij Clostridium butyricum gojena v enakem obogatitvenem gojišču pri 37 oC. Raziskovalci so glede na različne koncentracije dodane biomase alg spremljali časovno spreminjanje količine plina vodika ter ogljikovega dioksida prek plinske kromatografije ter koncentracijo organskih kislin ter sladkorjev v filtriranem supernatantu, pridobljenem po centrifugaciji bakterij v gojišču. V filtratu so bile s pomočjo tekočinske kromatografije visokih zmogljivosti (HPLC), analizirane koncentracije propanojske, ocetne, maslene, mravljične, izomaslene ter izovalerične (izopentanojske) kisline.

REZULTATI IN ZAKLJUČEK

Razlika med fermentacijo čiste glukoze in čistega škroba, ki poteče v kulturah LE37 in LE58, je statistično zanemarljiva. Po drugi strani pa je fermentacija biomase mikroalg Scenedesmus obliquus (kjer sta od vseh ogljikovih hidratov in sladkorjev najdostopnejša škrob in glukoza; slednja predstavlja 18% mase suhe snovi), bolj učinkovitejša v kulturi LE37, z višjo volumetrično produktivnostjo (34.8 v primerjavi z 15.3 mL H2/g kulture) in višjo stopnjo produkcije vodika (1.52 v primerjavi z 0.72 mol H2/mol sladkorjev biomase), čeprav nekoliko nižjo čistostjo vodika- nižjim razmerjem med vodikom in ogljikovim dioksidom (0.75 v primerjavi z 1.4). Meritve volumetrične produktivnosti (35.0 mL H2/g kulture) in čistosti vodika (1.6), kljub nižji stopnji produkcije vodika (1.44 mol H2/mol sladkorjev biomase), nakazujejo možnost uporabe čiste kulture bakterij Clostridium butyricum, kot najoptimalnejše kulture za proizvodnjo vodika. Analiza s pomočjo HPLC je dokazala visoko stopnjo proizvodnje različnih organskih sladkorjev v kulturi LE37 in posledično nižjo čistost vodika ter nestabilno fermentacijo zaradi zapletenih metaboličnih poti mešane kulture celic. Znanstveniki predvidevajo, da bi nihanje količine proizvedenega vodika ter organskih sladkorjev lahko predstavljalo oviro pri industrijski proizvodnji vodika. Posledično bi prav tako lahko vse prednosti mešanja čiste kulture bakterij Clostridium butyricum in mešane kulture LE37 izvenele. Nižji stroški čiščenja vodika ter stabilnejša proizvodnja organskih kislin, ki se lahko uporabijo pri proizvodnji bioplastike, nakazujejo, da bi bila uporaba čiste kulture bakterij Clostridium butyricum najprimernejša za industrijsko proizvodnjo biovodika in bioplastike.

VIRI

J Ortigueira, L Alves, L Gouveia, P Moura (2015). Third generation biohydrogen production by Clostridium butyricum and adapted mixed cultures from Scenedesmus obliquus microalga biomass, Fuel, Volume 153, 1, Pages 128–134.

D. Debabrata, V.T. NejaT (2008). Advances in biological hydrogen production processes. international journal of hydrogen energy vol.33; pages 6046-6057.