Dezintegracja ultradźwiękowa jako metoda kondycjonowania biomasy mikroglonów Chlorella vulgaris przed procesem fermentacji metanowej

Karolina Kupczyk 1, Marcin Zieliński 2, Marcin Dębowski 3, Dawid Szwarc 4, Magdalena Rokicka 5, Anna Hajduk 6 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Dezintegracja ultradźwiękowa jako metoda kondycjonowania biomasy mikroglonów Chlorella vulgaris przed procesem fermentacji metanowej Wprowadzenie Opracowanie czystych, efektywnych i odnawialnych technologii pozyskiwania energii oraz ich wdrożenie na skalę techniczną staje się obecnie dużym wyzwaniem. W powszechnym przekonaniu cele te w dużej części można osiągnąć poprzez stymulowanie rozwoju niekonwencjonalnych systemów energetycznych opartych na wykorzystaniu biomasy o różnej charakterystyce i pochodzeniu. Prowadzonych jest wiele programów badawczych oraz wdrożeniowych na całym świecie, których celem jest zwiększenie efektywność produkcji biomasy glonowej i jej przetworzenia na biopaliwa. Jednocześnie niewiele jest doniesień literaturowych dotyczących wykorzystania biomasy glonów jako substratu organicznego do produkcji biogazu w procesie fermentacji metanowej. Dotyczą one głównie wykorzystania odpadów pochodzących z przetwarzania substancji tłuszczowych kumulowanych w komórkach glonów na użytkowy biodiesel [6, 9]. Jednym ze sposobów zwiększenia wydajności produkcji biogazu jest wspólna fermentacja osadów ściekowych z jednym lub kilkoma organicznymi składnikami. Dotychczasowe badania nad wpływem dodatku innych surowców organicznych do procesu fermentacji metanowej pokazują potencjalny wzrost ilości wyprodukowanego biogazu względem fermentacji samych osadów ściekowych. Dodatkowo proces fermentacji metanowej może być usprawniony poprzez prowadzenie wstępnej obróbki substratu. W celu prowadzenia wydajnego procesu fermentacji metanowej wymagana jest zazwyczaj wstępna obróbka substratu. Również w przypadku glonów jest ona niezbędna ze względu na posiadanie przez niektóre glony grubej ściany komórkowej. W celu zwiększenia wydajności produkcji biogazu stosuje się ogrzewanie mikrofalowe [12], dodatki enzymów [13], mechaniczny rozpad [5], ultradźwięki [8, 14, 15, 16]. Większość z tych metod skutkuje zwiększoną produkcją biogazu od 1,5 3,0 krotnie. W ostatnich latach prowadzono intensywne badania nad możliwością obróbki wstępnej biomasy w celu zwiększenia dostępności substratu dla mikroorganizmów fermentacji metanowej [1]. Działania te mają na celu uszkodzenia ligniny oraz zaburzenia struktury krystalicznej celulozy. Te dwa składniki są obecne również w strukturach alg: w makroglonach mają podobną strukturę do materiałów lignocelulozowych, natomiast ściany mikroglonów składają się z celulozy, hemicelulozy, ksylanu i chityny o strukturze wielowarstwowej [10,11]. Pomimo tego, że zastosowanie wstępnej obróbki komplikuje proces oraz zwiększa koszty produkcji, może ona poprawić efektywność fermentacji tak aby bilans energetyczny przewyższał bilans substratu bez wstępnej obróbki [4]. 1 Karolina Kupczyk, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, karolina.kupczyk@uwm.edu.pl 2 Marcin Zieliński, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, marcin.zielinski@uwm.edu.pl 3 Marcin Dębowski, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, marcin.debowski@uwm.edu.pl 4 Dawid Szwarc, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, dawid.szwarc@uwm.edu.pl 5 Magdalena Rokicka, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, dawid.szwarc@uwm.edu.pl 6 Anna Hajduk, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Katedra Inżynierii Środowiska, Olsztyn, Anna.hajduk@uwm.edu.pl 9373

Prezentowane badania zmierzały do określenia możliwości wykorzystania biomasy mikroglonów pochodzących z hodowli własnej jako substratu w procesach fermentacji metanowej. Analizowano również wpływ dezintegracji ultradźwiękowej biomasy mikroglonów na efektywność produkcji biogazu. Metodyka Badania nad wpływem dezintegracji na biomasę glonów podzielono na sześć serii badawczych. Kryterium podziały dotyczyło ilości wprowadzanej energii do mieszaniny w różnym czasie (tabela 1.). Biomasa mikroglonów Chlorella vulgaris testowana w eksperymencie pochodziła z hodowli własnej prowadzonej w warunkach kontrolowanych. Prowadzenie hodowli odbywało się w fotobioreaktorach. Warunki termiczne utrzymywane były na poziomie 22 C ±2 C. Do medium hodowlanego dostarczana była pożywka syntetyczna w celu zapewnienia właściwej ilości składników pokarmowych. Skład pożywki syntetycznej: NH4Cl, Na2HPO4 12H2O, NaCl, KCl, CaCl2 2H2O, MgSO4 7H2O, NaHCO3, Na2CO3, (FeCl3 6H2O, ZnSO4,MnSO4 H2O, CuSO4). Tabela 1. Warunki dezintegracji w kolejnych seriach badawczych Czas sonifikacji [s] Całkowita ilość wprowadzanej energii [Ws] Temperatura glonów po dezintegracji [ C] Seria 1 5 699,96 24,2 Seria 2 15 2099,16 27,4 Seria 3 25 3519,51 31,6 Seria 4 35 5024,56 36,1 Seria 5 45 6331,35 39,1 Seria 6 55 7642,20 44,5 Biomasę glonów poddano działaniu ultradźwięków, wykorzystując dezintegrator ultradźwiękowy UP 400S. Podczas dezintegracji urządzenie pracowało z mocą 400 W, a emitowane ultradźwięki miały częstotliwość 24 khz. W kolejnych seriach zmieniano czas ekspozycji (tabela 1) zachowując stałą objętość dezintegrowanego roztworu 17,5 cm 3. Testowana biomasa mikroglonów Chlorella vulgaris charakteryzowała się zawartością suchej masy na poziomie 21,7 g/dm 3, natomiast zawartość suchej masy organicznej wynosiła 7,15 g/dm 3. W zależności od serii biomasa mikroalg poddana była ekspozycji na fale ultradźwiękowe w następujących czasach : 5, 15, 25 35, 45 i 55 s. Po dezintegracji analizowano podatność biomasy glonów na beztlenowy rozkład w procesie fermentacji metanowej. Przeprowadzono pomiary respirometryczne wykorzystując jako inokulum osad beztlenowy pochodzący z reaktora pracującego na ściekach mleczarskich. Do badań wykorzystano zestaw respirometryczny Oxi Top firmy WTW. Składał się on z zbiornika reakcyjnego o objętości 500ml oraz główki pomiarowej mierzącej zmiany ciśnienia. Zakładane obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń w reaktorach wynosiło 5 g s.m.o/dm 3. Równolegle prowadzona była próba kontrolna zaszczepiona samym osadem. W zbiorniku reakcyjnym umieszczano 50 ml osadu oraz w zależności od wykonywanej serii odpowiednią biomasę glonów po procesie dezintegracji. Jednorazowo dozowano 17,5 ml biomasy. Następnie odtleniano cały układ azotem i szczelnie zamykano, łącząc ze sobą elementy zestawu. Czas inkubacji ustalano na 20 d. Próby umieszczano w szafie grzewczej utrzymującej stało temperaturę, w tym wypadku było to 35 C. Parametry procesu produkcji biogazu przedstawia tabela 2. 9374

Tabela 2. Parametry procesu fermentacji Lp. Parametr Wartość Jednostka 1. Czas pomiaru 20 d 2. Objętość reaktorów pomiarowych 500 cm 3 3. Objętość osadu 50 cm 3 4. Objętość fazy gazowej 450 cm 3 5. Obciążenie reaktora 5 g s.m.o./dm 3 Skład oraz zawartość procentową poszczególnych komponentów biogazu analizowano za pomocą chromatografu gazowego GC Agillent 7890 A. Analizowano zawartość (% v/v) w biogazie metanu CH 4, dwutlenku węgla CO 2 oraz siarkowodoru H 2S i amoniaku NH 3. Analizę statystyczną uzyskanych wyników wykonano w oparciu o pakiet STATISTICA. Weryfikację hipotezy dotyczącej rozkładu każdej badanej zmiennej określono na podstawie testu W Shapiro Wilka. W celu stwierdzenia istotności różnic między zmiennymi przeprowadzono jednoczynnikową analizę wariancji (ANOVA). Sprawdzenia jednorodności wariancji w grupach dokonano z wykorzystaniem testu Levene a. W celu określenia istotności różnic między analizowanymi zmiennymi zastosowano test RIR Tukeya. W testach przyjęto poziom istotności = 0,05. Wyniki i dyskusja Pomiary respirometryczne pozwoliły na ocenę wpływu dezintegracji ultradźwiękowej na biomasę glonów przed procesem fermentacji metanowej. Odnosząc się do ilości powstałego biogazu w próbie zerowej do pozostałych prób można zauważyć istotne różnice. Wraz ze zwiększeniem czasu dezintegracji w kolejnych seriach badawczych zwiększał się uzysk biogazu (rys. 1). Najwyższe wyniki odnotowano w serii 6, gdzie uzysk biogazu wynosił 241,28 cm 3. Jednakże bardzo zbliżone wyniki zarejestrowano również seriach 4 i 5, gdzie uzysk wynosił odpowiednio 224,82 i 238,28 cm 3 i nie były one statystycznie istotne. W powyższych seriach 90% całkowitej ilości biogazu uzyskano w pierwszych 15 dniach pomiarów. Przy wydłużeniu czasu dezintegracji widać wyraźny wzrost uzysku biogazu w stosunku do próby z wykorzystaniem glonów bez wstępnej obróbki ultradźwiękami, jednak dla czasów większych niż 35 s różnice w przyroście uzysku są coraz mniejsze. Najgorszą efektywność produkcji biogazu zaobserwowano w próbie kontrolnej oraz serii 0, która charakteryzowała się produkcją biogazu zbliżoną do samego osadu beztlenowego. Uzysk biogazu [cm 3 ] 250 200 150 100 50 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Czas pomiaru [d] Seria 0 Seria 1 Seria 2 Seria 3 Seria 4 Seria 5 Seria 6 Rys. 1. Uzysk biogazu Analiza składu biogazu wykazała, że największy udział procentowy metanu odnotowano w serii 4 i wynosił on ok. 62% (tab. 3). Szybkość produkcji biomasy jak i produkcja metanu rosła wraz z czasem ekspozycji glonów na ultradźwięki. Największą wartością współczynnika produkcji biogazu charakteryzowała się seria 6, gdzie uzyskano wynik na poziomie 965,10 dm 3 /kg s.m.o., a współczynnik produkcji metanu 9375

wynosił 559,61 CH4/kg s.m.o.. Ze względu na wyższy udział procentowy metanu w serii 5, charakteryzowała się ona najwyższym współczynnikiem produkcji metanu wynoszącym 586,35 CH4/kg s.m.o. Najniższe efekty technologiczne związane z ilością oraz składem wytwarzanego biogazu uzyskano w serii 1, w której do eksploatowanych reaktorów wprowadzano biomasę mikroglonów po najkrótszym czasie dezintegracji. Tabela 3. Wydajność produkcji Seria Współczynnik produkcji biogazu Współczynnik produkcji metanu Udział procentowy dm 3 /kg ś.m. dm 3 /kg s.m. dm 3 /kg s.m.o. CH 4/kg ś.m. CH 4/kg s.m. CH 4/kg s.m.o. metanu Seria 0 8,28 381,78 569,62 4,52 208,40 310,93 54,585 Seria 1 9,10 419,31 625,62 5,48 252,57 376,84 60,235 Seria 2 12,02 553,87 826,37 7,35 338,74 505,41 61,16 Seria 3 11,56 532,92 795,12 7,11 327,64 488,84 61,48 Seria 4 13,08 602,74 899,28 8,16 375,93 560,88 62,37 Seria 5 13,86 638,81 953,10 8,53 392,99 586,35 61,52 Seria 6 14,04 646,85 965,10 8,14 375,08 559,61 57,985 Pierwsze doniesienia na temat prób fermentacji metanowej biomasy mikroglonów przeprowadził Golueke i in. (1957). Dokonali porównania efektywności procesu fermentacji biomasy glonów oraz osadów ściekowych. Stwierdzono, iż ilość biogazu przypadając na kg suchej masy organicznej oraz skład jakościowy gazowych produktów metabolizmu bakterii beztlenowych były porównywalne dla dwóch testowanych substratów. W przypadku osadów ściekowych wydajność procesu fermentacji wynosiła 1,02 m 3 /kg s.m.o., natomiast dla biomasy glonów kształtowała się na poziomie 0,986 m 3 /kg s.m.o. Koncentracja metanu w biogazie mieściła się w granicach od 61,0 % do 63,0 % [2]. Yuan i in. (2011) udowodnili natomiast, iż produkcja metanu w przypadku fermentacji sinic wynosiła 189,89 cm 3 g s.m.o. -1 przy zawartości metanu na poziomie 36,72 % [18]. Zeng i in. (2010) analizowali przebieg procesu fermentacji metanowej biomasy glonów z dominującym gatunkiem Microcystis sp.. Wydajność produkcji metanu w tym eksperymencie wynosiła 153,66 cm 3 CH4 g s.m.o. -1 [17]. W literaturze sygnalizuje się zależność między budową komórek testowanych mikroglonów, a podatnością na rozkład biomasy w warunkach beztlenowych. Wszystkie łatwo biodegradowalne gatunki glonów, które pozwoliły na uzyskanie wysokich efektów technologicznych charakteryzowały się brakiem ściany komórkowej. Prawdopodobnie istotnym elementem warunkującym podatność poszczególnych gatunków i grup taksonomicznych glonów jest posiadanie oraz budowa ścian komórkowych. Mussgung i in. (2010) wykazał, iż poddanie procesom beztlenowym cyjanobakterii Arthrospira platensis skutkuje uzyskaniem współczynnika produkcji gazowych metabolitów bakterii fermentacyjnych na poziomie 481 cm 3 /g s.m.o.. Natomiast fermentacja beztlenowa glonów posiadających trudno biodegradowalną ścianę komórkową, takich jak Chorella kessleri i Scenedesmus obliquus charakteryzowała się znacząco niższym uzyskiem biogazu wynoszącym odpowiednio 335 cm 3 /g s.m.o. oraz 287 cm 3 /g s.m.o. [7]. Gonzalez- Fernandez i in. (2014) poddali wstępnej obróbce z wykorzystaniem ultradźwięków biomasę Scenedesmus sp. Najwyższy współczynnik produkcji metanu wynoszący 153 cm 3 /g ChZT uzyskali dla energii 128,9 MJ/kg [3]. Podsumowanie Zastosowanie fotosyntetycznych mikroalg Chlorella vulgaris jako substratu w procesie fermentacji metanowej jest obiecującą technologią do produkcji energii. Jednak wydajność uzysku metanu z komórek nie poddawanych wstępnej obróbce była znacznie niższa, niż w przypadku zastosowania ultradźwięków. Uzyskane wyniki potwierdzają konieczność poddania biomasy Chlorelli vulgaris dezintegracji przed procesem fermentacji metanowej w celu zwiększenia jej efektywności. Wykorzystanie ultradźwięków jako metodę kondycjonowania biomasy glonów okazało się skuteczne. Uzyskano o około 8% wyższy udział procentowy metanu w biogazie. Dezintegracja zdecydowanie wpłynęła na ilość produkowanego biogazu. Wykazano, 9376

iż 55 sekundowe ekspozycja biomasy mikroglonów na fale ultradźwiękowe skutkowała 41% wzrostem współczynnika produkcji biogazu. Streszczenie Przeprowadzono badania nad możliwością wykorzystania dezintegracji ultradźwiękowej jako obróbki wstępnej biomasy glonów przed procesem fermentacji metanowej. Testowana biomasa mikroglonów Chlorella vulgaris charakteryzowała się zawartością suchej masy na poziomie 21,7 g/dm 3, natomiast zawartość suchej masy organicznej wynosiła 7,15 g/dm 3. W zależności od serii biomasa mikroalg poddana była ekspozycji na fale ultradźwiękowe w następujących czasach : 5, 15, 25 35, 45 i 55 s. Próby po wstępnej obróbce wprowadzane były do zestawów respirometrycznych w celu zbadania możliwości biodegradacji związków organicznych. Pomiary respirometryczne prowadzone były przez 20 dni. Prezentowane badania zmierzały do określenia możliwości wykorzystania biomasy mikroglonów pochodzących z hodowli własnej jako substratu w procesach fermentacji metanowej. Analizowano również wpływ dezintegracji ultradźwiękowej biomasy mikroglonów na efektywność produkcji biogazu. Skład oraz zawartość procentową poszczególnych komponentów biogazu analizowano za pomocą chromatografu gazowego GC Agillent 7890 A. Analizę statystyczną uzyskanych wyników wykonano w oparciu o pakiet STATISTICA. Najwyższą efektywnością produkcji biogazu charakteryzowała się seria 6, jeśli o współczynnik produkcji metanu to najwyższe efekty uzyskano w serii 5. Słowa kluczowe: dezintegracja ultradźwiękowa, Chlorella vulgaris, fermentacja metanowa ULTRASONIC DISINTEGRATION AS A METHOD OF CONDITIONING THE BIOMASS OF MICROALGAE CHLORELLA VULGARIS BEFORE THE PROCESS OF METHANE FER- MENTATION Abstract Carried out studies on the use of ultrasound disintegration as algal biomass pre-treatment prior to anaerobic digestion. Tested biomass of microalgae Chlorella vulgaris characterized by a dry matter level of 21.7 g / dm 3, while the content of organic dry matter was 7.15 g / dm 3. Depending on a series of micro-algae biomass was subjected to exposure of ultrasonic waves in the following times: 5, 15, 25, 35, 45 and 55 seconds. The tests after pre-treatment are introduced to the respirometric sets to investigate the possibility of biodegradation of organic compounds. Rspirometric measurements were conducted for 20 days. The present study aimed to determine the possibilities of using biomass from microalgae own culture as a substrate in the process of anaerobic digestion. Also analyzed the impact of ultrasonic disintegration of microalgae biomass to biogas production efficiency. The composition and percentage of each component of biogas was analyzed using a gas chromatograph GC 7890 Agillent A. Statistical analysis of the results was based on the package STATISTICA. The highest efficiency of biogas production was characterized by a series of 6, if that ratio is the highest methane production results obtained in a series of 5. Keywords: Ultrasonic disintegration, Chlorella vulgaris, methane fermentation Literatura [1] Bohutskyi P., Bouwer E.: Biogas production from algae and cyanobacteria through anaerobic digestion, Biofuels and Bioproducts 1/2013, pp. 873 975. [2] Golueke C., Oswald W., Gotaas H.: Anaerobic Digestion of Algae, Appl. Environ. Microbiol. 5(1)/ 1957, pp. 47-55. 9377

[3] González-Fernández C., Sialve B., Bernet N., Steyer J.P. Comparison of ultrasound and thermal pretreatment of Scenedesmus biomass on methane production, Bioresour. Technol. 110/2012, pp. 610 616. [4] Hendriks a.t.w.m., Zeeman G.: Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass, Bioresour. Technol. 100 (1)/2009, pp. 10 18. [5] Kopp J, Muller J, Dichtl N, Schwedes J.: Anaerobic digestion and dewatering characteristics of mechanically disintegrated excess sludge, Water Sci. Technol. 36(11)/1997, pp.129 36. [6] Li Y., Horsman M., Wu N., Lan C., Dubois-Calero N.: Biofuels from microalgae, Biotechnology Progress 24(4)/2008, pp. 815-820. [7] Mussgnug J.H., Klassen V., Schlüter A., Kruse O.: Microalgae as substrates for fermentative biogas production in a combined biorefinery concept, Journal of Biotechnology, 150(1)/2010, pp. 51-56. [8] Neis U, Nickel K, Tiehm A.: Enhancement of anaerobic sludge digestion by ultrasonic disintegration, Water Sci. Technol. 42(9)/2000, pp. 73 80. [9] Patil V., Tran K.-Q., Giselra d H.R.: Towards sustainable production of biofuels from microalgae, International Journal of Molecular Sciences, 9(7)/2008, pp. 1188-1195. [10] Prajapati S.K., Bhattacharya A., Malik A., Vijay V.K.: Pretreatment of algal biomass using fungal crude enzymes, Algal Res. 8/2015, pp. 8 14. [11] Surendhiran D., Vija M.: Effect of various pretreatment for extracting intracellular lipid from Nannochloropsis oculata under nitrogen replete and depleted conditions, Chem. Eng., 2014 [12] Tanaka S, Kobayashi T, Kamiyama K, Bildan M.: Effect of thermochemical pretreatment on the anaerobic digestion of waste activated sludge, Water Sci. Technol. 35(8)/ 1997, pp. 209 15. [13] Thomas L, Jungschaffer G, Sprossler B.: Improved sludge dewatering by enzymatic treatment, Water Sci. Technol 28(1)/1993, pp. 189 92. [14] Tiehm A, Nickel K, Neis U.: The use of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludge, Water Sci. Technol. 36(11)/1997, pp. 121 8. [15] Tiehm A, Nickel K, Zellhorn M, Neis U.: Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization, Water Res. 35(8)/2001, pp. 2003 9. [16] Wang Q, Kuninobu M, Kakimoto K, Ogawa H, Kata Y.: Upgrading of anaerobic digestion of waste activated sludge by ultrasonic pretreatment, Bioresource Technol. 68/1999, pp. 309 13. [17] Zeng S.J., Yuan X.Z., Shi X.S., Qiu Y.L.: Effect of inoculum/substrate ratio on methane yield and orthophosphate release from anaerobic digestion of Microcystis spp.., J. Hazard. Mater. 178(1 3)/2010, pp. 89-93. [18] Yuan X.Z., Shi X.S., Zhang D.L., Qiu Y.L., Guo R.B., Wang L.S.: Biogas production and microcystin biodegradation in anaerobic digestion of blue algae, Energy Environ. Sci. 4(4)/2011, pp. 1511-1515. Podziękowania Praca badawcza wykonana w ramach Grantu wydziałowego nr GW2014/13 9378