Hydroliza – Bakterie na tym etapie produkcji dzięki swoim enzymom są zdolne do degradacji złożonych związków organicznych, takich jak białka, tłuszcze i węglowodany, poprzez przeprowadzanie reakcji biochemicznych. Dzięki ich działaniu, substancje te są trawione i przekształcane w prostsze związki organiczne, takie jak aminokwasy, kwasy tłuszczowe, gliceryna i cukry. W wyniku tego procesu, dodana biomasa ulega przekształceniu w pulpowatą postać . To właśnie podczas hydrolizy powstaje najwięcej biowodoru i to hydroliza trwa najdłużej z wszystkich etapów produkcji biogazu.
Krótki wstęp
Podczas procesu fermentacji beztlenowej różnorodne bakterie i archeony rozkładają substrat organiczny, wytwarzając głównie metan i dwutlenek węgla. Ten beztlenowy proces degradacji można podzielić na cztery odrębne fazy: hydrolizę, acetogenezę, kwasogenezę i metanogenezę.
Fazy te różnią się pod względem szlaków reakcji i metabolitów wytwarzanych przez zaangażowane mikroorganizmy. W reaktorze jednostopniowym z ciągłym, pełnym mieszaniem (najczęstszy typ reaktorów do produkcji biogazu) te poszczególne etapy degradacji zachodzą jednocześnie. W związku z tym specyficzne warunki środowiskowe i operacyjne muszą być dokładnie kontrolowane ze względu na wąskie limity i wysokie wymagania dotyczące degradacji złożonych substratów. Dlatego uzyskanie kompleksowego zrozumienia charakterystyki i wpływowych czynników związanych z różnymi ścieżkami fermentacji beztlenowej ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji produkcji biogazu.
W procesie hydrolizy mikroorganizmy rozkładają złożone polimery organiczne, takie jak węglowodany, białka i tłuszcze, w ich podstawowe elementy składowe: cukry, aminokwasy, glicerol i długołańcuchowych kwasów tłuszczowych.
Hydroliza węglowodanów
Węglowodany obejmują szereg związków, w tym cukry proste (monosacharydy), a także bardziej skomplikowane oligo– i polisacharydy, które powstają głównie w wyniku wiązania lub polikondensacji monosacharydów. Wśród dominujących naturalnych węglowodanów możemy wymienić długołańcuchowe polisacharydy, takie jak celuloza (w tym hemiceluloza i lignoceluloza), pektyna i skrobia. W procesie hydrolizy łańcuchy te są rozkładane na poszczególne monomeryczne bloki budulcowe.
Stosunkowo szybki rozkład może wystąpić w przypadku prostych disacharydów, takich jak sacharoza lub maltoza, podczas gdy hydroliza celulozy lub pektyny jest wolniejsza. Jednak całkowita hydroliza złożonych związków lignocelulozowych np. lignina, występująca w różnych substratach i pozostałościach rolniczych (głównie słoma) nie jest możliwa ze względu na to że rozkłada się tylko w warunkach tlenowych (a jak już wiemy, produkcja metanu zachodzi w ściśle beztlenowych warunkach).
Przeczytaj artykuł i dowiedz się jak funkcjonuje biogazownia!
Hydroliza białek
Białka, składają się głównie z 20 aminokwasów, tworzą długołańcuchowe makrocząsteczki. Struktura i właściwości każdego białka są określone przez sekwencję aminokwasów. Podczas hydrolizy białka są enzymatycznie rozkładane przez enzymy proteolityczne (proteazy – enzymy rozkładające białka) na polipeptydy i aminokwasy. Ze względu na swoją złożoną strukturę, białka generalnie stanowią większe wyzwanie pod względem hydrolizy w porównaniu do prostych węglowodanów. Jednak rzeczywista szybkość rozkładu w dużym stopniu zależy od specyficznej struktury i rozpuszczalności białka (determinowanego przez aminokwasy), a także poziomu pH w środowisku.
Rozkład tłuszczy
Tłuszcze i oleje składają się z długołańcuchowych kwasów tłuszczowych (kwasów monokarboksylowych), które tworzą estry z alkoholem glicerolem. Prawie 98% wszystkich naturalnych tłuszczów i olejów składa się z różnych trójglicerydów, w których każda z trzech grup hydroksylowych glicerolu jest zestryfikowana kwasem tłuszczowym. W procesie hydrolizy lipazy (esterazy – enzymy rozkładające tłuszcze) enzymatycznie rozkładają tłuszcze na glicerol i poszczególne długołańcuchowe kwasy tłuszczowe. W rezultacie tłuszcze mogą ulegać całkowitej hydrolizie, choć zazwyczaj przy stosunkowo niskim tempie rozkładu.
Skład substratów odgrywa kluczową rolę nie tylko w określaniu ilości wyprodukowanego biogazu, ale także w oszacowaniu szybkość hydrolizy.
Jeśli chodzi o degradację substratów rolniczych lub bioodpadów zawierających złożone, cząsteczkowe i odporne składniki takie jak lignina, hydroliza często staje się etapem ograniczającym szybkość całego procesu fermentacji. Dodatkowo, szybkość hydrolizy zależy od składu substratu i stężenia biomasy drobnoustrojów, co koreluje z produkcją enzymów katalitycznych.
