PANNON EGYETEM VEGYÉSZMÉRNÖKI- ÉS ANYAGTUDOMÁNYOK DOKTORI ISKOLA A biohidrogén Escherichia coli-val megvalósított előállításának és membrános szeparálásának vizsgálata DOKTORI (Ph.D.) ÉRTEKEZÉS TÉZISEI KÉSZÍTETTE: Bakonyi Péter OKLEVELES KÖRNYEZETMÉRNÖK TÉMAVEZETŐ: Dr. Nemestóthy Nándor TUDOMÁNYOS MUNKATÁRS PANNON EGYETEM BIOMÉRNÖKI, MEMBRÁNTECHNOLÓGIAI ÉS ENERGETIKAI KUTATÓ INTÉZET 2012
BEVEZETÉS A hidrogén ideális energiahordozó környezetvédelmi, egészségügyi és energetikai szempontokból egyaránt, mivel tömegegységre vonatkoztatott energiatartalma nagyobb (120 MJ/kg), mint a metáné (földgáz); továbbá használatával nincs szennyezőanyag kibocsátás, ha alacsony hőmérsékleten, üzemanyag cellákban hasznosítjuk, hiszen oxidációjának terméke kizárólag víz, melynek eredményeképpen elkerülhető a regionális- és globális légszennyezettségért főként felelős NO x és CO 2 gázok kibocsátása. A hidrogén üzemanyagcellákban való hasznosításával jelentősen nagyobb energia átalakítási hatásfok érhető el a hagyományos belsőégésű robbanómotorokhoz képest, melyek további előnye, hogy működésük csendes (mivel nincs bennük mozgó alkatrész), így a hidrogénnel működtetett üzemanyag cellás járműveknek, szállító eszközöknek nincs zajkibocsátása. Ahhoz, hogy a hidrogén a jövő energiaforrása lehessen, mindenképpen környezetbarát eljárásokkal kell azt előállítanunk, de napjainkban az ipar különféle területein felhasznált hidrogén kb. 96%-át fosszilis alapon, főként metán vízgőzös reformálásával gyártják. A hagyományos eljárásokon túlmenően a hidrogén megújuló forrásból, biológiai úton történő előállítása ígéretes, alternatív lehetőségnek tekinthető, a technológia elterjedéséhez azonban még számos probléma vár megoldásra, melyek jelentős része a biohidrogén képződését és annak tisztítását, elválasztását érinti. Munkám első részében Escherichia coli baktériumokat alkalmazva a sötét fermentációs biohidrogén előállítását és a folyamat hatékonyságnövelési lehetőségeit tanulmányoztam. Ezt követően a biohidrogén membrános gáz szeparációval való kinyerési lehetőségét vizsgáltam, amely fontos, hiszen a biológiai úton megtermelt hidrogént a végső felhasználás érdekében megfelelő mértékben tisztítani kell. A membrános műveletek attraktív, hulladékszegény eljárásoknak tekinthetők, így alkalmazásuk a fenntartható hidrogén technológia kialakításában egyértelműen előnyös.
KÍSÉRLETI MÓDSZEREK A biohidrogén előállítási kísérleteket E. coli baktériumokkal, különböző méretű és üzemmódú fermentorokban folytattam. A fermentáció hatékonyságának javítása érdekében statisztikus kísérlettervezést alkalmaztam, valamint szaporodási kinetikai vizsgálatokat végeztem. A gáz szeparációs vizsgálatok során különböző, poliimid anyagú membrán modulok tesztelését végeztem el a fermentációra jellemző tiszta és kevert gázokkal, s tanulmányoztam az elválasztás műveleti paramétereinek a membrán modul szeparációs tulajdonságaira vonatkozó hatásait. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK A Ph.D. kutatómunkám során elért új tudományos eredményeket az alábbi 4 tézispontban fogalmaztam meg: 1. Megállapítottam, hogy a szakirodalmi adatokkal összhangban E. coli (XL1-BLUE) baktérium törzset alkalmazva a formiát, mint szubsztrát jelenléte jelentősen, s pozitív mértékben befolyásolja a gázképződés mértékét. Ezt követően szakaszos üzemű bioreaktorban, kísérlettervezést alkalmazva kimutattam, hogy a fermentációs paraméterek (formiát-, élesztőkivonat-, tripton-, nátrium-klorid- és sejtkoncentráció, keverési sebesség) közül a formiát koncentrációja befolyásolja statisztikailag szignifikáns mértékben a folyamat hatékonyságát, s meghatároztam a rendszer optimális üzemviteli beállításait (30 mm formiát, 5 g/l élesztőkivonat, 10 g/l tripton, 3.33 g/l nátrium-klorid, 0.05 g sejt száraz anyag/l kiindulási sejtkoncentráció, 220 rpm keverési sebesség), ahol a hidrogén fajlagos képződési gázárama, valamint a hozam értékei 426 ml H 2 L -1 d -1 (17 mmol H 2 L -1 d -1 ) és 0.41 mol H 2 /mol formiát voltak [1,2].
2. Az E. coli (XL1-BLUE) szaporodási kinetikájának vizsgálatával meghatároztam a folyamatos rendszer tervezéséhez fontos konstansok, a maximális szaporodási sebesség (μ max = 0.39 h -1 ) és a formiátra vonatkozó szubsztrát féltelítési állandó értékét (K s =18 mm), valamint megállapítottam, hogy a sejtszaporodás exponenciális szakasza s ezzel párhuzamosan a legintenzívebb gázképződés is az 5-7 óra közötti intervallumban játszódik le. Az így kapott eredményekre alapozva folyamatos üzemű bioreaktor rendszert alakítottam ki, s az optimális hidraulikus tartózkodási idő értékét 7 órában határoztam meg, ahol a hidrogén fajlagos képződési gázárama 5.1 mmol H 2 L -1 d -1, míg a hozam 0.26 mol H 2 /mol formiát voltak [3]. 3. A biohidrogén fermentáció hatékonyságának növelésére vonatkozóan vizsgáltam a metabolikus mérnökség alkalmazásában és a folyamatoptimalizálásban rejlő lehetőségeket. Ennek során megállapítottam, hogy az expressziós mutáns E. coli (DJT 135) törzs a számára optimális körülmények (ph = 6.5; formiát konc.=28 mm) között 50%-al nagyobb hozam, 0.63 mol H 2 /mol formiát elérését teszi lehetővé az E. coli (XL1-BLUE)-val optimális esetben elérhető értékhez mérten [4]. 4. Tiszta gázokkal (H 2, CO 2, N 2 ) végzett kísérletekben megállapítottam, hogy az ME1 poliimid membrán modul a mért permeabilitás és a gázpárokra számolt elméleti szelektivitás (H 2 /CO 2 = 4.53; H 2 /N 2 = 21.2) értékek alapján alkalmas lehet a biohidrogén elválasztására. Ezt követően egy UBE NM-B01A poliimid membrán modult teszteltem a GSMS-100 membrán gázszeparációs berendezésben, elsőként tiszta, majd kevert gázokkal, s megállapítottam, hogy a magasabb hőmérséklet kedvezően befolyásolja a szeparációs tényező értékét H 2 /CO 2 gázpárok esetében. Az UBE NM-B01A membránnal a fermentáció hőmérsékletén (37 o C), biner gázeleggyel (55 %(V/V) H 2, 45 %(V/V) CO 2 ) végzett kísérletekben meghatároztam a betáp áramhoz (Q F ) viszonyított retentátum (Q R ) elvételi arány optimális értékét (0.4<Q R /Q F <0.8), ahol 1.5-ös H 2 /CO 2 valós szelektivitás érték érhető el. Ilyen üzemeltetés mellett a kiindulási gázelegy 1 lépéses szeparációjával a permeátum oldalon 65 %(V/V) H 2 tartalmú gáz nyerhető, tehát a membrán potenciálisan alkalmas lehet a hidrogén kinyerésére és megfelelő mértékű tisztítására [1,3].
KAPCSOLÓDÓ PUBLIKÁCIÓK ANGOL NYELVŰ PUBLIKÁCIÓK [1] K. Bélafi-Bakó, P. Bakonyi, N. Nemestóthy, Z. Pientka: Biohydrogen production in integrated system Desalination and Water Treatment 2010;14:116-8. IF: 0.752 [2] P. Bakonyi, N. Nemestóthy, É. Lövitusz, K. Bélafi-Bakó: Application of Plackett-Burman experimental design to optimize biohydrogen fermentation by E. coli (XL1-BLUE) International Journal of Hydrogen Energy 2011;36:13949-54. IF: 4.053 [3] P. Bakonyi, N. Nemestóthy, J. Ramirez, G. Ruiz-Filippi, K. Bélafi-Bakó: E. coli (XL1- BLUE) for continuous fermentation of bioh 2 and its separation by polyimide membrane International Journal of Hydrogen Energy 2012;37:5623-30. IF: 4.053 [4] P. Bakonyi, N. Nemestóthy, K. Bélafiné Bakó: Comparative study of various E. coli strains for biohydrogen production applying response surface methodology The Scientific World Journal, 2012;doi:10.1100/2012/819793. IF: 1.524
MAGYAR NYELVŰ PUBLIKÁCIÓK Bakonyi Péter: A biohidrogén, mint potenciális lehetőség Természet világa, 2011. november Bakonyi Péter: Biohidrogén előállítás és koncentrálás Egy csepp tudomány Válogatott munkák a VII. Jedlik Ányos Szakmai Napok előadóitól ISBN 978-963-06-9374-5, Veszprém, 2010 ANGOL NYELVŰ ELŐADÁSOK ÉS POSZTEREK P. Bakonyi, N. Nemestóthy, É. Lövitusz, K. Bélafi-Bakó: Optimization of the operational conditions for biohydrogen fermentation using E. coli (XL1-BLUE) The World Congress on Industrial Biotechnology and Bioprocessing Toronto, Kanada, Május 8-11 (2011) P. Bakonyi, N. Nemestóthy, É. Lövitusz, K. Bélafi-Bakó: Application of Plackett-Burman experimental design to optimize biohydrogen fermentation by E. coli (XL1-BLUE) Asian Biohydrogen Symphosium and APEC Advanced BioH 2 Technology Symphosium Taichung, Taiwan, November 15-20 (2010) P. Bakonyi, N. Nemestóthy, K. Bélafi-Bako: Concentration of biohydrogen by gas separation membranes European Membrane Society Summer School Bukarest, Románia, Június 14-18 (2010), Poszter P. Bakonyi, Z. Pientka, N. Nemestóthy, K. Bélafi-Bakó: Application of gas separation membranes in biohydrogen production Biotech World Moszkva, Oroszország (2010), Poszter
MAGYAR NYELVŰ ELŐADÁSOK Bakonyi Péter: A biohidrogén E. coli-val megvalósított előállításának és membrános szeparálásának vizsgálata IX. Jedlik Ányos Szakmai Napok Veszprém, 2012, különdíj Bakonyi P., Nemestóthy N., Lövitusz É., Bélafiné Bakó K.: Az E. coli (XL1- BLUE)-val megvalósított biohidrogén fermentáció vizsgálata és optimalizálása Műszaki Kémiai Napok, 2011 Bakonyi P., Pientka Z., Nemestóthy N., Lövitusz É., Bélafiné Bakó K.: Biohidrogén előállítása és tisztítása gázszeparációs membránok segítségével Műszaki Kémiai Napok, 2010 Bakonyi Péter: Az E.coli (XL1-BLUE)-val megvalósított biohidrogén fermentáció optimalizálása VIII. Jedlik Ányos Szakmai Napok Veszprém, 2011, I. helyezés Bakonyi Péter: Biohidrogén előállítás és koncentrálás VII. Jedlik Ányos Szakmai Napok Veszprém, 2010, I. helyezés