Využití stanovení plynných produktů pomocí plynové chromatografie ke sledování biodegradačních procesů s přihlédnutím k materiálovým vlastnostem makromolekulárních látek

Ing. Silvie PEKAŘOVÁ

Doctoral thesis

Determination of gaseous products by gas chromatography for the monitoring of biodegradation processes with the consideration of properties of the macromolecular substrates investigated

Abstract:

První část disertační práce je zaměřena především na studium biodegradačních procesů v anaerobním prostředí. Jednotlivé kapitoly teoretické části této práce se zabývají anaerobní fermentací, při níž je hojně využívána rostlinná biomasa, dále možnostmi předúpravy biomasy a konečně látkami, které mohou v rámci těchto předúprav vznikat a působit tak potenciálně inhibičně na obsah methanu v bioplynu. Pro samotné experimenty byly na základě studií vybrány inhibiční látky furfural, 5-hydroxymethylfurfural, kyselina galová a tříslová a byl sledován jejich vliv na produkci methanu. Největší míru inhibice produkce methanu prokázal 5-hydroxymethylfurfural již při koncentraci 0,2 g/l a následně pak furfural v koncetraci od 1 g/l. Kyselina galová a tříslová neovlivnily produkci methanu, jejich přídavkem byla spíše podpořena. Druhá část práce je zaměřena na sledování biodegradačních procesů kyseliny polymléčné a jejích směsí v kompostu. V teoretické části jsou stručně popsány vlastnosti, výroba a využití kyseliny polymléčné (PLA), možnosti modifikace PLA přídavkem různých latek, kterými může docházet ke zlepšení jejích mechanických, chemických či fyzikálních vlastností. V experimentální části práce je popsána morfologie vyrobených směsných materiálů s PLA a následná biodegradace těchto materiálů v kompostu. Látky použité na přípravu směsných filmů byly triacetin, kyselina polyhydroxy- máselná a sedm různých komerčně dostupných nemodifikovaných nebo organomodifikovaných montmorillonitů. Výrazné zrychlení biodegradace oproti čisté PLA bylo zaznamenáno u směsi PLA/Cloisite 10A, vzhledem k jeho dobré interkalaci a homogení disperzi vrstev oxidu křemičitého v polymerní matrici. Třetí, neméně významnou kapitolou je studium materiálů na bázi škrobu a jejich biologická degradace v prostředí kompostu. Tyto materiály byly připraveny různými postupy výroby, s různým stupněm modifikace a obsahem celulosových vláken. V části teoretické je stručně shrnuta problematika škrobu a jeho modifikace, v experimentální části pak průběh biodegradace těchto materiálů v závislosti na jejich složení v kompostu. V souvislosti se škrobovými materiály bylo zjišťováno složení mikrobiálního konsorcia pomocí molekulárně biologických metod. Na základě získaných výsledků bylo identifikováno mikrobiální konsorcium podílející se na biodegradaci těchto materiálů, kde byly zastoupeny převážně bakterie rodů Tuberibacillus, Geobacillus a Alicyclobacillus.

Abstract:

First part of this thesis is looking at the study of the biodegradation proceses on anaerobic environment. Each chapter of the theoretical part is concerning the anaerobic fermentation, where the plant biomass is used in large. And finally, the substances, which could in this case of the preparations appear and cause a potential inhibition to the biogas production. Based on the study were for the experiment purposes chosen the inhibition substances furfural, 5-hydroxymethylfurfural, gallic acid, and tannic acid and the influence of these substances on the production of methan in biogas has been observed. The highest inhibition in/of production of methan has been prooved to appear with 5-hydroxymthylfurfural, already at 0,2 g/l and further then furfural in concetration from 1 g/l. It was observed that gallic and tannic acid did not influence the production of methan in biogas, moreover the production of methan was supported by the addition of these to acids. Second part of the this work is focusing on obseration of the biodegradable processes of polylactic acid and its compounds in compost. In the theoretical part the brief describtion of the character, proces and the application of polylactic acid (PLA) as well as the possibilities of modification of PLA with the addition of different substances, that can improve its mechanical, chemical or physical properities. In the experimental part is described morphology of the produced mixed materials and subsequently their biodegradation in compost is looked at. The substances used for the preparation of mixed films were triacetin, polyhydroxybutyrate and seven other commercially accessible non-modified or organo-modified montmorillonite. Significant accelerance of biodegradation was noted with the mixtures PLA/Cloisite 10A compare to the pure PLA. Due to its easy intercalation and homogenic dispersion of silicon dioxide layers in polymer matrix. Third, no less significant part is a chapter studying the starch-based materials and its biological degradation in the compost environment. These materials were prepared using different production processes, with different degree of modification and content of cellulose fibres. In the theoretical part the problematic of starch and its modification is briefly summarised. In the experimental part, the biodegradation of those materials in connection to its composition in compost is described. In connection to the starch materials, the composition of microbial consortium using the molecular biological methods was determined. On the bases from the gained results the microbial consortium contributing to the biodegradation of those materials was identified and was predominantly represented by bacteriaria Tuberibacillus, Geobacillus and Alicyclobacillus.

Keywords

Bioplyn, methan, inhibice, biodegradace, kyselina polymléčná, plynová chromatografie, škrob, nanojíly.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 7. 2018

Thesis defence

• Supervisor: prof. Mgr. Marek Koutný, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds