Badania nad mikrobiologicznym mechanizmem zwiększania produkcji biometanu z bioodpadów przez typowe materiały węglowe

Jednym z najnowszych kierunków rozwoju fermentacji metanowej (FM) jest stosowanie dodatków w postaci różnych materiałów węglowych (MW), takich jak biowęgiel, hydrochar czy węgiel aktywny, do zróżnicowanych substratów wykorzystywanych w tym procesie, w tym do odpadów żywnościowych. Ilość generowanych odpadów żywności (OŻ) rośnie w skali roku w sposób wykładniczy, co czyni je jednym z kluczowych globalnych wyzwań środowiskowych. Jednym z efektywnych sposobów zagospodarowania tego strumienia odpadów jest ich przetwarzanie w procesie fermentacji metanowej. Nadal jednak istnieje istotna luka badawcza dotycząca rzeczywistego charakteru mechanizmu oddziaływania materiałów węglowych na produkcję biometanu oraz znaczenia poszczególnych ich właściwości w kontekście procesów mikrobiologicznych.

Głównym celem naukowym projektu jest identyfikacja rzeczywistej natury mechanizmu wpływu materiałów węglowych na wydajność produkcji biometanu, a także określenie możliwości celowej modyfikacji właściwości MW w celu maksymalizacji uzysku biometanu.

W ramach projektu sformułowano następujące hipotezy badawcze:

• materiały węglowe o wysokiej pojemności buforowej (PB) sprzyjają stabilizacji warunków środowiskowych korzystnych dla mikroorganizmów metanogennych,
• materiały węglowe charakteryzujące się dużą pojemnością sorpcyjną (PS) ograniczają negatywne oddziaływanie toksycznych produktów ubocznych fermentacji beztlenowej oraz zwiększają dostępność biodegradowalnych związków organicznych dla mikroorganizmów,
• materiały węglowe o wysokiej przewodności elektrycznej (PE) intensyfikują bezpośredni międzygatunkowy transfer elektronów,
  materiały węglowe o niskim potencjale zeta (PZ) sprzyjają agregacji metanogenów w zawiesinie oraz ograniczają rozwój konkurencyjnych grup mikroorganizmów,
• możliwe jest opracowanie – po raz pierwszy – ilościowo-jakościowego modelu opisującego mikrobiologiczny mechanizm wpływu materiałów węglowych na fermentację beztlenową, umożliwiającego świadomą modyfikację ich właściwości w celu optymalizacji procesu.

Plan badań obejmuje cztery zasadnicze zadania robocze:

Zadanie robocze 1 – wytwarzanie i charakterystyka materiałów węglowych, w ramach którego biowęgiel, hydrochar oraz węgiel aktywny zostaną otrzymane ze słomy pszenicznej przy zastosowaniu obróbki termochemicznej. Uzyskane materiały zostaną poddane szczegółowej analizie właściwości fizycznych i chemicznych.

Zadanie robocze 2 – produkcja biometanu z glukozy (czystego substratu będącego prekursorem octanów) z wykorzystaniem różnych materiałów węglowych w reaktorach okresowych oraz przepływowych, z dodatkiem MW otrzymanych w Zadaniu 1. Określony zostanie potencjał metanowy oraz kinetyka produkcji biometanu, a także przeprowadzona zostanie kompleksowa charakterystyka substratów i pozostałości pofermentacyjnych pod kątem parametrów fizycznych, chemicznych, mikrobiologicznych i genetycznych.

Zadanie robocze 3 – analiza mechanizmów odpowiedzialnych za wzrost produkcji biometanu w obecności materiałów węglowych. W celu identyfikacji kluczowych właściwości MW oraz opracowania modelu matematycznego opisującego te zależności zastosowane zostaną zaawansowane metody statystyczne, w tym sieci neuronowe i systemy rozmyte. Dodatkowo przeprowadzone zostaną analizy multiomiczne pozwalające na identyfikację mikrobiologicznych podstaw oddziaływania MW na fermentację metanową.

Zadanie robocze 4 – optymalizacja fermentacji beztlenowej z wykorzystaniem materiałów węglowych, w ramach którego oceniona zostanie możliwość intensyfikacji produkcji biometanu poprzez zastosowanie celowo modyfikowanych MW w reaktorach okresowych i przepływowych w skali laboratoryjnej, z wykorzystaniem odpadów żywności. Zakres analiz będzie odpowiadał badaniom prowadzonym w Zadaniach 1 i 2, a zastosowane testy będą analogiczne do tych wykorzystanych w Zadaniu 3.

Innowacyjność proponowanych badań polega na kompleksowym i systemowym podejściu do identyfikacji mechanizmu wpływu materiałów węglowych na proces fermentacji metanowej, określeniu kluczowych właściwości MW odpowiedzialnych za zwiększenie efektywności procesu oraz na świadomej modyfikacji tych właściwości w celu intensyfikacji fermentacji odpadów żywności. Zgodnie z aktualnym stanem wiedzy, tego typu badania nie były dotychczas prowadzone, co pozwoli na uzyskanie nowej, unikatowej wiedzy naukowej. Dodatkowo przewiduje się, że wyniki projektu przyczynią się do opracowania rozwiązań zwiększających uzysk i szybkość produkcji biometanu, co może mieć istotne znaczenie dla optymalizacji pracy biogazowni oraz wdrażania zasad gospodarki o obiegu zamkniętym.