microbiologische strategieën voor sturing van bio-energieproductie in anaerobe systemen

92 Pages·2011·9.19 MB·Dutch

FACULTEIT BIO-INGENIEURSWETENSCHAPPEN
VAKGROEP BIOCHEMIE EN MICROBIE¨LE TECHNOLOGIE
ACADEMIEJAAR 2010-2011
¨
MICROBIOLOGISCHE STRATEGIEEN
VOOR STURING VAN BIO-ENERGIEPRODUCTIE
IN ANAEROBE SYSTEMEN
Jarne VAN MEERBERGEN
Promotor: Prof. Dr. ir. Willy VERSTRAETE
Tutor: ir. Jan ARENDS
Masterthesis ingediend tot het behalen van de academische graad van
Master in de Toegepaste Biologische Wetenschappen:
Milieutechnologie

Auteursrechten
”De auteur en de promotor geven de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te
stellen en delen ervan te kopi¨eren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de
beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron
te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie.”
”The author and the promoter give the permission to use this thesis for consultation and
to copy parts of it for personal use. Every other use is subject to the copyright laws, more
specifically the source must be extensively specified when using results from this thesis.”
Gent, 10 juni 2011
De promotor, De auteur,
Prof. Dr. ir. Willy Verstraete Jarne Van Meerbergen
Dankwoord
Met dit dankwoord wil ik me richten tot allen die geholpen hebben bij het tot stand komen
van deze thesis.
Bijzondere dank gaat uit naar mijn promotor, Prof. Dr. ir. Willy Verstraete, voor het
aanreiken van het onderwerp en het verstrekken van informatie en de nodige infrastructuur.
Daarnaastookeengemeendwoordvandankaanmijntutor,ir. JanArends,voordeuitstekende
begeleiding tijdens de uitvoering van deze studie en de uitgebreide uitleg op mijn (vele) vragen.
Jullie inzicht en deskundige kennis hebben een duidelijke meerwaarde betekend.
Verder wil ik nog iedereen van LabMET die me geholpen heeft, al was het soms maar voor
een luchtig gesprek dat voor wat afleiding zorgde, hartelijk bedanken. Jan, Joachim, Arnout,
Beatriz, Tim, Carlos, Simon, Tom, David, Sam VN, Bram, Bert, Jo, Siegfried, Samik, Rita,
Lutgart, Greet, Ellen, Renee, Mike, Siska, Christine, Regine, ... Bedankt!
Aan de MFC-people (Davemeister, Bennie, FM, Soetaert, Polle, Eveline) en vrienden: bedankt
voor al het plezier in en buiten het MFC-lab!
Een speciaal woord van dank gaat uit naar mijn familie en in de eerste plaats naar mijn ouders.
Papa, mama, voor alles wat jullie mij gegeven hebben: advies, steun, liefde, de mogelijkheid
tot studeren en zoveel meer, meer dan bedankt!
Aan mijn meter Anita, nonkel Jef en moemoe, bedankt voor de manier waarop jullie mij steeds
met raad en daad bijstonden.
Kristien, hoe jij elke dag wat meer kleur geeft, daar heb ik weinig woorden voor. Je onderging
de moeilijke momenten samen met mij, sterker nog, je hielp me ze makkelijk maken. Dank je
om me keer op keer gelukkiger te maken.
Jarne Van Meerbergen, juni 2011
Try not. Do... or do not. There is no try.
— Yoda (The Empire Strikes Back)
Samenvatting–Abstract
Samenvatting
Duurzame technologische ontwikkeling beperkt zich niet tot de totstandkoming van nieuwe
en de verbetering van gevestigde schone technologie¨en. Even belangrijk is de veranderende
visie ten opzichte van het door ons geproduceerde afval, willen we aan het huidige tempo
blijven produceren en consumeren zonder het milieu nog verder in het gedrang te brengen.
Volgens het ‘Cradle to Cradle’ principe (Braungart & McDonough, 2002) dient afval gezien
te worden als een grondstof. Waar de verwerking van afval in het verleden louter gericht
was op het minimaliseren van de milieuvervuiling, moet afval vandaag en morgen meer en
meer nuttig worden aangewend (bijvoorbeeld door recyclage of energierecuperatie) in het
verwerkingsproces.
Anaerobe vergisting, een biologisch afvalverwerkingsproces dat op industri¨ele schaal kan
uitgevoerd worden, laat toe verschillende soorten organisch afval te stabiliseren met simul-
tane energierecuperatie in de vorm van methaan. Alhoewel dit een gevestigde technologie is
die verwijderingseffici¨enties tot 80% kan halen (Pham et al., 2006), heeft deze nog steeds
nadelen en limiterende factoren die ruimte openlaten voor verbetering (moeilijke opslag en
suboptimale kwaliteit van het biogas, gevoeligheid voor overbelasting, accumulatie van vetzu-
ren ...). Een andere, meer recente technologie, die van de bio-elektrische systemen (BES), laat
toe de energie vervat in opgelost organisch materiaal rechtstreeks te recupereren in de vorm
van elektrische stroom (microbi¨ele brandstofcel) of deze aan te wenden voor de aandrijving
van microbi¨ele elektrosynthese van nuttige producten (microbi¨ele elektrolysecel). Ondanks de
voordelen (directe elektriciteitproductie, er zijn lagere temperaturen nodig dan bij anaerobe
vergisting, ...) heeft deze technologie te kampen met grote tekortkomingen. Toepassing op
industri¨ele schaal is moeilijk, als gevolg van de lage effici¨enties door biologische en elektro-
chemische verliezen. Met behulp van verschillende microbiologische strategie¨en werd in deze
studie getracht de bio-energieproductie (in de vorm van methaan, elektriciteit of een organi-
sche verbinding) in zowel anaerobe vergisting als in verschillende BES te sturen, waarbij het
behalen van hogere performanties nagestreefd werd.
In een eerste luik werd onderzocht in welke mate de performantie van een microbi¨ele brand-
stofcel in termen van elektriciteitproductie afhankelijk is van de opgelegde organische belasting
en externe weerstand. Het werd bevestigd dat de coulometrische effici¨entie van de elektriciteit-
productie daalde met een toenemende belasting bij een externe weerstand van 50Ω, als gevolg
van een hogere methanogene activiteit aan de anode. Herhaling van het experiment bij 25Ω
bevestigde het belang van een goed functionerende biokathode. Ineffici¨ente werking van de
zuurstof-biokathode zorgde er namelijk voor dat de dominantie van de methanogene activiteit
over de exo-elektrogene activiteit meer uitgesproken was bij een lagere externe weerstand, in
tegenstelling tot wat verwacht werd op basis van de literatuur.
In een tweede luik werd gezocht naar specifieke niches waarvoor BES kunnen ingezet wor-
den. In toepassingen met het oog op hoge afbraaksnelheden of de productie van bio-energie
op grote schaal zijn deze systemen immers nog niet competitief met gevestigde technologie¨en
zoals anaerobe vergisting. In een eerste deel van dit luik werd de focus op BES en anaerobe
vergisting als concurrerende anaerobe systemen verlegd naar hun mogelijke compatibiliteit.
Er werd met behulp van een hybride configuratie op labschaal, waarbij een geadapteerde mi-
crobi¨ele brandstofcel als nevenreactor fungeerde voor een ‘Upflow Anaerobic Sludge Blanket’
reactor, nagegaan of synergie¨en tussen beide systemen aanleiding konden geven tot een bio-
energieproductiviteit die hoger ligt dan de som van de delen. Na vergelijking met een controle-
reactor bleek dat deze opstelling een significant hogere performantie en stabiliteit voor de dag
kon brengen. Genormaliseerd naar biomassa (gram VS) was de bio-energieproductiesnelheid
geleverd door de hybride reactor 1375kJ ·m−3 ·g−1VS·d−1 (46.50%) hoger dan de con-
tot
trolereactor. Deze betere prestaties waren niet in verhouding met het extra reactorvolume
gecre¨eerd door de aansluiting van de nevenreactor, welke een volumetoename van slechts
4.05% veroorzaakte. Dit gegeven deed besluiten dat deze extra productiviteit mogelijk ver-
oorzaakt werd door de unieke eigenschappen van BES. Tot dusver is deze significante toename
in energieproductiviteit, door co¨operatie met een microbi¨ele brandstofcel als nevenreactor, ner-
gens anders gezien en verder onderzoek moet uitwijzen of deze resultaten reproduceerbaar zijn
op een grotere schaal. Indien dit het geval zou zijn, dan ligt hierin een uitermate nuttige
toepassing van BES op het niveau van bio-energieproductie vervat.
Het tweede deel van het tweede luik werd besteed aan een onderzoek van de mogelijkheid
totmicrobi¨eleelektrosynthesevanHAc, gefaciliteerddooreenmicrobi¨elebrandstofceluitgerust
met een gespecialiseerde acetogene biokathode. De rationale voor het gebruik van BES in
deze toepassing is het feit dat, door de verwerking van een afvalstroom aan de anode, geen
(brandstofcel) of slechts een deel (elektrolysecel) van de energie nodig voor het laten doorgaan
vandemicrobi¨elekatalysevandegewenstereactieaandekathode, geleverdmoetwordeninde
vorm van elektriciteit. Uit het experiment werd besloten dat acetogenese aan een biokathode
van een microbi¨ele brandstofcel mogelijk is. Tot op heden is de microbi¨ele elektrosynthese
van organische verbindingen enkel aangetoond met gebruik van elektronen afkomstig uit de
elektrolyse van water. Dit vergt een hoge input van elektrische energie. Combinatie van
de microbi¨ele capaciteit aan de anode van een BES, welke elektronen kan vrijstellen tijdens
de verwerking van een afvalstroom, met een gespecialiseerde biokathode representeert een
veel duurzamere methode van elektrosynthese. Omwille van de lage coulometrische effici¨entie
(17.8%) die behaald werd tijdens dit experiment, zal toekomstig onderzoek moeten uitwijzen
of productiesnelheden in die mate kunnen opgedreven worden, dat productie op industri¨ele
schaal zowel economisch als technologisch haalbaar wordt.
Abstract
Sustainable technological development is not confined to the creation of new and the im-
provement of established clean technologies. Equally important is the changing view on the
waste streams society produces, if we want to uphold the current pace of production and
consumption, without compromising the natural environment even further. According to the
‘Cradle to Cradle’ principle (Braungart & McDonough, 2002) waste should be looked at as
a feedstock. In the past, waste treatment was aimed solely at reducing the negative impact
on the environment. Today waste should be put more and more to good use (for example
through nutrient or energy recovery) while being processed.
Anaerobic digestion, a biological waste treatment process that can be conducted on an
industrialscale, allowsforthestabilizationofdifferenttypesoforganicwastewithsimultaneous
energy recovery in the form of methane. Although this is an established technology that
reaches removal efficiencies of 80 % (Pham et al., 2006), it still suffers from disadvantages
and limiting factors, leaving room for improvement (difficult storage and suboptimal quality of
the biogas, sensitivity to overloading, ...). Another, more recent technology uses bio-electric
systems (BES). These allow for a direct recovery of the energy contained in dissolved organic
matter in the form of an electrical current (microbial fuel cell). The energy can also be used
for driving the microbial electrochemical synthesis of useful products (microbial electrolysis
cell). Despite the advantages (direct electricity production, it requires lower temperatures
than anaerobic digestion, ...) this technology is still in its infancy. Application on an industrial
scale is difficult, due to the low efficiencies caused by biological and electrochemical losses.
By applying different microbial strategies, this study attempted to steer the production of
bio-energy (in the form of methane, electricity or an organic compound) in both anaerobic
digestion and in various BES, in order to achieve higher performances.
The first part of this study investigated to what extent the performance of a microbial
fuel cell, in terms of electricity production, depends on the imposed organic loading rate
and external resistance. It was confirmed that the coulometric efficiency of the electricity
production decreased with an increasing loading rate at an applied external resistance of
50Ω, due to higher methanogenic activity at the anode. Repetition of the experiment at
25Ω showed the importance of an effective biocathode. Inefficiency of the oxygen reducing
biocathode caused a more pronounced dominance of the methanogenic activity over the exo-
electrogenic activity at a lower external resistance, as opposed to what was expected based on
the existing literature.
In a second part of this study, specific niches were sought where BES can be used. After
all, these systems are not yet competitive with established technologies such as anaerobic
digestion. In applications where high degradation rates or the production of bio-energy on a
large scale is the main goal. First, the focus on BES and anaerobic digestion as competing
anaerobic systems was shifted to their possible compatibility. A hybrid configuration on a
laboratory scale was used, with an adapted microbial fuel cell applied as a secondary reactor
on a ‘Upflow Anaerobic Sludge Blanket’ reactor, to explore whether synergies between the
two systems could lead to a bio-energy productivity higher than that achieved by the sum
of the parts. It appeared that this setup could achieve a significant higher performance and
stability compared to a control reactor. Normalized per gram VS, the bio-energy production
rate provided by the hybrid reactor was 1375kJ ·m−3 ·g−1VS·d−1 (46.50%) higher than
tot
that of the control reactor. These performances were not proportional to the additional reactor
volume created by the secondary reactor, which caused an increase in total reactor volume of
merely 4.05%. This led to the conclusion that this additional productivity was likely to be
caused by the unique properties of BES. So far this significant increase in energy productivity,
through co-operation with a microbial fuel cell as a secondary reactor, is seen nowhere else
and further research should determine whether these results are reproducible on a larger scale.
If this would be the case, then this hybrid configuration is an extremely useful application of
bioelectrical systems at the level of bio-energyproduction.
Secondly, the possibility of microbial electrosynthesis of HAc, facilitated by a microbial
fuel cell equipped with a specialized acetogenic biocathode, was examined. The rationale for
using BES in this application is that, by processing a waste stream in the anode, none (fuel
cell) or only a fraction (electrolysis cell) of the energy needed to drive the microbial catalysis
of the desired reaction at the cathode, needs to be delivered in the form of electricity. The
experiment led to the conclusion that acetogenesis at the cathode of a microbial fuel cell
is possible. Until now, the microbial electrochemical synthesis of organic compounds was
demonstrated using electrons originated from the electrolysis of water. This requires a high
input of electrical energy. Combination of the microbial capacity of the anode of a bio-electric
system, which has the potential to release electrons during the processing of a waste stream,
with a specialized biocathode represents a much more sustainable method of electrochemical
synthesis. Because of the low coulometric efficiency (17.8%) achieved during this experiment,
future research should determine whether production speeds can be increased to the extent
that production on an industrial scale becomes economically and technologically feasible.
Inhoudsopgave
Samenvatting–Abstract 4
Lijst van Figuren 10
Lijst van Tabellen 11
Lijst van Afkortingen 13
1 Literatuurstudie 14
1.1 Inleiding .......................................................... 14
1.2 Basisprincipes thermodynamica........................................ 14
1.3 Anaerobe vergisting ................................................. 15
1.3.1 Algemeen ................................................... 15
1.3.2 Productie van biogas........................................... 16
1.3.3 De microbiologische gemeenschap ................................. 20
1.3.4 Eindproducten ................................................ 21
1.3.5 Invloedsparameters ............................................ 22
1.3.6 Configuraties ................................................. 23
1.3.7 Ontwerpparameters ............................................ 23
1.4 Limiterende factoren bij anaerobe vergisting ............................. 24
1.4.1 Accumulatie van propionzuur .................................... 24
1.4.2 Toxisch effect van propionzuur ................................... 25
1.4.3 Partieeldruk van waterstofgas .................................... 26
1.4.4 Controle van de partieeldruk van waterstofgas........................ 26
1.5 Homoacetogenen ................................................... 27
1.6 Bio-elektrische systemen ............................................. 28
1.6.1 Elektrochemie ................................................ 28
1.6.2 Microbi¨ele brandstofcel ......................................... 29
1.6.3 Microbi¨ele elektrolysecel ........................................ 31
1.7 Doelstellingen ...................................................... 32
2 Materiaal en methoden 33
2.1 Experimentele opstellingen en bedrijfsvoering ............................ 33
2.1.1 Vlakke microbi¨ele brandstofcel.................................... 33
2.1.2 Hybride UASB-MFC reactor ..................................... 35
2.1.3 Bedrijfsvoering................................................ 38
2.2 Hydrogenotrofe homoacetogenen ...................................... 40
2.3 Toegepaste analytische methoden...................................... 42
2.3.1 (Elektro)chemische en fysische parameters .......................... 42
2.3.2 Gasbepaling en -samenstelling .................................... 43
2.3.3 Moleculaire analyse ............................................ 44
2.4 Berekeningen ...................................................... 47
3 Resultaten 51
3.1 Invloed van de organische belasting .................................... 51
3.1.1 Performantie ................................................. 51
3.1.2 Elektrochemische analyse ....................................... 54
3.2 Hybride UASB-MFC reactor .......................................... 55
3.2.1 Verwijderingseffici¨entie en performantie............................. 55
3.2.2 Invloed van de microbi¨ele brandstofcel.............................. 58
3.2.3 Propionzuurverwijdering ........................................ 60
3.2.4 Biogasproductie............................................... 60
3.2.5 pH verandering ............................................... 62
3.2.6 Biomassa opbrengst............................................ 63
3.2.7 Moleculaire analyse van het granulair slib ........................... 63
3.3 Aanrijking van een homoacetogene cultuur .............................. 64
3.3.1 Drie homoacetogene aanrijkingsculturen ............................ 64
3.3.2 Moleculaire analyse van de cultuur ................................ 64
3.4 Homoacetogene biokathode........................................... 68
3.4.1 Performantie ................................................. 68
3.4.2 Elektrochemische analyse ....................................... 70
4 Bespreking 71
4.1 De organische belasting als limiterende factor ............................ 71
4.1.1 Coulometrische en energetische verliezen............................ 71
4.1.2 Competitie voor substraat aan de anode ............................ 73
4.1.3 Invloed van de externe weerstand ................................. 73
4.1.4 Suggesties voor verder onderzoek en toekomstperspectieven ............. 74
4.2 Ge¨ıntegreerde bio-energieproductie door co¨operatie ....................... 74
4.2.1 UASB-MFC performantie ....................................... 75
4.2.2 Stabiliteit van de bio-energieproductie.............................. 76
4.2.3 Suggesties voor verder onderzoek en toekomstperspectieven ............. 77
4.3 Microbi¨ele elektrosynthese van acetaat aan de kathode .................... 78
4.3.1 Karakterisatie van de acetogene aanrijkingscultuur .................... 78
4.3.2 Acetaatproductie door een gespecialiseerde biokathode ................. 79
4.3.3 Suggesties voor verder onderzoek en toekomstperspectieven ............. 80
4.4 Conclusie.......................................................... 81
Bibliografie 83