V první etapě projektu byla realizována konstrukce laboratorního bioreaktoru pro potřeby testování bakteriálních kmenů schopných degradovat nativní celulózu za účelem odstraňování odpadních materiálů typu celulózy a produkce bioplynu. Součástí první etapy byla také optimalizace, monitoring, kalibrace a intenzifikace nového systému. Před zahájením vlastního návrhu bioreaktorů byly prostudovány dostupné literární zdroje a zpracována stručná rešerše. Dle vypracované dokumentace byla zkonstruována baterie čtyř temperovatelných, laboratorních bioreaktorů vhodných pro testování procesů anaerobní digesce. Byl vypracován a odzkoušen systém měření, který je schopen monitorovat jak množství vyvíjeného bioplynu, tak i jeho kvalitu. Dále byl proveden zkušební provoz laboratorních fermentorů. V průběhu zkušebního provozu byl proveden test vhodnosti a využitelnosti rostlinného materiálu s obsahem celulozy (tzv. makoviny po extrakci – odpad z farmaceutického průmyslu) pro anaerobní digesci za účelem produkce bioplynu. Ze závěrečného hodnocení provedených experimentů vyplynulo, že navržené bioreaktory jsou s úspěchem schopny fungovat jako model BPS v laboratorním měřítku.
Druhá etapa projektu se týkala návrhu a konstrukce poloprovozního bioreaktoru (poloprovozní biozplyňující jednotky). V průběhu etapy byl zkonstruován poloprovozní bioreaktor pro potřeby testování vybraných mikrobiálních kmenů schopných degradovat nativní celulózu za účelem odstraňování odpadních materiálů typu celulózy a produkce bioplynu. Součástí druhé etapy byla také optimalizace, monitoring, kalibrace a intenzifikace nového systému. Před zahájením vlastního návrhu bioreaktoru byly prostudovány dostupné literární zdroje a zpracována stručná rešerše. Dle vypracované dokumentace byl zkonstruován poloprovozní temperovatelný bioreaktor o celkovém objemu 330 l, který je vhodný pro testování procesů anaerobní digesce. Dále byl vypracován a odzkoušen systém měření, který je schopen monitorovat jak množství vyvíjeného bioplynu, tak i jeho kvalitu. Byl proveden zkušební provoz poloprovozního fermentoru. V průběhu zkušebního provozu proběhl test vhodnosti a využitelnosti rostlinného materiálu s obsahem celulózy – konkrétně amarantu - pro anaerobní digesci za účelem produkce bioplynu. Ze závěrečného hodnocení provedených experimentů vyplynulo, že navržený bioreaktor je s úspěchem schopen fungovat jako model BPS ve zmenšeném měřítku a testovat rostlinné materiály na bázi celulózy. V průběhu zkušebního provozu bylo vyhodnoceno, že amarant je vhodnou surovinou pro zpracování procesem anaerobní digesce. Je však nutné počítat s mírně prodlouženou dobou zdržení v BPS, která je nutná k jeho rozkladu a maximalizaci výtěžku bioplynu.
V třetí etapě projektu byly bioreaktory použity pro selekci technologicky nejvhodněji disponovaného mikroorganismu schopného předupravit vybrané polymerní materiály takovým způsobem, aby byla kladně ovlivněna následná produkce bioplynu. Jinými slovy jedná se o nalezení takového prokaryotního či eukaryotního taxonu, který díky své metabolické činnosti zpřístupní jinak značně odolné materiály na bázi lignocelulosy mikroorganismům participujícím na procesu tvorby bioplynu.
V průběhu aerobní hydrolýzy lignocelulosových materiálů byly použity čtyři substráty ze zemědělského a dřevozpracujícího průmyslu obsahující celulosu:
1.) Makovina
2.) Odpadní papír
3.) Sláma
4.) Piliny z měkkého dřeva.
Pro srovnání účinnosti biologické hydrolýzy lignocelulosových materiálů pro tvorbu bioplynu byl proveden rozsáhlý screening v laboratorních podmínkách zaměřený na porovnání produkce bioplynu z těchto 4 typů substrátů předupravených metabolickým působením 3 různých mikroorganismů s prokazatelnými celulolytickými schopnostmi. Jednalo se o jednoho zástupce prokaryontních mikroorganismů – dosud neidentifikovanou bakterii Tur 3 (pracovní název), pocházející z vlastní sbírky společnosti EPS, s.r.o. a dva zástupce eukaryot. Tyto dva taxony byly vybrány na základě experimentů, které byly v rámci tohoto projektu provedeny na VŠCHT. Jednalo se o kvasinku Trichosporon cutaneum a plíseň Trichoderma reesei.
V současnosti je pro řadu biotechnologií dominantní nákladovou položkou substrát. Jako cenově nejpřijatelnější se jeví tzv. “lower-value” substráty jako jsou např. lignocelulosové materiály, které nabízejí skvělé možnosti pro redukci produkčních nákladů. Lignocelulosová biomasa je tvořena zejména tvrdým a měkým dřevem, travní hmotou a rezidui ze zemědělství. Dále sem řadíme odpadní papír, městské pevné odpady apod.
Biologická konverze lignocelulos na biotechnologicky použitelné produkty vyžaduje:
1.) delignifikační krok, který „osvobodí celulosu a hemicelulosu z jejich komplexu s ligninem,
2.) následuje depolymerizační krok, kdy se polymerní uhlovodíky přemění na volné cukry,
3.) nakonec fermentační krok.
Klíčovým procesem je delignifikace. V minulých dvou dekádách byla pozornost věnována termálním, mechanickým, chemickým a v neposlední řadě i enzymovým způsobům delignifikace. Jiný možný přístup, ke kterému jsme v našem projektu přistoupili i my, spočívá v biologickém rozkladu lignocelulosových materiálů, jehož výhodou jsou mírné reakční podmínky, vyšší výtěžnost procesu, menší požadavky na spotřebu energie a odolnost bioreaktoru (z hlediska tlaku a koroze).
Cílem jakkoliv koncipovaných předúprav lignolytických substrátů je zpřístupnění sacharidových jednotek lignocelulosového komplexu enzymovému aparátu mikroorganismů s produkčním, biotransformačním či jinak zužitkovatelným potenciálem. Právě z důvodů nižších provozních a pořizovacích nákladů se dostávají tyto metody do popředí zájmu.
Z výsledků projektu vyplývá, že jsme nalezly dva eukaryotní taxony se schopnostmi rozkládat polymerní materiály na bázi celulosy. Jedná se o kvasinku Trichosporon cutaneum a plíseň Trichoderma reesei. Oba uvedené kmeny jsou schopny v průběhu 4 až 6 týdenní kultivace naštěpit takové množství lignocelulosového materiálu, že při jeho zpracování v biozplyňující jednotce dojde k intenzifikaci produkce bioplynu o cca 1 až 10 %. V průběhu experimentů bylo zjištěno, že lze pracovat jak se submerzním systémem, tak i s mikroorganismy ve formě biofilmu, které kolonizují příslušný substrát.
Z těchto výsledků vyplývá, že předúprava polymerních substrátů s obsahem lignocelulosy je velmi důležitým krokem umožňujícím intenzifikovat následné biotechnologické postupy a ekonomicky zužitkovat dosud opomíjené typy substrátů.
Způsob kontroly a hodnocení postupu řešení projektu a dosažených výsledků bylo prováděno podle zavedených laboratorních metodických postupů v souladu s firemními SOP; v konkrétních případech byla vhodná metoda přizpůsobena konkrétním potřebám experimentální práce. Hodnocení postupu řešení projektu a dosažených výsledků bylo provedeno použitím statistických metod správné laboratorní praxe.
