Rodzaj projektu:
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju ze środków budżetu Państwa
Nazwa programu:
BIOSTRATEG 2
Nazwa projektu:
„Przetwarzanie biomasy odpadowej w skojarzonych procesach biologiczno-chemicznych”
Nr projektu:
BIOSTRATEG2/296369/5/NCBR/2016
Kierownik projektu:
dr inż. Katarzyna Kotarska
Termin realizacji:
01.04.2016-31.05.2020
Wnioskodawca projektu:
Politechnika Łódzka
Skład konsorcjum:
Uniwersytet Łódzki,
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski,
Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego im. prof. Wacława Dąbrowskiego,
Instytut Ogrodnictwa,
EKSPERT-SITR,
Okręgowy Ośrodek Rzeczoznawstwa i Doradztwa Technicznego (NOT),
Krajowa Spółka Cukrowa S.A.
Wartość dofinansowania:
1 012 975 ZŁ
Całkowity koszt inwestycji:
29 591 845 ZŁ
Przetwarzanie biomasy odpadowej w skojarzonych procesach biologiczno-chemicznych
Krótki opis projektu: (Cel projektu, zadania, grupy docelowe, efekty projektu)
Celem bezpośrednim projektu jest stworzenie modelowego systemu przetwarzania biomasy odpadowej, ukierunkowanego na jej przewarzanie do cennych bioproduktów i związków chemicznych z grupy green chemicals o dużym potencjale rynkowym. Instytut realizuje zadanie 2 i 5.
Celem zadania 2 była optymalizacja parametrów hydrolizy termicznej i ciśnieniowej biomasy lignocelulozowej różnego pochodzenia surowcowego, przy wykorzystaniu m.in. reaktora wysokociśnieniowego. Badano wpływ zastosowania różnych preparatów enzymatycznych na stopień redukcji polisacharydów, wydajność hydrolizy oraz poziom zwiększenia ilości monosacharydów
po hydrolizie enzymatycznej.
Celem zadania 5 było opracowanie składu bionawozów przy wykorzystaniu pofermentów uzyskanych
z procesu fermentacji metanowej i dodatku składników mineralno-biologicznych a następnie przeprowadzenie szeregu analiz weryfikujących ich przydatność nawozową. W oparciu o doświadczenia w warunkach polowych badano wpływ uzyskanych nawozów, m.in. na plon świeżej i suchej masy oraz dynamikę wzrostu topinamburu.
W zadaniu 2 zakończono badania dotyczące analizy degradacji polisacharydów zawartych
w odpadowych surowcach lignocelulozowych przy wykorzystaniu różnych preparatów enzymu celulazy. Przeprowadzono także badania fermentacji alkoholowej słomy sorgo, poddanej termohydrolizie oraz hydrolizie enzymatycznej. Badania nad otrzymaniem etanolu z substratu lignocelulozowego przeprowadzono w oparciu o metodę SHF (Separate Hydrolysis and Fermentation), w której stosuje się rozdzielenie hydrolizy enzymatycznej polisacharydów od fermentacji cukrów. Oznaczona wydajność alkoholowa weryfikowała efektywność degradacji polisacharydów do monosacharydów podlegających fermentacji alkoholowej. Wyniki pomiarów stężenia alkoholu z fermentacji biomasy lignocelulozowej, posłużyły do obliczenia wskaźników biotechnologicznych procesu, takich jak: wydajność etanolu z celulozy [dm3 A100/100 kg celulozy], szybkość właściwa fermentacji [cm3 A100/kg celul. x h], produktywność fermentacji [cm3 A100/ dm3 zacieru x h] i sprawność fermentacji [%].
Przeprowadzono także szereg badań dotyczących rozkładu struktury lignocelulozowej, przy wykorzystaniu reaktora wysokociśnieniowego. Zastosowano zmienne warunki ciśnienia, m.in. 2, 6, 10, 20 bar przy stałej temperaturze reakcji, tj. ok. 100°C. W biomasie lignocelulozowej poddanej reakcji termociśnieniowego rozkładu oznaczano pohydrolityczną zawartość celulozy, hemicelulozy oraz ligniny.
W zadaniu 5 w 2019 roku przebadano pod kątem wartości nawozowej pofermenty uzyskane
ze zbiogazowania substratów różnego pochodzenia surowcowego, w tym biomasy zawierającej strukturę lignocelulozową. Do substratów tych należała kiszonka z kukurydzy, kiszonka z topinamburu i sorgo, kiszonka z wysłodków buraczanych, glony, gnojowica bydlęca oraz wywar gorzelniczy. Przeprowadzone prace badawcze dotyczyły, m.in. analizy składu fizykochemicznego pofermentów, przeprowadzenie procesu rozdziału na frakcję stałą i ciekłą w celu oznaczenia właściwości sorpcyjnych. Przefermentowana materia organiczna, jaką jest masa pofermentacyjna charakteryzowała się wysoką zawartością składników pokarmowych w formach mineralnych, bezpośrednio dostępnych dla roślin. Dotyczy to przede wszystkim azotu, gdzie forma amonowa (N-NH4) stanowiła nawet ok. 80% azotu ogólnego.
Opracowanie składu bionawozów doglebowych opierało się na wzbogacaniu pofermentów pochodzących z procesu fermentacji metanowej w składniki mineralno-organiczne poprawiające właściwości gleby (dopuszczone do stosowania w rolnictwie ekologicznym na terenie Unii Europejskiej). Składniki te podnosiły wartość nawozową pofermentów będąc dodatkowym źródłem wapnia i azotu. Uzyskane bionawozy przebadano pod kątem fizykochemicznym oraz sorpcyjnym a następnie przeprowadzono badania polowe. Glebę na poletkach nawieziono wiosną bionawozami, których receptura opracowana została w Zakładzie. Zgodnie z planem badań nawozy aplikowano w różnych dawkach z określonymi składnikami mineralno-organicznymi.
W zadaniu 2 przeprowadzone badania pozwoliły na dobór optymalnych warunków termociśnieniowego rozkładu biomasy różnego pochodzenia surowcowego. Na podstawie wyników doświadczeń dotyczących wstępnego traktowania surowców lignocelulozowych w różnych warunkach technologicznych stwierdzono, że najwyższą wydajność uwalnianych cukrów redukujących po hydrolizie enzymatycznej substratów – uzyskano po jego obróbce przy wykorzystaniu hydrolizy ciśnieniowo-termicznej w środowisku alkalicznym (wodorotlenek wapnia). Jej skuteczność w znacznym stopniu uzależniona była od poziomu rozdrobnienia surowca, doboru ciśnienia i temperatury, co miało wpływ na efektywność przemian zachodzących w kompleksie lignocelulozowym.
Stosowanie obróbki chemicznej surowca zawierającego strukturę lignocelulozową powoduje powstawanie szeregu związków, które wpływają toksycznie na mikroorganizmy wykorzystywane do produkcji bioetanolu. W ramach projektu opracowana została metoda usuwania inhibitorów fermentacji. Włączenie do obróbki wstępnej procesu detoksykacji surowca pozwoliło na uzyskanie wyższej produktywności i wydajności alkoholu.
Na podstawie uzyskanych wyników badań stwierdzono także korelację pomiędzy stosowanymi preparatami enzymatycznymi podczas hydrolizy enzymatycznej surowca lignocelulozowego a ilością wyprodukowanego etanolu. Uzyskanie wysokiego stopnia rozkładu polisacharydów do cukrów prostych poprzez dobór enzymów pod kątem ich synergicznego działania pozwoliło na efektywny przebieg fermentacji alkoholowej.
W zadaniu 5 przeprowadzone badania pozwoliły na ocenę pofermentów, uzyskanych ze zbiogazowania surowców należących do tzw. drugiej generacji pod kątem wykorzystania ich na cele nawozowe, jako źródło materii organicznej oraz substancji pokarmowych dla roślin. W ramach realizowanego zadania opracowany został skład bionawozów na bazie ww. pofermentów z dodatkiem składników mineralno-organicznych. Uzyskane w ten sposób nawozy o cennych właściwościach fizykochemicznych dla potrzeb roślinnych stwarzają możliwość podnoszenia wartości nawozowej pofermentów oraz poprawy składu i sorpcyjności gleby, zmniejszając tym samym zapotrzebowanie na nawozy mineralne i emisję GHG związaną z ich produkcją.
Wprowadzanie ww. bionawozów do gleby poprawi strukturę, zwiększy aktywność mikroorganizmów glebowych oraz poprawi przyswajalność składników pokarmowych w glebie. Oznaczone metale ciężkie (Zn, Pb, Cd) w nawozach we wszystkich wariantach badań spełniały wymagania ilościowe na dopuszczalne ilości zanieczyszczeń określonych w Rozporządzeniu Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi odnoszących się do nawozów organicznych i organiczno-mineralnych wspomagających uprawę roślin. Nawóz z dodatkiem składników zwiększających ilość wapna nie wykazuje negatywnych cech wapna palonego w procesie odkwaszania gleby. W związku z czym nadaje się do stosowania na glebach bardzo lekkich i lekkich, gdzie nie wskazane jest stosowanie wapna palonego tlenkowego ze względu na jego szkodliwy wpływ na właściwości gleby i roślin.
Wykorzystanie uzyskanych wyników:
– Publikacja: Kotarska K., Dziemianowicz W., Świerczyńska A.: Study on enzymatic hydrolysis
of polysaccharides in sorghum straw and conversion of monosaccharides to ethanol. Przemysł Chemiczny, 2018, 97, 12, 2189-2191.
– Planowane jest zgłoszenie patentowe w kolejnym roku realizacji projektu.