Vývoj metod pro analýzu odpadů z vinařské výroby a kontrolu jejich zpracování

Mgr. Lukáš KUČERA

Doctoral thesis

Method development for the analysis of wastes from wine production and control of their processing

Abstract:

Disertační práce se zabývá možnostmi analytické kontroly fermentační směsi při výrobě bioplynu. Popisuje celý proces anaerobní fermentace, složky přítomné ve vstupním materiálu i v reakční směsi s důrazem na složení digestátu (kapalného podílu fermentační směsi, která v bioreaktoru zůstává po ukončení fermentace) a analytické metody používané pro kontrolu jejich složení. Detailní průzkum literatury, který byl v průběhu přípravy disertační práce zpracován do přehledového článku, ukazuje, že analytická kontrola složení digestátu je doposud ve vývoji. Chybí průběžná kontrola řady složek, zejména polutantů, jako jsou pesticidy, herbicidy, fungicidy a těžkých kovů, ale také nezfermentovaných cukrů, mastných kyselin a bílkovin a v neposlední řadě i kontrola profilu flavonoidních látek. Vzhledem k očekávanému nárůstu produkce digestátu v souvislosti s evropskou vyhláškou 1999/31/EC, která plánuje redukci skládkového biologicky rozložitelného odpadu do roku 2020 na 35% současně produkovaného množství, bude význam dalšího zpracování digestátu a tedy i jeho analytické kontroly narůstat. Při vinařské výrobě vzniká velké množství rostlinného odpadu, které by bylo vhodné dále zpracovat. Mezi mnoha možnými postupy je anaerobní fermentace logickou cestou. Tato práce je zaměřena na studium anaerobní fermentace vinařského odpadu a přeměny flavonoidů za anaerobních podmínek. První část práce je zaměřena na popis procesů, které mohou podle nastavených podmínek probíhat ve fermentační směsi během zplyňování vinařského odpadu. Detailně nebyl osud flavonoidů během skladování odpadu a jeho anaerobní fermentace doposud popsán. V této práci byly studovány procesy rozkladu anthokyaninových barviv (kyanidin a malvidin-3-galaktosid) při pH 7 a vysoké teplotě (95°C). V roztoku byly sledovány hlavní rozkladné produkty - fenolické kyseliny (kys. protokatechová a kys. syringová) a 2,4,6 trihydroxybenzaldehyd. Vedle rozkladných procesů, lze ve vinařské technologii, při skladování vinařského odpadu a v průběhu jeho fermentace očekávat v malé míře také kondenzační reakce. Objektem zájmu této práce byl vývoj chromatografických metod pro sledování diastereomerních můstkových barviv (+)-katechin-ethyl-malvidin-3-glukosidů vznikajících kondenzací (+)-katechinu, malvidin-3-glukosidu a acetaldehydu. Pro separaci můstkových barviv a jejich prekurzorů byla optimalizována metoda nano-kapalinové chromatografie. V další části této práce je popsán gasifikační proces těžko-zplynitelného vinařského odpadu v diskontinuálním mikroreaktoru. Před samotným zplyňovacím experimentem byla provedena řada experimentů pro nalezení optimálních podmínek, tj. různé poměry prasečí kejdy a vinařského odpadu, přídavek methanogeních bakterií a/nebo thioglykolátového média a úprava pH pomocí hydroxidu amonného. Účinnost bioplynového procesu byla kontrolována plynovou chromatografií s hmotnostní detekcí. Pro odhalení chemických odlišností zplyňovaného vinařského odpadu v porovnání s běžně používanými materiály byla použita kapalinová chromatografie s vysokorozlišující tandemovou hmotnostní spektrometrií v kombinaci s analýzou hlavních komponent a ortogonální projekcí do latentních struktur. Mezi hlavními markery bylo nalezeno velké množství látek s polyfenolickou strukturou. Analýzy vzorků odebraných v průběhu acidogenní fáze a nestabilizované methanogeneze poukazují na vytvoření dihydro-flavonoidů v počátečních fázích procesu a jejich následná degradace. Změny v profilu flavonoidů v nestabilizovaném digestátu mohou ovlivňovat životní prostředí, pokud budou použity například jako hnojivo. Některé redukované formy flavonoidů (např. taxifolin) vykazují toti

Abstract:

ž vyšší toxicitu (LD50 hodnoty) než běžné flavonoidy vyskytující se ve vinařském odpadu (např. kvercetin, malvidin atd.). Detailní kontrola chemického složení digestátu by tedy do budoucna měla být významnou součástí jeho dalšího využití.

Abstract:

This thesis is devoted to analytical control of composition of anaerobic fermentation mixture used for biogas production. The process of anaerobic digestion, presence of compounds in feedstock material and digestate (liquid part in reactor after anaerobic fermentation process) is discussed in first part of the work. Detailed review of published results showed that the process of analytical control of digestate is still in development. The proper control of many polutants such as pesticides, herbicides, fungicides, and heavy metals, but also nonfermented sugars, fatty acids, proteins and monitor of the profile of flavonoid compounds is still missing. With respect to new European Notice 1999/31/EC, which plan to reduce the amount of biodegradable waste going to landfill to 35% until year 2020, the processing and analysis of digestate will be neccessary. Detailed research of methods used for biogas production and digestate control was published as a review article. During winemaking process a huge amount of waste is produced. Effective treatment of the waste is still a challenging task. It utilization in biogas stations is one logical possibility. This work is focused on development and utilization of analytical methods for control of waste produced during winemaking and its anaerobic fermentation during gasification. The attention was paid especially to the profile of flavonoids. The attention was paid to both decomposition and condensation processes occurring in wine waste and in the rising digestate. In the first part of thesis we are dealing with proceses that can be expected in fermentation mixture during anaerobic fermentation of wine waste. The fate of flavonoids during storage and anaerobic fermentation was not described yet. In this work a degradation process was studied on anthocyanin dyes (cyanidin, malvidin-3-galactoside) by high temperature and pH. The phenolic acids (protocatechuic and syringic acids) and 2,4,6-trihydroxybenzaldehyde were monitored in model solutions. Condensation of anthocyanins with other flavonoids occurs in plant materials and extracts. Second part of this thesis deals with the development of chromatographic methods for analytical control of diastereomeric bridged dyes - (+)-catechin-ethyl-malvidin-3-glucosides rising by condensation of (+)-catechin, malvidin-3-glucoside and acetaldehyde. A nano-liquid chromatographic method was optimized for their separation and compared with high performance liquid chromatography utilizing analytical columns with common dimensions. Final part of this work is devoted to the study of anaerobic fermentation of hardly gasifiable wine waste in discontinuous microscale reactor. A series of gasifying experiments was performed to optimize conditions for anaerobic fermentation, i.e. optimization of ratio of pig slurry and winery waste, addition of methanogens and/or thioglycolate medium and adjusting the pH value with ammonium hydroxide. Efficiency of biogas production was monitored by GC/MS. Liquid chromatography/high resolution tandem mass spectrometry in combination with advanced data treatment, i.e. principal component analysis and orthogonal projection to latent structures, was used to reveal main chemical differences of gasified winery waste mixture from commonly used fermentation mixtures in agricultural biogas plants. Compounds with particular polyphenolic structures appeared among the most distinctive markers. Analysis of samples collected during acidogenic phase and unstabilized methanogenesis revealed formation of certain dihydro-flavonoids in early stages of the process and their consequent degradation. Unstabilized digestate would represent a potential environmental risk when used as a fertilizer since higher toxicity of some dihydroflavonoids (e.g. taxifolin) compared to their common counterparts present naturally in wine waste (e.g. quercetin, malvidin, etc.) was described.

Keywords

anaerobní fermentace, vinařský odpad, kapalinová chromaotgrafie, analýza hlavních komponent

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 11. 2016

Thesis defence

• Supervisor: doc. RNDr. Petr Bednář, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Analytical Chemistry