Badania nad procesem fermentacji metanowej substratów lignocelulozowych

• Autorzy: Antosz Artur

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2024.09.06

Warianty tytułu

EN

Research on the methanogenic fermentation process of lignocellulosic substrates

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W części literaturowej artykułu dokonano rozeznania dotyczącego procesu fermentacji metanowej. Omówiono metody obróbki wstępnej surowców do produkcji biogazu w procesie beztlenowego rozkładu, mające na celu przygotowanie substratów w taki sposób, aby były bardziej odpowiednie do fermentacji anaerobowej. Ponieważ biomasa będąca surowcem do produkcji biogazu charakteryzuje się zróżnicowaniem zarówno pod względem właściwości fizycznych, jak i chemicznych, stosowane są różne metody obróbki wstępnej wsadu. Metody te można podzielić na cztery główne grupy: fizyczne (takie jak rozdrobnienie mechaniczne); fizyko-chemiczne (obejmujące działanie pary wodnej, amoniaku oraz gorącej wody); chemiczne (takie jak obróbka kwasowa, zasadowa); biologiczne (zakiszanie substratów, wykorzystanie organizmów o zdolnościach lignolitycznych, np. grzybów białej zgnilizny (Basidiomycota) i brunatnej zgnilizny (Deuteromycota) lub enzymów). Bardzo obiecujące są metody biologiczne, opisane w literaturze branżowej, szczególnie pod względem przeróbki w biogazowniach trudno rozkładalnych substratów lignocelulozowych. Część doświadczalna pracy obejmowała próby otrzymania surowego biogazu z zastosowaniem skonstruowanej we własnym zakresie instalacji laboratoryjnej, umożliwiającej prowadzenie procesu fermentacji metanowej. Przeprowadzono dwie próby wytwarzania biogazu. Pierwsza z nich, stanowiąca próbę odniesienia, została wykonana z zastosowaniem przerabianego w warunkach przemysłowych substratu będącego odpadem powstającym podczas produkcji FAME (ang. fatty acid methyl esters – estry metylowe kwasów tłuszczowych). Podczas drugiej próby zastosowano surowiec składający się w 40% z kosubstratu lignitowego stanowiącego odpad z produkcji bioetanolu II generacji ze słomy, pozostałe 60% stanowił substrat główny zastosowany w pierwszej próbie. W wyprodukowanym biogazie wykonano pomiar stosunku intensywności pasm FTIR (ang. Fourier-transform infrared spectroscopy) ditlenku węgla do metanu, jak również oznaczono ilość siarki i azotu występującego w związkach azotu z pominięciem azotu cząsteczkowego. Określono ponadto ilość biogazu otrzymanego podczas testów.

EN

In the literature part of the article, a review of the methane fermentation process was conducted. The methods of pretreatment of raw materials for biogas production in the process of anaerobic decomposition were discussed, aiming to prepare the substrates to be more suitable for anaerobic fermentation. Since the biomass used as raw material for biogas production varies significantly in terms of physical and chemical properties, various pre-treatment methods are used. The pre-treatment methods of the feedstock for biogas production can be divided into four main groups: physical (such as mechanical comminution); physico-chemical (involving the action of steam, ammonia, and hot water); chemical (such as acid, alkaline treatment); biological (ensiling substrates, utilizing organisms with lignolytic activities, e.g., white and brown rot fungi or by using enzymes). Biological methods described in the industry literature are very promising, especially in terms of processing difficult-to-degrade lignocellulosic substrates in biogas plants. The experimental part of this work included trials of obtaining raw biogas in a laboratory installation constructed in-house, enabling the process of methane fermentation. Two biogas production trials were conducted. The first trial, serving as a reference for the next one, was performed using a substrate processed under industrial conditions, which was waste generated during the production of FAME (Fatty Acid Methyl Esters). In the second trial, a raw material consisting of 40% of a lignitic cosubstrate, which was waste from the production of second-generation bioethanol from straw, was used; the remaining 60% was the main substrate used in the first trial. Measurements of the ratio of the FTIR band intensities of carbon dioxide to methane were performed in the produced biogas samples, and the sulfur and nitrogen content in nitrogen compounds, excluding molecular nitrogen, was determined. The quantity of biogas obtained during the tests was also determined.

Słowa kluczowe

PL

biogaz; fermentacja metanowa

EN

biogas; methane fermentation

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 80, nr 9
• Strony: 581--591
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., rys.

Twórcy

autor

Antosz Artur

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Bauer A., Leonhartsberger C., Bosch P., Amon B., Friedl A., Amom T., 2010. Analysis of methane yields from energy crops and agricultural by-products and estimation of energy potential from sustainable crop rotation systems in EU-27. Clean Technologies and Environmental Policy, 12: 153–161. DOI: 10.1007/s10098-009-0236-1.
• Belay N., Boopathy R., Voskuilen G., 1997. Anaerobic Transformation of furfural by Methanococcus deltae (Delta) LH. Applied and Environmental Microbiology, 63(5): 2092–2094. DOI: 10.1128/aem.63.5.2092-2094.1997.
• Bruni E., Jensen A.P., Angelidak I., 2010. Comparative study of mechanical, hydrothermal, chemical and enzymatic treatments of digested biofibers to improve biogas production. Bioresource Technology, 101(22): 8713–8717. DOI: 10.1016/j.biortech.2010.06.108.
• Cammarota M.C., Freire D.M.G., 2006. A review on hydrolytic enzymes in the treatment of wastewater with high oil and grease content. Bioresource Technology, 97(17): 2195–2210. DOI:10.1016/j.biortech.2006.02.030.
• Carpita N.C., Gibeau D.M., 1993. Structural models of primary cell walls in flowering plants: consistency of molecular structure with the physical properties of the walls during growth. Plant Journal,3(1): 1–30. DOI: 10.1111/j.1365-313x.1993.tb00007.x.
• Carrerè H., Dumas C., Battimelli A., Batstone D.J., Delgenés J.P.,Steyer J.P., Ferrer I., 2010. Pretreatment methods to improve sludge anaerobic degradability: A review. Journal of Hazardous Materials, 183: 1–15. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2010.06.129.
• Czapiewska G., 2010. Rola biogazowni rolniczych w rozwoju energetyki odnawialnej. [W:] Brodziński Z., Karman M., Sławomirski A. (red.). Energia odnawialna wizytówką nowoczesnej gospodarki. Wydawnictwo Adam Marszałek, Toruń.
• Davidsson Å., Gruvberger Ch., Christensen T.H., Hansen T.L., Jansen J.C., 2007. Methane yield in source-sorted organic fraction of municipal solid waste. Waste Management, 27(3): 406–414. DOI: 10.1016/j.wasman.2006.02.013.
• Dien B.S., Li X.-L., Iten L.B., Jordan D.B., Nichols N.N., O’Bryan P.J., Cotta M.A., 2006. Enzymatic saccharification of hot-water pretreated corn fiber for production of monosaccharides. Enzyme and Microbial Technology, 39(5): 1137–1144. DOI: 10.1016/j.enzmictec.2006.02.022.
• Estevez M.M., Linjordet R., Morken J., 2012. Effects of steam explosion and co-digestion in the methane production from salix by mesophilic batch assays. Bioresource Technology, 104: 749–756. DOI: 10.1016/j.biortech.2011.11.017.
• Gerhardt M., Pelenc V., Bäuml M., 2007. Application of hydrolytic enzymes in the agricultural biogas production: results from practical applications in Germany. Biotechnol Journal, 2(12):1481–1484.DOI: 10.1002/biot.200700220.
• GUS, 2022. Energia ze źródeł odnawialnych w 2020 roku. Główny Urząd Statystyczny, Warszawa. <https://stat.gov.pl/obszary-tematyczne/srodowisko-energia/energia/energia-ze-zrodel-odnawialnych-w-2020-roku,3,15.html> (dostęp: 09.2023).
• Hammel K.E., 1997. Fungal degradation of lignin. [W:] Cadisch G., Giller K.E. (eds.). Driven by Nature: Plant Litter Quality and Decomposition. CAB International, Wallingford: 33–45.
• Hendriks A.T., Zeeman G., 2009. Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology, 100(1): 10–18. DOI: 10.1016/j.biortech.2008.05.027.
• Holewa J., Kukulska-Zając E., Pęgielska M., 2012. Analiza możliwości wprowadzenia biogazu do sieci przesyłowej. Nafta-Gaz, 68(8): 523–529.
• Kuijk S.J.A. van, Sonnenberg A.S.M., Baars J.J.P., Hendriks W.H., Cone J.W., 2015. Fungal treated lignocellulosic biomass as ruminant feed ingredient: a review. Biotechnol Advances, 33(1):191–202. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2014.10.014.
• Laser M., Schulman D., Allen S.G., Lichwa J., Antal M.J., Lynd L.R., 2002. A comparison of liquid hot water and steam pretreatments of sugar cane bagasse for bioconversion to ethanol. Bioresource Technology, 81(1): 33–44. DOI: 10.1016/s0960-8524(01)00103-1.
• Liers C., Arnstadt T., Ullrich R., Hofrichter M., 2011. Patterns of lignin degradation and oxidative enzyme secretion by different wood and litter-colonizing basidiomycetes and ascomycetes grown on beech-wood. FEMS Microbiology Ecology, 78(1): 91–102. DOI:10.1111/j.1574-6941.2011.01144.x.
• Majewski E., Sulewski P., Wąs A., 2016. Potencjał i uwarunkowania produkcji biogazu rolniczego w Polsce. Wydawnictwo SGGW, Warszawa.
• Menon V., Rao M., 2012. Trends in bioconversion of lignocellulose: Biofuels, platform chemicals & biorefinery concept. Progress i Energy and Combustion Science, 38: 522–550. DOI: 10.1016/j.pecs.2012.02.002.
• Monlau F., Barakat A., Steyer J.P., Carrere H., 2012. Comparison of seven types of thermo-chemical pretreatments on the structural features and anaerobic digestion of sunflower stalks. Bioresource Technology, 102: 241–247. DOI: 10.1016/j.biortech.2012.06.040.
• Mood S.H., Golfeshan A.H., Tabatabei M., Jouzani G.S., Najafi G.H., Gholami M., Ardjmand M., 2013. Lignocellulosic biomass to bioethanol, a comprehensive review with a focus on pretreatment. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 27: 77–93. DOI:10.1016/j.rser.2013.06.033.
• Piskowska-Wasiak J., 2014. Uzdatnianie biogazu do parametrów gazu wysokometanowego. Nafta-Gaz, 70(2): 94–105.
• Ramos L.P., 2003. The chemistry involved in the steam treatment of lignocellulosic materials. Quim Nova, 26: 863–871. DOI: 10.1590/S0100-40422003000600015.
• Sindhu R., Binod P., Pandey A., 2016. Biological pretreatment of lignocellulosic biomass – an overview. Bioresource Technology, 199: 76–82. DOI: 10.1016/j.biortech.2015.08.030.
• Srilatha H.R., Nand K., Babu K.S., Madhukara K., 1995. Fungal pretreatment of orange processing waste by solid-state fermentation for improved production of methane. Process Biochemistry, 30(4): 327–331. DOI: 10.1016/0032-9592(95)87041-5.
• Sun Y., Cheng J., 2002. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review. Bioresource Technology, 83: 1–11. DOI: 10.1016/s0960-8524(01)00212-7.
• Taherzadeh M., Karimi K., 2008. Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production: A review. International Journal of Molecular Sciences, 9(9): 1621–1651. DOI: 10.3390/ijms9091621.
• Tišma M., Planinic M., Bucič-Kojič A., Panjičko M., Zupančič G.D., Zelič B., 2018. Corn silage fungal-based solid-state pretreatment for enhanced biogas production in anaerobic co-digestion with cow manure. Bioresource Technology, 253: 220–226. DOI: 10.1016/j.biortech.2018.01.037.
• Vivekanand V., Ryden P., Horn S.J., Tapp H.S., Wellner N., Eijsink V.G.H., Waldron K.W., 2012. Impact of steam explosion on biogas production from rape straw in relation to changes in chemical composition. Bioresource Technology, 123: 608–615. DOI: 10.1016/j.biortech.2012.06.088.
• Wang J., Yue Z.B., Chen T.H., Peng S.C., Yu H.Q., Chen H.Z., 2010. Anaerobic digestibility and fiber composition of bulrush in response to steam explosion. Bioresource Technology, 101(17):6610–6614. DOI: 10.1016/j.biortech.2010.03.086.
• Wiese J., Kujawski O., 2006. Biogaz zyskuje na znaczeniu. Czysta Energia, 10: 1–4.
• Wojtkowiak-Gębarowska E., 2006. Mechanizmy zwalczania fitopatogenów glebowych przez grzyby z rodzaju Trichoderma. Postępy Mikrobiologii, 45(4): 261–273.
• Xu G., Fan S., Zhang B., Liu J., 2012. Anaerobic fermentation characteristics of corn straw pretreated by steam explosion. Nongye Gongcheng Xuebao/Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 28(13): 205–210. DOI: 10.3969/j.issn.1002-6819.2012.13.033.
• Zhang L., Loh K.C., Zhang J., 2019. Enhanced biogas production from AD of solid organic wastes: current status and prospects. Bioresource Technology Reports, 5: 280–296. DOI: 10.1016/j.biteb.2018.07.005.
• Zheng Y., Zhao J., Xu F., Li Y., 2014. Pretreatment of lignocellulosic biomass for enhanced biogas production. Progress in Energy and Combustion Science, 42: 35–53. DOI: 10.1016/j.pecs.2014.01.001.
• Ziemiański K., Romanowska I., Kowalska M., 2012. Enzymatic pretreatment of lignocellulosic wastes to improve biogas production. Waste Management, 32(6): 1131–1137. DOI: 10.1016/j.wasman.2012.01.016.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025).