Παραγωγή υδρογόνου από καθαρές καλλιέργιες του ινολυτικού βακτηρίου ruminococcus albus σε συνθετικά υποστρώματα και ενεργειακή βιομάζα γλυκού σόργου (Sorghum Bicolor)

Abstract

The aim of the present work was to investigate the process of hydrogen production using pure cultures of fibrolytic bacterium Ruminococcus albus, focusing mainly on the mechanism of the activity. R. albus is an important fibrolytic bacterium of the rumen, where it cohabits with other bacteria and protozoa. R. albus can ferment soluble sugars and also complex carbohydrates, such as cellulose and hemillulose, after breaking them down through the extracellular enzymes it produces. Regardless the initial substrate used a significant amount of hydrogen evolves from the fermentation process. Previous research with pure cultures of R. albus and whole sorghum, sorghum extract and lignocellulosic residues as substrate, lead to very promising hydrogen yields. Moreover, it was shown that sorghum biomass can be used for hydrogen production with high and similar final yields, independent on whether the process takes place in one stage, i.e. when both simple and complex carbohydrates are fermented in the same fermentor, or in two stages i.e. when sorghum extract and extraction residues are fermented separately. Therefore, it is believed that R. albus is very promising for the production of hydrogen from agricultural residues rich in lignocellulosic materials and from energy crops, such as sweet sorghum which contains soluble sugars and complex carbohydrates in almost equal amounts. Sweet sorghum is an annual C4 plant of tropical origin, well-adapted to sub-tropical and temperate regions and highly biomass-productive. Sweet sorghum stalks are rich in sugars, mainly in sucrose that amounts up to 55% of dry matter and in glucose (3.2% of dry matter). They also contain cellulose (12.4%) and hemicelluloses (10.2%). Extraction of free sugars from the stalks is easily achieved by extraction with water at 30°C. After the extraction process a liquid fraction, rich in sucrose, and a solid fraction, containing the cellulose and hemicelluloses, are obtained. The liquid fraction could be directly fermented to hydrogen, whereas the solid fraction should first be hydrolyzed in order to fully exploit the potential of the sorghum biomass for biohydrogen production In order to study the metabolism of bacterium and estimate growth and hydrogen production kinetics, batch and continuous experiments were carried out with glucose as carbon source. Besides glucose pentoses and disaccharides were tested as well, and the growth kinetics on these substrates were estimated.. The main products that were detected in all the cases were acetate, formate, ethanol and hydrogen. Hydrogen yield was generally higher in batch experiments. More specifically glucose experiments showed yields varying between the values 2 and 2.6 mol H2/mol of glucose in batch cultures, while the optimum yield in continuous cultures was 1.07± 017 mol H2/mol of glucose when the hydraulic retention time was 42h. The final hydrogen yield seemed to depend on hydrogen partial pressure, the reducing agent used and the final amount of ethanol.. The production of hydrogen was studied with glucose experiments and was connected via kinetic equations with formate breaking down acid and ethanol production. The other simple substrates that were studied were the pentoses D - and L-arabinose and the D-xylose, the disaccharides cellobiose and sucrose, for which the growth constants were calculated. Subsequently whole sorghum biomass, sorghum extract and lignocellulosic sorghum residues were tested and the experimental results were simulated. The simulations were sufficient in all cases, and hydrogen yields were very promising.

Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η διερεύνηση της δυνατότητας παραγωγής υδρογόνου από καθαρές καλλιέργειες του μικροοργανισμού Ruminococcus albus εστιάζοντας κυρίως στο μηχανισμό της διεργασίας. Ο R. albus είναι ένα ετερότροφο, αυστηρά αναερόβιο βακτήριο που διαβιεί στο πρώτο διαμέρισμα του τετραμερούς στομάχου των μηρυκαστικών, τον κεκρύφαλο (rumen). Αναπτύσσεται καταναλώνοντας τους σύνθετους υδατάνθρακες που φτάνουν εκεί μέσω της πρόσληψης τροφής από το μηρυκαστικό, αφού πρώτα τους υδρολύσει μέσω εξωκυτταρικών ενζύμων που παράγει. Τα προϊόντα της υδρόλυσης είναι απλοί υδατάνθρακες που ζυμώνονται περαιτέρω προς παραγωγή λιπαρών οξέων, αιθανόλης, διοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου. Η ικανότητα παραγωγής υδρογόνου και η τελική απόδοση εξαρτώνται από τις συνθήκες υπό τις οποίες πραγματοποιείται η ανάπτυξη. Ο R. albus πιστεύεται ότι είναι πολλά υποσχόμενος για την παραγωγή υδρογόνου από αγροτικά υπολείμματα που είναι πλούσια σε λιγνοκυτταρινούχα υλικά καθώς και ενεργειακά φυτά , όπως είναι το γλυκό σόργο. Οι βλαστοί του γλυκού σόργου είναι πλούσιοι σε σάκχαρα, κυρίως σακχαρόζη σε ποσοστό έως και 55% επί ξηρής μάζας και γλυκόζη (3.2% επί ξηρής μάζας) που απομακρύνονται εύκολα μέσω της διεργασίας εκχύλισης με νερό. Οι βλαστοί του γλυκού σόργου περιέχουν επίσης μεγάλο ποσοστό κυτταρίνης (12.4%) και ημικυτταρίνης (10.2%). Προκειμένου να μελετηθεί ο μεταβολισμός του βακτηρίου και να υπολογιστούν οι κινητικές σταθερές πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου και αντιδραστήρες συνεχούς τροφοδοσίας (CSTR). Ως πηγές άνθρακα χρησιμοποιήθηκαν διάφορα απλά υδατανθρακικά υποστρώματα καθώς και βιομάζα από το ενεργειακό φυτό Sorghum bicolor (γλυκό σόργο). Τα κύρια προϊόντα που ανιχνεύτηκαν σε όλες τις περιπτώσεις ήταν τα οξέα οξικό και μυρμηκικό, η αιθανόλη και το υδρογόνο. Η απόδοση σε υδρογόνο ήταν γενικά μεγαλύτερη στα πειράματα διαλείποντος έργου. Ειδικότερα για τα πειράματα με γλυκόζη, η απόδοση κυμαινόταν μεταξύ των τιμών 2 και 2.6 mol H2/mol γλυκόζης στις καλλιέργειες διαλείποντος έργου, ενώ η βέλτιστη απόδοση από τις συνεχείς καλλιέργειες ήταν 1.07± 017 mol H2/mol γλυκόζης για υδραυλικό χρόνο παραμονής 42 h. Η τελική τιμή απόδοσης παρουσίαζε εξάρτηση από τη μερική πίεση υδρογόνου στην αέρια φάση των καλλιεργειών, το αναγωγικό μέσο για την εξασφάλιση αναγωγικών συνθηκών καθώς και την ποσότητα παραγόμενης αιθανόλης. Η κινητική μικροβιακής ανάπτυξης και παραγωγής υδρογόνου μελετήθηκε μέσω των πειραμάτων με γλυκόζη και η δεύτερη συνδέθηκε μέσω κινητικών εξισώσεων με την διάσπαση του μυρμηκικού οξέος και την παραγωγή αιθανόλης. Άλλα απλά υποστρώματα που μελετήθηκαν είναι οι πεντόζες D- και L-αραβινόζη και η D-ξυλόζη, οι δισακχαρίτες κελλοβιόζη και σακχαρόζη, για τα οποία υπολογίστηκαν οι κινητικές ανάπτυξης του μικροοργανισμού και βέβαια η βιομάζα σόργου, το εκχύλισμα σόργου και τα υπολείμματα σόργου μετά την εκχύλισή του. Οι αποδόσεις σε υδρογόνο ήταν πολλά υποσχόμενες σε όλες τις περιπτώσεις.