Negatywny wpływ gospodarki na środowisko determinuje konieczność wykorzystywania niskoemisyjnych technologii produkcyjnych, w tym również wdrożenia czystych i efektywnych rozwiązań pozyskiwania energii. Jednym z nośników energii, spełniającym kryteria paliwa przyjaznego środowisku, jest wodór. Dostrzegają to zarówno producenci energii, organizacje ekologiczne, decydenci, jak i politycy.

Strategia wodorowa dla neutralnej klimatycznie Europy została  opublikowana 8 lipca 2020 r. przez KE. Zielony wodór wymieniany jest tu jako jeden z kluczowych nośników energii, który może przyczynić się do realizacji założeń Europejskiego Zielonego Ładu. Głównym celem strategii jest stymulacja rozwoju sektora odnawialnego zielonego wodoru, tak aby do 2050 r. był on w pełni zeroemisyjnym, ogólnodostępnym źródłem energii w UE. Rozpowszechnianie produkcji i wykorzystania wodoru ma stanowić jeden ze sposobów na łączenie sektorów i przyczyniać się do ich dekarbonizacji. Wodór może też umożliwiać – poprzez magazynowanie energii – bilansowanie systemów opartych w coraz większym stopniu na energii odnawialnej. Dlatego w strategii osiągnięcia neutralności klimatycznej Europy założono wzrost jego udziału w europejskim miksie energetycznym z obecnych 2% do ok. 13–14%.

Konwersja biomasy

Technologiami wytwarzania wodoru, których wykorzystanie staje się coraz bardziej perspektywiczne, są rozwiązania wykorzystujące konwersję biomasy oraz metody oparte na procesach biochemicznych prowadzonych przez mikroorganizmy. Obiecującą metodą jest produkcja wodoru na drodze ciemnej fermentacji prowadzonej przez bakterie. Ze względu na bardzo wysoką efektywność fotosyntetyczną, szybkie tempo przyrostu biomasy, odporność na różnego rodzaju zanieczyszczenia, podatność na modyfikacje genetyczne oraz możliwość zagospodarowania terenów, które nie mogą zostać wykorzystane na inne cele, to właśnie zastosowanie mikroglonów staje się najbardziej perspektywicznym kierunkiem produkcji biowodoru.

Azot i fosfor ze ścieków

Konieczność ograniczenia kosztów produkcji biomasy mikroglonów wymusza poszukiwanie nowych i ekonomicznie uzasadnionych rozwiązań technologicznych. Udowodniono, iż cennym źródłem substancji pokarmowych mogą być związki azotu i fosforu pochodzące ze ścieków. Ze względu na swoją charakterystykę szczególnie interesującymi pod kątem hodowli miksotroficznych gatunków mikroglonów są odcieki pochodzące z reaktorów fermentacyjnych. Zawierają one bowiem w swoim składzie łatwo przyswajalne, zmineralizowane formy azotu i fosforu oraz niskie stężenia związków organicznych.

Dodatkowym argumentem przemawiającym za implementacją tego rodzaju rozwiązań w technologiach uprawy mikroglonów jest to, że ścieki po procesie beztlenowym nie mogą być odprowadzone bezpośrednio do środowiska. Wymagają dalszych, skomplikowanych i kosztownych zabiegów technologicznych, w tym opartych na nitryfikacji, denitryfikacji oraz biologicznej lub chemicznej defosfatacji. Alternatywą dla tego rodzaju rozwiązań mogą być technologie produkcji biomasy mikroglonów charakteryzujących się dużą wartością rynkową ze względu na zawartość cennych gospodarczo substancji. Należy podkreślić, iż powszechnie stosowane media hodowlane oparte na wykorzystaniu reagentów chemicznych nie pozwalają zwykle na osiągnięcie dodatniego bilansu ekonomicznego hodowli.

Ścieki mleczarskie

Ciekawą i bardzo perspektywiczną mikroalgą jest słonolubny gatunek Tetraselmis subcordiformis. Udowodniono, iż zastosowanie odpowiednich warunków hodowli umożliwia uzyskanie biomasy o dużej zawartości białka, cukrów z przeznaczeniem na cele spożywcze czy substancji lipidowych stosowanych w bioenergetyce. Jednak za najbardziej przyszłościowy kierunek wykorzystania biomasy T. subcordiformis uważa się jego zastosowanie do produkcji wodoru w procesie bezpośredniej biofotolizy. Dane literaturowe wskazują na możliwość prowadzenia hodowli tego gatunku w mediach hodowlanych bazujących na odpadach ciekłych, w tym ściekach przemysłowych i komunalnych, a także wodach pochodzących z naturalnych zbiorników wodnych. Związane jest to z dużymi właściwościami adaptacyjnymi i przystosowawczymi tego gatunku do zmiennych warunków środowiskowych, z szybkim tempem przyrostu biomasy oraz odpornością na różnego rodzaju zanieczyszczenia. Celem badań było określenie możliwości wykorzystania wstępnie przefermentowanych ścieków mleczarskich jako komponentu medium hodowlanego w procesie intensywnej produkcji biomasy zielonej, wodorogennej mikroalgi Tetraselmis subcordiformis. Badania zmierzały do określenia efektywności przyrostu biomasy, wydajności usuwania związków biogennych z testowanych ścieków oraz zweryfikowania wydajności produkcji biowodoru. 

Metodyka

Prace badawcze podzielono na 2 etapy. W etapie 1 prowadzono eksperymenty związane z oceną wydajności produkcji biomasy mikroglonów T. subcordiformis przy zastosowaniu wstępnie przefermentowanych ścieków mleczarskich. W etapie 2 analizowano wpływ zastosowanych warunków hodowli na efektywność produkcji wodoru. Prace badawcze podzielono na 5 serii, których kryterium wyodrębnienia było stosowane stężenie ścieków mleczarskich w medium hodowlanym.

Materiały

W badaniach wykorzystano mikroglony T. subcordiformis pozyskane z kolekcji kultur glonów UTEX. Medium zastosowane do namnażania mikroglonów w fazie wstępnej oraz w serii 1 badań właściwych zostało spreparowane na bazie wody dejonizowanej oraz reagentów chemicznych. W hodowli docelowej w seriach 2–5 stosowane medium oparte było na wykorzystaniu ścieków mleczarskich pochodzących z reaktora beztlenowego. Reaktor beztlenowy stanowiący źródło ścieków to reaktor hybrydowy o przepływie labiryntowym i o objętości czynnej 70 dm3, łączący złoże biologiczne oraz osad zawieszony. Urządzenie pracuje w skali ułamkowo-technicznej w warunkach mezofilowych (36±1ºC). Przed wprowadzeniem do fotobioreaktora ścieki sączono oraz poddawano pasteryzacji przez 15 min w temperaturze 121ºC. Ścieki wprowadzano do reaktorów jednorazowo na początku eksperymentu. Charakterystykę testowanych, wstępnie przefermentowanych ścieków mleczarskich zaprezentowano w tab. 1.

Eksperyment podzielono na 5 serii badawczych, których kryterium wyodrębnienia był udział ścieków w medium hodowlanym (seria 1 – medium preparowane na wodzie destylowanej i reagentach chemicznych, seria 2 – 25% ścieków, seria 2 – 50% ścieków, seria 4 – 75% ścieków, seria 5 – 100% ścieków). Charakterystykę medium w serii 1 zaprezentowano w tab. 1, natomiast w seriach 2–5 w tab. 2.

Medium do produkcji wodoru w etapie 2 we wszystkich seriach badawczych eksperymentu stanowiła woda dejonizowana uzupełniona pożywką, w której siarka została zastąpiona związkami chloru. Skład pożywki zaczerpnięto z danych literaturowych.

Stanowisko badawcze

W hodowli docelowej T. subcordiformis wykorzystano bioreaktor BioFlo 115 New Brunswick o objętości czynnej 2,0 dm3. Prace eksperymentalne prowadzono w temperaturze 25±1ºC przy zastosowanym cyklicznym oświetleniu światłem białym o natężeniu 5 klux w reżimie 14 h oświetlenie / 10 h brak oświetlenia. Eksploatowany układ technologiczny został zintegrowany z pompą napowietrzającą Mistral 200 o wydajności 200 dm3/h. Zawartość bioreaktora była mieszana w sposób ciągły z wydajnością 150 obr./min przy użyciu mieszadeł łopatkowych. Początkowe stężenia biomasy mikroglonów charakteryzowane stężeniem suchej masy organicznej w eksploatowanych reaktorach zapewniono na poziomie 200 mg s.m.o./dm3. We wszystkich założonych seriach badawczych hodowlę T. subcordiformis prowadzono przez okres 14 dni. W etapie 2 badań zagęszczoną biomasę mikroglonów wprowadzano do respirometrów firmy WTW. Reaktory modelowe składały się z komór reakcyjnych o objętości czynnej 0,5 dm3, połączonych szczelnie z urządzeniami pomiarowo-rejestrującymi. Stężenie biomasy T. subcordiformis wynosiło 3,0 g s.m.o./dm3. Urządzenia zapisywały zmiany ciśnienia parcjalnego w komorze pomiarowej wywołanego produkcją biogazu (wodoru). Kompletny zestaw pomiarowy umieszczono w szafie termostatującej o histerezie nieprzekraczającej ±1,0ºC. Pomiary prowadzono w temperaturze 25ºC. Czas inkubacji wynosił 5 dób (120 h), w tym 30 h przy braku oświetlenia i 5 dób z wykorzystaniem światła białego o natężeniu 5 klux.

Metody analityczne i analiza statystyczna

Próbki do analiz pobierano co 48 h. W trakcie hodowli mikroglonów T. subcordiformis prowadzono analizy zawartości suchej masy, suchej masy organicznej i mineralnej, które określono metodą grawimetryczną. Analizę medium hodowlanego pod względem stężenia głównych komponentów oraz efektywności ich zużywania przez mikroorganizmy w trakcie prowadzenia hodowli przeprowadzono przy wykorzystaniu spektrofotometru UV/VIS DR 5000 Hach Lange. Skład gazu analizowano za pomocą chromatografu gazowego GC Agillent 7890 A.

Wyniki i dyskusja

Najwyższą efektywność przyrostu biomasy T. subcordiformis obserwowano w serii 1 (kontrolnej). Szybkość przyrostu biomasy (r) wynosiła 285±12 mg s.m.o./d (rys. 2). Po 14 dniach hodowli zawartość biomasy kształtowała się na poziomie 3471±127 mg s.m.o./dm3 (rys. 3). W seriach 2 i 3, gdzie medium hodowlane zawierało kolejno 25 i 50% przefermentowanych ścieków mleczarskich, efektywność rozwoju populacji T. subcordiformis była zbliżona, jednocześnie o ponad 30% niższa w stosunku do próby kontrolnej. W serii 2 uzyskano 2325±201 mg s.m.o./dm3, natomiast w serii 3 zanotowano 2274±166 mg s.m.o./dm3 (rys. 3). Obserwowane w stosunku do próby kontrolnej różnice były istotne statystycznie (p = 0,05). Dalsze istotne obniżenie wydajności produkcji biomasy T. subcordiformis obserwowano w serii 4 oraz serii 5, w której całkowitą objętość fotobioreaktora stanowiły ścieki mleczarskie. Obserwowano całkowite zatrzymanie rozwoju populacji T. subcordiformis. Obserwowana koncentracja biomasy na zakończenie cyklu produkcyjnego wyniosła 306±17 mg s.m.o./dm3 (rys. 3).

W badaniach własnych stosunek N/P miesił się w wąskim zakresie – od 3,61 do 6,75. Nie stwierdzono jednak silnej korelacji między przyrostem biomasy a stosunkiem N/P (R2 = 0,5456) – rys. 4. Zaobserwowano natomiast silną korelację między stężeniem biomasy a początkowym stężeniem Ntot. (R2 = 0,9021) – rys. 5.

Inne badania potwierdziły wysoką efektywność wykorzystania składników pokarmowych ze ścieków pochodzących z systemów akwakultury przez rozwijającą się populację Platymonas subcordiformis. Stwierdzono, iż wykorzystanie związków azotu i fosforu wynosiło kolejno 87,0–95,0% oraz 98,0–99,0%. Obserwowana efektywność usuwania substancji biogennych z medium hodowlanego jest analogiczna do uzyskanej podczas realizacji badań prezentowanych w badaniach własnych. Najwyższe efektywności usuwania azotu i fosforu z medium hodowlanego obserwowano w seriach 1–2 (rys. 6 i 8). Było to bez...