Efektywność wykorzystania substancji biogennych - Eko-DOk

Efektywność wykorzystania substancji biogennych - Eko-DOk

Glony jednokomórkowe, odciek pofermentacyjny, biomasa glonowa,fotobioreaktor
Karolina KUPCZYK, Marcin ZIELIŃSKI, Marcin DĘBOWSKI, Magdalena
ROKICKA*
EFEKTYWNOŚĆ WYKORZYSTANIA SUBSTANCJI
BIOGENNYCH POCHODZĄCYCH Z ODCIEKÓW
POFERMENTACYJNYCH W PROCESIE PRODUKCJI
BIOMASY MIKROGLONÓW
W artykule przedstawiono wyniki badań na temat hodowli mikroglonów Chlorelli sp.w fotobioraktorze rurowym w warunkach laboratoryjnych. Zastosowano dwie formy dostarczania związków pokarmowych w formie odcieku pofermentacyjnego i pożywki syntetycznej jako próby kontrolnej. Pozyskiwanie odcieku następowało z fermentora metanowego zasilanego biomasą glonową i kiszonką
kukurydzy w stosunku 1:2. Badania przeprowadzano przez 60 dni, z czterodniowymi odstępami kontrolowania wskaźników i dostarczania niezbędnych ilości składników pokarmowych. Podczas trwania
eksperymentu niezależnie od zastosowanej pożywki obserwowano stały przyrost biomasy. Wielkości
przyrostu były zbliżone w obu wariantach badań. Uzyskano maksymalne stężenie biomasy glonów na
poziomie 1440 mgs.m./dm3 w reaktorze z odciekiem fermentacyjnym i 1515 mgs.m./dm3 z pożywką
syntetyczną. Szybkość wykorzystywania biogenów przez biomasę glonową rosła wraz z trwaniem
eksperyentu. Uzyskiwano zblizone wartości niezależnie od rodzaju wprowadzanej pożywki. Dla
azotu amonowego było to około 40 mg/d, a dla ortofosforanów 13 mg/d. Zastosowanie odcieku
pofermentacyjnego jako pożywki dało zbliżoną efektywność hodowli mikroglonów co odnośnikowa
pożywka syntetyczna.
1. WSTĘP
Rozwój energetyki odnawialnej w oparciu o biomasę roślinną napotyka na trudności związane z ograniczonym dostępem do surowców. Warunki ekonomiczne powodują, iż uprawy celowe roślin wyższych (np. kukurydzy) na potrzeby produkcji energii
w biogazowniach są nieopłacalne [10]. Dodatkowo pojawia się silnie akcentowany
__________
* Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, ul. Oczapowskiego 2, 10-719 Olsztyn,
[email protected]
302
K.KUPCZYK i in.
aspekt moralny, liczne środowiska odrzucają możliwość produkcji energii z roślin
jadalnych wobec powszechnego głodu panującego w krajach trzeciego świata. W tym
aspekcie bardzo interesujące staje się wykorzystanie mikroglonów. Z uwagi na szybkie przyrosty, mikroglony uważane są za cenne źródło biomasy [12]. Ich hodowla nie
ogranicza areałów pól uprawnych i może być połączona z jednoczesnym unieszkodliwianiem zanieczyszczeń. Coraz częściej stosowane są, jako metody oczyszczania
ścieków a także w unieszkodliwianiu substancji trudno rozkładalnych [4]. Ścieki
przemysłowe i komunalne są dużym obciążeniem zanieczyszczającym wody będących
odbiornikami [9]. Ponadto odcieki z procesu fermentacji metanowej mogą stać się
pożywką w hodowli glonów, które z kolei będą wykorzystywane, jako kosubstrat
w fermentacji [2].
Dostarczanie składników odżywczych powinno odbywać się w sposób kontrolowany, tak, aby glony miały zawsze optymalną ilość pokarmu. Nie można doprowadzać ani do „zagłodzenia”, ani do przenawożenia hodowli (ryzyko powstawania niekontrolowanych zakwitów). Grobellar zaproponował model formuły cząsteczkowej,
która jest następująca: CO0,48 H1,83 N0,11 P0,01 [5].
Eukariotyczne glony są heterotroficzne pod względem azotu i muszą mieć do niego dostęp w formie stałej, jak azotany, sole amonowe lub aminokwasy. Wymagania
odnośnie aminokwasów, jako czynników wzrostowych jest powszechne wśród glonów. Słaba dostępność azotu jest często czynnikiem limitującym wzrost glonów,
zwłaszcza morskich.
Dostępność węgla w przeciwieństwie do azotu i fosforu, rzadko ogranicza wzrost
glonów. Produktywność w wodach słodkich jest często ograniczana przez dostępność
fosforanów. Dostępność krzemu jest natomiast czynnikiem ograniczającym wzrost
okrzemek w ubogich jeziorach oligotroficznych. Większości innych substancji odżywczych występuje w środowisku wodnym w nadmiarze [9]. Chociaż niektóre glony
są bezwzględnymi autotrofami, wiele z nich wymaga zewnętrznego źródła witamin,
często tiaminy, biotyny, B12 i ryboflawiny, puryn, pirymidyn i innych czynników
wzrostowych [11]. Wymagania tego rodzaju określa się mianem auksotrofii, która
odzwierciedla bogactwo rozpuszczonej materii organicznej w środowisku i jest wynikiem selekcji populacji glonów niesyntezujących wszystkich składników potrzebnych
do metabolizmu komórkowego. Większość glonów toleruje szeroki zakres pH. Wśród
nich wykształciły się jednak organizmy znoszące krańcowo niekorzystne warunki,
zamieszkujące środowiska silnie kwasowe np. gorące źródła siarkowe. Jednakże gwałtowne zmiany stężenia CO2 w silnie nasłonecznionych powodują gwałtowne zmiany
pH, co wywiera szkodliwy wpływ na populacje glonów.
Celem badań było określenie możliwości wykorzystania odcieków z bioreaktora,
w którym prowadzono proces fermentacji metanowej, jako pożywki do hodowli glonów w fotobioreaktorze.
Efektywność wykorzystania substancji biogennych pochodzących z odcieków …
303
2. METODYKA
Badania przeprowadzono w skali laboratoryjnej przy wykorzystaniu fotobioreaktora rurowego wykonanego z przeźroczystego pleksiglasu (rysunek 1). W dolnej stożkowej części reaktora znajdował się zawór spustowy oraz system doprowadzający
sprężone powietrze. Dzięki napowietrzaniu zapobiegano opadania biomasy i osadzaniu się glonów na ściankach oraz dostarczano do układu niezbędnej ilości CO2.
W górnej części reaktor był otwarty istniała możliwość swobodnej wymiany gazowej
pomiędzy reaktorem i otoczeniem. Wysokość całkowita kolumny wynosiła Hc=1,0 m,
natomiast średnica wewnętrzna ϕ=0,2 m. Kolumna wypełniona była do wysokości
Hcz=0,64 m co daje objętość czynną około 20 dm3. Reaktor naświetlany był za pomocą sztucznego, zewnętrznego źródła światła, znajdującego się za obiektem w pozycji
pionowej. Natężenie oświetlenia mierzone za fotobioreaktorem po przejściu światła
przez reaktor było na poziomie 700 lux±76 lux. Badania prowadzono w stałych warunkach temperaturowych 20±1 C. Glony wykorzystane do zaszczepienia hodowli
pochodziły z reaktora otwartego typu „tor wyścigowy”. Wyjściowo 70% populacji
stanowiły glony Chlorella sp. oraz 29,9% glony Scenedesmus sp..
Rys. 1. Schemat fotobioreaktora
Badania przeprowadzono w dwóch wariantach różniących się rodzajem stosowanej
pożywki. W wariancie pierwszym (W1) wykorzystywano odciek z fermentora meta-
304
K.KUPCZYK i in.
nowego, w wariancie drugim (W2) stosowano pożywkę syntetyczną. Fermentator,
z którego pobierano odcieki pracował w warunkach mezofilowych, zasilany był biomasą glonową oraz kiszonką kukurydzy w stosunku 1:2. W reaktorze fermentacyjnym
stosowano obciążenie ładunkiem substancji organicznej na poziomie
A’=1kgs.m.o./m3·d, przy hydraulicznym czasie zatrzymania HRT=40 d. Charakterystykę odcieku przedstawiono w tabeli 1. Odciek przed każdorazowym podaniem był sączony i wirowany w wirówce przez 10 minut przy prędkości 2500 obr/min. Dopiero
w takiej postaci był dodawany do fotobiorektora.
Tabela 1. Charakterystyka odcieku z reaktora fermentacyjnego
Oznaczenie
ChZT
Azot ogólny
Azot amonowy
Fosfor ogólny
Jednostka
mg O2/dm3
mg N/dm3
mg N-NH4/dm3
mg P/dm3
Wartość
465,0±23,19
52,5±12,45
41,3±6,85
11,0±4,31
Jednorazowo do reaktora wprowadzono 18 dm3 mieszaniny glonów oraz 2 dm3 odcieku pofermentacyjnego (tabela 2). Analizowano stężenia azotu amonowego oraz
ortofosforanów, a także wartość ChZT. W trybie ciągłym za pomocą sondy Zolitax
(Hach-Lange Niemcy) analizowano stężenie zawiesin. Oznaczenia wykonywane były,
co cztery dni, tak, aby stale monitorować zmiany zawartości poszczególnych biogenów. Próbki do analiz pobierano przed ponownym zasileniem reaktora w pożywkę.
Jednorazowo odbierano z reaktora 2 dm3 cieczy, a następnie wprowadzano 2 dm3 odcieku fermentacyjnego. Odciek fermentacyjny dodawany był w pięciodniowych odstępach czasu tak być zapewnić poziom biogenów zawartych w hodowli zbliżony do
wartości wyjściowej na początku badań (tab.2). Badania prowadzono przez 60 dni,
w tym czasie jednokrotnie wymieniono całą objętość cieczy w reaktorze.
Tabela 2. Zawartość wskaźników na poziomie wyjściowym w reaktorze
Oznaczenie
ChZT
Jednostka
Wartość
3
mg O2/dm
42±6,84
3
Azot ogólny
mg N/dm
7,8±2,12
Azot amonowy
mg N-NH4/dm3
6,8±1,61
Fosfor ogólny
3
mg P/dm
2,8±0,72
Jako badania porównawcze przeprowadzono analogiczne pomiary z zastosowaniem pożywki syntetycznej. Częstotliwość i sposób wprowadzania pożywki syntetycznej był taki sam jak w przypadku odcieku. Odczynniki chemiczne składające się
na pożywkę (tab. 3) rozpuszczano w 2 dm3 wody destylowanej. Masę wprowadzanego
NH4Cl oraz Na2HPO4·12H2O korygowano w trakcie badań tak, aby uzyskać stężenia
podstawowych biogenów zbliżone do wartości wyjściowych.
Efektywność wykorzystania substancji biogennych pochodzących z odcieków …
305
Tab. 1 Skład pożywki syntetycznej
Odczynnik
NH4Cl
Na2HPO4·12H2O
NaCl
KCl
CaCl2·2H2O
MgSO4·7H2O
NaHCO3
Na2CO3
(FeCl3·6H2O, ZnSO4, MnSO4·H2O, CuSO4)
CH4N2O
Dawka
76,1 mg/dm3
46,2 mg/dm3
10,1 mg/dm3
4,7 mg/dm3
4,7 mg/dm3
16,7 mg/dm3
243,3 mg/dm3
162,2 mg/dm3
< 0,2 mg/dm3
80 mg/dm3
3. WYNIKI BADAŃ
Wykonane badania miały na celu określenie możliwości hodowli glonów w fotobioreaktorze przy użyciu odcieku fermentacyjnego, jako pożywki. Zgodnie
z założeniami eksperymentu, dostępność biogenów oraz światła i CO2 nie powinna
limitować wzrostu glonów. W obu reaktorach początkowa wartość stężenia biomasy
była na poziomie 290 mg/dm3. Pierwsze 20 dni prowadzenia chodowli cechowało się
powolnym wzrostem glonów. Średnio w ciągu tego okresu przyrastało 7,5
mgs.m./dm3·d glonów w reaktorze karmionym odciekiem z fermentora i 10,5
mgs.m./dm3·d glonów w reaktorze kontrolnym. W okresie kolejnych 20 dni
zaobserwowano znaczący wzrost szybkości namnażania biomasy. W przypadku serii
badań z odciekiem fermentacyjnym stwierdzno 22,5 mgs.m./dm3·d, w układzie
kontrolnym szybkość przyrostu była zbliżona i wyniosła 21,55 mgs.m./dm3·d.
W ostatniej części badań również obserwowano zbliżone wartości szybkości produkcji
biomasy niezależnie od rodzaju dostarczanej pożywki. Było to odpowiednio 27,5
mgs.m./dm3·d pożywka fermentacyjna, 29,25 mgs.m./dm3·d pożywka syntetyczna.
306
K.KUPCZYK i in.
Rys. 2. Zmiany w czasie zawartości w reaktorach suchej masy organicznej w zależności od stosowanej
pożywki
Wraz z ciągłym procesem namnażaniem komórek mikroglonów, wzrastała szybkość wykorzystania azotu amonowego. W pierwszym etapie analiz zużycie azotu rozpoczynało się od wartości 3 mg N-NH4/d. Rosnące wykorzystanie następowało do 25
dnia, po czym przy kolejnych pomiarach, aż do końca badań, odnotowywano jego
stabilizację na poziomie około 40 mg N-NH4/d. Przyswajalność amoniaku wiąże się
bezpośrednio z procesami rozwojowymi glonów. Im większa liczba komórek alg
w mieszaninie, tym większe zapotrzebowanie na składniki pokarmowe, do których
zalicza się amoniak. Zarówno w próbie z pożywką syntetyczną jak i odciekiem z fermentora zauważalne są niemal pokrywające się wyniki. Zależność ta świadczy o możliwości zaspokojenia podstawowych zapotrzebowań pokarmowych poprzez dostarczanie substancji wraz z odciekiem pofermentacyjnym.
Rys. 3. Wykorzystany ładunek N-NH4 w procesie namnażania glonów
Efektywność wykorzystania substancji biogennych pochodzących z odcieków …
307
Podobna sytuacja występowała podczas analizowania zawartości fosforu. Szybkość
zużywania ilości fosforu wzrastała aż do 20 dnia badań. Z 2 mg P-PO4 zwiększyła się
do wartości około 13 mg P-PO4, po czym nastąpiła stabilizacja na tym poziomie, aż do
55 dnia analiz. Tylko w 60 dniu można zaobserwować różnice w szybkości przyswajania tego biogenu, gdzie w hodowli z odciekiem z fermentora nastąpił spadek. Wiązać może się to, z obumieraniem glonów w związku ze zbytnim zagęszczeniem komórek. Na podstawie przedstawionych wyników (rysunek 4) zauważa się, że algi
hodowane w reaktorze zasilanym odciekiem, tylko w nieznacznym stopniu wykazują
mniejszą przyswajalność fosforu w pierwszych 20 dniach. W kolejnych pomiarach
przyswajalność utrzymywała się na stałym poziomie. Korelacja ta potwierdza zakładaną hipotezę, iż dozowanie odcieku jako pożywki stymulującej wzrost glonów jest
uzasadnione.
Rys. 4. Wykorzystany ładunek P-PO4 w procesie namnażania glonów
4. DYSKUSJA
Przeprowadzone badania udowodniły możliwość przyrosty biomasy glonów Chlorelli sp. w fotobioreaktorze. Dzięki ustaleniu odpowiednich warunków rozwojowych
uzyskano stały przyrost biomasy glonów. Zapewnienie ciągłego wymieszania oraz
dostarczanie pożywki w postaci odcieku pofermentacyjnego skutkowało namnażaniem
się komórek mikroglonów. Udowodniono, że odciek z reaktora fermentacji metanowej, nie tylko zaspokajał potrzeby pokarmowe istniejących już komórek, ale powodował dalszy rozwój organizmów. Szybkość przyrostu biomasy w próbie kontrolnej
308
K.KUPCZYK i in.
wynosiła 29,25 mgs.m./dm3·d i nieznacznie przewyższała wartość uzyskną w próbie
z odciekiem, która wynosiła 27,5 mgs.m./dm3·d.
Porównując wyniki innych badaczy zauważa się znaczną rozbierzność.
Przykładowo Chiu i inni [1] dzięki prowadzeniu hodowli Chlorelli sp.w skali
półciągłej uzyskali przyrost biomasy na poziomie 0,37-0,53 g/dm3·d. Różnice te mogą
być spowodowane dodatkowym zasilaniem hodowli w czysty CO2. Tymczasem Wang
i inni [13] prowadząc badania nad Neochloris oleoabundans uzyskali wydajność
biomasy na poziomie 350 mg/dm3·d i z końcowym poziomem stężenia 3,15 g/dm3.
Badacze Ci udowodnili, że glony posiadają duże możliwości przyswajania azotu
i fosforu poprzez modyfikowanie dawek dostarczanych do hodowli. Odmienne
wratości przyrostu masy komórek glonowych w powyższym artykule wynikają
z zastosowania innych szczepów glonów. Samą zależność między przyrostem biomasy glonów, a rodzajem mikroglonów zauważył Erikson i in [3]. Natomiast Jinsoo Kim
i inni [6] prowadzili hodowlę Chlorelli vulgaris w układzie zamkniętym. Jako pożywkę stosowali ścieki o stężeniu azotu 7,7±0,19 mg/dm3 w amoniaku (NH3)
i / lub jonów amonowych (NH4+) i całkowitego węgla nieorganicznego w ilości
58,6±0,28mg/dm3. W przeciągu 216 h uzyskali spadek zawartości azotu do ok.
2 mg/dm3 przy jednoczesnym przyroście biomasy, udowadniając możliwość wykorzystania odcieku do wzrostu Chlorelli vulgaris. Podobne badania prowadzili Changling
i inni [8] wykorzystując również szczep Chlorelli vulgaris. Prowadząc uprawę w fotobioreaktorach w sposób ciągły i quasi-ciągły z dozowaniem CO2, dostarczając jednocześnie ścieki komunalne uzyskali biomasę na poziomie 0,528-0,760 g/dm3. Ponadto
wykazali możliwość skutecznego usuwania amoniaku, azotu, fosforu całkowitego,
ChZTCr i BZT5 odpowiednio w ilości około 98,0%, 90,9-93,6%, 89,9-91,8%, 60,790,0% i 83,4-88,4%. Kwong-Yu Chan i inni wykorzystywali komórki Chlorelli saliny
do procesu oczyszczania ścieków bytowych. Po 8 dniach eksperymentu prowadzonego w warunkach laboratoryjnych nastąpiło usunięcie 86% do 100% NH3-N, 98% NO3
- N i 98% PO43 –P [7].
5. WNIOSKI
Przeprowadzone badania potwierdziły, iż możliwa jest hodowla biomasy
w fotobioreaktorze rurowym z zastosowaniem odcieku pofermentacyjnego. W czasie
trwania ekspermentu zanotowano stały przyrost biomasy mikroglonów wynoszący
odpowiednio po 60 dniach prowadzenia badań 1440 mgs.m./dm3 w reaktorze
z odciekiem fermentacyjnym i 1515 mgs.m./dm3 z pożywką syntetyczną. Zasilanie
hodowli odciekiem z fermentora zwierającym 41,3±6,85 mg N-NH4/dm3 i 11,0±4,31
mg P/dm3 zaspokajało potrzeby pokarmowe mikroglonów, jednocześnie powodując
rozwój komórek w sposób porównywalny do prowadzonej równolegle hodowli kon-
Efektywność wykorzystania substancji biogennych pochodzących z odcieków …
309
trolnej z pożywką syntetyczną. Zużycie tych biogenów przekładało się bezpośrednio
na wzrost zawartości biomasy. Wykazano, iż odpad będący produktem ubocznym
procesu fermentacji, w postaci odcieku można wykorzystać do hodowli glonów. Jednocześnie związki występujące w odcieku w takich ilościach są w stanie zaspokoić
potrzeby pokarmowe hodowli nie powodując jej zahamowania.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
CHIU S.Y., KAO C.Y., CHEN C.H., KUAN T.C., ONG S.C., LIN C.S., Reduction of CO2 by a
high-density culture of Chlorella sp. in a semicontinuous photobioreactor. Bioresource Technol. 99,
3389–3396, 2008.
DOUSKOVA I., KASTANEK F., MALETEROVA Y, JIRI P., KASTANEK D., ZACHLEDER
V., Utilization of distillery stillage for energy generation and concurrent production of valuable
microalgal biomass in the sequence: Biogas-cogeneration-microalgae-products, Energy Conversion and Management, 2010, 606–611
ERIKSEN N.T. i in., On-line estimation of O2 production, CO2 uptake, and growth kinetics of
microalgal cultures in a gastight photobioreactor, Journal of Applied Phychology 19, 2007
GRAY K.A. , ZHAO L., EMPTAGE M., Bioethanol. Current Opinion in Chemical Biology,
10:141–146, 2006
GROBBELAR J.U. Algal nutrition. In: Richmond A., editor. Handbook of microalgal culture:
biotechnology and applied phycology. Blackwell; 2004, 97 – 11
KIM J., LINGRARAJU B. P., RHEAUME R., LEE J.-Y, SIDDIQUI K. F., Removal of Ammonia
from Wastewater Effluent by Chlorella Vulgaris, Bioresource Technology, August 2010, Pages
391–396
KWONG-YU CH., WONG K.H., WONG P.K., Nitrogen and phosphorus removal from sewage
effluent with high salinity by Chlorella salina, Biosource, Environmental Pollution, February 1979,
139–146
LI Ch., YANG H., XIA X., LI Y, CHEN L., ZHANG M., ZHANG L., WANG W., Novel Bioconversions of Municipal Effluent and CO2 into Protein Riched Chlorella vulgaris Biomass,
Bioresource Technology, December 2012
MOLINA GRIMA E., ACIEN F., GARCIA CAMACHO F., CHISTI Y., Photobioreactors: light
regime, mass transfer, and scaleup. J. Biotechnol. 1999, 70: 231-247.
PETERSSON A., THOMSEN M. H., HAUGGAARD-NIELSEN H., THOMASEN A. B., 2007.
Potential bioethanol and biogas production using lignocellulosic biomass from winter rye, oilseed
rape and faba bean, Biomass and Bioenergy 31, 812-819;
PULZ O., GROSS W. Valuable products from biotechnology of microalgae. Appl Microbiol
Biotechnol 2004; 65(10), 635-48
TSUKAHARA K, SAWAYAMA S., Liquid fuel production using microalgae. J Jpn Petrol Inst;
2005, 48(5), 251–9.
WANG B., LAN Ch. Q., Biomass production and nitrogen and phosphorus removal by the green
alga Neochloris oleoabundans in simulated wastewater and secondary municipal wastewater effluent, Department of Chemical and Biological Engineering, Bioresource Technology 102 (2011)
5639–5644
310
K.KUPCZYK i in.
EFFICIENT USE OF NUTRIENTS FROM THE EFFLUENTS POST-FERMENTATION IN THE
PRODUCTION OF MICROALGAE BIOMASS
This paper describes the possibility of using a tubular photobioreactor for the cultivation of unicellular algae. This study performed two options for different kinds of distributed media. The first option (W1) was established to provide for the effluent derived from methane fermentation, the second
option (W2) focused on dispensing to culture the medium synthetic. Development processes were carried out in reactors with a capacity of about 20 dm3 active. Established effluent contains ammonium
nitrogen in an amount of 41,3±6,85 mg N-NH4/dm3 and phosphorus in the range 11,0 ±4,31 mg PPO4/dm3. Within 60 days of the experiment, which was carried out 5 days physico-chemical analysis
of breeding and introduced the relevant portions of the medium in an amount of 2 dm3 leachate and
analogous synthetic compounds. During the experiment, regardless of the medium observed a steady
increase in biomass. The size of the increase was similar in the two study options. Resulting in a maximum concentration of the algal biomass in 1440 mgs.m./dm3 fermentation reactor effluent and 1515
mgs.m./dm3 the synthetic medium. The rate of use of nutrients for algae biomass increased with the duration of the experiment. Similar values were obtained regardless of the input medium. The ammonium nitrogen was about 40 mg/d, and for the orthophosphates 13 mg/d The use of effluent as a growth
medium after fermentation gave similar efficiency microalgae culture which links synthetic medium.