Anaerobic digestion of Green Willow Biomass, a novel lignocellulosic substrate, and the evaluation of H2-induced stress in anaerobic bioreactors by genome-resolved metatranscriptomics
Authors: Kakuk Balázs 
Published: July 2023

Az emberiség Földünknek és a bioszférának egyre nagyobb és egyre inkább visszafordíthatatlan károkat okozott. Ennek egyik oka a folyamatosan növekedő energiaigényünk, hiszen kielégítésére leginkább fosszilis energiahordozókat égetünk el, azonban ezáltal üvegházhatású gázok és különböző károsanyagok szabadulnak fel, jutnak környezetünkbe. A megújuló energiák használata részben megoldást nyújthat, ám szükség van ezen technológiák továbbfejlesztésére, hogy versenyezni tudjanak a fosszilis energiákkal. A biomassza az egyik legnagyobb mértékben hozzáférhető energiaforrás, melyből számos energiahordozó állítható elő. Az egyik legszélesebb körben felhasználható ezek közül a biogáz, amely a biomassza levegőmentes bomlása (anaerob fermentáció) során keletkező, metánt és szén-dioxidot tartalmazó gázelegy. A biogáz előállítása rendkívül sokféle alapanyagból, vagyis szubsztrátból lehetséges, mint pl. szennyvíziszap, mezőgazdasági és élelmiszeripari melléktermékek, sertés- vagy marhatrágya, illetve a leggyakrabban használt energianövények. A technológia másik előnye, hogy maga a termék is, tehát a biogáz, különböző módokon felhasználható: elégethető gázmotorokban elektromosság előállítására, felhasználható otthonok fűtésére vagy a közlekedésben. Legnagyobb potenciáljának kihasználására akkor nyílik alkalom, ha adekvát tisztítás által biometánt állítunk elő belőle, amely a földgázzal ekvivalens, így lehetséges a földgázhálózatba betáplálni, bár ez Magyarországon még csak 1 esetben valósult meg. Doktori disszertációm során a biogáztermelés két központi problémájának megoldásához szerettem volna hozzájárulni: 1.) Jelenleg a biogáztermelés leginkább tradicionális energianövények (kukorica, szója) felhasználásával valósul meg, ám egyre inkább nő az igény olyan potenciális alapanyagok iránt, amelyek termesztését meg lehet valósítani marginális területeken, ezáltal nem kerülnek összetűzésbe élelmezési célokra termesztett növényekkel (pl. búza, kukorica). Ilyen lignocellulóz-alapú szubsztrát lehet a rövid-vetésfordulójú energiafűz (RVF-EF) is. Az RVF-EF-et azonban eddig csak biomassza-erőművekben történő égetés céljából termesztették; a belőle történő biogáz-előállításra ugyan volt már példa a szakirodalomban, de csak a magas lignocellulóz-tartalom miatt szükséges előkezelések elvégzése után volt alkalmas erre a célra. Az általam javasolt rendszerben az eddigiekkel ellentétben az RVF-EF fiatalon, még zöld állapotában kerül begyűjtésre, hogy a nagymennyiségű levél-biomassza is felhasználásra kerüljön. Az így kapott biomasszát Zöld Fűz Biomasszának (ZFB-nek) neveztem el. A disszertációm első fő részében megvizsgáltam ezen rendszer használatának lehetőségét. 2.) A biometán előállításának potenciális lehetőségét egy in situ biológiai biogázjavítással kapcsolt power-to-gas (P2G, „áram → gáz”) rendszerben, ahol az egyéb megújuló forrásokból termelt fel nem használt elektromos energiából első lépésben H2 előállítása történik meg (víz elektrolízis segítségével), majd az ez kerül betáplálásra az utófermentációs tartályba, vagy akár közvetlenül fermentációs egységekbe. Ez az ún. power-to-biomethane (P2bioCH4, „áram → biometán”) koncepció, amelyben a H2 központi szerepet játszik, azonban annak a biogáztermelő mikroközösségre gyakorolt rövidtávú hatását még nem vizsgálták. Dolgozatom második felében ezért ezt a hatást vizsgáltam meg genom-centrikus metatranszkriptomikai módszer segítségével. A ZFB vizsgálatának során egy kisméretű, 100 növényből álló kísérleti ültetvény biomasszáját használtam fel. A kísérleti populáció 2 genotípusú növényből állt, a betakarítást 4 alkalommal végeztem el. Megmértem a szárak és a levelek mennyiségét, biometán hozamukra illesztett növekedési modell paramétereit (K=teljes metánhozam, µmax=maximális metántermelési ráta) szakaszos üzemű anaerob reaktorokban. Az összehasonlításból megállapítottam, hogy a legoptimálisabb modell paramétereket a júniusi betakarítás mutatta, valamint, hogy mindkét genotípus alkalmas lehet biogáz fermentorokban történő felhasználásra, valamint, hogy a levélrész jelentősen magasabb µmax értékeknek köszönhetően gyorsabban degradálódik a szárnál, ami különösen előnyös folyamatos üzemű fermentációk esetében. Amennyiben számításba vesszük a biomasszahozamokat is megállapítható, hogy egy késő augusztusi-kora szeptemberi betakarítás lenne a legelőnyösebb, hiszen az ültetvény ilyenkor mutatja a legmagasabb energiapotenciált (amelyet a metánhozam és a biomasszahozam összeszorzásából kaphatunk meg). Ezek az értékek megközelítik, sőt potenciálisan meg is haladhatják a silókukorica értékeit (amennyiben azt szintén biogáz-előállításra használnánk), valamint a fás fűz értékeit, amennyiben az a tradicionális módon biomassza-égetőkben kerülne felhasználásra. Mindezek arra mutatnak, hogy az energiafűz egyéb előnyei mellett, melyeket más energianövényekkel szemben mutat, a ZFB felhasználása biogázüzemekben egy igen gazdaságos megoldás lehet.