Załącznik 3 AUTOREFERAT dotyczący osiągnięć w pracy naukowo badawczej, organizacyjnej i dydaktycznej Olsztyn, 2019
1. Imię i nazwisko Katarzyna Bułkowska Nazwisko panieńskie: Kabardo 2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe z podaniem nazwy, miejsca i roku ich uzyskania oraz tytułu rozprawy doktorskiej 2003 tytuł zawodowy magister inżynier ochrony środowiska, Uniwersytet Warmińsko- Mazurski w Olsztynie, Wydział Ochrony Środowiska i Rybactwa; praca magisterska pt. Efektywność adsorpcji barwników reaktywnych z mieszanin zawierających substancje powierzchniowo-czynne, opiekun naukowy prof. dr hab. inż. Ewa Klimiuk. 2008 stopień naukowy doktora nauk rolniczych w dyscyplinie kształtowanie środowiska, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Kształtowania Środowiska i Rolnictwa; praca doktorska pt. Usuwanie antracenu i fenantrenu z gleb z zastosowaniem związków powierzchniowo-czynnych, promotor prof. dr hab. inż. Ewa Klimiuk. 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych 2003-2008 uczestnik studiów doktoranckich przy Wydziale Ochrony Środowiska i Rybactwa Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie. 2008-2009 asystent w Katedrze Biotechnologii w Ochronie Środowiska Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie. od 2009 adiunkt w Katedrze Biotechnologii w Ochronie Środowiska Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie. 4. Osiągnięcie wynikające z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.) a) tytuł osiągnięcia naukowego/artystycznego Analiza i zastosowanie modelu ADM1 do symulacji fermentacji i współfermentacji kiszonek roślinnych i wybranych kosubstratów 2
b) autor, rok wydania, nazwa wydawnictwa, recenzenci wydawniczy Katarzyna Bułkowska, 2019, Wydawnictwo Polskiej Akademii Nauk, Komitet Inżynierii Środowiska nr 155, Warszawa, prof. dr hab. inż. Irena Wojnowska-Baryła, dr hab. inż. Grzegorz Łagód c) omówienie celu naukowego ww. pracy i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania Doskonalenie systemów fermentacji beztlenowej pod kątem zwiększenia stabilności i opłacalności instalacji biogazowych jest obecnie jednym z priorytetowych kierunków badawczych. Potwierdzeniem jest wprowadzenie problematyki przetwarzania odpadów z przemysłu rolno-spożywczego oraz odpadów komunalnych oraz produkcji biogazu z biomasy roślinnej do wykazu krajowych inteligentnych specjalizacji (KIS 3, IV, p. 2; KIS 4, IV, p. 4 i 5). Do tej pory wydajność biogazu/metanu z odpadów komunalnych czy biomasy roślinnej o mało rozpoznanym składzie chemicznym szacowano na podstawie potencjału biogazowego i/lub metanowego. Badania produkcji metanu w układach przepływowych, z uwagi na ich złożoność i czasochłonność są stosowane znacznie rzadziej. Do optymalizacji procesów beztlenowych można również wykorzystywać modele matematyczne, co staje się coraz bardziej powszechne od momentu opracowania modelu ADM1. ADM1 (ang. Anaerobic Digestion Model No.1) został przewidziany do symulacji produkcji biogazu z osadów ściekowych w oczyszczalniach ścieków komunalnych. Struktura modelu składa się z procesów mikrobiologicznej degradacji 24 komponentów opisanych 19 równaniami szybkości reakcji. Oryginalny model ADM1 zawiera 105 parametrów, których nominalne wartości wskazali autorzy modelu. ADM1 jest otwarty, co umożliwia rozbudowę o nowe komponenty oraz równania. Wykorzystanie ADM1 jako narzędzia do symulacji produkcji biogazu z kiszonek upraw celowych, odpadów z rolnictwa i z przetwórstwa rolno-spożywczego wymaga rozwiązania kilku problemów. W biogazowniach wytwarzających biogaz rolniczy stosowane są kiszonki z roślin celowych, zielonki, odpady rolnicze i z przetwórstwa rolno-spożywczego o zróżnicowanym składzie chemicznym, proporcji C/N oraz podatności na biodegradację 3
poszczególnych komponentów. Do tej pory w kraju nie opracowano baz danych uwzględniających charakterystykę substratów i kosubstratów oraz ich komponentów pod katem wymagań ADM1. Model ADM1 nie jest uniwersalny co oznacza, że niektóre parametry powinny być szacowane dla każdego konkretnego przypadku. W niewystarczającym stopniu rozpoznano, dla których parametrów, wartości nominalne są odpowiednie, a które wymagają weryfikacji. Dotyczy to w szczególności parametrów szybkości poboru lotnych kwasów tłuszczowych, w tym stałych inhibicji wodorem. W piśmiennictwie brak jest danych na temat parametrów szybkości poboru kwasu izowalerianowego, który pojawia się w wysokim stężeniu podczas fermentacji biomasy roślinnej. Chociaż powszechnie dominuje pogląd o korzystnym wpływie kosubstratów na fermentację biomasy roślinnej, to jednak do tej pory nie jest jednoznacznie wyjaśnione i opisane matematycznie w jakim stopniu obecność kosubstratów wpływa na szybkość procesów jednostkowych. Bardziej szczegółowa wiedza dotycząca szybkości najważniejszych procesów fermentacji beztlenowej, a w szczególności dezintegracji, hydrolizy oraz poboru lotnych kwasów tłuszczowych w przypadku różnych substratów i kosubstratów ma istotne w doskonaleniu systemów produkujących biogaz rolniczy. Celem naukowym pracy jest rozpoznanie kinetyki procesów jednostkowych podczas beztlenowej fermentacji kiszonek roślinnych pochodzących z upraw celowych oraz współfermentacji kiszonki kukurydzy zwyczajnej z wybranymi kosubstratami, za pomocą modelu ADM1. Jako substratów użyto kiszonek roślin jednorocznych (kukurydza zwyczajna, sorgo cukrowe), dwuletnich (lucerna siewna z tymotką łąkową) oraz wieloletnich (ślazowiec pensylwański i miskant cukrowy). Kosubstratami były gnojowica świńska, wywar gorzelniany i frakcja glicerynowa. Jako tezy pracy, przyjęto, że: 1. Stałe dezintegracji kompozytu oraz stałe szybkości hydrolizy węglowodanów są parametrami najsilniej wpływającymi na produkcję biogazu/metanu w modelu ADM1. 2. Kwasy walerianowy i izo-walerianowy powinny być modelowane rozłącznie z uwagi na różnice w parametrach szybkości ich poboru. 4
3. Korzystny wpływ kosubstratów na fermentację kiszonki kukurydzy zwyczajnej jest wynikiem zwiększenia szybkości metanogenezy. Do identyfikacji modelu ADM1 wykonano badania technologiczne pozwalające na utworzenie baz danych dopływu/odpływu kiszonek oraz mieszanin kiszonki kukurydzy zwyczajnej z wybranymi kosubstratami, wprowadzono nowe komponenty do struktury ADM1, określono najbardziej wrażliwe parametry modelu, a następnie zweryfikowano oraz oceniono niepewność wybranych parametrów modelu. Do najważniejszych osiągnięć naukowych zaliczam: wykazanie, że spośród 40 przebadanych parametrów, największy wpływ na produkcję metanu mierzoną indeksem wrażliwości SIM miały stałe szybkości dezintegracji (kdis) oraz hydrolizy węglowodanów (khyd_ch). Zweryfikowane parametry dezintegracji kompozytu i hydrolizy węglowodanów zależały zarówno od rodzaju użytych do fermentacji kiszonek jak i kosubstratów; wprowadzenie indeksu SILKT jako narzędzia do oceny wrażliwości modelu na zmiany parametrów szybkości poboru lotnych kwasów tłuszczowych km, Ks i KI oraz wykazanie, że wrażliwość modelu na zmiany parametrów szybkości poboru lotnych kwasów tłuszczowych, mierzona indeksem SILKT, zależała zarówno od rodzaju kiszonek jak i kwasu; wykazanie, że w przypadku kiszonek kukurydzy zwyczajnej i sorgo cukrowego analogicznie jak kiszonek ślazowca pensylwańskiego i lucerny siewnej z tymotką łąkową, parametry szybkości poboru kwasów izo-walerianowego i octowego były porównywalne; uzasadnienie celowości rozłącznego modelowania szybkości poboru kwasów walerianowego oraz izo-walerianowego na podstawie wyznaczonych parametrów inhibicji wodorem oraz uwarunkowań termodynamicznych wynikających z różnic stechiometrii reakcji; wyjaśnienie wpływu współfermentacji na wzrost szybkości poboru kwasu octowego (metanogenezy) na podstawie parametrów wyznaczonych za pomocą ADM1. Analizę wrażliwości przeprowadzono dla 40 parametrów, takich jak: stała dezintegracji (kdis), stałe hydrolizy węglowodanów (khyd_ch), białek (khyd_pr), tłuszczy (khyd_li), stałe poboru 5
cukrów, aminokwasów, wyższych kwasów tłuszczowych, lotnych kwasów tłuszczowych C2-C5 (km i KS) oraz stałe inhibicji (KI) wodorem cząsteczkowym (C3-C5) i amoniakiem (C2) oraz parametry wydajności (Y) i obumierania mikroorganizmów (kdec). Na podstawie indeksu metanowego SIM wykazano, że model wykazywał znacząco większą wrażliwość na zmiany nominalnych wartości kdis i khyd_ch niż pozostałych parametrów. Parametry szybkości dezintegracji kompozytu i hydrolizy węglowodanów zależały od rodzaju kiszonki. Kiszonki roślin jednorocznych tj. kukurydzy zwyczajnej i sorgo cukrowego ulegały powolnej dezintegracji (kdis < 0,2 d -1 ), natomiast szybkość ich hydrolizy była zróżnicowana. Kiszonka kukurydzy zwyczajnej zawierająca więcej skrobi i mniej ligniny, charakteryzowała się znacznie większą stałą hydrolizy (khyd_ch = 1,624 d -1 ) niż kiszonka sorgo cukrowego (khyd_ch = 0,145 d -1 ). Stałe dezintegracji pozostałych kiszonek nie różniły się znacząco (0,66 < kdis > 0,849 d -1 ), natomiast znacznie większe różnice odnotowano w przypadku stałych hydrolizy węglowodanów. Najniższą wartość khyd_ch (0,022 d -1 ) odnotowano dla kiszonki miskanta cukrowego, podczas gdy najwyższą (10 d -1 ) w przypadku kiszonki lucerny siewnej z tymotką łąkową. Na podstawie uzyskanych wyników wskazałam, że rodzaj kiszonek miał mniejszy wpływ na parametry dezintegracji kompozytu niż hydroliza węglowodanów. W pracy dokonano szczegółowej analizy kinetyki szybkości poboru lotnych kwasów tłuszczowych (LKT), które są ważnymi metabolitami pośrednimi fermentacji, indykatorami stabilności fermentacji oraz źródłem związków organicznych dla acetogenezy i metanogenezy. Do oceny wrażliwości modelu na zmiany nominalnych parametrów szybkości poboru pojedynczych LKT zaproponowałam nowe kryterium w postaci indeksu wrażliwości lotnych kwasów tłuszczowych (SILKT), gdzie funkcją celu było stężenie LKT. Na podstawie indeksu SILKT wykazałam, że wrażliwość modelu na zmiany nominalnych wartości parametrów szybkości poboru lotnych kwasów tłuszczowych (km i KS) była największa w przypadku kiszonki sorgo cukrowego oraz umiarkowana dla kiszonki miskanta cukrowego. Małą wrażliwość modelu na zmiany ww. parametrów wykazano w przypadku kiszonek lucerny siewnej z tymotką łąkową oraz ślazowca pensylwańskiego. Niezależnie od rodzaju kiszonki, wrażliwość modelu na zmiany km w odniesieniu do lotnych kwasów tłuszczowych była najwyższa dla kwasu octowego. W przypadku 6
kukurydzy zwyczajnej, obniżenie parametru km_ac, do poziomu 70% wartości nominalnej skutkowało gwałtownym wzrostem SILKT. W dalszej kolejności niższe wartości SILKT uzyskano dla kwasów propionowego oraz walerianowego. Natomiast dla kwasów izo-walerianowego, masłowego i izo-masłowego odnotowano małą wrażliwość modelu na zmiany wartości km. Analogiczny szereg wrażliwości kwasów uzyskano dla stałej saturacji KS. Wrażliwość parametru KI_H2 mierzona indeksem SILKT zależała od rodzaju kwasu i kiszonki. W przypadku kwasów walerianowego, masłowego oraz propionowego wrażliwość modelu na zmiany KI_H2 była najwyższa dla kiszonki miskanta cukrowego, a w przypadku kiszonki sorgo cukrowego dla kwasów izo-walerianowego oraz masłowego. Znacznie mniejszą wrażliwość modelu na zmiany KI_H2 obserwowano dla kiszonek ślazowca pensylwańskiego oraz lucerny siewnej z tymotką łąkową. Szereg wrażliwości modelu na zmiany parametru KI_NH3 dla kwasu octowego wg malejących wartości SILKT jest następujący: lucerna siewna z tymotką łąkową > ślazowiec pensylwański miskant cukrowy > sorgo cukrowe >> kukurydza zwyczajna. W ostatnich latach uprawę sorgo cukrowego z przeznaczeniem na substrat do biogazowni uznaje się jako alternatywę w stosunku do kukurydzy, zwłaszcza na glebach słabych i bardzo słabych. Ustalenie analogii i różnic w odniesieniu do parametrów szybkości poboru LKT jest istotne przy ocenie stabilności fermentacji obu kiszonek. Za pomocą modelu ADM1 wykazałam, że podczas fermentacji beztlenowej parametry szybkości poboru LKT obu kiszonek nie różniły się znacząco. Wartości maksymalnej właściwej szybkości poboru kwasu izo-walerianowego (km_iva) obu kiszonek były porównywalne do stałej inhibicji wodorem. Maksymalna szybkość poboru kwasu propionowego (km_pro) dla kiszonki sorgo cukrowego wyniosła 10,42 d -1 i była niewiele mniejsza od stałej uzyskanej dla kiszonki kukurydzy zwyczajnej 11,91 d -1. Kiszonka sorgo cukrowego wykazywała nieznacznie wyższą wrażliwość na inhibicyjne działanie wodoru w porównaniu z kiszonką kukurydzy zwyczajnej (odpowiednio KI_H2_pro = 6,62E-08 kg ChZT/m 3 oraz 7,97E-08 kg ChZT/m 3 ). W przypadku metanogenezy ocenianej na podstawie szybkości zużycia kwasu octowego kiszonkę sorgo cukrowego cechowała mniejsza wrażliwość na inhibicyjne działanie amoniaku niż kiszonki kukurydzy zwyczajnej, przy porównywalnych wartościach km i KS. 7
Na tej podstawie wnioskowałam, że niższą produkcję metanu z kiszonki sorgo cukrowego należy wiązać nie z kinetyką procesów jednostkowych, ale raczej z niekorzystnym do fermentacji składem chemicznym kiszonki sorgo cukrowego (mniej skrobi i więcej ligniny) i w związku z tym mniejszą zawartością związków biodegradowalnych (o ok. 14,23%) w porównaniu z kiszonką kukurydzy zwyczajnej. Podobieństwa w kinetyce poboru lotnych kwasów tłuszczowych obserwowano również podczas fermentacji kiszonek ślazowca pensylwańskiego i lucerny siewnej z tymotką łąkową. Maksymalna właściwa szybkość poboru kwasu walerianowego (km_va) obu kiszonek była porównywalna, odpowiednio 20,00 oraz 19,92 d -1, przy identycznych wartościach KS. Natomiast różnice odnotowano przy stałych inhibicji wodorem. Maksymalna właściwa szybkość poboru kwasu propionowego (km_pro) wyniosła 14,19 d -1 dla ślazowca pensylwańskiego oraz 12,39 d -1 dla lucerny siewnej z tymotką łąkową. Inhibicyjne działanie wodoru na pobór kwasu propionowego w przypadku obu kiszonek było porównywalne. Podobny udział związków biodegradowalnych oraz stężenia ligniny i hemiceluloz w kompozycie decydowały o produkcji metanu, która w przypadku kiszonki ślazowca pensylwańskiego wyniosła 3,19 dm 3 /d, a dla kiszonki lucerny siewnej z tymotką łąkową 3,16 dm 3 /d. Z punktu widzenia stabilności produkcji metanu rodzaj i stężenie występujących w odpływie lotnych kwasów tłuszczowych były korzystniejsze w przypadku kiszonek ślazowca pensylwańskiego oraz lucerny siewnej z tymotką łąkową niż kiszonek kukurydzy zwyczajnej i sorgo cukrowego. W odpływie z fermentacji kiszonek kukurydzy zwyczajnej i sorgo cukrowego dominował kwas izo-walerianowy, którego udział wyniósł odpowiednio 38,0% i 37,4% dla sumy pojedynczych LKT oraz kwas propionowy, którego udział w obu kiszonkach był identyczny i wyniósł 14,6%. W odpływie po fermentacji kiszonek ślazowca pensylwańskiego oraz lucerny siewnej z tymotką łąkową stężenie kwasu izo-walerianowego oraz propionowego uległy znacznemu zmniejszeniu. Wysokie stężenie form izo- podobnie jak kwasu propionowego są wskaźnikami zaburzeń fermentacji. Podczas gdy dla kiszonek kukurydzy zwyczajnej i sorgo cukrowego w odpływie dominował kwas izo-walerianowy (1,30 oraz 2,41 kg ChZT/m 3 ), przy proporcji Sva/Siva odpowiednio 1:3,1 oraz 1:3,4, to w odpływie z fermentacji kiszonki ślazowca 8
pensylwańskiego i lucerny siewnej z tymotką łąkową, proporcja obu form zmieniła się odpowiednio do 1:0,28 i 1:0,24. W pracy przyjęto, że kwasy walerianowy i izo-walerianowy powinny być modelowane rozłącznie. Przesłanką były różnice w stechiometrii utlenienia oraz wyznaczone z modelu parametry szybkości poboru obu kwasów. Podczas degradacji kwasu izo-walerianowego produktami są 3 mole octanu oraz 1 mol wodoru, natomiast degradacji kwasu walerianowego 1 mol propionianu, 1 mol octanu i 2 mole wodoru. Obie reakcje są niekorzystne z termodynamicznego punktu widzenia ( G > 0). Ażeby reakcja była termodynamicznie możliwa konieczne jest systematyczne usuwanie produktów reakcji. W przypadku kwasu walerianowego jest to możliwe podczas wzrostu acetogenów i metanogenów zużywających wodór. Przesunięcie równowagi reakcji w przypadku kwasu izo-walerianowego w kierunku degradacji wymaga raczej usuwania octanu niż H2, ponieważ w reakcji tworzy się 3-krotnie więcej moli octanu niż wodoru. Usunięcie octanu jest możliwe, gdy acetogeny rosną z metanogenami wykazującymi zdolność konwersji octanu do metanu. Gdy taki wzrost jest zaburzony i octan nie jest zużywany przez metanogeny z odpowiednią szybkością, wówczas jego stężenie rośnie i oksydacja kwasu izo-walerianowego nie jest możliwa z termodynamicznego punktu widzenia. W niniejszych badaniach największe stężenie kwasu izo-walerianowego obserwowano dla kiszonek sorgo cukrowego i miskanta cukrowego. Również stężenie kwasu octowego było wysokie i wyniosło odpowiednio 2,02 oraz 1,63 kg ChZT/m 3. W przypadku kwasu walerianowego oraz izo-walerianowego wykazałam znaczne różnice w odniesieniu do stałych inhibicji wodorem. Stała inhibicji kwasów testowanych kiszonek mieściła się w przedziale KI_H2_va od 1,08E-08 do 1,00E-06 kg ChZT/m 3, a w przypadku kwasu izo-walerianowego KI_H2_iva była mniejsza od 2,32E-09 do 1,32E-08 kg ChZT/m 3. Badania współfermentacji prowadzone dla kiszonki kukurydzy zwyczajnej z gnojowicą świńską, gnojowicą świńską i wywarem gorzelnianym lub gnojowicą świńską i frakcją glicerynową wykazały zróżnicowany wpływ obecności kosubstratów na parametry dezintegracji kompozytu oraz hydrolizy węglowodanów. Wprowadzenie wywaru gorzelnianego lub frakcji glicerynowej jako drugiego kosubstratu spowodowało poprawę 9
szybkości dezintegracji w stosunku do kiszonki kukurydzy zwyczajnej oraz jej mieszaniny z gnojowicą świńską, na co wskazują odpowiednio 2,44- i 2,19-krotnie wyższe wartości kdis. Z punktu widzenia szybkości hydrolizy najbardziej korzystna była fermentacja mieszaniny kiszonki kukurydzy zwyczajnej z gnojowicą świńską i wywarem gorzelnianym. W obecności kosubstratów odnotowano wzrost maksymalnej właściwej szybkości poboru kwasu octowego km_ac oraz stałej inhibicji KI_NH3 (będącej wskaźnikiem zmniejszenia inhibicyjnego wpływu amoniaku na metanogeny). W porównaniu z samą kiszonką kukurydzy zwyczajnej, współfermentacja z gnojowicą świńską oraz wywarem gorzelnianym lub frakcją glicerynową prowadziła do zwiększenia stałych km_ac. Najsilniejszy, ok. 3-krotny wzrost w stosunku do kiszonki kukurydzy zwyczajnej uzyskano wówczas, gdy kosubstratami były gnojowica świńska i wywar gorzelniany. Podczas współfermentacji obniżyło się stężenie kwasów walerianowego, izowalerianowego oraz propionowego, co znalazło swoje odbicie w parametrach szybkości poboru tych kwasów. Model ADM1 okazał się skutecznym narzędziem do analizy szybkości procesów jednostkowych podczas mono- i współfermentacji kiszonek z upraw celowych z wybranymi kosubstratami. Model ADM1 okazał się użytecznym narzędziem do rozpoznania procesów jednostkowych kontrolujących produkcję metanu w biogazowniach wykorzystujących biomasę roślinną oraz odpady przemysłowe. Za pomocą ADM1 wyjaśniłam różnice w mechanizmach i kinetyce reakcji kwasów walerianowego i izo-walerianowego. Stosując wieloetapową metodę kalibracji zweryfikowałam parametry dezintegracji kompozytu, hydrolizy węglowodanów, szybkości poboru lotnych kwasów tłuszczowych C2-C5 w przypadku pięciu rodzajów kiszonek oraz trzech mieszanin kiszonki kukurydzy zwyczajnej z wybranymi kosubstratami. Szczegółowo zdefiniowany, pod kątem przygotowania matryc Petersena, skład chemiczny kiszonek i kosubstratów w tym kompozytu ma istotne znaczenie jako materiał źródłowy. Matryce zmiennych stanu, podobnie jak zweryfikowane parametry modelu ADM1, mogą być wykorzystane w praktyce do celów projektowych. 10
5. Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo badawczych W okresie 11 lat działalności naukowo-badawczej po uzyskaniu stopnia doktora, moje zainteresowania koncentrowały się na interdyscyplinarnych zagadnieniach z zakresu inżynierii środowiska technologiach przetwarzania biomasy roślinnej i odpadowej na biogaz, a także remediacji polegającej na usuwaniu lub zmniejszeniu stężenia substancji niebezpiecznych w środowisku. Badania w obszarze przetwarzania biomasy obejmowały: wykorzystanie biomasy roślinnej pochodzącej z upraw celowych jako substratu do produkcji biogazu oraz biopaliw, opracowanie oraz doskonalenie procesów współfermentacji biomasy roślinnej z odpadami z rolnictwa i przemysłu pod kątem intensyfikacji produkcji biogazu, zastosowanie modelu ADM1 jako narzędzia do symulacji produkcji biogazu rolniczego. Tematyka usuwania lub zmniejszania stężenia substancji niebezpiecznych w środowisku dotyczyła: opracowania technologii usuwania bisfenolu A ze ścieków w układach z biomasą unieruchomioną, wykorzystania środków myjących do usuwania metali ciężkich i WWA z zanieczyszczonych gleb. Poszukiwanie innych niż kukurydza roślin do produkcji biogazu wynika z potrzeby ograniczenia konkurencyjności w obszarach żywność energia. W ramach grantu pt. Wydajność fitomasy różnych gatunków roślin i jej przydatność do konwersji na biogaz w zależności od terminu zbioru prowadziłam badania nad przydatnością wybranych jednorocznych i wieloletnich roślin energetycznych do produkcji biogazu oraz nad optymalizacją wydajności biogazu w zależności od wsadu surowcowego (II.J. poz. 7). Plon i wydajność energetyczną badałam dla kukurydzy zwyczajnej oraz innych roślin takich jak sorgo cukrowe, lucerna siewna z tymotką łąkową, ślazowiec pensylwański, miskant cukrowy oraz miskant olbrzymi. Wśród testowanych roślin miskant olbrzymi i kukurydza zwyczajna charakteryzowały się najwyższym i najbardziej stabilnym plonem wynoszącym odpowiednio 22,9-26,5 Mg s.m./ha. rok i 20,1-24,2 Mg s.m./ha. rok, a ich wartość 11
energetyczną oszacowano na 468 i 404 GJ/ha. rok. Potencjał plonowania pozostałych roślin był niższy. Najwyższą wartość współczynnika efektywności energetycznej określającego stosunek energii zużytej do pozyskanej odnotowano w przypadku miskanta olbrzymiego (25,0) w dalszej kolejności znalazła się kukurydza zwyczajna (15,8), miskant cukrowy (14,7) i sorgo cukrowe (12,5). Niższe wartości współczynnika odnotowano dla lucerny siewnej z tymotką łąkową (10,0) oraz ślazowca pensylwańskiego (7,0). Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Energy (IIA. poz. 7). Oceniałam również produkcję biogazu z kiszonek wymienionych wyżej roślin oraz ich mieszanin, na podstawie: charakterystyki chemicznej kiszonek z uwzględnieniem stężenia cukrów prostych, białek, tłuszczy, skrobi oraz komponentów wchodzących w skład włókna jak celuloza, hemicelulozy i lignina, specyficznej szybkości produkcji oraz współczynnika wydajności biogazu, przydatności bezwymiarowych stężeń LKT (liczonych na podstawie funkcji Mapminmax) do oceny wpływu kumulacyjnego stężenia LKT. Wykazano, że najwięcej skrobi zawierała kukurydza zwyczajna (43,4% s.m.), a materiałów włóknistych miskant olbrzymi (41,8% s.m.). Spośród testowanych kiszonek najwyższą specyficzną szybkość produkcji biogazu (rb) i metanu (rm) uzyskano dla kiszonki kukurydzy zwyczajnej i ślazowca pensylwańskiego, odpowiednio 1,1 oraz 0,65 dm 3 /dm 3. d. Stężenia lotnych kwasów tłuszczowych w odpływie (mg/dm 3 ) konwertowano do wartości bezwymiarowych ( 1,1), wykorzystując funkcję Mapminmax (MATLAB NN Toolbox). Wartości bliskie ( 1) zostały przypisane najniższym bezwymiarowym stężeniom poszczególnych LKT, a wartości 1 najwyższym. W przypadku poszczególnych kiszonek oraz ich mieszanin jako substratów, oceniałam kumulacyjny efekt kwasów na podstawie sumy wartości bezwymiarowych stężeń pojedynczych LKT. Testowane kiszonki uporządkowałam w szeregu według malejących wartości: miskant cukrowy (2,06) > miskant olbrzymi ( 1,03) > sorgo cukrowe ( 1,36) > kukurydza zwyczajna ( 1,51) > mieszanina kukurydzy zwyczajnej i lucerny siewnej z tymotką łąkową w proporcji 60:40 %s.m.o. ( 1,90) > lucerna siewna z tymotką łąkową ( 1,98) > mieszanina kukurydzy zwyczajnej i lucerny siewnej z tymotką łąkową w proporcji 80:20 %s.m.o. ( 2,34) > mieszanina kukurydzy zwyczajnej i miskanta 12
cukrowego w proporcji 90:10 %s.m.o. ( 2,40) > ślazowiec pensylwański ( 3,03) > mieszanina kukurydzy zwyczajnej i lucerny siewnej z tymotką łąkową w proporcji 90:10 %s.m.o. ( 4,37). Niekorzystny efekt zwiększania stężenia lucerny siewnej z tymotką łąkową w mieszaninie z kiszonką kukurydzy zwyczajnej potwierdzają coraz wyższe wartości bezwymiarowych stężeń LKT w porównaniu z samą kiszonką kukurydzy zwyczajnej. Wyniki badań opublikowano w Bioresource Technology (IIA. poz. 10) oraz przedstawiono na konferencjach (IIIB. poz. 7, 8, 13). Kolejne badania obejmowały porównanie rzeczywistej wydajności metanu z kiszonek kukurydzy zwyczajnej oraz miskanta cukrowego do teoretycznej. Wykazałam, że stosunek pomiędzy rzeczywistym i teoretycznym współczynnikiem wydajności metanu w przeliczeniu na ilość zużytych związków organicznych z kiszonki kukurydzy zwyczajnej wyniósł 0,94, podczas gdy z kiszonki miskanta cukrowego 0,69. Przyjęłam, że powodem rozprzężenia produkcji metanu z konwersją substratu kiszonki miskanta cukrowego mogła być inhibicja metanogenów produktami pośrednimi degradacji komponentów kiszonek, np. ligniny ale także metabolitami pośrednimi (LKT) powstającymi podczas fermentacji. Różnice stężeń były najbardziej widoczne w przypadkach kwasu octowego i izo-masłowego, które są prekursorami do wytwarzania metanu. Stosując metodę sekwencjonowania genów 16S rrna określono również strukturę zbiorowisk metanogenów. W celu potwierdzenia wpływu LKT na strukturę metanogenów przeanalizowałam zależność pomiędzy liczebnością grup (intensywność prążków DNA) a stężeniem pojedynczych lotnych kwasów tłuszczowych, przyjmując jako kryterium współczynniki korelacji liniowej Pearsona (program STATISTICA 9.0). Takie założenie było możliwe, ponieważ fermentacja obu kiszonek przebiegała przy porównywalnym hydraulicznym czasie zatrzymania (HRT), obciążeniu komory ładunkiem związków organicznych (OLR), odczynie (ph), alkaliczności oraz stężeniu azotu amonowego. W przypadku kiszonki miskanta cukrowego istotnie statystyczną dodatnią korelację uzyskano dla stężenia kwasu walerianowego i intensywności prążka D-05 (szczep JN887328) należącego do rodzaju Methanosaeta concilii (AB679168) (99% zgodności sekwencji DNA) oraz stężenia kwasów octowego, izo-masłowego i izo-walerianowego i prążka D-02 (szczep JN887325), zawierającego sekwencję DNA zgodną w 86% z Methanosarcina termophila (JQ346758). 13
W przypadku kiszonki kukurydzy zwyczajnej uzyskano dodatnią korelację pomiędzy intensywnością prążka D-01 (szczep JN887324) należącego do Methanolinea mesophila (AB447467) (99% zgodności sekwencji DNA) i kwasem octowym oraz propionowym, ale zależność ta była słabsza (r > 0,6; p < 0,05). Wyniki badań zaprezentowano w pracy opublikowanej w Waste and Biomass Valorization (IIA. poz. 1). Ponadto na podstawie analizy struktury metanogenów podczas fermentacji beztlenowej mieszaniny kukurydzy zwyczajnej i lucerny siewnej z tymotką łąkową w proporcji 90:10 (%s.m.o.), wykazano dominację Methanosarcina barkeri, Methanospirillum hungatei, Methanosarcina thermophila, Methanoculleus receptaculi, Methanotorris formicicus. Natomiast dodatek do kiszonek roślinnych, gnojowicy świńskiej i frakcji glicerynowej w proporcji 87,5:6,25:6,25 (%s.m.o.) spowodował zmianę w strukturze metanogenów, gdzie stwierdzono obecność głównie Methanolinea mesophila i Methanosphaerula palustris. Wyniki badań opublikowano w Current Microbiology (IIA. poz. 16) oraz Environmental Biotechnology (IIE. poz. 18). Wiedzę i zdobyte doświadczenie w zakresie charakterystyki różnych rodzajów biomasy lignocelulozowej jako surowca do produkcji biopaliw z wykorzystaniem zaawansowanych technologii zaprezentowałam w monografii pt. Biomass for biofuels, w której jestem współredaktorem i pierwszym autorem czterech rozdziałów (II.E poz. 2-5). W rozdziale II.E poz. 2 przeanalizowano skład węglowodanów, w tym cukrów wchodzących w skład hemiceluloz biomasy lignocelulozowej pochodzącej z różnych źródeł, co ma istotne znaczenie z uwagi na produkcję bioetanolu. W rozdziale II.E poz. 3 omówiono innowacyjne technologie nowych generacji biopaliw i ich status w krajach Europy i na świecie, a także scharakteryzowano ich właściwości i podano zastosowanie. Wydzielanie cukrów jest ważnym etapem poprzedzającym produkcję alkoholi w biorafineriach. Problemom konwersji biomasy lignocelulozowej do cukrów w zależności od struktury lignocelulozy poświęcono kolejny rozdział monografii (II.E poz. 4). Stan dotychczasowej wiedzy w zakresie wstępnej obróbki biomasy lignocelulozowej z wykorzystaniem procesów chemicznych oraz fizykochemicznych wraz z przykładowymi rozwiązaniami technologicznymi podano w rozdziale II.E poz. 5. Dopełnieniem podjętego tematu było wykorzystanie miskanta olbrzymiego jako surowca do produkcji bioetanolu. Podczas badań wykazano wpływ nawożenia rośliny na 14
produkcyjną wydajność etanolu (dm 3 A100/ha), która była o 30% oraz o 40% wyższa po zastosowaniu odpowiednio osadu ściekowego i NPK (w równoważnej dawce azotu = 160 kg N/ha), w porównaniu z uprawą nienawożoną. Wyniki badań opublikowano w Bioresource Technology (II.A poz. 5). Doskonalenie procesów współfermentacji biomasy roślinnej były przedmiotem badań realizowanych w ramach grantu pt. Opracowanie zintegrowanych technologii wytwarzania paliw i energii z biomasy, odpadów rolniczych i innych (IIJ. poz. 6), w którym uczestniczyłam jako członek zespołu. Badania dotyczyły fermentacji kiszonek kukurydzy zwyczajnej i miskanta cukrowego w proporcji 90:10 (%s.m.o.) oraz ich mieszanin z gnojowicą świńską w ilości 7,5%, 12,5% i 25%s.m.o. Na podstawie przeprowadzonych badań oceniłam: wpływ stężenia gnojowicy świńskiej na sprawność usuwania związków organicznych, jednostkową szybkość oraz wydajność produkcji biogazu i metanu, a także jakość pofermentu, użyteczność lotnych kwasów tłuszczowych jako wskaźników do monitorowania fermentacji w powiązaniu z innymi wskaźnikami takich jak odczyn (ph), temperatura, alkaliczność oraz stężenie azotu amonowego. Z punktu widzenia sprawności usuwania związków organicznych, najkorzystniejsze wyniki uzyskano dla mieszaniny zawierającej 7,5%s.m.o. gnojowicy świńskiej (88,2%). Sprawność usuwania substancji organicznych w pozostałych eksperymentach była niższa. Stosując analizy statystyczne (test Tukey a post hoc) wykazałam, ze obecność gnojowicy wpłynęła na poprawę jednostkowej szybkości produkcji biogazu/metanu (rb/rm) podobnie jak współczynników wydajności biogazu/metanu (YB/YM) w porównaniu z fermentacją samej kiszonki kukurydzy zwyczajnej i miskanta cukrowego. Z mieszanin zawierających 7,5%s.m.o. oraz 12,5%s.m.o. gnojowicy świńskiej odnotowano najwyższe wartości rb oraz YB. W przypadku metanu, jednostkowa szybkość produkcji rm była najwyższa gdy udział gnojowicy świńskiej wynosił 12,5%s.m.o. oraz 25%s.m.o. Wzrost stężenia gnojowicy świńskiej jako kosubstratu zaznaczył się wzrostem stężenia azotu amonowego w pofermencie. Do interpretacji wyników wpływu zmiennej proporcji gnojowicy świńskiej wykorzystałam analizę wieloczynnikowej korelacji pomiędzy produkcją biogazu/metanu 15
a wybranymi wskaźnikami fizyko-chemicznymi procesu, takimi jak LKT, ph, zasadowość, sucha masa organiczna, ChZT, azot amonowy oraz stosunek LKT/zasadowości. W przypadku monofermentacji kiszonki wpływ lotnych kwasów tłuszczowych na produkcję biogazu i metanu potwierdzała silna dodatnia korelacja (r > 0,8; p < 0,001) pomiędzy jednostkową szybkością produkcji biogazu i metanu a stężeniem kwasów walerianowego, izowalerianowego i izo-masłowego. Dodatnią korelację pomiędzy stężeniem azotu amonowego i LKT, wykazano przy 25%s.m.o. udziale gnojowicy świńskiej, która wskazywała na potencjalne ryzyko inhibicji azotem amonowym. Wyniki badań opublikowano w Bioresource Technology (IIA. poz. 17). Innym potencjalnym kosubstratem w biogazowniach rolniczych jest frakcja glicerynowa powstająca na etapie wydzielania estrów metylowych. Zawiera ona glicerol w stężeniu 50-60%, pozostałości estrów metylowych (15-18%), metanol (8-12%), katalizator (NaOH, 1%) oraz niewielkie ilości pierwiastków takich jak wapń, magnez, potas, fosfor oraz siarka. Po wydzieleniu, frakcja glicerynowa jest poddawana częściowemu oczyszczeniu do gliceryny surowej, która ma wartość handlową. Obecnie oczyszczanie frakcji glicerynowej staje się coraz mniej opłacalne z powodu nadprodukcji gliceryny surowej i spadku jej ceny. W tym aspekcie alternatywnym rozwiązaniem jest wykorzystanie nieoczyszczonej frakcji glicerynowej do produkcji biogazu. Badania nad współfermentacją kiszonki kukurydzy zwyczajnej z udziałem nieoczyszczonej frakcji glicerynowej współprowadziłam zwiększając udział do 5% i 10% wag., co odpowiadało odpowiednio ok. 34,1% i 60,2% w przeliczeniu na suchą masę organiczną. Po wprowadzeniu frakcji glicerynowej w stężeniu 5% nastąpił wzrost obciążenia komory ładunkiem związków organicznych (OLR) z 1,31 g s.m.o./dm 3. d do 1,82 g s.m.o./dm 3. d. Jednostkowa szybkość produkcji biogazu (rb) zwiększyła się o 86%, a współczynnik wydajności biogazu (YB) o 30%. Wprowadzenie frakcji w stężeniu 10% spowodowało dalszy wzrost OLR do 2,01 g s.m.o./dm 3. d przy silnym spadku produkcji biogazu oraz akumulacji kwasów propionowego i walerianowego. Jednostkowa szybkość produkcji biogazu obniżyła się o 62,7%, a współczynnik wydajności biogazu o 81,7%. Ponieważ obciążenie komory ładunkiem organicznym nie było wysokie, załamanie procesu należy tłumaczyć inhibicyjnym oddziaływaniem glicerolu na mikroorganizmy. Glicerol w wysokim stężeniu ogranicza 16
przepuszczalność osłon komórkowych i powodując zaburzenia w transporcie jonów oraz metabolitów. Wyniki badań przedstawiłam w pracy IIA. poz. 14. Innym, nie do końca wyjaśnionym problemem, jest współfermentacja mieszanin składających się z substratów o dużym udziale związków organicznych w formie nierozpuszczonej (kiszonki) ze ściekami zawierającymi wysokie stężenie substancji rozpuszczonych łatwo ulegających biodegradacji. Przeprowadzone badania wykazały, że w przypadku współfermentacji dużych ilości wywaru z gorzelni melasowej z obornikiem bydlęcym i kiszonką kukurydzy zwyczajnej bardziej korzystna okazała się fermentacja wywaru w bocznym ciągu technologicznym. Jako kryterium oceny przyjęto produkcję biogazu i wymaganą kubaturę obiektu. Podczas kofermentacji wszystkich substratów specyficzna szybkość produkcji biogazu (rb) wyniosła 1,03 dm 3 /dm 3 d, przy hydraulicznym czasie zatrzymania (HRT) 45d. Rozdzielenie fermentacji wywaru gorzelnianego od obornika bydlęcego i kiszonki kukurydzianej pozwoliło skrócić HRT dla wywaru gorzelnianego do 20-25d przy identycznym czasie zatrzymania kiszonki kukurydzianej i obornika bydlęcego. Rozdzielenie fermentacji okazało się korzystne ze względu na produkcję biogazu. Przy rozdzielnej fermentacji wywaru gorzelnianego i kiszonki z obornikiem bydlęcym wartość rb wyniosła łącznie 3,02 dm 3 /dm 3 d i była ok. 3-krotnie wyższa w porównaniu z mieszaniną trzyskładnikową. Zaletą proponowanego rozwiązania jest mniejsza kubatura obiektów. Wyniki badań przedstawiłam na konferencji międzynarodowej (III.B. poz. 1, 4, 5). Efektem badań nad współfermentacją kiszonek z wybranymi kosubstratami był rozdział w monografii pt. Konwersja odpadów z przemysłu rolno-spożywczego do biogazu podejście systemowe (IIE. poz. 7) oraz udział w konferencjach (IIE. poz. 10, 11, IIIB. poz. 11, 14). W ostatnich latach zajęłam się problematyką modelowania produkcji biogazu z kiszonek z upraw dedykowanych i odpadów z przetwórstwa rolno-spożywczego za pomocą ADM1. Badania rozpoczęłam od fermentacji mieszaniny kiszonki kukurydzy zwyczajnej i obornika bydlęcego. Jednym z ważnych etapów modelowania jest przygotowanie matrycy Petersena, w tym charakterystyki kompozytu. Do analizy kompozytu wykorzystałam rozszerzoną metodę Weendera (analiza techniczna oraz van Soesta i Wine a). W mieszaninie kiszonki kukurydzy 17
zwyczajnej i obornika bydlęcego dominującą frakcją kompozytu były węglowodany 0,5; zaś udział frakcji inertnej kształtował się na poziomie 0,341 (IIA. poz. 11). Po ustaleniu składu chemicznego substratów i określeniu frakcji kompozytu przeprowadziłam kalibrację modelu ADM1 wybierając 10 parametrów, w tym stałą dezintegracji, stałą hydrolizy węglowodanów, stałe szybkości poboru kwasów walerianowego i masłowego oraz propionowego i octowego. Po kalibracji, najwyższy stopień dopasowania wyników modelowych do eksperymentalnych uzyskano dla biogazu, a następnie w kolejności dla %CH4, ph, kwasu octowego, propionowego i walerianowego (IIA. poz. 12). Analogiczne badania nad wykorzystaniem modelu ADM1 do symulacji fermentacji prowadziłam w przypadku mieszanin kiszonek (kukurydzy zwyczajnej i lucerny siewnej z tymotką łąkową) oraz dwóch kosubstratów w kombinacji gnojowica świńska i wywar gorzelniany, gnojowica świńska i frakcja glicerynowa oraz wywar gorzelniany i frakcja glicerynowa. Zmodyfikowałam strukturę modelu dostosowując ją do charakteru substratów i kosubstratów. W zmodyfikowanym modelu podzieliłam frakcje węglowodanów i białek na dwie podfrakcje różniące się szybkością degradacji (łatwo i wolno biodegradowalne). Wykazałam, że model jest bardziej wrażliwy na zmiany parametrów hydrolizy węglowodanów wolno degradowalnych niż łatwo degradowalnych. Po kalibracji parametrów mieszaniny kiszonek z gnojowicą świńską i wywarem gorzelnianym, ADM1 wykazywał dobrą zgodność z danymi pomiarowymi w odniesieniu do dobowej produkcji biogazu i metanu oraz stężenia lotnych kwasów tłuszczowych (LKT) w odpływie. Zweryfikowane parametry umożliwiły dokładne prognozowanie dobowej produkcji biogazu i metanu z mieszaniny kiszonki z gnojowicą świńską, natomiast w przypadku mieszaniny kiszonki z wywarem gorzelnianym i fazą glicerynową było niezadowalające, ponieważ skalibrowana wartość KI_H2_pro (2,86E-08 kg ChZT/m 3 ) była zbyt niska i wymagała weryfikacji (IIA. poz. 2). Na tej podstawie wykazałam, że KI_H2_pro jest kluczowym i najbardziej wrażliwym parametrem ADM1 w przypadku różnych kosubstratów i powinien być każdorazowo weryfikowany gdy zmienia się ich rodzaj w mieszaninie. 18
Rozpoznanie składu kompozytu substratów do produkcji biogazu skłoniło mnie również do opracowania rozdziału w monografii, w którym scharakteryzowano substraty i kosubstraty stosowane do produkcji biogazu w biogazowniach rolniczych, ze szczególnym uwzględnieniem udziału materiałów włóknistych. Porównano potencjał biogazowy pojedynczych substratów i kosubstratów oraz ich mieszanin na podstawie badań własnych i danych literaturowych, a także omówiono najważniejsze aspekty modelowania procesów beztlenowych w biogazowniach rolniczych za pomocą modelu ADM1 (II.E poz. 9). Kolejnym obszarem naukowo-badawczym jest usuwanie lub zmniejszanie stężenia substancji niebezpiecznych w środowisku. W ostatnich latach rośnie potrzeba usuwania ze środowiska substancji o potencjalnym negatywnym oddziaływaniu na ekosystemy wodne oraz lądowe. Do takich zanieczyszczeń należą związki endokrynne (ECD, ang. Endocrine Distrupting Compounds), które z uwagi na swoją budowę mogą oddziaływać na funkcjonowanie układu hormonalnego organizmów. Jednym z takich związków jest bisfenol A (BPA, 2,2-bis-4-hydroksyfenylopropan), który jest powszechnie wykorzystywany do utwardzania wyrobów z tworzywa sztucznego, a także przy produkcji żywic epoksydowych. Głównym źródłem BPA są ścieki. Pomimo iż, BPA może podlegać biodegradacji przez mikroorganizmy, to stwierdza się jego obecność w ściekach oczyszczonych może wahać się od 0,01 g/dm 3 do 86,0 g/dm 3. Powoduje to konieczność projektowania takich układów technologicznych, które pozwolą na obniżenie jego stężenia w ściekach oczyszczonych, gdyż stężenie BPA w ilości 1 ng/dm 3 może wpływać na gospodarkę hormonalną organizmów. W ramach prac dotyczących usuwania bisfenolu A (BPA) ze ścieków badania prowadzono w układzie dwustopniowym, w których pierwszy stopień stanowił bioreaktor z biomasą unieruchomioną, a następnie ścieki oczyszczone zasilały reaktor membranowy. Reaktor membranowy wyposażono w ceramiczne membrany do mikrofiltracji (MF) lub nanofiltracji (NF), co umożliwiło określenie ich przydatności do doczyszczania ścieków. Badania prowadzono przy zmiennym stężeniu BPA w ściekach dopływających od 2,5 do 10,0 mg BPA/dm 3, hydraulicznym czasie zatrzymania wynoszącym 1,5 h, obciążeniu objętości nośników ładunkiem związków organicznych równym 7 kg ChZT/m 3. d oraz stosunku ChZT/N 7,2. W zależności od warunków procesu efektywność usuwania związków organicznych 19
(ChZT) w całym układzie technologicznym wynosiła w zakresie od 61 do 66%, a BPA od 87 do 92%. Uzyskanie wysokiej efektywności usuwania BPA, przy krótkim hydraulicznym czasie zatrzymania 1,5 h, było możliwe z uwagi na długi wiek oraz wysokie stężenie biomasy reaktorze. W badaniach wykazano również, że podczas mikrofiltracji następuje częściowe usunięcie BPA w wyniku jego sorpcji na cząstkach zawiesin zatrzymanych na membranie. W wyniku nanofiltracji (NF) uzyskano poprawę efektywności usuwania BPA, jednak przy najwyższym początkowym obciążeniu ładunkiem ChZT i stężeniu BPA, przepuszczalność hydrauliczna membrany NF uległa obniżeniu w porównaniu do membrany do MF. Niezależnie od właściwości separacyjnych membran oraz początkowego stężenia BPA w ściekach efektywność usuwania BPA sięgała 92%, co potwierdza przydatność stosowania dwustopniowego układu zintegrowanego (biomasa unieruchomiona filtracja membranowa). Na realizację badań uzyskano grant Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego pt. Wykorzystanie układu hybrydowego (biomasa unieruchomiona systemy membranowe) do usuwania bisfenolu A ze ścieków (N N523 611939, IIJ. poz. 5), a uzyskane wyniki badań zostały opublikowane m.in. w Bioresource Technology (IIA. poz. 6 i 15). Dalsze badania nad usuwaniem bisfenolu A ze ścieków kontynuowano wykorzystując technologię tlenowego osadu granulowanego. Biomasa granulowana charakteryzuje się wielowarstwową strukturą gęsto upakowaną mikroorganizmami, co wpływa na krótki czas sedymentacji a także odporność na wysokie stężenie związków organicznych w ściekach surowych, co wpłynęło na wybór tej technologii do usuwania BPA. Badania z wykorzystaniem technologii tlenowego osadu granulowanego prowadzono w sekwencyjnym reaktorze porcjowym (GSBR) przy stężeniu BPA w ściekach surowych od 0 do 12 mg/dm 3. Najwyższą efektywność usuwania BPA wynoszącą 97% uzyskano przy 8 godzinnym cyklu pracy reaktora i stężeniu BPA w ściekach surowych 6 mg/dm 3. Wzrost stężenia BPA w dopływie spowodował spadek produkcji biomasy, a także polimerów zewnątrzkomórkowych, ale wpłynął na wzrost średnicy granul. Badania kontynuowano wykorzystując procesy mikrofiltracji i ultrafiltracji do doczyszczania ścieków po reaktorze GSBR. Efektywność usuwania rozpuszczonych związków organicznych wyrażonych ChZT, BPA oraz zawiesin ogólnych dla mikrofiltracji była podobna jak w przypadku zastosowania 20
ultrafiltracji i wynosiła odpowiednio 77-82% dla ChZT i 48-100% dla BPA. Efektywność usuwania zawiesin ogólnych w obu systemach sięgała 100%. W układzie dwustopniowym, niezależnie od zastosowanej filtracji, efektywność usuwania związków organicznych wyrażonych ChZT dla całego układu wynosiła 92-95%, a bisfenolu A przekraczała 98%. Na realizację badań uzyskano grant Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego pt. Struktura gatunkowa i aktywność tlenowego osadu granulowanego podczas ekspozycji na bisfenol A (2013/09/B/NZ9/01811, IIJ. poz. 4), a uzyskane wyniki badań zostały opublikowane m.in. w International Biodeterioration & Biodegradation oraz Water, Air & Soil Pollution (IIA. poz. 3 i 4). Prowadziłam również badania nad wykorzystaniem środków myjących do usuwania metali ciężkich i WWA z zanieczyszczonych gleb. W przypadku metali ciężkich oceniłam przydatność substancji humusowych wyekstrahowanych z kompostu do remediacji gleb o różnym czasie starzenia (1, 12 i 24 miesiące). Przy ph 7 i stężeniu substancji humusowych wynoszącym 2,2 g C/dm 3 efektywność usuwania metali z gleby malała w szeregu: Cd (79,1-82,6%) > Cu (51,5-71,8%) > Pb (44,8-47,6%) > Ni (35,4-46,1%) > Zn (27,9-35,8%). Niezależnie od warunków płukania usuwanie Cd i Pb nie zależało od czasu starzenia się gleby. Natomiast, w przypadku Cu, Ni i Zn, efektywność usuwania z gleb obniżała się wraz z długością przebywania metali w glebie (IIA. poz. 8). Poprawę efektywności usuwania metali z gleb można uzyskać poprzez wzrost stopni płukania. Pojedyncze płukanie gleby umożliwiło uzyskanie efektywności usuwania metali na poziomie 80,7% dla Cu oraz 69,1% dla Cd z gleby piaszczystej oraz odpowiednio 53,2% i 36,5% z gleby gliniastej. Natomiast 3-krotne płukanie poprawiało efektywności płukania gleb do prawie 100% w przypadku Cu i Cd z gleby piaszczystej oraz 83,2% Cu i 88,9% Cd z gleby gliniastej (IIA. poz. 9). Współprowadziłam badania nad przydatnością biosurfaktantów do remediacji gleby zanieczyszczonej metalami. Do płukania wykorzystano wodne roztwory saponiny oraz kwasu taninowego. Gleba pochodziła z legnicko-głogowskiego okręgu miedziowego i zawierała miedź, ołów i cynk w stężeniach przekraczających odpowiednio 54, 15 i 1,7-krotnie wartość dopuszczalną dla terenów rolniczych. W badaniach wykazano, że saponina efektywniej usuwała metale słabo związane z glebą takie jak miedź i cynk, podczas gdy kwas taninowy 21
był skuteczniejszy w wymywaniu ołowiu występującego w glebie w formach mniej mobilnych. Badania potwierdziły zasadność poszukiwania innych środków płuczących niż powszechnie znane, gdyż 3-krotnie tańszy kwas taninowy może być stosowany jako zamiennik saponiny, co ma istotne znaczenie z uwagi na aspekty ekonomiczne. Wyniki badań poświęconych remediacji gleb zanieczyszczonych metalami przedstawiono w artykule naukowym w Environmental Biotechnology (IIE. poz. 19), a także zaprezentowano na konferencji międzynarodowej (IIIB. poz. 2). W przypadku wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) badania dotyczyły określenia przydatności związków powierzchniowo czynnych oraz substancji humusowych do remediacji gleb. Eksperymenty przeprowadzono w warunkach statycznych oraz dynamicznych (w reaktorze kolumnowym). Niezależnie od warunków procesu wzrost stężenia związku powierzchniowo czynnego (ZPC) w roztworze myjącym wpłynął na efektywność procesu. Najwyższy stopień usuwania WWA z gleb w warunkach statycznych wynosił 70,46% przy stężeniu ZPC wynoszącym 1%, a w warunkach dynamicznych 93,30%. Efektywność usuwania WWA z wykorzystaniem substancji humusowych była niższa i nie przekraczała 70%. Badania były finansowane z grantów wydziałowych (IIJ. poz. 2, 3, 9), a wyniki badań opublikowano w rozdziałach monograficznych przedstawionych w pkt. IIE. poz. 8, 12, 13 oraz na konferencji krajowej (IIIB. poz. 3). Moje doświadczenie naukowe wykorzystuję we współpracy z podmiotami gospodarczymi. Jestem współautorem koncepcji dotyczącej bioremediacji gleb zanieczyszczonych substancjami niebezpiecznymi (IIB. poz. 1) oraz zgłoszenia patentowego dotyczącego wykorzystania biopreparatu ze szczepu Serratia marcescens G8-1 do remediacji gleb zanieczyszczonych metalami ciężkimi i WWA (IIC. poz. 1). Ponadto odbyłam staż w Zakładzie Techniki Sanitarnej TECHSAN w Olsztynie, w ramach projektu pt. Komercjalizacja wyników badań oraz kreowanie postaw przedsiębiorczych przez UWM w Olsztynie poprzez staże, szkolenia i działania uświadamiające z zakresu przedsiębiorczości akademickiej (IIIL. poz. 3). Podczas prowadzenia badań doskonaliłam swój warsztat analityczny. W 2004 roku ukończyłam studia podyplomowe z zakresu analityki zanieczyszczeń środowiska i żywności (IIIL. poz. 4). Zdobytą wiedzę uzupełniałam na kursach dotyczących wysokosprawnej 22
chromatografii cieczowej oraz wykorzystania ekstrakcji do fazy stałej podczas badań laboratoryjnych (IIIQ. poz. 24, 25). Odbyłam również szkolenie pt. Ocena i kontrola jakości wyników pomiarów analitycznych (IIIQ. poz. 21). Swoją wiedzę poszerzałam również za granicą, gdzie w Stanach Zjednoczonych uczestniczyłam w 5-dniowym szkoleniu dotyczącym zaawansowanych metod analitycznych w ochronie środowiska (IIIQ. poz. 18). Dodatkowo poznawałam najnowsze techniki w analityce laboratoryjnej na krajowych seminariach (IIIQ. poz. 13, 15, 20, 22). Wiedzę na temat remediacji gleb poszerzałam uczestnicząc w szkoleniu dotyczącym badania środowiska gruntowo-wodnego (IIIQ. poz. 19). Po uzyskaniu stopnia doktora byłam autorem/współautorem 57 publikacji, w tym 18 opublikowanych w czasopismach wyróżnionych przez bazę Journal Citation Reports, oraz 4 w recenzowanych czasopismach z listy MNiSW. Ponadto, jestem autorem/współautorem 14 rozdziałów monograficznych, w tym 8 w monografiach anglojęzycznych i 6 polskojęzycznych oraz 7 publikacji pełnotekstowych i 14 streszczeń w materiałach konferencyjnych. Sumaryczny Impact Factor publikacji po uzyskaniu stopnia doktora wynosi 52,938. Łączny dorobek zgodnie z kryteriami MNiSW po uzyskaniu stopnia doktora jest oceniany na 649 punktów. Liczba cytowań według bazy Web of Science wynosi 173 (bez autocytowań 167), a indeks Hirscha 7. Łączny sumaryczny Impact Factor przed i po uzyskaniu stopnia doktora wynosi 53,643, a liczba punktów MNiSW 669. Uczestniczyłam łącznie w 10 projektach badawczych, w tym w 4 projektach KBN/MNiSW/NCN oraz 1 projekcie NCBiR. Jestem współautorem 4 dokumentacji prac badawczych oraz 1 zgłoszenia patentowego. Zrealizowałam 1 opracowanie na zlecenia podmiotów gospodarczych. Za działalność naukową zostałam wyróżniona indywidualną nagrodą Rektora UWM w Olsztynie w 2018 r. (IIK. poz. 1). 6. Osiągnięcia w zakresie popularyzowania nauki Do osiągnięć w zakresie popularyzowania nauki zaliczam artykuł popularno-naukowy (IIE. poz. 20) jak również publikacje w czasopismach branżowych dostępne dla szerszej grupy odbiorców (IIE. poz. 16, 17). Moja działalność w zakresie popularyzacji nauki dotyczyła 23
również udziału w licznych konferencjach zagranicznych i krajowych (IIL. poz. 1 i 2 oraz IIIB. poz. 1-14). Ponadto, w mediach społecznościowych aktywnie promuję badania naukowe w formie systematycznie publikowanych postów (IIIQ. poz. 6). 7. Osiągnięcia w zakresie działalności organizacyjnej W trakcie mojej pracy zawodowej realizowałam wiele zadań organizacyjnych na rzecz Wydziału Nauk o Środowisku (wcześniej Wydział Ochrony Środowiska i Rybactwa) UWM w Olsztynie. Obecnie jestem koordynatorem wydziałowego uczelnianego grantu NCBiR pt. Program Rozwojowy Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie na lata 2018-2022 (IIIQ. poz. 1). Od 2016 roku jestem członkiem Rady Wydziału oraz członkiem uczelnianej Komisji Oceniającej ds. Nauczycieli Akademickich (kadencja do 2020 roku) (IIIQ. poz. 2, 3). W latach 2016-2017 byłam członkiem Zespołu ds. Zapewniania Jakości Kształcenia na kierunku ochrona środowiska, a w latach 2012-2014 członkiem Wydziałowego Zespołu ds. USOS (IIIQ. poz. 4, 5). W latach 2011-2015 byłam opiekunem roku na studiach stacjonarnych 1. stopnia, na kierunku ochrona środowiska, a w latach 2014-2016 na studiach stacjonarnych 2. stopnia, na kierunku ochrona środowiska (specjalność inżynieria ekologiczna) Wydziału Nauk o Środowisku (IIIQ. poz. 7, 8). 8. Omówienie osiągnięć dydaktycznych Kwalifikacje pedagogiczne zdobyłam w latach 2006-2007 na kursie pedagogicznym organizowanym przez Centrum Edukacji Nauczycielskiej i Doradztwa Zawodowego w Olsztynie (IIIQ. poz. 23). Dodatkowo dokształcałam się uczestnicząc w warsztatach dotyczących możliwości wspierania studentów głuchych i słabosłyszących na UWM w Olsztynie (IIIQ. poz. 12) oraz studentów z zaburzeniami ze spectrum autyzmu na Uniwersytecie Warmińsko-Mazurskim w Olsztynie (IIIQ. poz. 9). Od 2008 roku realizuję zajęcia na studiach międzynarodowych w ramach współpracy z University of Applied Sciences w Offenburgu (Niemcy) oraz UWM w Olsztynie. W ramach tej współpracy prowadzę w języku angielskim wykłady oraz ćwiczenia z przedmiotu Biotechnology in environmental protection, a także ćwiczenia z przedmiotów Analitycal 24