Andreides Dominik

Vedoucí/Supervisor

Prof. Ing. Jana Zábranská, CSc.

Jazyk/Language

English

Abstrakt

Anaerobní fermentace je celosvětově známý proces pro přeměnu biologicky rozložitelné biomasy na bioplyn a digestát. Zatímco bioplyn je široce využíván pro výrobu tepla v kotlích či kombinovanou výrobu tepelné a elektrické energie, finální likvidace digestátu čelí výzvám v důsledku přísných legislativních limitů, které se v čase mění. Termochemické procesy nabízejí slibné řešení, přeměňující digestát na pevnou (biochar), kapalnou (bio-olej) a plynnou formu (pyrogas, syngas). Právě plynná směs, bohatá na H2, CO a CO2, může být přeměna na CH4 procesem katalytické methanizace. Avšak tento proces obnáší intenzivní předúpravu plynné fáze a extrémní provozní podmínky s použitím katalyzátorů náchylných k otravě. Výše zmíněné nevýhody lze eliminovat biologickou konverzí CO a H2 na CH4 přímo v anaerobním bioreaktoru prostřednictvím anaerobního mikrobiálního konsorcia. Hlavní omezující faktory biologické konverze CO a H2 jsou dány procesními podmínkami, jako jsou pH, teplota a parciální tlak CO/H2, včetně konfigurace bioreaktoru, která významně ovlivňuje přestup hmoty plyn-kapalina. Z výše uvedených důvodů se tato disertační práce zabývá následujícími tématy: i) vliv kultivační teploty, zatížení anaerobní kultury CO a H2; ii) konfigurace bioreaktorů pro zlepšení přestup hmoty plyn-kapalina a dosažení maximální účinnosti biologické konverze; iii) metabolické interakce mikroorganismů zapojených do biomethanizace CO a H2.

Nejdříve jsme se zabývali výzkumem vlivu teplotního režimu na výtěžky elektronů během biomethanizace CO a H2 v biofilmovém reaktoru. Výsledky odhalily, že produkce CH4 se zvyšuje s rostoucí kultivační teplotou, přičemž ztráty elektronů do vedlejších produktů biomethanizace klesají. Navíc byla produkce CH4 při hyper-mezofilních podmínkách srovnatelná s podmínkami termofilními. S ohledem na praktické využití mohou hyper-mezofilní podmínky přinést energetické úspory na vytápění bioreaktoru.

Dále jsme studovali biologickou konverzi CO a H2 na CH4 v laboratorních anaerobních bioreaktorech provozovaných při různých zatíženích a aplikovaných typech míchání (pneumatické a mechanické míchání). Výsledky ukázaly, že biomethanizace CO a H2 je proveditelná s neadaptovanou anaerobní kulturou. Produkce CH4 v reakčním bioreaktoru vzrostla o více než 20 % ve srovnání s kontrolním bioreaktorem. Pro zajištění efektivního přestupu hmoty plyn-kapalina může být aplikováno pneumatické míchání místo mechanického, které v našem výzkumu zvýšilo účinnost biologické konverze o více než 30 %.

Následně jsme navrhli nový dvoustupňový proces biomethanizace, který zahrnuje dávkování syngasu do anaerobního bioreaktoru (1. stupeň), následované biologickým upgradingem vznikajícího bioplynu na biometan v biofilmovém reaktoru za současného dávkování H2 (2. stupeň). Experiment měl tři fáze s různými složeními syngasu. Výsledky ukázaly, že smíšená anaerobní kultura je schopna přizpůsobit se různým složením syngasu. Zároveň bylo zjištěno, že obsah H2 v dávkovaném plynu je klíčovým faktorem pro zvýšení produkce CH4, přičemž nižší koncentrace H2 vedly ke snížení obsahu CH4 v bioplynu. Navržený dvoustupňový proces dosáhl více než 85 % biologické účinnosti využití H2 a maximální obsah CH4 v biometanu byl 94,7 %.

Nakonec jsme zkoumali selektivní fermentaci syngasu na acetát v kontinuálně provozovaném bioreaktoru (160 dní) s neadaptovaným anaerobním inokulem. V experimentech jsme porovnávali dvě psychrofilní teploty (28 °C a 20 °C) a pH v rozmezí od 5,5 do 4,5. Výsledek této studie ukázal, že dlouhodobá adaptace anaerobní kultury významně ovlivňuje její celkové chování a vede k odlišným výtěžkům CH4 a acetátu ve srovnání s předchozími studiemi.

Tato disertační práce poskytuje nové poznatky do současného stavu poznání biomethanizace, kde námi publikované výsledky a navržené konfigurace bioreaktorů představují krok vpřed směrem k dalšímu rozšíření a industrializaci biomethanizace.

Abstract

Anaerobic digestion is a globally recognised process for converting biodegradable waste biomass into biogas and digestate. While biogas is widely used for heat and electricity production, digestate disposal faces challenges due to stringent regulations. Thermochemical processes offer a promising solution, converting digestate into solid (biochar), liquid (bio-oil), and gaseous forms (pyrogas, syngas). This gaseous mixture (H2, CO, and CO2) can be converted to CH4 by a catalytic methanation. However, such an approach needs intensive gaseous phase pre-treatment and extreme operating conditions using catalysts prone to poisoning. The challenges mentioned above can be eliminated by the biological conversion of CO and H2 to renewable CH4 directly in an anaerobic digester via an anaerobic microbial consortium.

The main limiting factors of the bioconversion mentioned above are given by the process conditions such as pH, temperature and partial pressure of CO and H2, including the bioreactor’s configuration, which significantly impacts the gas-liquid mass transfer. Therefore, we have researched in this thesis the following topics: i) the effects of the temperature, CO and H2 loading rates; ii) novel bioreactors’ configurations to improve the gas-liquid mass transfer and maximise the biological efficiency; iii) the metabolic relationships involved in CO and H2 biomethanation.

The research on the effect of the temperature regime on electron yields during CO and H2 biomethanation was conducted in a biofilm trickle-bed reactor. The results demonstrated that CH4 production increases with increasing temperature as electron losses in by-products are reduced. As a first research group, we evaluated the biomethanation process under hyper-mesophilic conditions, where the benefits of the higher microbial activity were recorded. More importantly, the recorded electron yields during hyper-mesophilic conditions were comparable to thermophilic. Considering practical applications, hyper-mesophilic conditions could provide savings for bioreactor heating.

Furthermore, the biomethanation of CO and H2 to CH4 in anaerobic digesters under different loading rates and types of mixing was studied. The research demonstrated that CO and H2 biomethanation is feasible with an unadopted anaerobic culture. CH4 production in the biomethanation reactor increased by over 20% compared to the control reactor. Pneumatic mixing instead of mechanical stirring can increase bioconversion efficiency by over 30% to ensure efficient gas-liquid mass transfer. Subsequently, we proposed a novel two-stage process consisting of dosing syngas into an anaerobic digester as the first stage, followed by biological upgrading of resulting biogas to biomethane in a biofilm trickle-bed reactor using externally provided H2. The experiment comprised three phases with varying syngas compositions. The results demonstrated the mixed anaerobic culture's adaptability to different syngas compositions. The study identified H2 content as the key driver for increased CH4 production, with lower H2 concentrations resulting in reduced CH4 content in biogas. The process achieved over 85% biological conversion efficiency of H2 and a maximum CH4 content in biomethane of 94.7%.

Last, we conducted the selective syngas fermentation to acetate in a continuous bioreactor operating for 160 days using a non-adapted suspended anaerobic consortium. In the study, we compared two sychrophilic temperatures (28 °C and 20 °C) and pH values ranging from 5.5 to 4.5. As a result, this study revealed that the long-term adaptation of the suspended culture significantly influences the overall behaviour of the anaerobic culture, and thus, different CH4/acetate yields compared to previous studies. The PhD thesis fills the knowledge gap of the current status of biomethanation topic, where our published insights and results represent a step forward for further biomethanation up-scaling and industrialisation.