Ugrás a tartalomhoz

Environmental management

Prof. Tamás János, Prof. Blaskó Lajos (2008)

Debreceni Egyetem a TÁMOP 4.1.2 pályázat keretein belül

4. fejezet - 6. A biogáztermelés mikrobiológiológiája

4. fejezet - 6. A biogáztermelés mikrobiológiológiája

6.1. A mikrobiológiai folyamatokban résztvevő szervezetek

A résztvevő szervezeteket nem mikrobiológiai taxonok alapján tárgyaljuk, hanem a biogáztermelést meghatározó folyamatokban betöltött szerük alapján.

A különböző fázisokhoz eltérő mikroba csoportok köthetőek (Dueblein és Steinhauser, 2008). A természetben ez több tucat mikroorganizmus összehangolt működését jelenti, minden egyes fajnak meghatározott szerep jut a bonyolult elágazási lehetőségeket is tartalmazó lebontási útvonalban Kovács és Bagi (2007). Az anaerob lebontás során a baktériumok a közbülső metabolikus anyagcsere termékek további átalakításán alapuló kölcsönös partneri viszonyát szintrófikus együttműködésnek nevezzük. A szintrófizmus a szimbiózis speciális esete, amikor a baktériumok különböző típusai egy bizonyos szubsztrát lebontásának metabolit termékeitől és részfolyamatok energetikai viszonyaitól függenek. Szintrófikus hatá bemutatására példaként a zsírsavakat fermentációs úton oxidáló szervezetek és a hidrogént oxidáló metanogén baktériumok együttműködése kínálkozik. A szintrófikus folyamatban két különböző baktérium faj bont egy szubsztrátot és úgy konzerválja az energiát, hogy külön-külön az egyik faj sem tudja bontani az adott szubsztrátot. Az anaerob folyamatban ez úgy jelenik meg, hogy az egyik faj hidrogént termel és a mások faj a keletkezett hidrogént a következő reakciónál felhasználja. Ezt nevezik szintrófikus vagy fajok közötti hidrogén transzfer folyamatnak (5.17. ábra).

6.1.Ábra. Az etanol lebontás szintrófikus útja (Brock et al., 2006. alapján)

Brock és munkatársai (2006) nyomán a nem-szintrófikus metántermelő és a szintrófikus baktériumok együttműködését a 6.2. ábra mutatja.

6.2.Ábra. Nem-szintrófikus metántermelő és a szintrófikus baktériumok együttműködése (Brock et al., 2006. alapján)

A cellulóz metánná és széndioxiddá történő anaerob lebontásához négy különböző baktérium csoport – elsődleges, másodlagos fermentációt végző baktériumok és még a két metanogén baktérium faj- együttműködése szükséges. Pesti (2005) szerint a metánfermentáció két lépésben zajlik le. Az első fázisban különféle fakultatív és obligát anaerobikus baktériumok a szerves anyagok fehérje-, szénhidrát- és zsírtartalmát hidrolízissel és fermentálással zsírsavakká alakítják (savképzők). A második lépésben a szigorúan anaerobikus metánképzők ezeket a zsírsavakat hasznosítják: széndioxidot és metánt termelnek belőlük kétféle reakció segítségével. A biológiai metán-termelést Kovács és Bagi (2007) szerint lényegében három mikrobiológiai tevékenység köré csoportosíthatjuk, amelyek egymásra épülnek és ezért természetes körülmények között nem lehet ezeket egymástól elválasztani. Hulladékok esetében a lebomlás folyamata Christensen-Kjeldsen (1989) szerint öt jellegzetes fázisra osztható fel (6.3. ábra).

6.3. ábra. Biogáz összetételének változása az erjesztés különböző szakaszaiban I. aerob szakasz; II. anaerob szakasz, savas szakasz; III. anaerob, metános szakasz (instabil); IV. anaerob, metános szakasz (stabil) (Christensen-Kjeldsen, 1989 alapján in: Szabó, 1999).

A fermentációs folyamatot a legtöbb szerző négy meghatározó fázisra bontja fel (Bitton, 1994; Dueblein és Steinhauser, 2008; Tamás, 1998), melyek alapján a 6.4. ábra (Mézes, 2007) szemlélteti az egyszerűsített bomlási ciklust.

6.4. ábra. Az anaerob fermentáció egyszerűsített folyamata (Mézes, 2007).

Az anaerob fermentáció négy lépése:

  1. Hidrolízis: komplex makromolekulák lebomlása monomerekre

  2. Savképződés fázisa: oldható monomerek átalakulása illékony zsírsavakká

  3. Acetogén fázis: esetsav képződés

  4. Metanogén fázis: esetsavból vagy hidrogénből és szén-dioxidból történő metán-termelődés (Bitton, 1994).

1. Hidrolízis: Böhnke et al., (1993) alapján a folyamatban általában a Clostridium spp., Bacillus spp., Pseudomonas spp. vesznek részt. Az anaerob bontás során, a kiindulási anyagok láltalában polimerek (fehérje, zsír, poliszaharidok) vagy ezek származékai. Az első szakaszban fakultatív anaerob baktériumok lebontják a makromolekuláris szerves anyagokat egyszerűbb vegyületekre, oligo-, monomerekre, mint pl.: egyszerű cukor, aminosav, zsírsav és víz (butirát, propionát, laktát és alkoholok). A hidrolízis sebességét korlátozza a sok növényi vázanyag, így a cellulóz, a hemicellulóz és a lignin felhasználása (Kaltschmitt és Hartmann, 2001), melyek közül a lignin bontható le legnehezebben.

2. Savképződés fázisa: Graf (1999) kutatási alapján a fontosabb savképző fakultatív és obligát anaerob baktériumok Clostridium spp., Bacteroides spp., Butyrivibrio spp fajok csoportja. A savképző fakultatív és obligát anaerob baktériumok végzik a további bontási folyamatot, mely során rövid szénláncú szerves savak, Pesti (2005) megfogalmazása szerint C1-C5 molekulák (vajsav, propionsav, acetát, ecetsav), alkoholok, hidrogén és szén-dioxid képződnek. Kovács és Bagi (2007) hozzáfűzik, hogy a baktériumok amellett, hogy hidrogént állítanak elő nagyon érzékenyek a hidrogén koncentrációra, ezért nagyon fontos, hogy a hidrogéntermeléssel arányos legyen a felhasználás. Szabó (1999) szerint csökken a szulfátkoncentráció a folytatódó szulfátredukció révén. A zsírsavak átalakulása a pH és alkalitás (lúgosság) növekedésével jár, ami a kalcium, a vas, a mangán és a nehézfémek oldhatóságának a csökkenését vonja maga után, amelyek később valószínűleg szulfidokként csapódnak ki. Továbbra is szabadul fel ammónia, ami az anaerob környezetben nem alakul.

3. Acetogén fázis: Wenzel, (2002) ebben a folyamatban Clostridium spp. Eubacterium spp. baktériumok szerepét hangsúlyozza: Pesti (2005) megfogalmazása szerint az acetogén baktériumok az előbbiek anyagcsere-végtermékeit a metanogén baktériumok számára alkalmas szubsztrátokká alakítják. Zsírsavak és egyéb szerves savak képződnek, melyek közül a metántermelés szempontjából a legfontosabb az ecetsav. Ebből készítenek ecetsav-baktériumok acetátot, szén-dioxidot és hidrogént (Dueblein és Steinhauser, 2008). Kovács és Bagi (2007) ezen állítást kiegészíti azzal, hogy az acetogének nagyon sokfélék és a környezeti hatásoknak általában ellenállóak. Ez érthető is, hiszen sokféle tápanyagot tudnak hasznosítani, ami a túlélési esélyeiket lényegesen növeli.

4. Metánképződés fázisa: Utolsó lépésben a metanogén mikroorganizmusok (archaeabaktériumok) hatására bekövetkezik a metán-, szén-dioxid- és vízképződés (Bitton, 1994). Kovács és Bagi (2007) megállapították, hogy a természetes úton képződő metánmennyiség kb. 70%-a acetátból, míg Klein és Winter (2000), hogy 30%-a H2 és CO2-ból keletkezik. Szabó (1999) hozzáfűzte, hogy a gázképződés 50-60% metántartalomnál stabilizálódik, ami a zsírsavak és a hidrogén alacsony szinten történő tartását eredményezi. Az acetogének mindkét fő anyagcsere termékére (acetát és hidrogén) tápanyagként szüksége van a metanogéneknek. Visszafelé is igaz a függőség, hiszen az acetogének elpusztulnak, ha a termelt "salakanyagaikat", az acetátot és hidrogént nem fogyasztják el a metanogének. Nem csak az acetogéneknek jó az, ha az acetátot és hidrogént gyorsan és folyamatosan fogyasztják a metanogének, mert ha nem ezt teszik, a felhalmozódó szerves savak a rendszert lesavanyítják. A metanogének nagyon érzékenyek a közeg pH-értékére is, savas pH érték mellett elpusztulnak. A metanogének és acetogének tehát egy nagyon érzékeny, sokoldalú és egymásra utalt együttélést valósítanak meg.

Metanogén baktériumok: Pesti (2005) könyvében a metanogén baktériumokat, sejtmorfológiai alapon négy genuszra osztotta: Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina és Methanospirillium.

6.1. táblázat. Néhány metántermelő baktérium faj szaporodásának optimális hőmérsékleti tartománya

6.5. ábra. Methanocaldococcus jannaschii (http://em-ab.berkeley.edu)

Dublein és Steinhauser (2008) a kb. 50 metanogén törzset 5 rendbe osztotta: Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarciales, Methanopyraceae.

Néhány metántermelő baktérium faj szaporodásának optimális hőmérsékleti tartományát mutatja be a .táblázat, illetve az anaerob fermentáció során leggyakrabban előforduló metanogén baktériumtörzs, a Methanocaldococcus jannaschii-t a 6.6. ábra jeleníti meg.

A 16S rRNS bázisösszetételük alapján elég távoli rokonságban állnak egymással, valószínűleg a filogenezis során egymástól különböző utakon fejlődtek. Közös bennük, hogy valamennyi képes hidrogénen, szén-dioxidon, mint egyedüli szénforráson szaporodni. A szigorúan anaerob metanogén baktériumok sajátos ősi anyagcseretípust képviselnek. Szervetlen vegyületek oxidációs energiájával állítanak elő ATP-t, és mint szénautotrófok szén-dioxidon szaporodnak. Feltehetően a Föld történetében az első kemoautotrófok között voltak. Ma mindenütt előfordulnak, ahol oxigénmentes körülmények uralkodnak, így mocsarakban, iszapokban, állatok belében stb. Pesti (2005).

Mivel a metanogén baktériumok különösen érzékenyek, és lassan szaporodnak, nagyon fontos, hogy számukra az optimális környezeti feltételek, a hőmérséklet és pH biztosítva legyenek, és időben felismerjék és korrigálják a folyamatok instabilitását eredményező egyéb tényezőket, körülményeket.

Kárpáti (2002) a szennyvíziszap rothasztás során szerzett tapasztalatai alapján a következőket fogalmazza meg a metanogén baktériumok szerepével kapcsolatban. A molekuláris oxigén jelenléte toxikus számukra, sőt többféle szervetlen anyag is gátolja a szaporodásukat. Ennek megfelelően az oxigén ilyen formáit ki kell zárni az anaerob rothasztásból. Ez biztonsági szempontból is fontos, hiszen a levegővel a biogáz robbanógáz keveréket képezhet.

A kiegyensúlyozott anaerob rothasztási folyamatok esetén valamennyi baktériumcsoport dinamikus egyensúlyban szaporodik a rendszerben. Többlépcsős kialakítás esetén az egyes lépcsőkben az egyes csoportok dominanciája jelentkezhet. A környezet változása, mint a hőmérséklet, lökésszerű tápanyagterhelés, ezt az egyensúlyt könnyen megbonthatja, és olyan átmeneti termékek felhalmozódását eredményezheti, mint a hosszabb szénláncú zsírsavak és hidrogén, melyek a teljes folyamat inhibícióját, lelassulását eredményezik. Amennyiben az ilyen problémákat nem korrigálják időben, a rothasztó teljesítménye csökken, ami végül annak leállását is eredményezheti.

A fermentációs terekben a mikróbák mennyiségét az eltérő szaporodási és pusztulási viszonyok befolyásolják. Általában megállapítható, hogy a biogáz-termelési folyamatok során is érvenyesülnek a más aerob és anaerob folyamatokban is leírt törvényszerűségek. A produktivitás rátát a termékképződés sebessége, vagyis a produktum koncentrációjának időegység alatti változása írja le, míg a szubsztrátum felvételi ráta alatt az adott tápanyagkomponens sejtbe jutásának sebességét értjük.

Fontos mutató még a generációs (duplázódási) idő (g) így az a t időtartam, ami alatt egy tenyészet egyedszáma (N) a kétszeresére nő. Az eltelt idő (t) és a generációk számának (N) hányadosa.

A klasszikus szaporodási görbét Deák és mtsai. 2006 alapján tárgyaljuk, amelyet összefoglalóan 6.7. ábra mutat be. A szaporodási görbe különböző szakaszokra osztható:

  1. A kezdeti indulási szakasz. A t = 0 időpontban még igen kevés baktérium van jelen. A szaporodás nem azonnal kezdődik, időnek kell eltelnie ahhoz, hogy a baktériumok osztódni tudjanak.

  2. A növekedés kezdetét jelző „lag" szakasz. Ez a szakasz a szaporodás megindulásával jellemezhető. Megváltozik a sejtosztódás sebessége, a szakasz végén a szaporodás eléri ma¬ximumát. A „lag" fázisban nem csak spontán megindul a szaporodás, hanem az osztódás nélküli adaptáció is lejátszódik.

  3. Az igen gyors logaritmikus szakasz. A szaporodási sebesség elérte maximumát ez az exponenciális szaporodás fázisa.

  4. Csökkenő szaporodás fázísa. A baktériumok rendelkezésére álló tápanyag mennyiség csökkenése és a mérgező anyagcsere-termékek szaporodása folytán az új és az elpusztuló baktériumok közti arány csökken.

  5. Állandósult stagnáló szakasz. Beáll a szaporodás és pusztulás közötti egyensúly.

  6. Növekvő pusztulási végszakasz. Az elpusztuló baktériumok száma meghaladja az újonnan születő baktériumokét. A pusztulási arány nő, majd eléri a maximumát.

  7. Logaritmikus pusztulási befejező szakasz. A pusztulási arány elérte maximumát (Szentirmai, 1996).

6.6. ábra. Az egysejtű mikroorganizmusok szakaszos szaporodási görbéje sejtkoncentráció, ---log sejtkoncentráció, I. lappangási (lag), II. gyorsulási, III. exponenciális (logaritmusos), IV. lassulási, V. állandósult (stacionárius), VI. hanyatlási, VII. pusztulási szakasz (Deák et al., 2006)

A bakteriális szaporodás sebessége a logaritmikus fázisban az alábbi egyenlettel fejezhető ki (Herbert, 1964).:

dx/ dt = µx 4. egyenlet

melyből következik:

µ = 1 * dx/ x * dt (h-1) 5. egyenlet

Ahol x - a mikroorganizmus koncentráció, t – az idő, µ - a fajlagos szaporodási sebesség, idő -1-1 (Herbert, 1964).

Az exponenciális szaporodást leíró összefüggés:

6.7.ábra (Deák et al., 2006).

Az acetát képződésnél és a metánképződésnél a biomassza koncentráció időbeni változása:

dX/ dt = D (X0 – X) – kcX + µX 6. egyenlet

ahol X - a mikroorganizmus koncentráció kgm-3; t - az idő, d; D - hígítás mértéke, d-1; Xo - befolyó mikroorganizmus koncentrációja, kgm-3; kc - endogén-pusztulási állandó, d-1; µ - fajlagos szaporodási sebesség, d-1.

A sejtszaporodás magába foglalja a sejtlégzést, a szubsztrátok termékekké történő kon¬verzióját (katabolizmus), amely során energia szabadul fel ATP formájában. A katabolizmus során nyert energia új sejtek szintézisére és az elöregedett sejtek megújítására fordítódik (anabolizmus).

  1. katabolizmus: szubsztrát mikrobiális termékek + energia

  2. anabolizmus: szubsztrát + energia mikroorganizmusok

  3. metabolizmus: szubsztrát mikrobiális termékek + mikroorganizmusok

Általában a mikroorganizmusok metabolizmusa ATP termeléssel párosul. A termelt ATP mennyiségét vonatkoztatva az elfogyasztott szubsztrát mennyiségére, kapjuk az ATP hozam faktort YATP. Ennek megfelelően a biomassza hozam faktort és a termék hozam faktort a következőképpen lehet kifejezni:

Yx/s = ∆X / ∆S 7. egyenlet

Y p/s= ∆P/ ∆S 8. egyenlet

ahol X, S, P a biomassza, szubsztrát és termék mennyisége. Az anaerob biomassza hozamfaktor általában 0,05 - 0,2 g termelt biomassza/g elfogyasztott szubsztrát. A hozam faktorokat kísérleti úton vagy elméletileg lehetett meghatározni a biokémiai re¬akciók sztöchiometriájából (Öllős et al., 2010).

A hanyatló fázis kiváltó okaként több tényező is meghatároztak:

  1. A tápanyag limitáló mennyiségét

  2. A toxikus metabolit termék(ek) jelenlétét

  3. Helyhiányt.

Monod a növekedést egyetlen szubsztrátum limitálja, akkor a specifikus növekedési ráta ezen szubsztrátum koncentrációjának a függvénye. A Jacob-Monod-egyenlet ábrázolása a . ábrán figyelhető meg (Janke, 2008 alapján). Az összefüggést Monod és Michaelis-Menten írta le legkorábban. A fajlagos szaporodási sebesség felírható a Monod-egyenlet alapján:

6.8. ábra

6.9. ábra. Jacob-Monod-egyenlet (Janke, 2008 alapján)

ahol µ - speciális növekedési ráta (g baktérium/ g KOI*d); µmax– speciális növekedési ráta maximuma, ami a S » Ks esetében érhető el és egy állandóval jellemezhető, d-1; [S] – szubsztrátum, tápanyag koncentrációja (mg KOI/L), Ks – a maximális növekedési ráta feléhez tartozó, úgynevezett egyensúlyi szubsztrát koncentráció, fél-telítési állandó (Michaelis-Menten állandó), mely koncentráció (mg KOI/L) értékkel jellemez¬hető.

Az aktuális bakteriális szaporodási sebességre (rx) felírható:

rx= (µmax*[S] / Ks +[S])*X 10. egyenlet

míg a szubsztrát felhasználás vagy lebontási sebessége (vs):

vs =(1/Yx/s) * (µx/s*[S] / Ks +[S])*X 11. egyenlet

Monod-egyenlet nem képes előre megjósolni endogén légzésnek és a sejtlízisnek köszönhető biomassza koncentráció csökkenést. A módosított Monod-egyenlet már számításba vette az endogén légzést és a sejtlízist:

rx = (µmax*[S] / Ks +[S])*X- ke*X 12. egyenlet

ahol, ke - a fajlagos endogén-pusztulási állandó, d-1. Általában a pusztulási állandó kb. a maximális fajlagos szaporodási sebesség 5%-a (Öllős et al., 2010).