RO125230B1 - Procedeu biotehnologic de obţinere a biogazului pornind de la deşeuri cerealiere lignocelulozice - Google Patents

Description

Invenția se referă la un procedeu biotehnologic de obținere a biogazului, pornind de la deșeuri cerealiere lignocelulozice.

în literatura de specialitate, este descrisă producerea biogazului (metan), ca rezultat al transformării deșeurilor organice, pe parcursul unor procese de fermentație. Acest tip de bioconversie este în general cunoscut sub denumirea de digestie anaerobă (AD). AD este un proces natural, utilizat ca un mijloc de reducere a gradului de poluare a apelor reziduale comunitare, precum și a dejecțiilor animale.

Tehnologiile moderne de producere a biogazului vizează nu numai utilizarea deșeurilor organice, tradițional folosite în acest scop, ci și a deșeurilor pre- și post-alimentare, a deșeurilor verzi (resturi de iarbă, așchii provenite de la tăierea copacilor etc.), a maculaturii, a deșeurilor lipidice vegetale și animale și a apelor reziduale. în multe țări europene (Germania, Franța etc.), sunt folosite, în producția de biogaz, în amestec cu dejecțiile animaliere și substraturi vegetale constând în plante energetice cultivate în mod special în acest scop și care se utilizează în întregime (de exemplu: porumb și floarea soarelui), rezultatele fiind promițătoare [W. J. Jewell, R. J. Cummings, B. K. Richards, Methane fermentation of energy crops: maximum conversion kinetics and in situ biogas purification, Biomass&Bioenergy, voi. 5, pp. 261...278, 1993], Fermentațiile producătoare de biogaz din substraturi organice naturale durează de regulă minimum 20 de zile, pentru a obține o concentrație în metan de circa 60%.

Utilizarea deșeurilor și/sau subproduselor agricole cerealiere, ca unice surse de carbon și energic pentru producerea biogazului, nu este încă descrisă în literatura de specialitate, deși este cunoscut faptul că mai mult de jumătate din biomasa vegetală, obținută în agricultură și silvicultură, nu se folosește decât parțial sau se aruncă. Este vorba despre acea parte de biomasă vegetală, care, din cauza unui conținut ridicat de compuși lignocelulozici, nu poate fi utilizată în mod nemijlocit în hrana animalelor sau a omului, sau de deșeurile rezultate din industria lemnului și a hârtiei. Cantități mari de deșeuri lignocelulozice sunt generate de prelucrările agricole și forestiere, de industria celulozei și a hârtiei, a lemnului și alte nenumărate agro-industrii, și ridică serioase probleme legate de poluarea mediului înconjurător. Din păcate, o mare parte a deșeurilor lignocelulozice se pierde prin arderea acestora pe câmp, practică extinsă la nivelul întregii planete, deși cantitatea uriașă de biomasă alcătuită din reziduuri vegetale, considerată „deșeu, reprezintă o sursă potențială de produși utili.

în prezent, pe plan mondial, recuperarea și reintroducerea în circuitul economic a resurselor materiale sunt abordate ca părți componente ale strategiilor de armonizare a relațiilor dintre creșterea economică, consumul de resurse și protecția mediului natural. La scară globală, sunt evidente o serie de restricții în privința resurselor materiale disponibile, ceea ce a făcut ca reciclarea acestora să devină o necesitate obiectivă. în acest context, interesul pentru valorificarea deșeurilor lignocelulozice a crescut considerabil, una dintre direcțiile cercetărilor pe plan internațional fiind orientată, în prezent, spre îmbunătățirea digestibilității deșeurilor lignocelulozice, prin tratamente combinate fizico-chimice și enzimatice, în scopul disponibilizării substraturilor glucidice recalcitrante, printr-o hidroliză controlată.

Utilizarea deșeurilor cerealiere lignocelulozice este menționată în literatura de specialitate, cu precădere pentru obținerea bioetanolului [WO 2008/084490 A1 ], în timp ce, pentru producerea biogazului, sunt menționate în ultimul timp, deșeuri lignocelulozice legumicole sau provenite din fructe [S. Kamaraj, Biogas based power generation from fruit and vegetable waste through bi-phasic digestion, Program - The Nanotechnology Conference and Trade Show, Boston, 1-5 iunie, 2008],

RO 125230 Β1

Problema tehnică, pe care o rezolvă invenția, se referă la stabilirea unor etape și 1 condiții specifice de lucru, pentru obținerea mai eficientă a biogazului.

Procedeul biotehnologic, de obținere a biogazului pornind de la deșeuri cerealiere 3 lignocelulozice, conform invenției, constă în aceea că deșeurile cerealiere lignocelulozice se tratează succesiv, la 55.. ,60°C, cu laccază în proporție de 0,5... 15% față de greutatea deșeu- 5 rilor și cu un preparat enzimatic conținând celulaze, β-glucanază și xilanază, în proporție de

1...20% față de greutatea deșeurilor, realizând un grad de hidroliză de 25...55%, rezultând 7 astfel un hidrolizat glucidic, care este inoculat cu o cultură de bacterii anaerobe, izolate din dejecții proaspete de bovine și supus fermentației, în condiții statice, timp de 6 zile, la 32°C. 9

Procedeul conform invenției are avantajul realizării pretratamentului termic și enzimatic într-un singur vas de reacție și fără etape intermediare de separare a substratului 11 solid și a utilizării integrale, ulterioare, a hidrolizatului în fermentația producătoare de biogaz.

I nvenția descrie un procedeu biotehnologic, de valorificare energetică a unor deșeuri 13 lignocelulozice cerealiere, cuprinzând: etape de pretratare fizică și enzimatică a acestora, în scopul disponibilizării polimerilor glucidici, pentru a fi utilizați, sub forma unui hidrolizat, ca 15 surse de carbon și energie, pentru fermentația anaerobă, producătoare de biogaz.

Procedeul conform invenției permite valorificarea potențialulului de bioconversie în 17 biogaz a unor deșeuri de natură lignocelulozică, rezultate de la recoltarea și prelucrarea cerealelor, cum sunt paiele și cocenii. 19

Pentru degradarea și transformarea de către microorganisme a compușilor celulozici și hemicelulozici din structura acestor deșeuri, este necesar ca acestea să fie pretratate, 21 astfel încât polimerii și monomerii glucidici să devină accesibili atacului microbian.

Rezistența materialelor lignocelulozice naturale la acțiunea diferiților agenți biologici 23 denaturanți este determinată, în principal, de doi factori:

1) matricea de protecție, formată de lignină și hemiceluloză, în care sunt implantate 25 fibrilele de celuloză;

2) porțiunile cristaline, cu structură ordonată, din macromolecula celulozei naturale. 27 Prin procedeul propus în cadrul invenției, delignificarea, decristalinizarea și hidroliză parțială a materialului lignocelulozic se realizează prin combinarea unui tratament termic cu 29 un tratament enzimatic.

în prima etapă, deșeurile lignocelulozice, mărunțite prin măcinare, se suspendă într-o 31 cantitate minimă de apă, necesară pentru obținerea unei suspensii fluide și apoi sunt supuse unei degradări termice, cu abur sub presiune, prin autoclavare. Astfel, se realizează 33 îmbibarea cu apă a țesuturilor vegetale, până la starea de supradilatare, diminuându-se atât rezistența mecanică a acestora, cât și rezistența față de acțiunea enzimelor hidrolizante. 35 în etapa a doua, materialul lignocelulozic prelucrat termic se tratează succesiv cu laccază și apoi cu un complex enzimatic hidrolitic conținând celulaze, β-glucanază și 37 xilanază.

Tratamentul cu laccază, care este o fenol-oxidază, permite delignificarea parțială a 39 materialului vegetal, mărind astfel susceptibilitatea polimerilor glucidici la acțiunea enzimelor hidrolizante. Laccaza se adaugă în proporții variind între 0,5 și 15% față de greutatea 41 materialului vegetal uscat, în suspensia apoasă a acestuia, cu pH = 5,5 (corectat la această valoare, dacă este cazul, cu o soluție de H₂SO₄ sau NaOH 2%). Amestecul astfel obținut se 43 incubează la temperatura de 55°C, sub agitare, timp de 10...20 h. Ulterior, acțiunea laccazei se stopează, enzima inactivându-se prin încălzirea amestecului de reacție timp de 15 min, 45 la 95°C. Inactivarea laccazei este impusă de acțiunea denaturantă a acesteia față de enzimele din complexul celulazic-hemicelulazic ce urmează a fi folosite în continuare. 47

RO 125230 Β1

Hidroliza parțială a substratului celulozic-hemicelulozic se realizează prin tratarea suspensiei de material vegetal, delignificat, cu complexul enzimatic conținând enzimele hidrolizante, specifice, menționate anterior. Preparatul enzimatic se adaugă în proporție de

1...20% față de greutatea materialului vegetal uscat și amestecul de reacție se incubează la temperatura de 55...60°C, sub agitare, timp de 4...10 h. Rezultă astfel o suspensie densă, cu aspect de șlam, cu un conținut în glucide reducătoare, solubile, fermentescibile, variind între 25 și 30 mg/ml, corespunzător unui grad de hidroliză a substratului lignocelulozic variind între 25 și 55%.

Hidrolizatul obținut se introduce în fermentația anaerobă, producătoare de biogaz, utilizând, ca inocul, un consorțiu de microorganisme izolate din dejecții bovine proaspete, cultivate pe medii specifice, ce realizează transformarea substraturilor glucidice în biogaz (în principal, amestec de metan și dioxid de carbon).

Etapa de pretratare conduce la îmbunătățirea randamentului fermentațiilor anaerobe, producătoare de biogaz, datorită faptului că furnizează direct glucide fermentescibile, provenite din deșeuri lignocelulozice, cerealiere.

Exemplul 1. 5 g deșeuri cerealiere, lignocelulozice, măcinate la dimensiunea de 1 ...5 mm (paie de grâu și/sau de orz), se introduc într-un pahar Erlenmayer de 500 ml. Se adaugă 80 ml apă și amestecul se autoclavează la 121°C, timp de 30 de min. Suspensia rezultată se tratează apoi cu 0, 5 g laccază și se incubează la temperatura de 55°C, sub agitare, timp de 15 h. Ulterior, amestecul de reacție se încălzește apoi la 95°C și se menține la această temperatură timp de 15 min. în continuare, se răcește la 55°C și se adaugă 0,5 g preparat enzimatic conținând celulaze, β-glucanază și xilanază. Amestecul rezultat se incubează la această temperatură timp de 10 h, sub agitare. Se obține astfel un hidrolizat glucidic, sub forma unei suspensii cu aspect de șlam.

Analiza hidrolizatului prin metoda cu reactiv acid 3,5-dinitrosalicilic a evidențiat un conținut de 27 mg/ml glucide reducătoare solubile, corespunzând unui grad de hidroliză a materialului lignocelulozic de 53%.

Exemplul 2. 100 ml hidrolizat glucidic, obținut conform procedeului prezentat în exemplul 1, s-a introdus într-un digestor de 500 ml din sticlă, conținând 100 ml mediu de cultivare a bacteriilor metanogene, cu compoziție specifică, alcătuită (g/l) din: K₂HPO₄ 0,348, KH₂PO₄ - 0,227, NH₄CI - 0,5, MgSO₄-7H₂O - 0,5, CaCI₂-2H₂O - 0,25, NaCI - 2,25, NaHCO₃ - 0,85, FeSO₄-7H₂O - 0,002, rezazurin - 0,001, extract de drojdie - 2, cisteină clorhidrat-H₂O - 0,3, Na₂S-9H₂O - 0,3, soluție microelemente - 1 ml, preparat în condiții anaerobe. Acesta s-a inoculat cu 40 ml cultură de bacterii anaerobe, obținută prin cultivarea timp de 7 zile a unui consorțiu de microorganisme izolate din dejecții proaspete de bovine.

Fermentația s-a efectuat în condiții statice, timp de 6 zile, la temperatura de 32°C.

Analiza gaz-cromatografică a gazelor rezultate după acest interval a evidențiat o compoziție a acestora de (% mol): metan - 16,7, dioxid de carbon - 34,1, azot - 8, oxigen 0,43, hidrogen sulfurat -0,1. Aceasta dovedește că procesul de obținere a biogazului se află în desfășurarea ultimelor 2 faze: acidogeneză (cu formare de CO₂) și metanogeneză (cu formare de CH₄).

Claims (1)

1. Revendicare

   Procedeu biotehnologic, de obținere a biogazului pornind de la deșeuri cerealiere, 3 lignocelulozice, caracterizat prin aceea că deșeurile cerealiere lignocelulozice se tratează succesiv, la 55...60°C, cu laccază în proporție de 0,5...15% față de greutatea deșeurilor și 5 cu un preparat enzimatic conținând celulaze, β-glucanază și xilanază, în proporție de 1...20% față de greutatea deșeurilor, realizând un grad de hidroliză de 25...55%. rezultând astfel un 7 hidrolizat glucidic, care este inoculat cu o cultură de bacterii anaerobe, izolate din dejecții proaspete de bovine și supus fermentației, în condiții statice, timp de 6 zile, la 32°C. 9