PL231601B1

PL231601B1 - Sposób biotransformacji materiału zawierającego polimery ligninocelulozowe w tym hemicelulozę, przeznaczonego do wykorzystania jako substrat w biogazowni

Info

Publication number: PL231601B1
Application number: PL417899A
Authority: PL
Inventors: Krystyna Cybulska; Tomasz Dobek; Paweł Kołosowski; Ilona Wrońska
Original assignee: Zachodniopomorski Univ Technologiczny W Szczecinie
Priority date: 2016-07-11
Filing date: 2016-07-11
Publication date: 2019-03-29
Also published as: PL417899A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób biotransformacji materiału polimery ligninocelulozowe, w tym hemicelulozę, przeznaczonego do wykorzystania jako substrat w biogazowni. Do materiałów zawierających ligninocelulozę zalicza się m.in. drewno, słomę, nasiona i otręby.

Słoma jest materiałem składającym się w znacznej mierze z ligniny, celulozy i hemicelulozy. Są to polimery w niewielkim stopniu wykorzystywane przez zespół drobnoustrojów biorących udział w wytarzaniu biogazu w procesie fermentacji metanowej. Jest to związane z niewielką zdolnością tych mikroorganizmów do rozkładu włóknika w pierwszym etapie produkcji biogazu, jakim jest hydroliza. W celu rozluźnienia struktury słomy stosuje się różne techniki. Jedne polegają na zastosowaniu związków chemicznych, w szczególności silnych zasad, związków utleniających oraz kwasów, inne wykorzystują przemiany zachodzące w biomasie pod wpływem czynników fizycznych.

Jedną z metod opisaną w zgłoszeniu patentowym US20120073199A1 jest wykorzystanie zjawiska pirolizy i powstającego w jej trakcie płynu jako substratu do produkcji metanu w procesie fermentacji metanowej. Jednak substrat taki ma niejednorodny skład, w którym mogą znajdować się związki toksyczne. Poza tym sam proces wymaga dostarczenia znacznych ilości energii ponieważ przebiega w temperaturze od 175 do 325°C.

Kolejną metodą znaną z opisu wynalazku CN100390293C jest wykorzystanie w procesie przetwarzania słomy na substrat w biogazowni wodorotlenku sodu. Silne zasady powodują degradację polimerowej struktury materiałów lignocelulozowych i zmianę ich składu chemicznego. Jednak stosowanie silnych zasad może negatywnie wpływać na mikroflorę fermentora biogazowego, pociąga za sobą znaczne koszty i może stanowić niebezpieczeństwo dla obsługi. Możliwe jest również przekształcanie słomy wykorzystując fazę płynną reaktora biogazowego (CN101899474A). Jest to metoda prosta, jednak wymaga dodatkowego rozdrabniania słomy, a jej stosowanie w warunkach zimowych jest utrudnione. Proponuje się również przekształcanie słomy wykorzystywanej później w biogazowniach rolniczych przez poddanie jej działaniu wysokiego ciśnienia, co ujawnia opis wynalazku PCT/DK2013/050097. W tak potraktowanym materiale temperatura możne wzrosnąć do ponad 200°C. W wyniku tego następują ciąg reakcji prowadzących do rozluźnienia struktury ligninocelulozy. Metoda ta jednak wymaga budowy osobnej instalacji, a sam proces nakładu energii. Opisane są również metody biologicznego przetwarzania słomy za pomocą szczepów mikroorganizmów. W opisie wynalazku CN1461808A opisana jest metoda przetwarzania słomy w wykorzystaniem mikroorganizmów. Zastosowanie tej metody pozwala uzyskać nawet 64,74% wzrost ilości wytworzonego biogazu.

Z polskiego zgłoszenia patentowego P.403243 znany jest sposób otrzymywania metanu z materiałów o różnym stopniu uwęglenia, przy udziale konsorcjum mikroorganizmów TPM3 izolowanego z gleb torfowych. Sposób polega na tym, że mikroorganizmy konsorcjum TPM3 najpierw inkubuje się na pożywce mineralnej CP1 wzbogaconej w witaminy, pierwiastki śladowe oraz antybiotyki w warunkach anaerobowych w temperaturze 10-30°C bez dostępu światła. Po namnożeniu mikroorganizmów materiały zawierające powyżej 6% węgla organicznego (TOC), inokuluje się uzyskaną kulturą mikroorganizmów i inkubuje przez czas umożliwiający wystąpienie metanogenezy, przy czym inicjacja konwersji węgla zachodzi w warunkach anaerobowych w atmosferze zawierającej dwutlenek węgla w przedziale 0,1-50% w azocie.

Sposób biotransformacji materiału zawierającego polimery ligninocelulozowe, w tym hemicelulozę, przeznaczonego do wykorzystania jako substrat w biogazowni, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że do materiału zawierającego polimery ligninocelulozowe wprowadza się inokulum grzyba Cladosporium silenes, szczepu zdeponowanego w kolekcji Instytutu Przemysłu Rolno-Spożywczego w Warszawie pod numerem KKP/2060/p, tak przygotowaną hodowlę prowadzi się w temperaturze od 10 do 35°C, przy czym hodowlę okresowo się miesza i utrzymuje jej wilgotność w przedziale 40-60%. Jako materiał zawierający hemicelulozę stosuje się słomę roślin krzyżowych i/lub słomę roślin motylkowych i/lub słomę roślin zbożowych i/lub materiały drewniane i/lub materiały drewnopochodne i/lub nasiona i/lub otręby. W sposobie można stosować resztki pożniwne roślin rolniczych jak również stare meble czy materiały konstrukcyjne drewniane lub drewnopochodne. Stosuje się inokulum grzyba Cladosporium silenes zawieszone w pożywkach mineralnych oraz innych roztworach wodnych. Korzystnie stosuje się Cladosporium silenes o gęstości 1 · 10³-1·10¹⁰ zawieszony w pożywce Omeliańskiego o składzie: 1,00 gram KNO3, 1,00 gram K2HPO4, 0,50 grama MgSO4^7H2O, ślady NaCl, 1000 mililitrów wody destylowanej.

PL 231 601 B1

W sposobie według wynalazku wykorzystuje się zdolności grzyba Cladosporium silenes do częściowego rozkładu polimerowej struktury materiału zawierającego grupę hemiceluloz tj. m.in. czystą celulozę, hemicelulozę i ligninę a z ich włókien uzyskuje się cukry w prostszej postaci, w tym cukry redukujące. Materiał poddany działaniu grzyba Cladosporium silenes jest pełnowartościowym substratem biogazowym. Biomasa roślinna składająca się z powyższych struktur naruszonej przez enzymy grzybowe, jest w większym stopniu odfermentowywana przez drobnoustroje metanogenne. Uwalniane cukry stymulują proces powstawania biogazu na wszystkich jego etapach, począwszy od fazy kwaśnej, w której powstają złożone kwasy organiczne, poprzez fazę octanową i etap końcowy tzw. fazę metanową, w której bakterie metanogenne wytwarzają biogaz. Ze względu na warunki panujące w reaktorze biogazowym oraz stosunkowo krótki czas retencji naruszona „biologicznie zmacerowana” struktura materiału (np. słomy) jest łatwiejszym substratem dla bakterii poszczególnych etapów biogazowania zasiedlających złoże. Mikrobiologiczna obróbka materiału zawierającego ligninocelulozy nie tylko pozwala na uzyskanie większej wydajności biogazowej słomy oraz lepsze wykorzystanie substratów. Pozwala także na przyspieszenie procesu produkcji biogazu w biogazowniach rolniczych, skracając tym samym czas retencji wsadu w komorze reaktora biogazowego.

Metodami hodowli mikrobiologicznej potwierdzono zdolność szczepu grzyba Cladosporium silenes do korzystania z materiałów lignocelulozowych jako jedynego źródła energii i węgla oraz wykazano jego wybitną aktywność sekrecji endoglukanazy. Na podstawie badań biochemicznych potwierdzono zdolność badanego szczepu do wydzielania również egzonukleaz oraz uwalniania cukrów redukujących ze słomy. Odnotowano znaczący wzrost uzysku biogazu ze słomy poddanej działaniu omawianego gatunku grzyba.

Badania potwierdzają, że poddanie materiału zawierającego grupę związków ligninocelulozowych degradacji z wykorzystaniem C. silenes pozwala zwiększyć ilość wyprodukowanego biogazu w porównaniu z surową słomą. Zastosowanie gatunku grzyba będącego przedmiotem wynalazku przyczynia się do dwukrotnego zwiększenia uzysku biogazu w porównaniu do materiału nieprzetworzonego w przeliczeniu na kilogram suchej masy organicznej substratu.

Cladosporium silenes cechuje się wysoką aktywnością enzymatyczną, która umożliwia rozbicie polimerowej struktury słomy. Na skutek działania tego mikroorganizmu z w/w włókien polimerów węglowodanowych zostają uwolnione prostsze cukry, które mogą zostać wykorzystane przez zespół drobnoustrojów przeprowadzających proces fermentacji metanowej.

Wynalazek opisują bliżej poniższe przykłady wykonania.

Gatunek grzyba będący przedmiotem wynalazku został pozyskany w wyniku badań skriningowych materiałów zawierających hemicelulozę poddanych naturalnemu procesowi rozkładu. Metodą posiewu rozcieńczeń glebowych na ogólnych podłożach mikrobiologicznych namnożono mikroflorę zasiedlającą badane materiały. Celem wyselekcjonowania mikroorganizmów zdolnych do korzystania z materiału zawierającego ligninocelulozę jako jedynego źródło węgla i energii namnożone drobnoustroje zostały przepasażowane techniką pieczątek na mineralne podłoża, w którym jedynym składnikiem mogącym dostarczyć wzrastającym mikroorganizmom energii i węgla była sproszkowana słoma jęczmienna. Na tym etapie badań stwierdzono szybki wzrost analizowanego gatunku grzyba na podłożu zawierającym słomę. Następnie poddano analizie zdolność mikroorganizmów do sekrecji endoglukanaz. Badanie to zostało przeprowadzone w oparciu o zjawisko rozkładu pr zez te enzymy karboksymetylocelulozy (CMC) zawartej w podłożu hodowlanym. Przebarwienia powstałe wokół pożywki w wyniku reakcji czerwieni Kongo z rozłożoną zmodyfikowaną celulozą (CMC) świadczyły o wydzielaniu przez mikroorganizmy enzymów. Doświadczenie przeprowadzone zostało w oparciu o pożywkę Czapka, której skład uzupełniono CMC, w dwóch wariantach: z dodatkiem startowej dawki sacharozy oraz bez takiego dodatku. W obu wariantach badany grzyb cechował się bardzo wysoką aktywnością o czym świadczy obliczony indeks enzymatyczny wynoszący w wariancie z dodatkiem cukru 3,67, a bez takiego dodatku 3,17. Potwierdzono również zdolność badanego szczepu do wydzielania enzymów uczestniczących w rozkładzie celulozy zawartej w słomie. Aktywność β-glukozydazy w słomie jęczmiennej poddanej działaniu grzyba C. silenes wynosiła po 120 dniach hodowli 560 μNP·g¹·h¹ świeżej masy i była wyższa od próby kontrolnej o 71 gNP-g-¹-h’¹. Przełożyło się to również na większą ilość uwalnianych cukrów redukujących ze słomy poddanej działaniu mikroorganizmu o wysokiej aktywności enzymatycznej .

Stwierdzono dezaktywację zarodników grzyba Cladosporium silenes w temperaturze 55°C charakterystycznej dla termofilnej fermentacji metanowej.

PL 231 601 B1

P r z y k ł a d I

Substrat do produkcji biogazu stanowiła słoma jęczmienna o zawartości suchej masy 90% i suchej masy organicznej 96%. Do surowca wprowadzone zostało 50 ml inokulum grzyba C. silenes o gęstości 4-10⁵ zawieszonego w 50 ml pożywki Omeliańskiego (skład: 1,00 gr KNO3, 1,00 gr K2HPO4, 0,50 gr MgSO4-7H2O, ślady NaCl, 1000 ml wody destylowanej) na każde 100 gram słomy.

Tak przygotowana hodowla prowadzona była przez okres 45 dni w pomieszczeniu, w którym utrzymywała się stała temperatura 25-27°C i wilgotność względna 20-30%. Hodowla była okresowo mieszana oraz utrzymywana była jej wilgotność w przedziale 40-60%.

Po okresie inkubacji tak przygotowany materiał poddany został ocenie wielkości uzysku biogazu zgodnie z niemiecką normą DIN 38-414 S8. Materiałem zaszczepiającym była gnojowica świńska. Hodowla prowadzona była w warunkach mezofilnych, w temperaturze 36°C.

Uzysk biogazu w tak przygotowanym materiale wyniósł po 40 dniach procesu 321 Nl-kg^-1 s.m.o. W próbie kontrolnej zawierającej nieprzetworzoną słomę jęczmienną uzysk ten biogazu wyniósł jedynie 128 Nl-kg^-1 s.m.o.

P r z y k ła d II

Sposób wykonany jak w przykładzie I, przy czym jako substrat do produkcji biogazu stanowiła słoma kukurydziana o zawartości suchej masy 90% i suchej masy organicznej 87%. Do surowca wprowadzone zostało 100 ml inokulum grzyba C. silenes o gęstości 1-10⁷ zawieszonego w 100 ml soli fizjologicznej (skład: 9 g NaCl rozpuszczone w 1L wody destylowanej) na każde 100 gram słomy kukurydzianej Tak przygotowana hodowla prowadzona była przez okres 37 dni w pomieszczeniu, w którym utrzymywała się stała temperatura 20-24°C i wilgotność względna 20-25%. Hodowla była okresowo mieszana oraz utrzymywana była jej wilgotność w przedziale 40-60%.

Po okresie inkubacji tak przygotowany materiał poddany został ocenie wielkości uzysku biogazu zgodnie z niemiecką normą DIN 38-414 S8. Materiałem zaszczepiającym była gnojowica świńska. Hodowla prowadzona była w warunkach mezofilnych, w temperaturze 38°C.

Uzysk biogazu w tak przygotowanym materiale wyniósł po 40 dniach procesu 367 Nl-kg^-1 s.m.o. W próbie kontrolnej zawierającej nieprzetworzoną słomę kukurydzianą uzysk ten biogazu wyniósł jedynie 230 Nl-kg^-1 s.m.o.

P r z y k ł a d III

Sposób wykorzystania tak jak w przykładzie I albo II, przy czym substrat do produkcji biogazu stanowiły trociny sosnowe o zawartości suchej masy 29% i suchej masy organicznej na poziomie 81%. Do surowca wprowadzono 50 ml inokulum grzyba C. silenes o gęstości 4-10⁶ zawieszonego w 100 ml soli fizjologicznej (skład: 9 g NaCl rozpuszczone w 1L wody destylowanej) na każde 100 gram materiału.

Tak przygotowana hodowla prowadzona była przez okres 50 dni w pomieszczeniu, w którym utrzymywała się stała temperatura 20-24°C i wilgotność względna 40-46%. Hodowla była okresowo mieszana oraz utrzymywana była jej wilgotność w przedziale 40-60%.

Uzysk biogazu w tak przygotowanym materiale wyniósł po 60 dniach procesu 173 Nl-kg^-1 s.m.o. W próbie kontrolnej zawierającej nieprzetworzoną słomę jęczmienną uzysk ten biogazu wyniósł jedynie 128 Nl-kg^-1 s.m.o.

P r z y k ł a d IV

Sposób wykorzystania tak jak w przykładzie I albo II albo III, ale substrat do produkcji biogazu stanowiły słoma rzepakowa o zawartości suchej masy 12% i suchej masy organicznej na poziomie 87%. Do surowca wprowadzono 50 ml inokulum grzyba C. silenes o gęstości 9-10⁵ zawieszonego w 100 ml soli fizjologicznej (skład: 9 g NaCl rozpuszczone w 1L wody destylowanej) na każde 100 gram materiału.

Tak przygotowana hodowla prowadzona była przez okres 40 dni w pomieszczeniu, w którym utrzymywała się stała temperatura 20-24°C i wilgotność względna 40-46%.

Hodowla była okresowo mieszana oraz utrzymywana była jej wilgotność w przedziale 40-60%.

Uzysk biogazu w tak przygotowanym materiale wyniósł po 45 dniach procesu 242 Nl-kg^-1 s.m.o.

W próbie kontrolnej zawierającej nieprzetworzoną słomę jęczmienną uzysk ten biogazu wyniósł jedynie

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób biotransformacji materiału zawierającego polimery ligninocelulozowe, w tym hemicelulozę, przeznaczonego do wykorzystania jako substrat w biogazowni, znamienny tym, że do materiału zawierającego polimery ligninocelulozowe wprowadza się inokulum grzyba Cladosporium silenes KKP/2060/p, tak przygotowaną hodowlę prowadzi się w temperaturze 10-35°C, przy czym hodowlę okresowo miesza się i utrzymuje jej wilgotność w przedziale 40-60%.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako materiał ligninocelulozowy zawierający hemicelulozę stosuje się słomę roślin krzyżowych i/lub słomę roślin motylkowych i/lub słomę roślin zbożowych i/lub materiały drewniane i/lub materiały drewnopochodne.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się inokulum grzyba Cladosporium silenes zawieszone w pożywce mineralnej oraz innych roztworach wodnych.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że stosuje się inokulum grzyba Cladosporium silenes o gęstości 4-10⁵ zawieszony w 50 mililitrów pożywki Omeliańskiego o składzie: 1,00 gram KNO3, 1,00 gram K2HPO4, 0,50 grama MgSO4-7H2O, ślady NaCl, 1000 mililitrów wody destylowanej.