Ocena rozprawy doktorskiej mgr Beaty Biegi

Transkrypt

1 Warszawa, r. dr hab. Anna Sikora, prof. IBB PAN Zakład Biologii Molekularnej Instytut Biochemii i Biofizyki PAN Ocena rozprawy doktorskiej mgr Beaty Biegi pt. Fermentacja metanowa wybranych substratów pochodzenia rolnospożywczego: analiza warunków procesu i możliwości energetycznego wykorzystania biogazu wykonanej w Zakładzie Geologii Stosowanej Instytutu Nauk Geologicznych Wydziału Nauk o Ziemi i Kształtowania Środowiska Uniwersytetu Wrocławskiego pod kierunkiem prof. dr hab. Mariusza Oriona Jędryska i dr Adriany Trojanowskiej Przedstawiona do oceny rozprawa doktorska dotyczy produkcji biogazu w wyniku beztlenowego rozkładu różnego typu biomasy roślinnej i wykorzystania uzyskanego biogazu na cele energetyczne. Tematyka ta wpisuje się w ogólnoświatowe działania mające na celu wzrost udziału energii odnawialnej w ogólnej puli energii. Wynika to z perspektywy wyczerpywania się złóż nieodnawialnych źródeł energii (węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny); konieczności ograniczenia emisji ditlenku węgla do atmosfery; możliwości wykorzystania i utylizacji różnorodnych odpadów organicznych i produktów ubocznych przemysłu spożywczego. Zgodnie z Dyrektywą Unii Europejskiej UE 2009/28/EC z dnia r., dla Polski przyjęto 15% udział odnawialnych źródeł energii w finalnym zużyciu energii już w roku Najważniejszą cechą wszystkich biopaliw uzyskanych z biomasy jest to, że ditlenek węgla wydzielany przy ich powstawaniu i spalaniu pochodzi w całości z bieżącej produkcji roślinnej i jest asymilowany w procesach 1

2 fotosyntezy. Uważa się, że produkcja biogazu z biomasy jest najbardziej efektywnym pod względem energetycznym sposobem jej wykorzystania. Rozprawa doktorska liczy 241 stron. Ma klasyczny układ. Składa się z następujących rozdziałów: Wstęp, Cele pracy i hipotezy badawcze, Metodyka badawcza, Wyniki badań, Dyskusja, Podsumowanie i Wnioski oraz Literatura. Na początku pracy znajdują się streszczenie w języku polskim i angielskim, objaśnienie stosowanych skrótów, podanie źródeł finansowania, a na końcu Spis tabel i rycin. Integralną częścią pracy jest 94-stronicowy Aneks stanowiący oddzielny tom, który zawiera 136 tabel wraz z ich spisem. Wstęp podaje podstawowe informacje na temat beztlenowego rozkładu materii organicznej do metanu i ditlenku węgla (z ang. Anaerobic digestion). Autorka słusznie zaznacza, że w języku polskim brak ogólnie przyjętego terminu określającego ten proces i decyduje się na termin fermentacja metanowa. Następnie Doktorantka opisuje czynniki wpływające na przebieg fermentacji metanowej, takie jak temperatura, ph, mieszanie, czas przebywania substratu w fermentorze czy inhibitory procesu. Dalej znajduje się rozdział na temat określenia ścieżek metanogenezy na podstawie analizy izotopów trwałych węgla i wodoru w substratach poddawanych metagenizacji oraz powstałych produktach. W kolejnym rozdziale przedstawiona jest dokładna analiza surowców do produkcji biogazu ze szczególnym naciskiem na biomasę łąkową. Doktorantka charakteryzuje też typy łąk. Następnie omawiane są metody wstępnej obróbki substratów poddawanych metanogenezie. Autorka charakteryzuje biogaz i poferment jako końcowe produkty powstające w biogazowniach rolniczych. Zwraca uwagę na konieczność oczyszczenia biogazu i zagospodarowania pofermentu. Dalej przedstawione są zasady budowy i pracy biogazowni rolniczej. Na koniec omawiane są aspekty prawne określające zasady produkcji energii ze źródeł odnawialnych w tym funkcjonowanie biogazowni. Wstęp napisany jest wyczerpująco i odzwierciedla stan wiedzy na temat produkcji biogazu z biomasy roślinnej. Zawiera jednak pewne nieścisłości od strony biologicznej. Na Rycinie 1 w bloku pokazującym hydrolizę powinno być napisane cukry proste a nie cukier. W opisie etapu kwasogenezy na str. 11 wśród krótkołańcuchowych kwasów organicznych brakuje kwasu mlekowego. W opisie mikroorganizmów na stronie 16 użyto określenia metanotrofy zamiast metanogeny. Na stronach dwa akapity (jeden zaczynający się od Bakterie octanowe. i drugi zaczynający się od Metanotrofy /błędne użycie/ nie są. ) mówią o tym samym zjawisku, tj. syntroficznych układach pomiędzy bakteriami octanogennymi a archeonami metanogennymi. Brakuje też informacji o tworzeniu przez mikroorganizmy granul metanogennych, które bardzo korzystnie wpływają na efektywność produkcji metanu. Na stronie 20 czytamy, że metan syntetyzowany jest przez bakterie. Należy podkreślić, że zdolność do produkcji metanu mają 2

3 jedynie archeony metanogenne. Bakterie i archeony tworzą 2 odrębne jednostki taksonomiczne: domena Bacteria i domena Archaea różniące się na poziomie biochemicznym i fizjologicznym. Do produkcji metanu zdolna jest niewielka grupa archeonów zwanych archeonami metanogennymi. Jest to 7 rzędów w obrębie klasy Euryarchaeota domeny Archaea: Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales, Methanopyrales, Methanocellales i Methanomassiliicoccales. Rozprawa doktorska podzielona jest na 5 etapów. Cztery z nich to prace laboratoryjne: 1. Porównanie potencjału biogazowego substratów. 2. Wpływ sposobu przygotowania substratu na produkcję biogazu. 3. Wpływ warunków prowadzenia fermentacji na produkcję biogazu. 4. Badania izotopowe w śledzeniu ścieżek metanogenezy. Jako substraty Doktorantka wykorzystała biomasę łąkową z 4 typów łąk zbieraną w okresie od sierpnia do września, zielonkę z liści kukurydzy, wytłoki z winogron czerwonych, kiszonkę z kukurydzy i obornik. Biomasę łąkową i wytłoki z winogron czerwonych poddawano homogenizacji. Substraty poddawano obróbce termicznej przez zamrażanie oraz obróbce biologicznej przez zakiszanie. Jako inoculum w większości eksperymentów wykorzystano osad z wrocławskiej oczyszczalni ścieków oraz z biogazowni rolniczej. Warto tu dodać uwagę, że Tabela 34 z opisem próbek powinna znaleźć się w rozdziale Metodyka badawcza a nie na końcu całej pracy. Nie jest też jasne co znaczy określenie zwykły zakiszacz w opisie jednego z rodzajów kiszonki kukurydzy na stronie 40. Wszystkie substraty poddano analizie zawartości suchej masy, suchej masy organicznej, zawartości pierwiastków C, N i H, a w przypadku biomasy łąkowej analizie zawartości frakcji włókien. Badania fermentacyjne wykonywano w hodowlach stacjonarnych w butelkach szklanych tzw. metodą batch oraz w bioreaktorach Sartorius Biostat A Plus z systemem kontrolującym i monitorującym przebieg procesu. Wykonano ponad 40 serii eksperymentów, w różnych wariantach i powtórzeniach. Wyprodukowany biogaz poddano analizie ilościowej i jakościowej metodą chromatografii gazowej. We wsadach fermentacyjnych i fermentach badano zawartość lotnych kwasów tłuszczowych i azotu amonowego. Obliczono biogazodochodowość substratów. W oznaczeniach LKT zabrakło kwasu mlekowego, który jest istotnym produktem fermentacji mlekowych, a więc procesu kiszenia. Prawdopodobnie wynikało to z problemów metodycznych. Być może niska zawartość LKT w badanych próbach, np. pokazanych na Rycinach 98 czy 99 wynika z nieuwzględnienia kwasu mlekowego. Doktorantka wykazała, że biomasa łąkowa charakteryzuje się stosunkowo dużą biogazodochodowością i może być atrakcyjnym substratem dla biogazowni rolniczych. Biomasa 3

4 łąkowa wymaga obróbki wstępnej, która znacząco poprawia jej biogazodochodowość. Wg badań Autorki metoda biologiczna przez kiszenie zwiększyła biogazodochodowość biomasy łąkowej o 75% a metoda termiczna przez zamrażanie o 90%. Proszę zwrócić uwagę, że kwas butyrylowy nie jest produktem fermentacji mlekowej jak jest napisane na stronie 165 pracy. Głównym produktem fermentacji mlekowej jest kwas mlekowy. Kwas propionowy powstaje w wyniku fermentacji propionowej a kwas masłowy w wyniku fermentacji masłowej. Analizując poszczególne wykresy, np. Ryciny 102, 113, można zauważyć stabilizację procesu produkcji metanu w czasie. Wynika to z adaptacji inokulum i wyselekcjonowania się wspólnoty mikroorganizmów pod wpływem substratu. Doktorantka wykonała ogrom pracy. Wyniki zostały opisane w bardzo szczegółowy sposób, czasami wręcz przesadnie drobiazgowo. Skrócenie całości opisu, bardziej syntetyczne ujęcie, przeniesienie części opisu wyników z rozdziału Dyskusja do rozdziału Wyniki badań spowodowałoby łatwiejszy odbiór pracy bez szkody, a wręcz z korzyścią dla wartości merytorycznej. Ciekawym i wartościowym fragmentem pracy jest dokładna charakterystyka poszczególnych typów łąk wraz ze zdjęciami fitosocjologicznymi. Na wyróżnienie zasługuje czwarty etap badań, czyli analizy izotopowe w śledzeniu ścieżek fermentacji metanowej. W rozwój tego typu badań naukowych ogromny wkład wniósł promotor pracy - prof. dr hab. Mariusz Orion Jędrysek. Badania Doktorantki wykazały zależności pomiędzy składem izotopowym węgla w substratach poddawanych fermentacji a składem izotopowym metanu i ditlenku węgla. Wyniki wskazują, że w analizowanych próbach zachodzi metanogeneza acetotroficzna. Jako oceniająca pracę pragnę dołożyć swój głos w dyskusji na ten temat. Kiszonki są bogate w kwas mlekowy. Wyniki badań własnych wskazują, że podłoża bogate w mleczan poddawane metagenizacji warunkują acetotroficzną ścieżkę metanogenezy. Rozkład mleczanu do octanu jest najbardziej korzystnym energetycznie procesem dla bakterii. Powstały octan wykorzystują metanogeny acetotroficzne (Biotechnol Biofuels, 2018, 11:116). Piąty etap prac nazwany przez Doktorantkę prace kameralne to analiza danych na temat substratów wykorzystywanych w polskich biogazowniach rolniczych w latach Jest to bardzo wartościowe opracowanie. Dogłębnie pokazuje analizę zmian w wykorzystaniu surowców w polskich biogazowniach rolniczych i tendencje obserwowane w ciągu 7 ostatnich lat. Pokazuje też różnice w wykorzystaniu surowców w różnych rejonach Polski. Doktorantka dokonuje również ciekawej oceny kosztów pozyskania substratów dla biogazowni i analizy opłacalności substratów w 4

5 odniesieniu do badań własnych nad wykorzystaniem biomasy łąkowej. Autorka wykazała, że zastąpienie kiszonki kukurydzy kiszonką z biomasy łąkowej ma ekonomiczne uzasadnienie. Z obowiązku recenzenta muszę zwrócić uwagę na fakt, że w całej pracy zdarzają się błędy literowe. Przedstawione tu krytyczne uwagi nie zmieniają mojej pozytywnej oceny rozprawy doktorskiej. Praca w pełni spełnia wymogi stawiane rozprawom doktorskim zgodnie z przepisami Ustawy z dn. 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki. W związku z tym wnioskuję do Rady Instytutu Nauk Geologicznych Wydziału Nauk o Ziemi i Kształtowania Środowiska Uniwersytetu Wrocławskiego o dopuszczenie Doktorantki mgr Beaty Biegi do dalszych etapów postępowania o nadanie stopnia doktora. Dr hab. Anna Sikora, prof. IBB PAN 5