Economical production of algae-based biomass and its utilization in renewable energy production  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
121085
Type PD
Principal investigator Wirth, Roland
Title in Hungarian Alga alapú biomassza gazdaságos előállítása és megújuló energetikai hasznosítása
Title in English Economical production of algae-based biomass and its utilization in renewable energy production
Keywords in Hungarian Alga biomassza, megújuló energia, biogáz, metagenomika, alternatív alga tenyésztési módszer
Keywords in English Algal biomass, renewable energy, biogas, metagenomics, alternative algae cultivation method
Discipline
Microbiology: virology, bacteriology, parasitology, mycology (Council of Medical and Biological Sciences)100 %
Panel Immunity, Cancer and Microbiology
Department or equivalent Department of Biotechnology and Microbiology (University of Szeged)
Starting date 2016-12-01
Closing date 2020-02-29
Funding (in million HUF) 15.090
FTE (full time equivalent) 1.97
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az egyik legaktívabban kutatott téma az alap és alkalmazott kutatásban az alternatív bioenergia előállítás. Az alga fajok sokféleségét figyelembe véve a mikroalgákból történő bioenergia gyártás egy ígéretes megoldás. Korábbi kiterjedt kutatások a mikroalgák biohidrogén és legfőképpen biodízel alkalmazására fókuszáltak és viszonylag kevés figyelemet fordítottak biogáz előállítására történő hasznosításukra. Az az alga biomassza, amely kevésbé szigorú feltételek mellett tenyésztettek és szimbiotikus baktériumokat tartalmaznak lebonthatóak és átkonvertálhatóak a komplex biogáz gyártó mikroorganizmusok segítségével. Kritikus elemei a mikroalga bioenergetikai felhasználásának a biomassza magas előállítási költsége és hatékonysága. Ebben a tanulmányban egy egyszerű és olcsó tenyésztési módszert fogunk tesztelni. Különféle magas szervesanyag tartalmú hulladékokat hasznosítunk nyitott tenyésztési rendszerben. A kísérletben Chlorella vulgaris zöld mikroalgát fogunk alkalmazni, mivel természetes vizekben ez gyakori faj, így könnyen hozzáférhetőek. A terméket, mely C. vulgaris és bakteriális biomasszát tartalmaz fogjuk felhasználni biogáz potenciál és anaerob bontás stabilitásának vizsgálatára. Az bomlás során a potenciális problémát a mikroalga alacsony szén -nitrogén aránya miatti ammónium felszabadulás fogja jelenteni a folyadék fázisban, mely negatív hatással van a metán termelő mikrobákra. Ezért alternatív koszubsztrátokat tesztelünk, hogy a folyamatot stabillá és még hatékonyabbá tegyük. Metagenomikai vizsgálatokat végzünk annak érdekében, hogy beazonosítsuk azokat a mikroba fajokat, melyek jótékony hatással vannak az anaerob bontásra lehetséges bioaugmentáció céljából.

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 mikroalga anaerob bomlásából olyan gáz keletkezik, melynek magas a metán tartalma, emiatt ez a biomassza ígéretes jelölt a hatékony biogáz gyártás szempontjából. A legfőbb hátrány az alga bioamssza biodízel előállítására történő hasznosításának, hogy a tenyésztéshez szigorúan kontrollált feltételek, továbbá a melléktermékek ártalmatlanítására további kezelés vagy ártalmatlanítás szükséges. A biogáz előállításnál ezek kiküszöbölhetőek. Ennek a tanulmánynak a középpontjában az olcsón előállított alga biomassza anaerob bontása áll. Az egyszerű fotoheterotróf tenyésztési módszer és a folyékony hulladékok használata csökkenteni fogják a költségeket. A mikroalga biomasszából keletkező biogáz minősége tipikusan jobb, mint ami keletkezik a kukorica szilázs bomlása során, de a gáz mennyisége jellemzően alacsonyabb. A másik probléma az ammónium felhalmozódása a mikroalga anaerob bomlása során annak alacsony szén és nitrogén aránya miatt. Magas széntartalmú szubsztrátokkal történő kofermentáció megoldhatja ezt a problémát, melynek segítségével stabil és hatékony biogáz termelés érhető el. Mezőgazdasági melléktermékeket és hulladékokat fogunk tesztelni, hogy azok alkalmasak-e ilyen koszubsztrátnak. Metagenomikai kutatásokkal kiemeljük azokat a különböző mikroba csoportokat, melyek szabályozzák a biomassza bomlását. Ezen eredmények alapján racionális folyamat stabilizálást lehet megvalósítani.

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!
A bioenergia egy biztonságos és környezetbarát energiaforrás. Egy olcsó és fenntartható forrás biztosítása biogáz gyártásra a jelenlegi tanulmány fő célja. A mikroalga alapú biogáz termelés gyerekcipőben jár Magyarországon. A közelmúltban a Nyugat Magyarországi Egyetemen foglalkoztak a témával. Ott alternatív koszubsztrátokat teszteltek, hogy növeljék az alga biomassza metán hozamát, illetve növeljék a folyamat stabilitását. Nemzetközi szinten Németországban számos kutatóintézmény foglalkozik ezzel a területtel. A legnagyobb ezek közül a Fraunhofer Intézet Mérnöki és Biotechnológiai Osztálya (IGB), mely világszintű elismerést élvez, továbbá többféle programot is koordinál. Az IGB koordinálja a „Szénhidrátban gazdag alga biomassza alapú keményítő és fehérje biofinomító” projektet. Ennek célja az alga biomassza energetikai felhasználása. Az IGB egy másik projektje az EtaMax, melynek célja több biogáz előállítása hulladékból és mikroalga anyagaiból. Körülbelül 3 éve a mi laboratóriumunk is tanulmányozza a mikroalga alapú biogáz előállítást. Mások és saját korábbi vizsgálatainkat fogjuk alapul venni a jelenlegi kutatásban. A projekt egyediségét az a törekvés fogja adni, hogy a teljes folyamatot, mint a tenyésztést és a felhasználást fenntarthatóvá tegyük alternatív megoldásokat használva.

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.
Napjainkban a kukorica szilázs a leggyakrabban használt alapanyag a biogáz iparban. Azonban ennek az alapanyagnak a költsége évről évre egyre nő, és egyre nagyobb szerepet kap az élelmiszer vagy üzemanyag vitában. Ezért az iparnak alternatívára van szüksége, mellyel kiváltható a siló, ugyanakkor a biogáz minőségének megtartása is egy fontos szempont. Gazdaságos és környezetbarát megoldást kell találnunk. Hatalmas energetikai és biogyártási lehetőségeket kínál a napenergia biokonzervációja fotoszintetikus mikroorganizmusok segítségével. A mikoralgák fajtól függően nagy mennyiségű lipidet, szénhidrátot és vitamint tartalmaznak, melyek értékes tápanyagok az összetett biogáz termelő közösség számára. További előnyük, hogy folyamatosan nagy mennyiségben előállíthatóak. Figyelembe véve a mikroalgák sokszínűségét és a géntechnológia legújabb vívmányait ez a csoportja a mikroorganizmusoknak egyértelműen a legígéretesebb forrása az újgenerációs bioüzemanyagoknak. Ahhoz, hogy a mikroalga alapú bioenergia termelést még hatékonyabbá tegyük egyszerű és olcsó tenyésztési technológiát és hatékony lebontási módszert kell kifejleszteni. Ennek érdekében olcsón hozzáférhető hulladékokat érdemes használni, hogy csökkentsük a költségeket.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Alternative bioenergy production is one of the hot topics in both basic and applied research. Microalga based bioenergy production is a promising field with regard to the wide variety of algal species. Extensive previous studies employed microalgae for biohydrogen and particularly for biodiesel production, but relatively little attention has been paid at their utilization as biogas substrate. The algal biomass grown under less stringent conditions and therefore containing symbiotic bacterial biomass as well can be utilized in the biogas reactor and the total biomass is degraded and converted by a complex biogas producing microbial community. The critical elements of energetic use of microalgal biomass is the high cultivation cost, and the cultivation efficiency. In this study simple and inexpensive cultivation methods will be tested by waste streams containing high organic material and open pond systems will be applied. Chlorella vulgaris green microalgae will be used in these experiments because this is a widespread strain in natural waters and is therefore easily accessible. The product containing bacterial and C. vulgaris biomass will be investigated for its biogas potential and for its anaerobic degradation process stability. A potential problem in anaerobic digestion of microalgal biomass may be due to the low C/N ratio as increasing ammonium content in the fermentation liquid has negative effect on methanogens. Therefore alternative co-substrates will be tested to make the process stable and more effective. Metagenomic investigations will be implemented to identify microbes which are beneficial for the anaerobic digestion process for possible bioaugmentation.

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.
Anaerobic digestion of microalgal biomass results in biogas with high methane content, which makes this biomass source a promising candidate for efficient biogas production. The major disadvantages of using algal biomass for biodiesel production comprise the need for strictly controlled cultivation conditions and additional treatment or disposal of the by-product biomass. In biogas production these can be eliminated. This study will focus on anaerobic degradation of inexpensive microalgal-bacterial biomass. Using liquid wastes and simple, photoheterotrophic method for cultivation will reduce the costs. The biogas quality is better than that of the commonly used maize silage but the gas quantity is typically lower. Another problem is the accumulation of ammonia during the anaerobic degradation of microalgal biomass due to its low carbon to nitrogen ratio. Co-fermentation with high carbon containing substrates may solve this problem and stable and effective biogas generation can be achieved. Agricultural by-products and residues will be tested as suitable co-substrates. Metagenomic research will highlight the distinct roles of various microbial groups in controlling biomass decomposition. Based on these results, rational process optimization can be implemented.

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.
Bioenergy is a safe and environmentally friendly source of energy. Making cheap and sustainable source for biogas production is the main goal of the study. The research on microalgal based biogas production is in his infancy in Hungary. Recently in the University of West Hungry is dealing with this topic. There alternative cosubstrates were tested to improve the methane yield of algal biomass and make the process stable. In international level Germany there are numerous research institutions which focus on this area. One is the biggest is the Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology (IGB) which enjoys worldwide superior recognition and coordinates programmes. IGB coordinates a project “Biorefinery based on carbohydrate-rich algae biomass, use of starch and proteins”. The aim of this project is the material and energetic use of algae biomass. Another IGB prject is EtaMax aims at the generation of more biogas from waste and microalgae material. About 3 years our laboratory also investigates microalgal based biogas production. Others and our previous investigations and experience will be implemented in the current work. The uniqueness is this project is the endeavour to make the whole process i.e. cultivation and consumption sustainable by using alternative solutions.

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.
Nowadays maize silage is the most common substrate in the biogas industry. But it prise is increasing year by year and more and more involved topic in the food or fuel dispute. Therefore the industry require alternatives which can replace the maize, however it is also important to keep the biogas quality. Economically and environmentally friendly solutions should be found. Huge energetic and biorefinery opportunities are offered by the conversion of solar energy via the use of photosynthetic microorganisms. Depend on the microalgae species it contains wide variety of lipids, carbohydrate and vitamins which make it valuable for the complex biogas producing community. Additional benefit of microalgae it can be produced continuously in large quantities. With regard to the diversity of microalgae and the recent developments in genetic engineering this group of microorganisms is clearly one of the most promising sources for new-generation biofuels. To make more sustainable the microalgal biomass for bioenergy production a simple and cheap cultivation method and effective degradation has to be reach. In this reason cheaply available wastes should be use to reduce the costs.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Az algafajok sokfélesége szempontjából a mikroalga-alapú bioenergia előállítás különösen ígéretes terület. A mikroalga biomassza energetikai felhasználásának kritikus elemei a magas termesztési költség és hatékonyság. A mikroalgák tenyésztése települési, ipari és mezőgazdasági szennyvízben költségkímélő és nagyon hatékony módszer az erőforrások újrahasznosítására. Az alternatív, költséghatékony, nem-steril körülmények között tenyésztett és ezért szimbiotikus baktériumokat is tartalmazó alga biomassza felhasználható a biogáz reaktorban. Ezt a biomasszát egy biogáz termelő mikrobiális közösség bontja le anaerob úton. Jelen projektben egyszerű és olcsó termesztési módszert, a nagy mennyiségű szerves anyagot tartalmazó különféle szennyvizeken teszteltük. A kísérletben Chlorella vulgaris zöld mikroalgákat használtunk, ami természetes vizekben elterjedt, ezért könnyen hozzáférhető, ellenálló és tenyészthető. A tenyésztési körülmények mellett a mikroalga-baktérium biomassza (MABA) biogáz potenciálját és anaerob lebontási folyamatának stabilitását vizsgáltuk. A MABA biomassza anaerob emésztésében esetleges problémát annak alacsony C/N aránya okozhatja, mivel a fermentációs folyadékban az ammónium-tartalom növekedése negatív hatással van a metanogénekre. Ezért az aprított fűzfát és előkezelt csirketrágyát, mint alternatív adalékokat teszteltük, hogy a folyamat stabilabb és hatékonyabb legyen. Kiterjedt metagenom vizsgálatokat végeztünk a folyamatokban hasznos mikrobák azonosítása.
Results in English
Microalga based bioenergy production is a promising field with regard to the wide variety of algal species. The critical elements of energetic use of microalgal biomass is the high cultivation cost and the cultivation efficiency. Microalgae cultivation in municipal, industrial, and agricultural wastewater is an emerging, highly effective approach for resource. In the present project simple and inexpensive cultivation methods are tested using high organic material containing waste streams as growth medium. The inexpensive algal biomass, grown under non-sterile conditions, comprises symbiotic bacterial biomass, which can be decomposed in the biogas reactor and converted by the complex biogas producing microbial community. Chlorella vulgaris green microalgae is used in these experiments because this is a widespread strain in natural waters and is therefore easily accessible. The microalgal-bacterial biomass (MABA) has been examined for its biogas potential and for the anaerobic degradation process stability. A potential problem in anaerobic digestion of MABA biomass may be due to the low C/N ratio as increasing ammonium content in the fermentation liquid has negative effect on methanogenesis. Therefore, grinded willow and pretreated chicken manure as alternative co-substrates have been tested to make the process stable and more effective. Metagenomic investigations have been carried out to identify microbes which actively participate in the anaerobic degradation processes.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=121085
Decision
Yes





 

List of publications

  
Norbert Ács, Márk Szuhaj, Zoltán Bagi, Gergely Maroti, Gábor Rákhely, Kornél Lajos Kovács: Microbial community rearrangements in power-to-biomethane reactors employing mesophilic biogas digestate, Frontiers in Energy Research, 2019
Prateek Shetty, Iulian Z Boboescu, Bernadett Pap, Roland Wirth, Kornél Lajos Kovács, Tibor Bíró, Zoltán Futó, Richard Allen White III, Gergely Maroti: Exploitation of algal-bacterial consortia in combined biohydrogen generation and wastewater treatment, Frontiers in Energy Research, 2019
Roland Wirth, Tamás Böjti, Gergely Lakatos, Gergely Maroti, Zoltán Bagi, Gabor Rakhely, Kornél Lajos Kovács: Characterization of core microbiomes and functional profiles of mesophilic anaerobic digesters fed with Chlorella vulgaris green microalgae and maize silage, Frontiers in Energy Research, 2019
Roland Wirth, Tamás Böjti, Gergely Lakatos, Gergely Maroti, Zoltán Bagi, Gabor Rakhely, Kornél Lajos Kovács: Characterization of core microbiomes and functional profiles of mesophilic anaerobic digesters fed with Chlorella vulgaris green microalgae and maize silage, Frontiers in Energy Research, 2019
Réka Spohn, Lejla Daruka, Viktória Lázár, Ana Martins, Fanni Vidovics, Gábor Grézal, Orsolya Méhi, Bálint Kintses, Mónika Számel, Pramod K Jangir, Bálint Csörgő, Ádám Györkei, Zoltán Bódi, Anikó Faragó, László Bodai, Imre Földesi, Diána Kata, Gergely Maróti, Bernadett Pap, Roland Wirth, Balázs Papp, Csaba Pál: Integrated evolutionary analysis reveals antimicrobial peptides with limited resistance, Nature Communication, 2019
Norbert Ács, Márk Szuhaj, Zoltán Bagi, Gergely Maroti, Gábor Rákhely, Kornél Lajos Kovács: Microbial community rearrangements in power-to-biomethane reactors employing mesophilic biogas digestate, Frontiers in Energy Research, 2019
Prateek Shetty, Iulian Z Boboescu, Bernadett Pap, Roland Wirth, Kornél Lajos Kovács, Tibor Bíró, Zoltán Futó, Richard Allen White III, Gergely Maroti: Exploitation of algal-bacterial consortia in combined biohydrogen generation and wastewater treatment, Frontiers in Energy Research, 2019
Wirth Roland, Böjti Tamás, Maróti Gergely, Bagi Zoltán, Rákhely Gábor, Kovács L. Kornél: Cultivation of algal-bacterial biomass for renewable energy production, FIBOK Abstract book, 2018
Wirth Roland, Lakatos Gergely, Tamás Böjti, Bagi Zoltán, Maróti Gergely, Rákhely Gábor, Kovács L. Kornél: Anaerobic gaseous biofuel production using microalgal biomass – A review, Anaerobe, 2018
Wirth Roland, Lakatos Gergely, Tamás Böjti, Bagi Zoltán, Maróti Gergely, Papp Bernadett, Rákhely Gábor, Kovács L. Kornél: Characterization of core microbiomes and functional profiles of mesophilic anaerobic digesters fed with Chlorella vulgaris green microalgae, Biotechnology for Biofuels, 2019
Wirth Roland, Lakaros Gergely, Böjti Tamás, Bagi Zoltán, Maróti Gergely, Rákhely Gábor, Kovács L. Kornél: Anaerobic gaseous biofuel production using microalgal biomass – A review, Anaerobe, 2018
Böjti Tamás, Kovács L. Kornél, Kakuk Balázs, Wirth Roland, Rákhely Gábor, Bagi Zoltán: Pretreatment of poultry manure for efficient biogas production as monosubstrate or co-fermentation with maize silage and corn stover, ANAEROBE, 2017
Wirth Roland, Böjti Tamás, Lakatos Gergely, Maróti Gergely, Bagi Zoltán, Rákhely Gábor, Kovács L. Kornél: The core microbial populations and co-occurrence patterns of microalga-fed biogas digesters, Acta Microbiologica et Immunologica Hungarica, 2017
Böjti Tamás, Kovács L. Kornél, Kakuk Balázs, Wirth Roland, Rákhely Gábor, Bagi Zoltán: Simple pretreatment of poultry manure for efficient biogas production and co-fermentation with maize sillage, COMMUNICATIONS IN AGRICULTURAL AND APPLIED BIOLOGICAL SCIENCES, 2017
Wirth Roland, Lakatos Gergely, Böjti Tamás, Maróti Gergely, Bagi Zoltán, Rákhely Gábor, Kovács L. Kornél: Gaseous biofuel production using microalgal biomass, Bioresource Technology, 2018



Back »