Kombinacija temne fermentacije v trdnem stanju in mehanske obdelave za razgradnjo lignoceluloze: Inovativen pristop za proizvodnjo biogoriv in hlapnih organskih kislin.
Uvod
Beseda lignoceluloza ali lignocelulozna biomasa pomeni suho materijo rastlin, ki je najbolj razširjena surovina za izdelavo bio-goriv na Zemlji. Iz same besede lahko razberemo, da gre za material sestavljen iz celuloze pa tudi hemiceluloze, ki sta trdno vezani na aromatski polimer lignin. Že od nekdaj so ljudje uporabljali lignocelulozo kot gorivo v obliki drv, od sredine dvajsetega stoletja, pa se je povečalo zanimanje za tekoča goriva. Temu je sledil razvoj tehnologij za pridobivanje t.i. celuloznega etanola s procesom fermentacije. Slednji predstavlja ekološko sprejemljiv vir energije, saj z njegovo uporabo ne vnašamo dodatnega ogljikovega dioksida v atmosfero, ker ta prihaja iz samih rastlin. Pri njegovem izgorevanju ne nastajajo nekateri okolju škodljivi stranski produkti kot pri večini fosilnih goriv. Kljub mnogim prednostim, pa bio-etanol ni konkurenčen konvencionalnim gorivom, saj njegova proizvodnja ne mora zadovoljiti potreb trga, poleg tega pa je z ekonomskega stališča manj ugodna. Ena od ovir pri tem je, da so monosaharidi, ki so potrebni za fermentacijo, ujeti v lignocelulozni strukturi. Tako je potrebno za uspešno fermentacijo najprej prekiniti esterske in eterske povezave med ligninom in celulozo in nato še povezave med posameznimi monosaharidnimi enotami.
Tema raziskave
Pred fermentacijo je potrebno surov material ustrezno obdelati, da dosežemo razgradnjo do topnih sladkornih monomerov. To lahko izvajamo na več možnih načinov: z mletjem, segrevanjem (vroča voda ali vodna para…), kemijsko (kisline, baze, oksidanti…) ali biološko razgradnjo (glive, encimi, bakterije…). Kakšen pristop ali kombinacijo teh bomo uporabili je odvisno od učinkovitosti dosežene solubilizacije, porabe energije in nastalih odpadnih produktov. Najpogosteje se izvaja fino oz. ultrafino mletje suhega materiala, ki zmanjša velikost delcev in s tem olajša dostop encimom in kemijskim reagentom, vendar ta proces zahteva razmeroma veliko energije. Uporabimo lahko tudi kombinacijo večih tehnik, kot je recimo biološka razgradnja, ki ji sledi mletje. Kot primerna biološka obdelava se je izkazala temna fermentacija, ki poteka v trdnem stanju (z nizko vsebnostjo vode) in hkrati predstavlja tudi kemično razgradnjo pri kislih pogojih. Pri tem nastajajo zadostne količine H2 in hlapnih maščobnih kislin kot so ocetna, propionska, maslena in mlečna kislina. Te so uporabne pri pripravi bio-dizla, bio-plastike, za proizvodnjo organskih spojin itd. Dobra stran tovrstne fermentacije je tudi, da nastajajo minimalne količine odpadne vode.
Ugotovitve
V raziskavi so uporabili slamo pšenice, ki so jo najprej razrezali na manjše kose in nato nadaljevali z biološko razgradnjo v trdnem stanju. Slednjo so izvajali v dveh reaktorjih tako, da so k vzorcu slame dodali inokulum vsebujoč metanogene bakterije ter zagotovili anaerobne pogoje. Reaktorja so ločeno inkubirali na 35°C (mezofilni pogoji) in 55°C (termofilni pogoji) 64 dni. V obeh primerih je prišlo do znižanja pH za 3,4 zaradi akumulacije kislih produktov metabolizma. Spektra metabolitov sta se pri obeh temperaturah precej razlikovala, do proizvodnje H2 je prišlo le pri višji T, medtem ko je bila celokupna konverzija substrata za oba primera v istem območju; 13% do 15%. Uspešnost tovrstne predhodne obdelave so testirali tako, da so primerjali zahtevnost mletja surove in biološko obdelane slame na dva načina; z centrufugalnim in krogličnim mlinom. Ugotovili so, da pri prej obdelani slami dobimo pri enakih pogojih mletja manjše delce za 13-31% in da je poraba energije pri centrifugalnem mletju manjša (32-35%) kot pri surovi slami, pri krogličnem pa ostane ista, ne glede na temperaturo inkubacije. Sledilo je testiranje uspešnosti alkoholnega vretja, na različne načine obdelane slame, s kvasovko S. cerevisiae. Rezultati so pokazali, da je bil izkoristek etanola večji, tem manjša je bila velikost delcev. Tako je uporaba krogličnega mlina privedla do večje produkcije etanola v primerjavi z centrifugalnim. Do večjega izkoristka je privedla tudi biološka obdelava, kjer se je fermentacija pri višji T izkazala za bolj učinkovito. Do razlik med obema temperaturama je prišlo predvidoma zaradi različnih metabolitov, ki nastanejo med procesom in vplivajo na alkoholno vretje. Ocenili so tudi energetsko zahtevnost posameznih vrst obdelave pšenične slame. Razvidno je, da gre večina porabljene energije na račun segrevanja medija v reaktorjih med fermentacijo v trdnem stanju ter mletja. Pri tem je drugi proces dosti bolj energetsko potraten, kar povzroči, da predhodna biološka obdelava prinese do manjših energetskih izgub, saj olajša mletje.
Zaključek
Iz raziskave lahko zaključimo, da kombinacija temne fermentacije v trdnem stanju in mletja pšenične slame privede do povečanja produkcije etanola v primerjavi z mletjem samim. Pretvorba substrata v uporabne biološke produkte se poveča za kar dvakrat, poleg tega pa takšna kombinacija vodi do manjše energetske porabe.
Viri
-Motte J., Sambusiti C., Dumas C., Barakat A. Combination of dry dark fermentation and mechanical pretreatment for lignocellulosic deconstruction: An innovative strategy for biofuels and volatile fatty acids recovery. Applied Energy, 2015, 147, str. 67–73.
-Carroll A. and Somerville C. Cellulosic Biofuels. Annual Review of Plant Biology, 2009, 60, str. 165-182.
