Potencial trajnostne proizvodnje bioenergije iz Synechocystis sp., gojene v odpadnih vodah v velikem merilu – pristop nizkocenovne biorafinerije: Difference between revisions
No edit summary |
No edit summary |
||
| (10 intermediate revisions by the same user not shown) | |||
| Line 1: | Line 1: | ||
Analize potreb po energiji in zalog surove nafte napovedujejo veliko energijsko krizo v naslednjih nekaj desetletjih. Zaradi tega je potreben razvoj tehnologij alternativnih virov energije in biogoriv, pri čemer naj biogoriva ne bi nadaljnjo obremenjevala okolja <ref name="prvi">[https://doi.org/10.1007/s00253-009-2383-z A. Rötig, L. Wenning, D. Bröker in A. Steinbüchel: Fatty acid alkyl esters: perspectives for production of alternative biofuels. Applied Microbiology and Biotechnology. 2010, 85 (6), 1713–1733.]</ref> <ref name="drugi">[https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.07.084 R. A. Voloshin, M. V. Rodinova, S. K. Zharmakhmedov, T. N. Veziroglu in S. I. Allakhverdiev: Review: Biofuel production from plant and algal biomass. International Journal of Hydrogen Energy. 2016, 41 (39), 177257–17273.]</ref>. Bioetanol in biodizelsko gorivo predstavljata potencialno rešitev. Biodizel je sestavljen iz alkilnih estrov maščobnih kislin in se ga lahko sintetizira iz obnovljivih virov. Prednosti biodizelskega goriva so kompatibilnost z že obstoječo gorivno infrastrukturo, nestrupenost in boljše karakteristike igorevanja kot fosilna goriva <ref name = "prvi"/>. | Analize potreb po energiji in zalog surove nafte napovedujejo veliko energijsko krizo v naslednjih nekaj desetletjih. Zaradi tega je potreben razvoj tehnologij alternativnih virov energije in biogoriv, pri čemer naj biogoriva ne bi nadaljnjo obremenjevala okolja <ref name="prvi">[https://doi.org/10.1007/s00253-009-2383-z A. Rötig, L. Wenning, D. Bröker in A. Steinbüchel: Fatty acid alkyl esters: perspectives for production of alternative biofuels. Applied Microbiology and Biotechnology. '''2010''', ''85'' (6), 1713–1733.]</ref> <ref name="drugi">[https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.07.084 R. A. Voloshin, M. V. Rodinova, S. K. Zharmakhmedov, T. N. Veziroglu in S. I. Allakhverdiev: Review: Biofuel production from plant and algal biomass. International Journal of Hydrogen Energy. '''2016''', ''41'' (39), 177257–17273.]</ref>. Bioetanol in biodizelsko gorivo predstavljata potencialno rešitev pomanjkanja energije. Biodizel je sestavljen iz alkilnih estrov maščobnih kislin in se ga lahko sintetizira iz obnovljivih virov. Prednosti biodizelskega goriva so kompatibilnost z že obstoječo gorivno infrastrukturo, nestrupenost in boljše karakteristike igorevanja kot fosilna goriva <ref name = "prvi"/>. | ||
<h2>Uporaba alg za proizvodnjo biogoriv</h2> | <h2>Uporaba alg za proizvodnjo biogoriv</h2> | ||
Algna biomasa predstavlja potencialno surovino za proizvodnjo biogoriv. Gojenje alg ne izrablja kmetijskih površin in ne zahteva obsežnejše obdelave biomase <ref name = "drugi"/>. Za proizvodnjo biomase so zanimive mikroalge, saj so številne mikroalge miksotrofi, zaradi česar so potencialno uporabne za čiščenje | Algna biomasa predstavlja potencialno surovino za proizvodnjo biogoriv. Gojenje alg ne izrablja kmetijskih površin in ne zahteva obsežnejše obdelave biomase <ref name = "drugi"/>. Za proizvodnjo biomase so zanimive mikroalge, saj so številne mikroalge miksotrofi, zaradi česar so potencialno uporabne za čiščenje odpadne vode <ref name="tretji">[https://doi.org/10.3390/bioengineering4020026 C. Troschl, K. Meixner in B. Drosg: Cyanobacterial PHA production – Review of recent advances and a summary of three years’working experience running a pilot plant. Bioengineering. '''2017''', ''4'' (2), 26.]</ref>. | ||
Gojenje algne biomase lahko poteka v fotobioreaktorjih ali odprtih sistemih. Fotobioreaktorji omogočajo natančen nadzor pogojev gojenja, medtem ko so | Gojenje algne biomase lahko poteka v fotobioreaktorjih ali odprtih sistemih. Fotobioreaktorji omogočajo natančen nadzor pogojev gojenja, medtem ko so odprti sistemi cenovno ugodnejši. Za proizvodnjo biodizelskega goriva je potrebno na biomasi izvesti transesterifikacijo, da pridobimo alkilne estre maščobnih kislin. Za proizvodnjo bioetanola je potrebno biomaso fermentirati <ref name = "drugi"/>. | ||
<h2>Gojenje mikroalg v odprtih sistemih z uporabo | <h2>Gojenje mikroalg v odprtih sistemih z uporabo komunalne odpadne vode</h2> | ||
Cianobakterije so potencialni organizmi za pridobivanje biogoriv, predvsem zaradi robustne rasti in kopičenja visokih deležev lipidov v celicah. Med rodovi z visokim potencialom je rod Synechocystis, vendar kljub temu še ni bilo narejenih raziskav z gojenjem cianobakterij iz tega rodu v odprtih sistemih z uporabo | Cianobakterije so potencialni organizmi za pridobivanje biogoriv, predvsem zaradi robustne rasti in kopičenja visokih deležev lipidov v celicah. Med rodovi z visokim potencialom je rod ''Synechocystis'', vendar kljub temu še ni bilo narejenih raziskav z gojenjem cianobakterij iz tega rodu v odprtih sistemih z uporabo komunalne odpadne vode. Takšen sistem je ugoden tudi za proizvodnjo biogoriv zaradi nizkih stroškov gojenja cianobakterij. Tovrstno raziskavo so izvedli Ashokkumar in sodelavci <ref name = "cetrti">[https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.02.056 V. Ashokkumar, W.-H. Chen, C. Ngamcharussrivichai, E. Agila in F. N. Ani: Potential of sustainable bioenergy production from Synechocystis sp. cultivated in wastewater at large scale – A low cost biorefinery approach. Energy Conversion and Management. '''2019''', ''186'', 188–199.]</ref>. | ||
<h3>Izolacija in gojenje ''Synechocystis'' sp. PCC6803</h3> | <h3>Izolacija in gojenje ''Synechocystis'' sp. PCC6803</h3> | ||
Raziskovalci so iz sladkovodnega vira izolirali cianobakterijo Synechocystis sp. PCC6803. Izolirani mikroorganizem so počasi privadili na končne pogoje gojenja s postopnim dodajanjem komunalne vode v gojišče, pri čemer so iz | Raziskovalci so iz sladkovodnega vira izolirali cianobakterijo ''Synechocystis'' sp. PCC6803. Izolirani mikroorganizem so počasi privadili na končne pogoje gojenja s postopnim dodajanjem komunalne odpadne vode v tekoče gojišče, pri čemer so iz vode najprej odstranili neraztopljene trdne snovi in vodo filtrirali. Za pospešitev rasti cianobakterij so v gojišče dodajali natrijev hidrogenkarbonat <ref name = "cetrti"/>. | ||
Tako gojene cianobakterije so prestavili v odprt gojitveni bazen (ang. »raceway pond«) in jih gojili več tednov. Vsak 3. dan so vzorčili 35 % volumna kulture cianobakterij in ga nadomestili s komunalno vodo. Iz vzorčenega volumna so izolirali biomaso z uporabo železovega (III) klorida in določenega biopolimera. Testirali več pogojev in določili najboljše pogoje izolacije biomase (železov (III) klorid: 90 ppm, biopolimer: 40 ppm, pH: 6,5). Pri teh pogojih so izolirali 98,7 % biomase <ref name = "cetrti"/>. | |||
Tako gojene cianobakterije so prestavili v odprt gojitveni bazen (ang. »raceway pond«) in jih gojili več tednov. Vsak 3. dan so vzorčili 35 % volumna kulture cianobakterij in ga nadomestili s komunalno odpadno vodo. Iz vzorčenega volumna so izolirali biomaso z uporabo železovega (III) klorida in določenega biopolimera. Testirali več pogojev in določili najboljše pogoje izolacije biomase (železov (III) klorid: 90 ppm, biopolimer: 40 ppm, pH: 6,5). Pri teh pogojih so izolirali 98,7 % biomase <ref name = "cetrti"/>. | |||
<h3>Izolacija lipidov in sinteza biodizelskega goriva</h3> | <h3>Izolacija lipidov in sinteza biodizelskega goriva</h3> | ||
Iz liofilizirane biomase so raziskovalci izolirali lipide po Soxhletovi ekstrakcijski metodi. Najboljši izkoristek izolacije lipidov (24,3 %) so dosegli z uporabo mešanice dietil etra in metanola (razmerje 1:1) <ref name = "cetrti"/>. | Iz liofilizirane biomase so raziskovalci izolirali lipide po Soxhletovi ekstrakcijski metodi. Najboljši izkoristek izolacije lipidov (24,3 %) so dosegli z uporabo mešanice dietil etra in metanola (razmerje 1:1) <ref name = "cetrti"/>. | ||
Za proizvodnjo biodizelskega goriva so uporabili proces transesterifikacije z uporabo ultrasoniciranja in dodatkom katalizatorja | |||
Testirali so več pogojev in določili optimalno koncentracijo katalizatorja (3 %), optimalno temperaturo reakcije (75 °C) in optimalno razmerje metanol:lipidi (30:1). Pri optimalnih pogojih so dosegli 90,5 % izkoristek reakcije. Analize so pokazale, da so večinski del pripravljenega biodizelskega goriva predstavljali estri palmitinske kisline (46,1 %). Fizikalne lastnosti biodizelskega goriva so ustrezale zahtevam pravilnika D6751 <ref name = "cetrti"/>. | Za proizvodnjo biodizelskega goriva so uporabili proces transesterifikacije z uporabo ultrasoniciranja in dodatkom katalizatorja WO<sub>3</sub>/ZrO<sub>2</sub>. Produkt reakcije so bili metilni estri maščobnih kislin. Te so očistili, analizirali z masno spektrometrijo in jedrsko magnetno resonanco ter hkrati določili njihove fizikalne lastnosti po pravilniku D6751 Ameriškega društva za testiranje in materiale. Ta protokol določa standardne vrednosti in specifikacije za biodizelska goriva <ref name = "cetrti"/>. | ||
Testirali so več pogojev in določili za transesterifikacijo optimalno koncentracijo katalizatorja (3 %), optimalno temperaturo reakcije (75 °C) in optimalno razmerje metanol:lipidi (30:1). Pri optimalnih pogojih so dosegli 90,5 % izkoristek reakcije. Analize so pokazale, da so večinski del pripravljenega biodizelskega goriva predstavljali estri palmitinske kisline (46,1 %). Fizikalne lastnosti biodizelskega goriva so ustrezale zahtevam pravilnika D6751 <ref name = "cetrti"/>. | |||
<h3>Sinteza bioetanola</h3> | <h3>Sinteza bioetanola</h3> | ||
Raziskovalci so del izoliranih lipidov obdelali s | Raziskovalci so del izoliranih lipidov obdelali s H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>, s čimer so izolirali sladkorje za proizvodnjo bioetanola. Največjo količino sladkorev so izolirali pri 150 °C v mešanici s 4 % H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>. Z uporabo kvasovke ''Saccharomyces cerevisiae'' so sladkorje fermentirali. Izolirali so bioetanol in ga analizirali s plinsko kromatografijo s plamensko-ionizacijskim detektorjem. Največji delež bioetanola v vzorcu so določili po 72 h fermentacije <ref name = "cetrti"/>. | ||
<h3>Analiza cene proizvodnje biomase</h3> | <h3>Analiza cene proizvodnje biomase</h3> | ||
Na podlagi rezultatov svoje raziskave so znanstveniki | Na podlagi rezultatov svoje raziskave so znanstveniki ocenili, da bi bila cianobakterija ''Synechocystis'' sp. PCC6803 sposobna proizvodnje 94,5 ton suhe biomase na hektar gojilne površine na leto. Z uporabo komunalne odpadne vode pri gojenju cianobakterij bi lahko zmanjšali stroške gojenja za 32–35 %. Kljub temu bi bila po njihovi metodi gojenja cena algne biomase 2–3 $ na kilogram biomase <ref name = "cetrti"/>. | ||
<h2>Zaključek</h2> | <h2>Zaključek</h2> | ||
V predstavljeni študiji so se Ashokkumar in sodelavci namenili razviti pristop integrirane biorafinerije za namen čiščenja | V predstavljeni študiji so se Ashokkumar in sodelavci namenili razviti pristop integrirane biorafinerije za namen čiščenja komunalne odpadne vode in sinteze biogoriv. Raziskovalci so pokazali, da je možno gojenje mikroalg z uporabo komunalne odpadne vode. Poleg tega so uspeli sintetizirati visoke deleže biodizelskega goriva in bioetanola. S tem so pokazali potencial cianobakterije ''Synechocystis'' sp. PCC6803 tako za čiščenje opadne vode kot tudi za biosintezo goriv. | ||
<h2>Viri</h2> | <h2>Viri</h2> | ||
<references/> | <references/> | ||
Latest revision as of 15:34, 14 May 2019
Analize potreb po energiji in zalog surove nafte napovedujejo veliko energijsko krizo v naslednjih nekaj desetletjih. Zaradi tega je potreben razvoj tehnologij alternativnih virov energije in biogoriv, pri čemer naj biogoriva ne bi nadaljnjo obremenjevala okolja <ref name="prvi">A. Rötig, L. Wenning, D. Bröker in A. Steinbüchel: Fatty acid alkyl esters: perspectives for production of alternative biofuels. Applied Microbiology and Biotechnology. 2010, 85 (6), 1713–1733.</ref> <ref name="drugi">R. A. Voloshin, M. V. Rodinova, S. K. Zharmakhmedov, T. N. Veziroglu in S. I. Allakhverdiev: Review: Biofuel production from plant and algal biomass. International Journal of Hydrogen Energy. 2016, 41 (39), 177257–17273.</ref>. Bioetanol in biodizelsko gorivo predstavljata potencialno rešitev pomanjkanja energije. Biodizel je sestavljen iz alkilnih estrov maščobnih kislin in se ga lahko sintetizira iz obnovljivih virov. Prednosti biodizelskega goriva so kompatibilnost z že obstoječo gorivno infrastrukturo, nestrupenost in boljše karakteristike igorevanja kot fosilna goriva <ref name = "prvi"/>.
Uporaba alg za proizvodnjo biogoriv
Algna biomasa predstavlja potencialno surovino za proizvodnjo biogoriv. Gojenje alg ne izrablja kmetijskih površin in ne zahteva obsežnejše obdelave biomase <ref name = "drugi"/>. Za proizvodnjo biomase so zanimive mikroalge, saj so številne mikroalge miksotrofi, zaradi česar so potencialno uporabne za čiščenje odpadne vode <ref name="tretji">C. Troschl, K. Meixner in B. Drosg: Cyanobacterial PHA production – Review of recent advances and a summary of three years’working experience running a pilot plant. Bioengineering. 2017, 4 (2), 26.</ref>. Gojenje algne biomase lahko poteka v fotobioreaktorjih ali odprtih sistemih. Fotobioreaktorji omogočajo natančen nadzor pogojev gojenja, medtem ko so odprti sistemi cenovno ugodnejši. Za proizvodnjo biodizelskega goriva je potrebno na biomasi izvesti transesterifikacijo, da pridobimo alkilne estre maščobnih kislin. Za proizvodnjo bioetanola je potrebno biomaso fermentirati <ref name = "drugi"/>.
Gojenje mikroalg v odprtih sistemih z uporabo komunalne odpadne vode
Cianobakterije so potencialni organizmi za pridobivanje biogoriv, predvsem zaradi robustne rasti in kopičenja visokih deležev lipidov v celicah. Med rodovi z visokim potencialom je rod Synechocystis, vendar kljub temu še ni bilo narejenih raziskav z gojenjem cianobakterij iz tega rodu v odprtih sistemih z uporabo komunalne odpadne vode. Takšen sistem je ugoden tudi za proizvodnjo biogoriv zaradi nizkih stroškov gojenja cianobakterij. Tovrstno raziskavo so izvedli Ashokkumar in sodelavci <ref name = "cetrti">V. Ashokkumar, W.-H. Chen, C. Ngamcharussrivichai, E. Agila in F. N. Ani: Potential of sustainable bioenergy production from Synechocystis sp. cultivated in wastewater at large scale – A low cost biorefinery approach. Energy Conversion and Management. 2019, 186, 188–199.</ref>.
Izolacija in gojenje Synechocystis sp. PCC6803
Raziskovalci so iz sladkovodnega vira izolirali cianobakterijo Synechocystis sp. PCC6803. Izolirani mikroorganizem so počasi privadili na končne pogoje gojenja s postopnim dodajanjem komunalne odpadne vode v tekoče gojišče, pri čemer so iz vode najprej odstranili neraztopljene trdne snovi in vodo filtrirali. Za pospešitev rasti cianobakterij so v gojišče dodajali natrijev hidrogenkarbonat <ref name = "cetrti"/>.
Tako gojene cianobakterije so prestavili v odprt gojitveni bazen (ang. »raceway pond«) in jih gojili več tednov. Vsak 3. dan so vzorčili 35 % volumna kulture cianobakterij in ga nadomestili s komunalno odpadno vodo. Iz vzorčenega volumna so izolirali biomaso z uporabo železovega (III) klorida in določenega biopolimera. Testirali več pogojev in določili najboljše pogoje izolacije biomase (železov (III) klorid: 90 ppm, biopolimer: 40 ppm, pH: 6,5). Pri teh pogojih so izolirali 98,7 % biomase <ref name = "cetrti"/>.
Izolacija lipidov in sinteza biodizelskega goriva
Iz liofilizirane biomase so raziskovalci izolirali lipide po Soxhletovi ekstrakcijski metodi. Najboljši izkoristek izolacije lipidov (24,3 %) so dosegli z uporabo mešanice dietil etra in metanola (razmerje 1:1) <ref name = "cetrti"/>.
Za proizvodnjo biodizelskega goriva so uporabili proces transesterifikacije z uporabo ultrasoniciranja in dodatkom katalizatorja WO3/ZrO2. Produkt reakcije so bili metilni estri maščobnih kislin. Te so očistili, analizirali z masno spektrometrijo in jedrsko magnetno resonanco ter hkrati določili njihove fizikalne lastnosti po pravilniku D6751 Ameriškega društva za testiranje in materiale. Ta protokol določa standardne vrednosti in specifikacije za biodizelska goriva <ref name = "cetrti"/>. Testirali so več pogojev in določili za transesterifikacijo optimalno koncentracijo katalizatorja (3 %), optimalno temperaturo reakcije (75 °C) in optimalno razmerje metanol:lipidi (30:1). Pri optimalnih pogojih so dosegli 90,5 % izkoristek reakcije. Analize so pokazale, da so večinski del pripravljenega biodizelskega goriva predstavljali estri palmitinske kisline (46,1 %). Fizikalne lastnosti biodizelskega goriva so ustrezale zahtevam pravilnika D6751 <ref name = "cetrti"/>.
Sinteza bioetanola
Raziskovalci so del izoliranih lipidov obdelali s H2SO4, s čimer so izolirali sladkorje za proizvodnjo bioetanola. Največjo količino sladkorev so izolirali pri 150 °C v mešanici s 4 % H2SO4. Z uporabo kvasovke Saccharomyces cerevisiae so sladkorje fermentirali. Izolirali so bioetanol in ga analizirali s plinsko kromatografijo s plamensko-ionizacijskim detektorjem. Največji delež bioetanola v vzorcu so določili po 72 h fermentacije <ref name = "cetrti"/>.
Analiza cene proizvodnje biomase
Na podlagi rezultatov svoje raziskave so znanstveniki ocenili, da bi bila cianobakterija Synechocystis sp. PCC6803 sposobna proizvodnje 94,5 ton suhe biomase na hektar gojilne površine na leto. Z uporabo komunalne odpadne vode pri gojenju cianobakterij bi lahko zmanjšali stroške gojenja za 32–35 %. Kljub temu bi bila po njihovi metodi gojenja cena algne biomase 2–3 $ na kilogram biomase <ref name = "cetrti"/>.
Zaključek
V predstavljeni študiji so se Ashokkumar in sodelavci namenili razviti pristop integrirane biorafinerije za namen čiščenja komunalne odpadne vode in sinteze biogoriv. Raziskovalci so pokazali, da je možno gojenje mikroalg z uporabo komunalne odpadne vode. Poleg tega so uspeli sintetizirati visoke deleže biodizelskega goriva in bioetanola. S tem so pokazali potencial cianobakterije Synechocystis sp. PCC6803 tako za čiščenje opadne vode kot tudi za biosintezo goriv.
Viri
<references/>
