Πανεπιστήµιο Πατρών Τµήµα Χηµικών Μηχανικών Εργ. Βιοχηµικής Μηχανικής & Τεχνολογίας Περιβάλλοντος Παραγωγή Βιοϋδρογόνου από Βιοµάζα Γλυκού Σόργου µέσω Μικτών Οξεογόνων Καλλιεργειών και Καθαρών Καλλιεργειών του Βακτηρίου Ruminococcus albus Γ.Αντωνοπούλου, Ι. Ντάικου, Χ.Ν. Γαβαλά, Ι.Β. Σκιαδάς, Κ. Αγγελόπουλος, Γ. Λυµπεράτος
Γενικά για το Η 2 Ενεργειακή κρίση Εναλλακτικές µορφές ενέργειας Φαινόµενο θερµοκηπίου µείωση αέριων ρύπων Η 2 Μπορεί να παραχθεί από ανανεώσιµες πηγές ενέργειας Μηδενική εκποµπή ρύπων Υψηλή ενεργειακή απόδοση (122ΚJ/g)
Βιολογική παραγωγή Η 2 Βιοφωτόλυση H 2 O από αλγεις και κυανοβακτήρια Φωτοζυµωτική παραγωγή από οργανική ύλη Ζυµωτική παραγωγή υδρογόνου από οργανική ύλη διάσπαση υδατανθράκων πτητικά λιπαρά οξέα, αλκοόλες, H 2 Υβριδικά συστήµατα µε χρήση ζυµωτικών και φωτοσυνθετικών βακτηρίων
Ζυµωτική παραγωγή Η 2 Solomon et al. 1995; Kengen et al. 1996 Μέγιστη θεωρητική απόδοση C 6 H 12 O 6 + 4H 2 O 2CH 3 COO - + 4H 2 +2HCO - 3 + 4H + Thauer et al. 1995 G 0 =-206ΚJ/mol C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O CH 3 CH 2 CH 2 COO - + 2H 2 +2HCO - 3 + 3H + Voordouw 2002 G 0 =-255ΚJ/mol C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O 2CH 3 COO - + 2H 2 +2HCOO - + 4H + G 0 =-209ΚJ/mol 2H 2 + 2CO 2
Γλυκό σόργο Sorghum bicolor (L.) Moench Μονοετές C4 ενεργειακό φυτό µε µεγάλη αραγωγή σε βιοµάζα άµυλο και σάκχαρα
Γλυκό σόργο τεµαχισµός 1-2 cm H 2 + CO 2 CSTR Εκχύλιση 5kg σόργο+30 +30L Η 2 Ο, 30 C, 1h Κλάσµα α : εκχύλισµα ιαλυτά σάκχαρα : γλυκόζη, σακχαρόζη Κλάσµα β υπόλειµµα λιγνίνη κυτταρίνη, ηµικυταρίνη H 2 + CO 2 batch
Αποτελέσµατα Ι - Μικτές Οξεογόνες Καλλιέργειες -
Συνεχή πειράµατα (CSTR) Tύπου CSTR Λειτουργικός όγκος 500 ml T = 35 o C Εκκίνηση : ενδογενής βακτηριακός πληθυσµός εκχυλίσµατος σόργου Προσθήκη ρυθµιστικού: : 2.24 g NaOH,, 6.8045 g ΚH 2 PO 4 ph feed = ~8.8
Συνεχή πειράµατα (CSTR) Επίδραση υδραυλικού χρόνου παραµονή HRT (h) 24 12 8 6 4 παροχή (ml/d) 500 1000 1500 2000 3000 Φόρτιση 99.5 189 283 378 567 (mmol υδατανθ /L/d)
Συνεχή πειράµατα (CSTR) % H 2 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 HRT=8h HRT=6h HRT=12h HRT=4h HRT=24h 0 10 20 30 40 50 60 70 80 time (d) ρυθµός παραγωγής (ml/d) 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 HRT=6h HRT=8h HRT=12h HRT=4h HRT=24h 0 10 20 30 40 50 60 70 80 time (d) HRT, h Σύσταση Η 2 % Ρυθµός παραγωγής Η 2, ml/d Απόδοση, mol H 2 / mol γλυκόζης L H 2 / kg ν. σόργου 24 30.4 ± 1.2 410 ± 40 0.37 ± 0.02 4.9 12 39.9 ± 1.2 1740 ± 100 0.86 ± 0.04 10.4 8 40.5 ± 1.9 2070 ± 120 0.75 ± 0.05 8.4 6 39.2 ± 0.5 2550 ± 90 0.70± 0.02 7.6 4 35.0 ± 1.5 2180 ± 150 0.41 ± 0.02 4.3
Πειράµατα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου T=35.5 o C Όγκος 1350 ml Mαγιά : 300 ml απορροής H 2 από CSTR, σε (HRT=12, 8, 6, 4 h) Yπόστρωµα: 150 ml εκχυλίσµατος σόργου
Πειράµατα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου 300 7000 Μαγιά, HRT 12h ml H 2 250 200 150 100 50 υδατάνθρακες (mg/l) 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 time (h) 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 time (h) Εµβόλιο από CSTR σε µόνιµη κατάσταση HRT, h 12 8 6 4 Απόδοση/ molh 2 mol γλυκόζης 0.786 0.75 0.648 0.53 L H 2 / kg ν. βιοµ. σόργου 11.16 8.76 6.26 8.1
Συµπεράσµατα Ι Η παραγωγή Η 2 από συνεχείς καλλιέργειες µε εκχύλισµα σόργου βελτιστοποιείται για χρόνο παραµονής µεταξύ 6 και 12 h, παρουσιάζοντας µεγαλύτερο ρυθµό σε HRT 6h και µεγαλύτερη στοιχειοµετρική απόδοση σε HRT 12h. Οι µικτές οξεογόνες καλλιέργειες παρουσίασαν την βέλτιστη παραγωγή Η 2 για χρόνο παραµονής µεταξύ 8 και 12h και στις καλλιέργειες διαλείποντος έργου. Η µέγιστη παραγωγή υδρογόνου από βιοµάζα σόργου ήταν 10,4 l H 2 /kg νωπής βιοµάζας στις συνεχείς καλλιέργειες και 11,2 l H 2 /kg νωπής βιοµάζας στις καλλιέργειες διαλείποντος έργου.
Αποτελέσµατα ΙΙ - Ruminococcus albus -
Αντιδραστήρες CSTR λειτουργικός όγκος : 1320 ml T : 37 ± 0.2 o C HRT : 42h Batch ολικός όγκος : 160 ml T : 37 ± 0.2 o C
Παραγωγή Η 2 από εκχύλισµα σόργου 800 700 600 εκθετική φάση βιοµάζα Η 2 1750 1500 1250 Batch C (mg/l) 500 400 300 200 1000 750 500 ml/l culture 100 V H2 biomass 250 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 χρόνος (h) Καθυστερηµένη παραγωγή Η 2 από το HCOΟH HCOΟH Η 2 + CO 2
Παραγωγή Η 2 από εκχύλισµα σόργου 6 Batch Όγκος Η2 (L/L καλλιέργειας) 5 4 3 2 1 0 5 g/l 10 g/l 15 g/l 20 g/l 0 10 20 30 40 50 χρόνος (h) C apx σακχάρων (g/l) Απόδοση Η 2, ( mol/ mol ισοδ. γλυκόζης) Τελική P Η2, (atm) 5 2.09 ± 0.07 0.81± 0.03 10 2.12 ± 0.09 0.77± 0.05 15 2.11 ± 0.05 0.77± 0.03 20 2.14 ± 0.01 0.77± 0.00
Παραγωγή Η 2 από εκχύλισµα σόργου CSTR HRT : 42 h Όγκος υδρογόνου (L/ηµέρα) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 2 4 6 8 10 12 14 χρόνος (d) 1.07 ± 0.2 mol H 2 /mol γλυκόζης 15.83 ± 2.4 L H 2 /kg σόργου
Συγκριτική παραγωγή Η 2 από βιοµάζα σόργου Όγκος H 2 (L/Lκαλλιέργειας ) 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 2 4 6 8 10 12 χρόνος (d) Γλυκόζη Εκχύλισµα σόργου Ολόκληρο σόργο Υπολείµµατα σόργου Στοιχειοµετρικές αποδόσεις (mol H 2 /mol ισοδ.γλυκόζης Γλυκόζη 2.52±0.09 Ολόκληρο σόργο 3.15±0.03 Υπολείµµατα σόργου 2.59±0.05 Εκχύλισµα σόργου 2.61±0.08
Παραγωγή Η 2 από βιοµάζα σόργου L H 2 /kg νωπού σόργου * Ολόκληρο σόργο batch 58±2.8 CSTR - Εκχύλισµα σόργου Υπολείµµατα σόργου Συνολικά 28±1.7 31±1.3 59 15.83±2.4 - * υγρασία ~75%
Συµπεράσµατα ΙΙ Η απόδοση Η 2 στα πειράµατα διαλείποντος έργου δεν επηρεάζεται από την συγκέντρωση υδατανθράκων στο εκχύλισµα σόργου, στο εύρος συγκεντρώσεων που ελέγχθηκαν, παρουσιάζοντας ιδιαίτερα υψηλές τιµές. Η παραγωγή υδρογόνου από λιγνοκυτταρινούχα υπολείµµατα σόργου γίνεται πιο αργά αλλά οδηγεί σε εξίσου υψηλές αποδόσεις µε το εκχύλισµα σόργου. Η παραγωγή υδρογόνου από βιοµάζα σόργου είναι η ίδια ανεξάρτητα από το αν η ζύµωση πραγµατοποιείται σε ένα ή δύο στάδια.
Γενικά συµπεράσµατα Η χρήση καθαρών καλλιεργειών R. albus για την επεξεργασία του εκχυλίσµατος σόργου οδηγεί σε υψηλότερες αποδόσεις Η 2 σε σύγκριση µε τη χρήση µικτών οξεογόνων καλλιεργειών. Επίσης λόγω των κυτταρινολυτικών ιδιοτήτων του R. albus είναι η εφικτή η πλήρης αξιοποίηση όλης της βιοµάζας σόργου για παραγωγή Η 2. Το µειονέκτηµα της χρησιµοποίησης καθαρών καλλιεργειών έναντι της µικτής οξεογόνου καλλιέργειας, είναι η ανάγκη συνεχούς αποστείρωσης των επιµέρους τµηµάτων των αντιδραστήρων και της τροφοδοσίας. Συνεπώς η χρήση της µικτής γηγενούς καλλιέργειας έχει µικρότερες ενεργειακές ανάγκες συντήρησης και συνεπώς µικρότερο κόστος.
Ευχαριστίες Γενική Γραµµατεία Έρευνας και Τεχνολογίας για την οικονοµική στήριξη της παρούσας εργασίας υπό του προγράµµατος ΠΕΝΕ 01Ε 390