Bioelectrochemically-assisted downstream processing for advanced biohydrogen production

Help

Back »

Details of project

Identifier

115640

Type

Principal investigator

Bakonyi, Péter

Title in Hungarian

Bioelektrokémiai fermentációs feldolgozási technika a biohidrogén termelés javítására

Title in English

Bioelectrochemically-assisted downstream processing for advanced biohydrogen production

Keywords in Hungarian

biohidrogén, mikrobiális elektrohidrogenezis cella, bioaugmentáció

Keywords in English

biohydrogen, microbial electrohydrogenesis cell, bioaugmentation

Discipline

Chemical Engineering (Council of Physical Sciences)	100 %
Ortelius classification: Environmental chemistry

Panel

Chemistry 2

Department or equivalent

Research Group on Bioengineering, Membrane Technology and Energetics (University of Pannonia)

Starting date

2016-02-01

Closing date

2020-01-31

Funding (in million HUF)

22.548

FTE (full time equivalent)

3.34

state

closed project

Summary in Hungarian

A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A biohidrogén előállítására irányuló kutatások alapvetően fontosak a hidrogéntechnológia jövőjét illetően. Fontos, hogy megtaláljuk azon módszereket, melyekkel az előállítási hatékonyság jelentősen növelhető. Az elmúlt években bizonyítást nyert, hogy a bioelektrokémiai alkalmazásokban, úgymint mikrobiális elektrohidrogenezis (ME) jelentős potenciálisok rejlenek a biohidrogéntermelés fokozására. A ME előnye, hogy attraktívan képes a konvencionális hidrogéntermelő bioreaktorok fermentációs maradékának kezelésére és ezzel párhuzamosan hidrogén termelésére. Az eddigi munkák során számos elektrokémiailag aktív baktériumot azonosítottak és teszteltek, tiszta- és kevert kultúrákat (mikrobakonzorciumokat) egyaránt. A tiszta izolátumok használatának erős korlátai mutatkoznak, hiszen magas a rendszer befertőződésének veszélye. Azonban, ha ezeket a tenyészeteket bioaugmentációs stratégia mentén alkalmazzuk, azok képesek lehetnek a mikrobakonzorciumok teljesítőképességének emelésére. Kulcskérdés annak vizsgálata, hogy az alkalmasan megválasztott baktériumok közül melyek és miként tudnak beilleszkedni egy baktérium populációba, mi a folyamat mechanizmusa és az augmentációs rendszerek mennyire sérülékenyek/robusztusak, amikor valós hidrogéntermelő bioreaktorból származó elfolyót dolgoznak fel.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás azt a kérdést célozza megválaszolni, hogy a mikrobális elektrohidrogenezis rendszerek viselkedése, teljesítőképessége miként változik alkalmasan megválasztott, elektrokémiailag aktív baktérium kultúrákkal történő bioaugmentáció hatására, valamint hogy az ilyen rendszerek milyen stabilitással, robusztussággal jellemezhetők, amikor valós biohidrogén fermentorból származó anyagáramot kell feldolgozniuk és hidrogénné alakítaniuk.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Jelen alapkutatás keretében várható eredmények hozzájárulhatnak a biohidrogénnel kapcsolatos új kutatási terület(ek) megjelenéséhez, előretöréséhez, hiszen a tervezett bioaugmentációs mikrobiális elektrohidrogenezis cellákkal (MEC) kapcsolatosan igen kevés tapasztalat áll a kutatók rendelkezésre. Továbbá, az eredmények segíthetik a MEC-ben lejátszódó biofolyamatok mélyebb, jobb megértését, hiszen a tervezett kutató munka olyan speciális terület vizsgálatát tűzi ki célul, melyre vonatkozó szakirodalmi adatok erősen hiányosak. Az eddigiek alapján tehát a tervezett munka eredményei segíthetik Magyarország, a magyar kutatók bekapcsolódását a bioenergetika egyik legdinamikusabban fejlődő területébe, s hozzájárulhatnak a hidrogéntechnológia, a hidrogéngazdaság további fejlődéséhez.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A biohidrogénre ma már szerte a világon a jövő energiahordozójaként tekintenek környezetbarát tulajdonságai és magas energiatartalma miatt. Ennek eléréshez azonban még számos kérdést kell megválaszolni, melyek között kiemelten fontosak az előállítást érintők. A biohidrogén csak akkor lehet versenyképes alternatíva, ha az előállításban résztvevő folyamatokat jobban megértjük és hatékonyságukat növeljük. A tervezett alapkutatás ezek elérését célozza meg egy újszerű megközelítést alkalmazva, melynek keretében cél a biohidrogén előállítás hatékonyabbá tétele úgynevezett mikrobiális elektrohidrogenezis cellák kifejlesztésével, s teljesítőképességének növelésével, melyre potenciálisan alkalmas a bioaugmentációs technika.

Summary

Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The researches focusing on biohydrogen generation are crucial for the development of the hydrogen-based economy, thus it is essential to find the appropriate methods by which their efficiencies can remarkably be enhanced. In recent years, it has been proven that bioelectrochemical systems e.g. microbial electrohydrogenesis cells (MEC) could play a key-role in this progress. The advantage of MEC is that it is capable of processing the effluent of dark fermentative hydrogen producing bioreactors and in turn hydrogen gas is formed as an end-product. A wide range of electrochemically active microorganisms have been identified and tested including pure- and mixed cultures, as well. However, pure culture MEC suffers from the drawback of strict sterility requirements. Therefore, application of pure isolates seems to be more beneficial for bioaugmentation of mixed consortia which can result in higher system performances. It is a key issue to study how the purposefully selected strains become a part of a mixed population and what the underlying mechanism is. Furthermore, it is important to reveal the robustness and viability of the bioaugmented MEC when fed with real fermentation effluents.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The principle aim of the proposed research is to explore how the microbial electrohydrogenesis systems behave and perform when augmented by appropriate electrochemically active bacteria. In addition, the robustness and stability of the bioaugmented MEC is concerned when spent media of real biohydrogen fermenter is applied as substrate.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The expected achievements of present basic research may lead to new biohydrogen research perspectives since the knowledge and experiences about the proposed bioaugmented microbial electrohydrogensis cells are poor and certainly of interest. Furthermore, the results could help the better understanding of the interactions occurring between electrochemically active bacteria in the MEC since the planned work focuses on a special area that has not been comprehensively scoped in the frame of a basic research. As a summary, the proposed project can help to connect Hungary and the Hungarian scientists more strongly to the development of biohydrogen technology.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Biohydrogen is being considered as the future’s energy carrier due to its ecology-friendly characteristics and high energy content. However, sustainable hydrogen economy needs the further development of production step using environmentally gentle techniques e.g. microbial electrohydrogensis cells (MECs). In the proposed basic research it is aimed to study the performance of MECs using bioaugmentation, a potential approach for process intensification to attain higher biohydrogen production efficiencies.

Final report

Results in Hungarian

A kutatási projekt során különféle szubsztrátokat és alapanyagokat felhasználva megmutattuk, hogy a bioelektrokémiai rendszerek, úgymint a mikrobiális elektrohidrogenezis/elektrolízis cellákat (MEC) képesek biohidrogén előállítására. Ezenkívül, a bioelektrokémiai rendszerek alkalmazása kaszkád bioreaktorokban előnyösebb lehet az anaerob pl. biohidrogén fermentációk elfolyóinak hasznosítására s a MEC-t hatékonyabban alkalmazhatjuk fermentációs feldolgozási (downstream) egységként. Az eredmények tükrében elmondható, hogy a két-kamrás MEC előnyösebb lehet az egy-kamrás változattal szemben, mivel előbbi esetében kevésbé valószínű a termék (hidrogén) szennyeződése egyéb gázokkal, pl. metánnal. A gáznemű szennyeződések eltávolítása céljából specifikus, enzim-katalizált gáz szeparációs membránokat fejlesztettünk és teszteltünk. Két-kamrás bioelektrokémiai rendszerek esetén rámutattunk az elektródok között elhelyezkedő membránok kulcsfontosságú szerepére, s hatására a folyamat teljesítményének javításában. Az eredményeink további konklúziója, hogy a jól/alkalmasan megválasztott mikrobiális izolátumokkal végrehajtott bioaugmentáció egy potenciális útja lehet a két-kamrás, kevert kultúrával inokulált bioelektrokémiai rendszerek hatékonyságának növelésének.

Results in English

During the project, it was shown using various substrates and feedstock that bioelectrochemical systems, including microbial electrohydrogenezis/electrolysis cells are capable to harvest biohydrogen. Furthermore, it seems to be more benficial to apply bioelectrochemical systems in cascade bioreactors to polish anaerobic effluents and thus, MECs could be recognized as sufficient downstream units. The findings of the project imply that two-chambered cells may be advantageous over single-cell MECs to overcome issues related with the contamination of biohydrogen gas by methane. To remove such gaseous impurities, the development of specific, enzyme-catalyzed gas separation membranes was undertaken. For two-chamber bioelectrochemical systems, it was shown that membrane separators (between the electrodes) play a key-role to enhance the process performance. Additionally, it was found that bioaugmentation by selected microbial isolates could be a potential way forward to improve the working efficiency of two-chamber, mixed culture bioelectrochemical applications.

Full text

https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=115640

Decision

Yes

List of publications

RG Saratale, C Kuppam, A Mudhoo, GD Saratale, S Periyasamy, G Zhen, L Koók, P Bakonyi, N Nemestóthy, G Kumar: Bioelectrochemical systems using microalgae – A concise research update, Chemosphere 177:35-43, 2017

T Rózsenberszki, L Koók, P Bakonyi, N Nemestóthy, W Logroño, M Pérez, G Urquizo, C Recalde, R Kurdi, A Sarkady: Municipal waste liquor treatment via bioelectrochemical and fermentation (H2 + CH4) processes: Assessment of various technological sequences, Chemosphere 171:692-701, 2017

G Zhen, T Kobayashi, X Lu, G Kumar, Y Hu, P Bakonyi, T Rózsenberszki, L Koók, N Nemestóthy, K Bélafi-Bakó, K Xu: Recovery of biohydrogen in a single-chamber microbial electrohydrogenesis cell using liquid fraction of pressed municipal solid waste (LPW) as substrate, International Journal of Hydrogen Energy 41:17896-17906, 2016

I Rivera, P Bakonyi, MA Cuautle-Marín, G Buitrón: Evaluation of various cheese whey treatment scenarios in single-chamber microbial electrolysis cells for improved biohydrogen production, Chemosphere 174:253-259, 2017

S Shobana, G Kumar, P Bakonyi, GD Saratale, AH Al-Muhtaseb, N Nemestóthy, K Bélafi-Bakó, A Xia, JS Chang: A review on the biomass pretreatment and inhibitor removal methods as key-steps towards efficient macroalgae-based biohydrogen production, Bioresource Technology 244:1341-1348, 2017

N Nemestóthy, G Megyeri, P Bakonyi, P Lakatos, L Koók, M Polakovic, L Gubicza, K Bélafi-Bakó: Enzyme kinetics approach to assess biocatalyst inhibition and deactivation caused by [bmim][Cl] ionic liquid during cellulose hydrolysis, Bioresource Technology 229:190-195, 2017

I Monroy, P Bakonyi, G Buitrón: Temporary feeding shocks increase the productivity in a continuous biohydrogen‑producing reactor, Cleaner Technologies and Environmental Policy 20:1581-1588, 2018

L Koók, N Kanyó, F Dévényi, P Bakonyi, T Rózsenberszki, K Bélafi-Bakó, N Nemestóthy: Improvement of waste-fed bioelectrochemical system performance by selected electro-active microbes: Process evaluation and a kinetic study, Biochemical Engineering Journal 137, 100-107, 2018

P Bakonyi, L Koók, E Keller, K Bélafi-Bakó, T Rózsenberszki, GD Saratale, DD Nguyen, J Rajesh Banu, N Nemestóthy: Development of bioelectrochemical systems using various biogas fermenter effluents as inocula and municipal waste liquor as adapting substrate, Bioresource Technology 259, 75-82, 2018

P Bakonyi, L Koók, G Kumar, G Tóth, T Rózsenberszki, DD Nguyen, SW Chang, G Zhen, K Bélafi-Bakó, N Nemestóthy: Architectural engineering of bioelectrochemical systems from the perspective of polymeric membrane separators: A comprehensive update on recent progress and future prospe, Journal of Membrane Science 564, 508-522, 2018

N Nemestóthy, P Bakonyi, Zs Németh, K Bélafi-Bakó: Evaluation of pectin-reinforced supported liquid membranes containing carbonic anhydrase: The role of ionic liquid on enzyme stability and CO2 separation performance, Journal of CO2 Utilization 24, 59-63, 2018

G Kumar, P Bakonyi, G Zhen, P Sivagurunathan, L Koók, SH Kim, G Tóth, N Nemestóthy, K Bélafi-Bakó: Microbial electrochemical systems for sustainable biohydrogen production: Surveying the experiences from a start-up viewpoint., Renewable and Sustainable Energy Reviews 70:589-597, 2017

G Zhen, X Lu X, T Kobayashi, L Su, G Kumar, P Bakonyi, Y He, P Sivagurunathan, N Nemestóthy, K Xu, Y Zhao: Continuous micro-current stimulation to upgrade methanolic wastewater biodegradation and biomethane recovery in an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor, Chemosphere 180:229-238, 2017

A Bednár, N Nemestóthy, P Bakonyi, L Fülöp, G Zhen, X Lu, T Kobayashi, G Kumar, K Xu, K Bélafi-Bakó: Enzymatically-boosted ionic liquid gas separation membranes using carbonic anhydrase of biomass origin, Chemical Engineering Journal 303:621-626, 2016

L Koók, N Nemestóthy, P Bakonyi, G Zhen, G Kumar, X Lu, L Su, GD Saratale, SH Kim, L Gubicza: Performance evaluation of microbial electrochemical systems operated with Nafion and supported ionic liquid membranes, Chemosphere 175:350-355, 2017

L Koók, N Nemestóthy, P Bakonyi, A Göllei, T Rózsenberszki, P Takács, A Salekovics, G Kumar, K Bélafi-Bakó: On the efficiency of dual-chamber biocatalytic electrochemical cells applying membrane separators prepared with imidazolium-type ionic liquids containing [NTf2]− and [PF6]− anions, Chemical Engineering Journal 324:296-302, 2017

R Cardena, J Zitka, L Koók, P.Bakonyi, L Pavlovec, M Otmar, N Nemestóthy, G Buitrón: Feasibility of quaternary ammonium and 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane-functionalized anion-exchange membranes for biohydrogen production in microbial electrolysis cells, Bioelectrochemistry (in press), 2020

Piroska Takács, László Koók, Péter Bakonyi, Nándor Nemestóthy: Mikrobiális elektrohidrogenezis cella vizsgálata, Membrántechnika és Ipari Biotechnológia (ISSN 2061-6392), 2017, VIII. évf., 4. szám, pp. 54-61., 2017

Veronika Kalauz-Simon, Péter Bakonyi: Mikrobiális Elektrolízis Cellák, „Mikrobiális üzemanyagcellák” (ISBN: 978-963-396-091-2), pp. 137-141, szerk. Bélafiné Bakó Katalin, Pannon Egyetemi Kiadó, Veszprém, 2017., 2017

Koók L, Nemestóthy N, Bakonyi P, Göllei A, Rózsenberszki T, Takács P, Salekovics A, Kumar G, Bélafi-Bakó K: On the efficiency of dual-chamber biocatalytic electrochemical cells applying membrane separators prepared with imidazolium-type ionic liquids containing [NTf2]− and [PF6]− anions, CHEM ENG J 324: 296-302, 2017

Koók L, Nemestóthy N, Bakonyi P, Zhen G, Kumar G, Lu X, Su L, Saratale GD, Kim S-H, Gubicza L: Performance evaluation of microbial electrochemical systems operated with Nafion and supported ionic liquid membranes, CHEMOSPHERE 175: 350-355, 2017

Kumar G, Bakonyi P, Zhen G, Sivagurunathan P, Koók L, Kim S-H, Tóth G, Nemestóthy N, Bélafi-Bakó K: Microbial electrochemical systems for sustainable biohydrogen production: Surveying the experiences from a start-up viewpoint, RENEW SUST ENERG REV 70: 589-597, 2017

Nemestóthy N, Megyeri G, Bakonyi P, Lakatos P, Koók L, Polakovic M, Gubicza L, Bélafi-Bakó K: Enzyme kinetics approach to assess biocatalyst inhibition and deactivation caused by [bmim][Cl] ionic liquid during cellulose hydrolysis, BIORESOURCE TECHNOL 229: 190-195, 2017

Rivera I, Bakonyi P, Cuautle-Marín MA, Buitrón G: Evaluation of various cheese whey treatment scenarios in single-chamber microbial electrolysis cells for improved biohydrogen production, CHEMOSPHERE 174: 253-259, 2017

Rózsenberszki T, Koók L, Bakonyi P, Nemestóthy N, Logroño W, Pérez M, Urquizo G, Recalde C, Kurdi R, Sarkady A: Municipal waste liquor treatment via bioelectrochemical and fermentation (H2 + CH4) processes: Assessment of various technological sequences, CHEMOSPHERE 171: 692-701, 2017

Saratale RG, Kuppam C, Mudhoo A, Saratale GD, Periyasamy S, Zhen G, Koók L, Bakonyi P, Nemestóthy N, Kumar G: Bioelectrochemical systems using microalgae – A concise research update, CHEMOSPHERE 177: 35-43, 2017

Shobana S, Kumar G, Bakonyi P, Saratale GD, Al-Muhtaseb AH, Nemestóthy N, Bélafi-Bakó K, Xia A, Chang J-S: A review on the biomass pretreatment and inhibitor removal methods as key-steps towards efficient macroalgae-based biohydrogen production, BIORESOURCE TECHNOL 244: 1341-1348, 2017

Zhen G, Lu X, Kobayashi T, Su L, Kumar G, Bakonyi P, He Y, Sivagurunathan P, Nemestóthy N, Xu K, Zhao Y: Continuous micro-current stimulation to upgrade methanolic wastewater biodegradation and biomethane recovery in an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor, CHEMOSPHERE 180: 229-238, 2017

Bednar A, Nemestothy N, Bakonyi P, Fulop L, Zhen GY, Lu XQ, Kobayashi T, Kumar G, Xu KQ, Belafi-Bako K: Enzymatically-boosted ionic liquid gas separation membranes using carbonic anhydrase of biomass origin, CHEM ENG J 303: 621-626, 2016

Zhen G, Kobayashi T, Lu X, Kumar G, Hu Y, Bakonyi P, Rózsenberszki T, Koók L, Nemestóthy N, Bélafi-Bakó K, Xu K: Recovery of biohydrogen in a single-chamber microbial electrohydrogenesis cell using liquid fraction of pressed municipal solid waste (LPW) as substrate, INT J HYDROGEN ENERG 41: (40) 17896-17906, 2016

G Kumar, P Bakonyi, G Zhen, P Sivagurunathan, L Koók, SH Kim, et al.: Microbial electrochemical systems for sustainable biohydrogen production: Surveying the experiences from a start-up viewpoint., Renewable and Sustainable Energy Reviews (70) 589-597, 2017

G Zhen, T Kobayashi, X Lu, G Kumar, Y Hu, P Bakonyi, et al.: Recovery of biohydrogen in a single-chamber microbial electrohydrogenesis cell using liquid fraction of pressed municipal solid waste (LPW) as substrate, International Journal of Hydrogen Energy (41) 17896-17906, 2016

A Bednár, N Nemestóthy, P Bakonyi, L Fülöp, G Zhen, X Lu, et al.: Enzymatically-boosted ionic liquid gas separation membranes using carbonic anhydrase of biomass origin, Chemical Engineering Journal (303) 621-626, 2016

Back »