Biogáz fermentáló rendszerek hatékonyságának mikrobiológiai fokozása

Dr Bagi Zoltán
Biogáz fermentáló rendszerek hatékonyságának mikrobiológiai fokozása.
Doktori értekezés, Szegedi Tudományegyetem.
(2009)

[img]
Előnézet
PDF (disszertáció)
Download (30MB)
[img]
Előnézet
PDF (tézis)
Download (73kB)
[img]
Előnézet
PDF (tézis)
Download (48kB)

Magyar nyelvű absztrakt

Az anaerob fermentációban szerepet játszó mikroba populációk közötti szoros együttműködés felismerése jelentős előrelépést hozott a biodegradáció folyamatának megértésében. Három fő mikroba csoport játszik szerepet az anaerob lebontási folyamatban, melyek a polimerbontó baktériumok, az acetogén baktériumok, valamint a metanogén törzsek. A polimerbontó törzsek támadják meg a nagymolekulájú szerves vegyületeket extracelluláris enzimeik segítségével, melynek eredményeként oligomer és monomer köztitermékek keletkeznek. Az acetogének elsősorban a cukrokat és oligoszacharidokat hasznosítják, az anyagcsere folyamataik eredményeként szerves savak keletkeznek, mint ecetsav, piroszőlősav, hangyasav, propionsav, valamint szén-dioxid. Más acetogén törzsek képesek felhasználni ezeket a szerves savakat például etanolt, hidrogént és szén-dioxidot termelve. A fermentációs folyamat utolsó csoportjaként szereplő metanogén törzsek a szerves savak, hidrogén és szén-dioxid felhasználásával metánt produkálnak. A biogáz fő komponense a metán, egy igen fontos megújuló energiaforrás, főként vidéki és kevésbé fejlett területeken. Az anaerob lebontás szintén kulcsfontosságú technológia az iparosodott területeken képződő nagy mennyiségű biomassza megfelelő kezelésére. Biogáz fermentáció termodinamikailag csak abban az esetben mehet végbe, ha a hidrogén koncentrációja a rendszerben a küszöbérték alatti, ezért hidrogén a biogázban igen kis mennyiségben van jelen. Ugyanakkor a metanogén törzsek redox reakcióihoz nélkülözhetetlen a megfelelő hidrogén utánpótlás. Az anaerob lebontási folyamatokban szerepet játszó mikrobák közötti szintropikus együttműködés pontos megismerése igen fontos előnyt jelent a biodegradáció folyamatának megértésében. A metanogén és acetogén törzsek szintropikus kölcsönhatásban állnak egymással, mely a sejtek közötti hidrogén transzfer révén valósul meg. A szintropikus partnerek szoros fizikai kapcsolatban állnak egymással, granulátumokat alkotnak a sejtek közötti hidrogén átadás elősegítése érdekében. A dolgozatomban bemutattam, hogy szignifikáns növekedés tapasztalható a természetes kevert metanogén konzorcium által előállított biogáz mennyiségében, ha a rendszerbe egy megfelelően kiválasztott hidrogén termelő törzset juttatok be, mely igaz mezofil és termofil hőmérsékletre is. Habár az elképzelés, hogy a hidrogén, mint sebesség meghatározó faktor lehet a rendszerben az eddigi tudásunk alapján igen valószínű, hidrogén termelő baktérium törzs hozzáadását a természetes mikroba konzorciumhoz korábban még nem vizsgálták. A biogáz fermentációjáért felelős mikroba konzorcium metabolikus folyamatainak pontos részletei nem ismertek, de a jelenlegi tudásunk azt sugallja, hogy a hidrogén lehet a limitáló szubsztrát a metanogének számára. A felismerés abból a tényből következik, hogy míg az acetogén baktériumok igen jó hidrogén termelők a végső termékben, vagyis a biogázban a hidrogén csak nyomokban mutatható ki. A keletkező hidrogént valószínűsíthetően a metanogén mikrobák használják fel. A lehetséges megfelelő kísérleti módszer annak igazolására, hogy a hidrogén valóban fontos szerepet játszik a metanogének aktivitásában a biogáz fermentációért felelős mikroba konzorcium beoltása egy olyan tiszta kultúrájú baktérium törzzsel, mely jó hidrogén termelő aktivitással rendelkezik. Abban az esetben, ha in situ hidrogén bevitellel a metanogén törzsek aktivitása fokozható különböző fermentációs hőmérsékleten és különböző szubsztrát biomasszákon bizonyítható, hogy a hidrogén a rendszer egyik kulcsfontosságú limitáló faktora, mivel különböző környezeti feltételek mellett a természetes mikroba konzorcium összetétele eltérő. A számos lehetséges hidrogén termelő törzs közül mezofil hőmérsékleten az Enterobacter cloacae-re esett a választásom, míg termofil hőmérsékleten a Caldicellulosiruptor saccharolyticus-ra. Az Enterobacteriaceae család kiváló hidrogén termelő aktivitással rendelkezik, míg a C. saccharolyticus-ra ugyanez mondható el termofil hőmérsékleten, melyhez cellulolitikus aktivitás társul. Számos kísérleti módszert alkalmaztam annak érdekében, hogy meghatározzam azokat a paramétereket, melyek szerepet játszhatnak a biogáz képződés fokozásában. Az eredmények azt bizonyítják, hogy csak abban az esetben lehetséges az intenzifikáció, ha a biogáz fermentációért felelős konzorcium, valamint a hidrogén termelő törzs szoros kontaktusban áll egymással. Külső forrásból adagolt hidrogén gáz nem volt hatással a fermentációra. Hővel inaktivált, valamint hidrogén termelésre képtelen sejtek (E. coli hypF mutáns) szintén hatástalannak bizonyultak. A dolgozatomban bemutattam, hogy szignifikáns növekedés tapasztalható a kevert metanogén kultúra által előállított biogáz mennyiségében egy megfelelően választott hidrogén termelő törzs hozzáadása segítségével mind mezofil, mind termofil hőmérsékleten. A hatás csak abban az esetben tapasztalható, ha az acetogén és metanogén partnerek szoros kontaktusban állnak egymással. A hatás nem szubsztrát függő, a mérések során számos biomassza típust alkalmaztam, mely eltérő metanogén konzorciumokat feltételez. A hidrogén termelő törzsek fermentációra gyakorolt pozitív hatását kisüzemi léptékben is megvizsgáltam. Az ismétlésben elvégzett mérés sorozat csaknem 2 évet vett igénybe, mely elegendő idő ahhoz, hogy megvizsgáljam a C. saccharolyticus be tud-e illeszkedni a természetes mikroba konzorciumba, ott fenn tud-e maradni a folyamatos üzem ellenére is. A C. saccharolyticus kevert mikroba populációban való kimutatását PCR reakcióval végeztem, melynek kivitelezéséhez két primer párt terveztem. A PCR termékek igazolták, hogy nem volt kimutatható C. saccharolyticus DNS a leoltásukat megelőzően a fermentorban, de a beoltást követően, mintegy 4 hónap elteltével is egyértelműen azonosítható volt a törzs. A kísérlet igazolta, hogy a megnövekedett biogáz hozamokért a C. saccharolyticus rendszerbe történő bejutatásának volt köszönhető. Meg kell jegyezni, hogy más hidrogén termelő törzsek, mint a Clostridiumok természetes tagjai a biogáz termelő mikroba konzorciumnak. A természetes konzorcium tagjai között előforduló törzsek által termelt hidrogén szintén szubsztrátként szolgálhat a metanogének számára, akárcsak a C. saccharolyticus által szolgáltatott hidrogén, azonban a kísérleti rendszeremben molekuláris markerek segítségével a C. saccharolyticus egyértelműen azonosítható, így annak viselkedése pontosan nyomon követhető, ellentétben a Clostridiumokkal. Mezofil rendszerben az E. cloacae kimutatása molekuláris biológiai módszerekkel nehézkes, ugyanis az Enterobacteriacae család egyes tagjai megtalálhatóak a biogáz termelő természetes mikroba konzorciumban, illetve a szubsztrát biomasszában, ezért molekuláris markerek nem használhatóak. Ebben az esetben az E. coli hypF minusz törzsét alkalmaztam, és kimutattam, hogy a biogáz képződésre gyakorolt pozitív hatás csak az aktív hidrogenáz enzimet tartalmazó Enterobacteriaceae törzs esetében volt tapasztalható. A hypF mutáció blokkolja az aktív hidrogenázok bioszintézisét, de a fermentatív folyamatban szerepet játszó egyéb enzimek funkciójukat lényegében megőrzik. A hypF mínusz törzzsel leoltott biogáz fermentorokban nem volt tapasztalható többlet gázhozam a kontrolhoz képest, míg az aktív HypF fehérjét tartalmazó törzs esetében az intenzifikáció megvalósult. A dolgozatban bemutatott biotechnológiai módszer az anaerob fermentáció során keletkező biogáz mennyiség fokozására ipari léptékben történő alkalmazása során szignifikáns csökkenés következhet be az ipari reaktorok beindítási, felfuttatási, valamint működtetési költségeinek tekintetében.

Mű típusa: Disszertáció (Doktori értekezés)
Doktori iskola: Biológia Doktori Iskola
Tudományterület / tudományág: természettudományok > biológiai tudományok
Magyar cím: Biogáz fermentáló rendszerek hatékonyságának mikrobiológiai fokozása
Idegen nyelvű cím: Microbiological intensification of the biogas fermentation systems
Témavezető(k):
Témavezető neveBeosztás, tudományos fokozat, intézményEmail
Dr. Kovács L. Kornéltanszékvezető egyetemi tanár, Szegedi TudományegyetemNEM RÉSZLETEZETT
EPrint azonosító (ID): 1086
Publikációban használt név : Dr Bagi Zoltán
A feltöltés ideje: 2011. szept. 27. 09:01
Utolsó módosítás: 2017. jún. 23. 13:52
Egyebek (raktári szám): B 4544
URI: http://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/1086
Védés állapota: védett

Actions (login required)

Tétel nézet Tétel nézet