Mikroorganizmy jako producenci biowodoru: Od badań podstawowych do prac rozwojowych z dziedziny biotechnologii

• Autorzy: Sikora Anna , Detman Anna

Identyfikatory

DOI

10.15199/17.2022.12.4

Warianty tytułu

EN

Microorganisms as producers of biohydrogen: From basic research to R&D in biotechnology

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Biowodór powstaje w wyniku aktywności metabolicznej mikroorganizmów w warunkach beztlenowych. W artykule omówiono szlaki metaboliczne produkcji biowodoru: biofotolizę, fotofermentację i ciemne fermentacje. Szczególny nacisk położono na procesy produkcji biowodoru na etapie kwasogenezy beztlenowego rozkładu biomasy (ciemna fermentacja i konwersja mleczanu i octanu do maślanu) jako obiecującą metodę produkcji biowodoru. Produkcja biowodoru taką metodą charakteryzuje się niską wydajnością i wymaga ograniczenia procesów konkurencyjnych, głównie innych typów fermentacji kwaśnych. Produkcja biowodoru na etapie kwasogenezy jest możliwa w instalacjach dwu - lub wieloetapowych, w których etap kwasogenezy jest oddzielony czasowo i przestrzennie od etapów acetogenezy i metanogenezy. Przedstawiono prace nad tego typu technologią na przykładzie dwuetapowej instalacji produkcji biowodoru i biometanu na drodze beztlenowego rozkładu produktów ubocznych przemysłu cukrowniczego opracowanej w jednostce naukowej i rozwijanej przez partnera przemysłowego. Omówiono wyzwania i ograniczenia produkcji biowodoru, zwłaszcza na etapie kwasogenezy. Zdefiniowano powody niedojrzałości technologii produkcji biowodoru i pozostawanie ich ciągle na etapie badawczo-rozwojowym w porównaniu do zaawansowanych, wdrażanych rozwiązań produkcji biogazu.

EN

Biohydrogen is produced by the metabolic activity of microorganisms under anaerobic conditions. The article discusses the metabolic pathways of biohydrogen production: biophotolysis, photo-fermentation, and dark fermentations. Special emphasis was put on biohydrogen production processes at the acidogenesis stage of anaerobic digestion (dark fermentation and conversion of lactate and acetate to butyrate) as a promising method of biohydrogen production. The production of biohydrogen by such a method has low yields and requires the reduction of competing processes, mainly other types of acid fermentation. Production of biohydrogen at the acidogenesis stage is possible in two-stage or multi-stage systems, in which the acidogenesis stage is separated in time and space from the acetogenesis and methanogenesis stages. The work on such a technology is presented using the example of a two-stage installation for the production of biohydrogen and biomethane by anaerobic digestion of sugar industry by-products developed at a research unit and being developed by an industrial partner. Challenges and limitations of biohydrogen production were discussed, especially at the acidogenesis stage. Reasons for the immaturity of biohydrogen production technologies and their still remaining in the research and development stage compared to advanced, implemented biogas production solutions were discussed.

Słowa kluczowe

PL

biowodór; mikroorganizmy; bakterie; beztlenowy rozkład biomasy; kwasogeneza; ciemna fermentacja; fotofermentacja; biofotoliza; szlaki metaboliczne; przemysł cukrowniczy

EN

biohydrogen; microorganisms; bacteria; anaerobic digestion; acidogenesis; dark fermentation; photofermentation; biofotolysis; metabolic pathways; sugar industry

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Gaz, Woda i Technika Sanitarna
• Rocznik: 2022
• Tom: Nr 12
• Strony: 16--23
• Opis fizyczny: Bibliogr. 51 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Sikora Anna

• IBB PAN

autor

Detman Anna

• Pracownia Białej Biotechnologii Instytut Biochemii i Biofizyki PAN, Pawińskiego 5a, 02-106 Warszawa

Bibliografia

• [1] Abdalla M. Abdalla, Shahzad Hossain, Ozzan B. Nisfindy, Atia T. Azad, Mohamed Dawood, Abul K. Azad. 2018. ”Hydrogen production, storage, transportation and key challenges with applications: A review”. Energy Conversion and Management 165: 602-627.
• [2] Angenent L. T., Karim K., Al-Dahhan M. H., Wrenn B. A. , Domiguez-Espinosa R. 2004. ”Production of bioenergy and biochemicals from industrial and agricultural wastewater”. Trends in Biotechnol. (22): 477-485.
• [3] Chojnacka A., Błaszczyk M. K., Szczęsny P., Nowak K., Sumińska M., Tomczyk-Żak K., Zielenkiewicz U., Sikora A. 2011 ”Comparative analysis of hydrogen-producing bacterial biofilms and granular sludge formed in continuous cultures of fermentative bacteria”. Bioresource Technology (102): 10057-10064.
• [4] Chojnacka A., Szczęsny P., Błaszczyk M. K., Zielenkiewicz U., Detman A., Salamon A., Sikora A. 2015. ”Noteworthy facts about a methane-producing microbial community processing acidic effluent from sugar beet molasses fermentation”. Plos One, 10, e0128008
• [5 Detman A., Chojnacka A., Błaszczyk M. K., Kaźmierczak W., Piotrowski J, Sikora A. 2017. ”Biohydrogen and biomethane (biogas) production in the consecutive stages of anaerobic digestion of molasses”. Pol. J. Environ. Stud. (26): 1023-1029.
• [6] Detman A., Chojnacka A., Mielecki D., Błaszczyk M. K., Sikora A. 2018. “Inhibition of hydrogen-yielding dark fermentation by ascomycetous yeasts” Int J Hydrogen Energy (43): 10967-10979.
• [7] Detman A., Bucha M., Treu L., Chojnacka A., Pleśniak Ł., Salamon A., Łupikasza E., Gromadka R., Gawor J., Gromadka A., Drzewicki W., Jakubiak M., Janiga M., Matyasik I., Błaszczyk M. K., Jędrysek M. O., Campanaro S., Sikora A., Evaluation of acidogenesis products’ effect on biogas production performed with metagenomics and isotopic approaches. Biotechnology for Biofuels, 14, (2021a), 125.
• [8] Detman A., Laubitz D., Chojnacka A., Wiktorowska-Sowa E., Piotrowski J., Salamon A., Kaźmierczak W., Błaszczyk M. K., Barberan A., Chen Y., Łupikasza E., Yang F., Sikora A. 2021b. ”Dynamics and complexity of dark fermentation microbial communities producing hydrogen from sugar beet molasses in continuously operating packed bed reactors”. Frontiers in Microbiology (11) 612344.
• [9] Detman A., Laubitz D., Chojnacka A., Kiela P. R., Salamon A., Barberán A., Chen Y, Yang F., Błaszczyk M. K., Sikora A. 2021c. “Dynamics of dark fermentation microbial communities in the light of lactate and butyrate production”. Microbiome, 9, 158.
• [10] Detman A., Mielecki D., Chojnacka A., Salamon A., Błaszczyk M. K., Sikora A. 2019. “Cell factories converting lactate and acetate to butyrate: Clostridium butyricum and microbial communities from dark fermentation bioreactors”. Microbial Cell Factories 18:36.
• [11] Fakhimi, Neda, David Gonzalez-Ballester, Emilio Fernández, Aurora Galván, and Alexandra Dubini. 2020. “Algae-Bacteria Consortia as a Strategy to Enhance H2 Production”. Cells 9, no. 6: 1353.
• [12] García-Depraect, O., and León-Becerril, E. 2018. ”Fermentative biohydrogen production from tequila vinasse via the lactate-acetate pathway: Operational performance, kinetic analysis and microbial ecology”. Fuel 234, 151-160.
• [13] García-Depraect, O., Rene, E.R., Diaz-Cruces, V. F., and León-Becerril, E. 2019a. ”Effect of process parameters on enhanced biohydrogen production from tequila vinasse via the lactate-acetate pathway”. Bioresour. Technol. 273, 618-626.
• [14] García-Depraect, O., Valdez-Vázquez, I., Rene, E.R., Gómez-Romero, J., López-López, A., and León-Becerril, E. 2019b .”Lactate-and acetate-based biohydrogen production through dark co-fermentation of tequila vinasse and nixtamalization wastewater: Metabolic and microbial community dynamics”. Bioresour. Technol. 282, 236-244.
• [15] Ghimire, A., Frunzo, L., Pirozzi, F., Trably, E., Escudie, R., Lens, P. N. L., et al. 2015. ”A review on dark fermentative biohydrogen production from organic biomass: Process parameters and use of by-products”. Applied Energy 144, 73-95.
• [16] Ghirardi M. L., Zhang L., Lee J. W., Flynn T., Seibert M., Greenbaum E., Melis A.: 2000. ”Microalgae: a green source of renewable H2 “. Trends Biotechnol (18): 506-511.
• [17] Ghosh Shiladitya, Ranjana Chowdhury, Pinaki Bhattacharya, 2018. ”A review on single stage integrated dark-photo fermentative biohydrogen production: Insight into salient strategies and scopes”. International Journal of Hydrogen Energy (43): 2091-2107.
• [18] Hallenbeck, P. C. 2009. ”Fermentative hydrogen production: Principles, progress, and prognosis". Int. J. Hydrogen Energy 34(17), 7379-7389.
• [19] Hallenbeck, P.C., and Ghosh, D. 2009.”Advances in fermentative biohydrogen production: the way forward?“. Trends Biotechnol. 27(5), 287-297.
• [20] Intanoo Patcharee, Pramoch Rangsanvigit, Pomthong Malakul, Sumaeth Chavadej, 2014. ”Optimization of separate hydrogen and methane production from cassava wastewater using two-stage upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASB) system under thermophilic operation” Bioresource Technology 173, 256-265.
• [21] Janocha Andrzej. 2022 .”Rodzaje zanieczyszczeń i sposoby oczyszczania wodoru magazynowanego w kawernach solnych w aspekcie zastosowania go w urządzeniach wytwarzających energię (ypes of impurities and methods of purifying hydrogen stored in salt caverns in terms of application to energy generating devices)“. Nafta-Gaz (4): 288-298.
• [22] Janusz-Szymańska K., Kotowicz J. 2020. ”Wychwyt wodoru z gazu ziemnego przy użyciu technologii membranowych”. Rynek energii (5): 33-37.
• [23] Kapela T, Markowski K. 2019. ”Sposób wytwarzania etanolu, biogazu i materiałów nawozowych z procesu przetwarzania buraków i wysłodków buraczanych”. Patent P.431783.
• [24] Kapela T, Markowski K. 2019. ”Sposób wytwarzania kwasu mlekowego, biogazu i materiałów nawozowych z procesu przetwarzania buraków i wysłodków buraczanych”. Patent Pat.239863.
• [25] Li Shengnan, Fanghua Li, Xun Zhu, Qiang Liao, Jo-Shu Chang, Shih-Hsin Ho, Biohydrogen production from microalgae for environmental sustainability, Chemosphere Volume 291, Part 1, 2022, 132717.
• [26] Liu Y., Whitman W. B. 2008. ”Metabolic, phylogenetic, and ecological diversity of the methanogenic archaea”. Ann NY Acad Sci. 1125: 171-189.
• [27] Luongo Malave Andrea Cristina, Milena Bernardi, Debora Fino, Bernardo Ruggeri. ”Multistep anaerobic digestion (MAD) as a tool to increase energy production via H2 + CH4”. International Journal of Hydrogen Energy (40): 5050-5061.
• [28] Maeda, T., Tran, K.T., Yamasaki, R., and Wood, T. K. 2018. “Current state and perspectives in hydrogen production by Escherichia coli: roles of hydrogenases in glucose or glycerol metabolism”. Appl Microbiol. Biotechnol. 102(5): 2041-2050.
• [29] Mishra Puranjan, Santhana Krishnan, Supriyanka Rana, Lakhveer Singh, Mimi Sakinah, Zularisam Ab Wahid, 2019. ”Outlook of fermentative hydrogen production techniques: An overview of dark, photo and integrated dark-photo fermentative approach to biomass”. Energy Strategy Reviews (24) 27-37.
• [30] Nasr, N., Gupta, M., Hafez, H., El Naggar, M. H., and Nakhla, G. 2017.” Mono - and co-substrate utilization kinetics using mono - and co-culture of Clostridium beijerinckii and Clostridium saccharoperbutylacetonicum”. Bioresour. Technol. 241, 152-160.
• [31] Nicklin J., Graeme-Cook K., Killington R., Krótkie wykłady. Mikrobiologia. Wydanie drugie, przekład zbiorowy pod redakcją Zdzisława Markiewicza. Warszawa 2004, Wydawnictwa Naukowe PWN.
• [32] Piela P., Zelenay P. 2004. ”Researchers redefine the DMFC roadmap”. The Fuel Cell Review, 1, 17-23.
• [33] Pinto F. A. L., Troshina O., Lindblad P. 2002. ”A brief look at three decades of research on cyanobacterial hydrogen evolution”. Int. J. Hydrogen Energy (27) 1209-1215.
• [34] Pituła M. Biowodór - paliwo przyszłości. Raport „Biogaz w Polsce 2020”. www.magazynbiomasa.pl.
• [35] Pohland F. G. and Ghosh S. 1971. ”Developments in anaerobic treatment processes”. Biotechnol. Bioengng. Symp. 2, 85-106.
• [36] Rabii A., Aldin S., Dahman Y., Elbeshbishy E. 2019. ”A Review on Anaerobic Co-Digestion with a Focus on the Microbial Populations and the Effect of Multi-Stage Digester Configuration”. Energies 12, 1106.
• [37] Sagir Emrah, Patrick C. Hallenbeck, Chapter 6 - Photofermentative Hydrogen Production, Editor(s): Ashok Pandey, S. Venkata Mohan, Jo-Shu Chang, Patrick C. Hallenbeck, Christian Larroche. 2019 .”In Biomass, Biofuels, Biochemicals, Biohydrogen (Second Edition)”. Elsevier, Pages 141-157, ISBN 9780444642035.
• [38] Schievano, A. Tenca, A. Lonati, S. Manzini, E. Adani, F. 2014. ”Can two-stage instead of one-stage anaerobic digestion really increase energy recovery from biomass?“. Applied Energy, 124, 335-342.
• [39] Sen Biswarup, J. Aravind, P. Kanmani, Chyi-How Lay. 2016, ”State of the art and future concept of food waste fermentation to bioenergy”. Renewable and Sustainable Energy Reviews (53) 547-557.
• [40] Sikora A., Chojnacka A., Błaszczyk M. K. Sposób wytwarzania gazu bogatego w wodór. Wniosek patentowy złożony w Urzędzie Patentowym RP. Zgłoszenie patentowe nr PL20090388303 20090617. Numer publikacji: PL388303 (A1). Data publikacji: 20.12.2010.
• [41] Sikora A. ”Produkcja wodoru w procesach prowadzonych przez drobnoustroje”. Postępy Mikrobiologii (47): 465-482.
• [42] Sikora A., Chojnacka A., Zielenkiewicz U., Tomczyk K., Piela P., Grzesiuk E. and Błaszczyk M. K.: Hydrogen production by continuous culture of fermentative bacteria on waste substrates 2nd Central European Forum for Microbiology (CEFORM), Keszthely, WĘGRY, 7-9 października 2009 r., Materiały zjazdowe, str. 238.
• [43] Sikora A., Detman A., Chojnacka A., Błaszczyk M. 2017. Anaerobic digestion: I. A common process ensuring energy flow and the circulation of matter in ecosystems. II. A tool for the production of gaseous biofuels, [w:] Jozala A. (red.), Fermentation processes, In Tech, Rijeka, 271-301.
• [44] Sikora A., Detman A., Wiktorowska-Sowa E., Nosek M., Szewczyk M., Nowak Sz., Piotrowski J., 2021. ”Beztlenowy rozkład produktów ubocznych i odpadowych przemysłu cukrowniczego jako źródło biopaliw gazowych, rozdział w: Nauki ścisłe i przyrodnicze - przegląd wybranych zagadnień”. Wydawnictwo Naukowe Tygiel. Red. J. Jędrzejewska, A. Danielewska; ISBN 978-83-67104-13-5, s. 189-203.
• [45] Sikora, A., Błaszczyk, M., Jurkowski, M., and Zielenkiewicz, U. 2013. “Lactic acid bacteria in hydrogen-producing consortia: on purpose or by coincidence?.” in Lactic Acid Bacteria - R & D for Food, Health and Livestock Purposes, ed. J. M. Kongo. (Rijeka, Croatia: InTech) 487-514.
• [46] Smoliński Adam, Natalia Howaniec. 2006.”Produkcja wodoru, z wydzieleniem dwutlenku węgla przygotowanego do sekwestracji jako perspektywiczne rozwiązanie technologiczne”. Prace Naukowe GIG Górnictwo i Środowisko 3, 5-21.
• [47] Thauer R. K., Kaster A.-K., Seedorf H., Buckel W, Hedderich R. 2008. ”Methanogenic Archaea: ecologically relevant differences in energy conservation”. Nat Rev Microbiol. 6: 579-591.
• [48] Wong, Yee Meng Ta Yeong Wu, Joon Ching Juan. 2014 ”A review of sustainable hydrogen production using seed sludge via dark fermentation”. Renewable and Sustainable Energy Reviews (34): 471-482.
• [49] Wu Li-Jie, Takuro Kobayashi, Yu-You Li, Kai-Qin Xu, 2015. ”Comparison of single-stage and temperature-phased two-stage anaerobic digestion of oily food waste”. Energy Conversion and Management (106) 1174-1182.
• [50] Yadvika, Santosh, Sreekrishnan, T.R., Kohli, S., Rana, V. 2004. ”Enhancement of biogas production from solid substrates using different techniques - a review”. Bioresource Tech. (95): 1-10.
• [51] Zgiep (obecnie Chojnacka Aleksandra), 2008 .”Produkcja wodoru przez bakterie w procesach fermentacyjnych”. Praca magisterska.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).