Download Összefoglaló formai követelményei

Gáznemű energiahordozók biotechnológiai előállításának
perspektívái
Biotechnological perspectives of producing gaseous energy carriers
Rákhely Gábor, Kovács L. Kornél
Szegedi Tudományegyetem Biotechnológiai Tanszék
MTA Szegedi Biológiai Központ Biofizikai Intézet
6726 Szeged, Közép fasor 52.
Summary
The energy consumption of mankind and the currently available energy sources will be imbalanced in the
near future if new technologies based on alternative renewable energy sources will not be developed. The most
potent energy source is the Sun, and there are numerous potential energy carriers to which the energy of the Sun
can be converted. These are biohydrogen, biogas, bioethanol, biodiesel e.t.c. Most of these technologies are
indirect in a sense, that in the first step, the light energy is converted to agricultural products and/or wastes, these
organic materials might be used for production of various energy carriers applying various fermantation
technologies. The technology of the future will be based on energy carriers, which satisfy the following criteria:
environmentally sound, storable, tramsportable, technologically compatible, economically feasible. Ho
The actual choice depends on these parameters and might change in time. Nowadays, the bioethanol, biodiesel
and biogas technology satisfy most of the criteria, therefore energy plants producing either biogas, biodiesel or
bioethanol were built up worldwide. However, the cleanest energy carrier is the hydrogen, since its burning leads
to the formation of pure water.
Direct conversion of sunlight to biohydrogen can be principally achieved by photosynthetic microbes
having hydrogen evolving enzymes, like hydrogenase or nitrogenase. However, these enzymes are ususally very
sensitive to oxygen, therefore simultaneous photosynthesis and hydrogen production can not be performed by
oxic phototrophic microbes. The usage of anaerobic photosynthetic bacteria might eliminate this problem, but in
this case – in addition to solar energy – a sort of electron source should be available. Few purple (sulfur)
photosynthetic microbes have complex hydrogen metabolism with the participation of NiFe hydrogenases and
nitrogenases. They can evolve hydrogen from various organic sources, like lactate or acetete or sulfur
compounds. One remarkable representative of these is Thiocapsa roseopersicina, which – as a world recorder –
contains five distinct NiFe hydrogenase and at least one nitrogenase. The strain is able for direct utilization of
light energy for hydrogen evolution.
In the indirect biohydrogen producing strategies first, the light energy is captured by photosynthetic
organisms and converted into various kinds of biomass, like energy crops, agricultural, industrial or commercial
wastes. These – usually polymeric - materials of high energy contents can be converted/hydrolyzed into small
units which can be used by fermentative microbes for hydrogen production. A two-stage fermentation system
has been constructed to test and demonstrate the feasibility of biohydrogen generation from keratinrich biowaste.
A novel aerobic Bacillus strain (Bacillus licheniformis KK1) has been isolated, which was employed to convert
keratin-containing biowaste resulting in a fermentation product that is rich in amino acids, peptides. This
product - supplemented with essential minerals - was metabolized by Thermococcus litoralis, an anaerobic
hyperthermophilic archaeon. T. litoralis grew on the keratin hydrolysate and produced hydrogen gas as a
physiological fermentation byproduct.
The direct and indirect strategies are combined in the frame of EU FP6 programme. The novel approach
in HYVOLUTION is based on a combined bioprocess employing thermophilic and phototrophic bacteria, to
provide the highest hydrogen production efficiency. The process starts with the conversion of sugar polymer
based biomass of plant origin to make a suitable feedstock for the bioprocess. The subsequent bioprocess is
optimized in terms of yield and rate of hydrogen production through integrating fundamental and technological
approaches.
Hydrogen producing microbes are indispensable participants of biogas formation. It is shown that the
biogas formation rate can be intensified by involvement of externally added hydrogen producing microbe either
at mesophilic or thermophilic conditions. The enhanced biogas production could be demosntrated at laboratory
and small-scale unit level.
Absztrakt
Az emberiség energiafelhasználása és a jelenleg rendelkezésre álló energiaforrások egyensúlya a
közeljövőben fel fog borulni, ha nem fejlesztenek ki új technológiákat, melyek alternatív megújuló
energiaforrásokon alapulnak. Számos olyan fontos energiahordozó létezik, melyekké - a legígéretesebb
energiaforrás – a Nap energiája átalakítható. Ilyenek: a biohidrogén, biogáz, bioetanol, biodízel stb. A legtöbb
technológia közvetett abban az értelemben, hogy első lépésként a fényenergia alakul át mezőgazdasági termékké
vagy hulladékokká és ezek a szerves anyagok használhatók fel különböző energiahordozók előállítására
megfelelő fermentációs technológiák alkalmazásával. A jövő technológiája olyan energiahordozókon alapul,
melyek megfelelnek a következő szempontoknak: környezetbarát, tárolható, szállítható, technológiailag
illeszthető, gazdaságilag megvalósítható. Az aktuális választást, mely az idők során változhat, ezek a
paraméterek határozzák meg. Napjainkban a bioetanol, a biodízel és a biogáz technológiája a legfejlettebb,
számos biogáz, biodízel és bioetanol üzemet építettek és építenek mostanában. Mindazonáltal a legtisztább
energiahordozó a hidrogén, hisz égetése során csak tiszta víz képződik.
A fényenergia elvben közvetlenül is hidrogénné alakítható olyan fotoszintetikus mikróbák segítségével,
melyeknek vannak hidrogén fejlesztő enzimei, mint pl. hidrogenáz vagy nitrogenáz. Azonban ezek az enzimek
általában igen érzékenyek oxigénre, ezért az aerob fotoszintézissel párhuzamosan hidrogén nem termeltethető.
Mindazonáltal anaerob fotoszintetikus mikróbákkal ez a probléma kiküszöbölhető. Ebben az esetben azonban
nap energiáján kívül valamilyen elektronforrást is kell biztosítani a hidrogén termeléshez. Számos bíbor (kén)
fotoszintetikus baktériumnak komplex hidrogén metabolizmusa van, melyben NiFe hidrogenázok illetve
nitrogenázok vesznek részt. Illye mikroorganizmusok különféle szerves vegyületekből, mint pl. laktát/acetát
vagy redukált kénvegyületekből képesek hidrogént előállítani. Ezeknek a sejteknek egy figyelemre méltó
képviselője a Thiocapsa roseopersicina BBS, mely – világrekorderként – öt NiFe hidrogenázt és legalább egy
nitrogenázt tartalmaz.
A közvetett biohidrogént termelő stratégiákban első lépcsőben a fényenergiát fotoszintetikus
organizmusok segítségével valamilyen típusú biomasszává alakítjuk. Ilyenek lehetnek az energianövények,
mezőgazdasági és háztartási hulladékok. Ezeket a magas energiatartalmú, ámde az esetek többségében polimer
anyagokat először olyan egységekké kell bontani, hidrolizálni, amelyekből a fermentatív mikróbák már képesek
hidrogént termelni.
Egy kétlépcsős fermentációs rendszert fejlesztettünk ki keratintartalmú biológiai hulladékok
biohidrogénné történő alakítására. Az általunk izolált Bacillus (Bacillus licheniformis KK1) törzs segítségével a
keratintartalmú hulladékot peptidekben és aminosavakban gazdag termékké fermentáltuk. Ezt a fermentlevet –
esszenciális nyomelemekkel kiegészítve – a hipertermofil archaebaktérium, Thermococcus litoralis képes volt
metabolizálni és a törzs keratinhidrolizátumon nevelve jelentős mennyiségű hidrogént termelt.
A direkt és indirekt közelítést kombináljuk az EU 6. keretprogram egy pályázatában. A
HYVOLUTION-nak keresztelt új megközelítés egy kombinált biológiai folyamaton alapszik, melyben termofil
és fotoszintetikus baktériumokat használunk a maximális hidrogén kitermelés érdekében. A folyamat növényi
eredetű cukor polimerek fermentálható tápoldattá való konverziójával kezdődik. A következőkben több lépcsős
integrált technológiai megközelítést alkalmazunk a hidrogén termelés folyamatának optimalizálásához.
A hidrogén termelő mikroorganizmusok a biogáz képzésének elengedhetetlen komponensei. Általában a
hidrogén a biogázban nincs jelen, ezért feltételezhető, hogy a hidrogénképződés sebességmeghatározó lépés.
Ebből következően hidrogéntermelő mikróba adagolásával a biogáz képződésének sebessége növelhető. A
megnövekedett biogáz termelést demonstráltuk laboratóriumi és félüzemi szinten mezofil és termofil
körülmények között.