Optimalizace podmínek kultivace fotolitotrofních sirných bakterií a jejich využití pro čištění bioplynu

Mgr. Martin Struk, Ph.D.

Doctoral thesis

Optimization of conditions for cultivation of photolithotrophic sulfur bacteria and their use for biogas purification

Abstract:

Fototrofné sírne baktérie sú dôležité mikroorganizmy kvôli ich schopnosti oxidovať anorganické sírne zlúčeniny a fotosyntetizovať bez produkcie kyslíka. Vďaka ich jedinečnému metabolizmu sa mnohí výskumníci zaoberali ich využitím na odstránenie H2S z bioplynu keďže ide o kontaminant obmedzujúci použitie bioplynu ako obnoviteľného paliva. Táto dizertačná práca poskytuje náhľad do problematiky kultivácie a aplikácie fototrofných sírnych baktérií na odsírenie bioplynu, mikrobiálneho zloženia anaeróbneho fermentora a poskytuje prehľad zavedených a nových technológií na úpravu bioplynu. Na preskúmanie mikrobiálneho zloženia vybraného anaeróbneho fermentora boli použite sekvenačné techniky a zo získaných údajov boli zostrojené fylogenetické stromy s cieľom určiť evolučné vzťahy medzi mikroorganizmami. Následne bol vyhodnotený vplyv detegovaných mikroorganizmov na zloženie bioplynu. Komplexné porovnanie súčasných technológií na úpravu bioplynu poukazuje na možnosť použitia biodesulfurizačných technológií založených na aplikácii fototrofných sírnych baktérií, aj keď len v určitých prípadoch keď je dôležitým faktorom zníženie rizika kontaminácia kyslíkom alebo dusíkom. Vsádkové (batch) kultivačné experimenty s fototrofnými baktériami Chlorobium limicola DSM 258 and Allochromatium vinosum DSM 180 boli uskutočnené na získanie informácii o ich raste na syntetickom bioplyne pri rôznych intenzitách svetla a koncentráciách H2S. Vyššia intenzita svetla pôsobila inhibične na C. limicola a A. vinosum, keď znížila ich schopnosť odstraňovať sírovodík a negatívne ovplyvnila ich rast. Priaznivejšie podmienky poskytovala nižšia intenzita svetla a to v prípade oboch testovaných mikroorganizmov. Výsledkom kultivácie pri rôznych počiatočných koncentráciách H2S bola vysoká efektivita jeho odstraňovania zaznamenaná u C. limicola ako aj u A. vinosum. Ďalšie experimenty, ktoré boli uskutočnené na základe dovtedy získaných dát, prebiehali vo vsádkovom fotobioreaktore s objemom 2 L. Ako najvhodnejší organizmus bola vybraná baktéria C. limicola. Pomocou tohto systému bol skúmaný vplyv rôznych hodnôt prítoku bioplynu. Výsledky všetkých týchto experimentov zdôraznili možnosť využitia fototrofných sírnych baktérií na odstránenie H2S a poskytli cenné informácie o faktoroch ovplyvňujúcich biodesulfurizáciu.

Abstract:

Phototrophic sulfur bacteria are important microorganisms due to their ability to oxidize inorganic sulfur compounds and photosynthesise without producing oxygen. Due to this unique metabolism, many researchers investigated their use to remove H2S from biogas as it is a contamination limiting the future use of biogas as renewable fuel. This doctoral thesis provides insight into cultivation and application of phototrophic sulfur bacteria for biogas desulfurization, the microbial composition of the anaerobic digester and provides an overview of established and emerging biogas upgrading technologies. Sequencing techniques were employed to investigate microbial composition of selected anaerobic digester and phylogenetic trees were constructed from data to see the evolutionary relationships between microorganisms. The influence of the detected microorganism on the measured biogas composition was then evaluated. The following comprehensive comparison of current biogas upgrading technologies suggests the feasibility of the application of biodesulfurization technologies based on phototrophic sulfur bacteria, although only in certain cases where lowering the risk of O2 and N2 contamination is an important factor. Batch experiments with the phototrophic bacteria Chlorobium limicola DSM 258 and Allochromatium vinosum DSM 180 were carried out to obtain data on their growth on synthetic biogas under different light intensities and H2S concentrations. Higher light intensity was inhibitory to C. limicola and A. vinosum, lowering their removal capacity and negatively influencing their growth. The more favourable conditions were supported by lower light intensity, for both microorganisms tested. Cultivation at different initial concentrations of H2S resulted in high removal efficiency for both C. limicola and A. vinosum. Further experiments, which were based on gathered data, were conducted in a 2 L batch photobioreactor. C. limicola was selected as the most suitable organism. The influence of different biogas feed rates was investigated using this system. The results of these experiments highlight the feasibility of H2S removal using phototrophic sulfur bacteria and provide more information on the factors that influence the biodesulfurization.

Keywords

hydrogen sulfide, biogas, biodesulfurization, anoxygenic photosynthetic bacteria, methane, anaerobic digestion, purple sulfur bacteria, green sulfur bacteria

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 2. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 31. 3. 2023
• Supervisor: doc. Ivan Kushkevych, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Kateřina Malachová, CSc., prof. Ing. Ján Gaduš, PhD.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Microbiology / Microbiology