Rozkład niższych kwasów tłuszczowych w fermentacji metanowej

N r 1 18

Z E S Z Y T Y NAUKOWE P O L IT E C H N IK I Ś L Ą S K IE J ______________

I n ż y n i e r i a S a n i t a r n a z . 6 1964

J E R Z Y CH M IELO W SKI, JA N IN A KONOPACKA

ROZKŁAD N IŻ S Z Y C H KWAS0W TŁUSZCZOWYCH W FER M EN TA C JI METANOWEJ

N iż s z e , k w a s y a l i f a t y c z n e w y s t ę p u ją ja k o p r o d u k t y m ik r o b io l o g i c z n e j d e g r a d a c j i z ł o ż o n y c h s u b s t a n c j i o r g a n ic z n y c h w wa­

r u n k a c h b e z t le n o w y c h . K w a sy t e , s z c z e g ó l n i e kw as o c t o w y , m a- s ło w y i p ro p io n o w y , p r z e w a ż a ją w ś ró d p ro d u k tó w p o ś r e d n ic h f e r m e n t a c j i m e ta n o w e j osadów o r g a n ic z n y c h [ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ]« F e r m e n t a c ja m etanow a j e s t p ro c e s e m powodowanym p r z e z m ie s z a n e p o p u la c je b a k t e r i i k w a s o t w ó rc z y c h i w y t w a r z a ją c y c h m e ta n . J e ż e l i p r o c e s f e r m e n t a c y jn y p r z e b ie g a w u s t a l o n e j ró w n o w a d ze , w y tw a rz a n e k w a s y l o t n e s ł u ż ą ja k o s u b s t r a t y d l a b a k t e r i i me­

t a n o w y c h . N ie k ie d y je d n a k o b s e r w u je s i ę z j a w is k o z a k w a s z a n ia kom ór f e r m e n t a c y jn y c h . S t a j e s i ę t o p r z y c z y n ą z a k ł ó c e ń p ro c e s u t e c h n o lo g ic z n e g o , k t ó r e p r z e j a w i a j ą s i ę o b n iż e n ie m pH ś r o d o w is k a , s z y b k o ś c i w y t w a r z a n ia g a z u i z m n ie js z e n ie m s i ę z a w a r t o ś c i m etan u w g a z i e f e r m e n t a c y jn y m . R o z k ła d p ie r w o t ­ n y c h s u b s t r a t ó w f e r m e n t a c j i u le g a u p o ś le d z e n iu .

Z ja w is k o z a k w a s z a n ia kom ór m ożna w y j a ś n i ć ja k o z a b u r z e ­ n i e ró w n o w a g i p o m ię d z y f a z ą k w a s o t w ó rc z ą i f a z ą w y t w a r z a n ia m e ta n u w p r o c e s ie f e r m e n t a c y jn y m . N a g ro m a d ze n ie s i ę kw asów w ś r o d o w is k u n a s t ę p u je , g d y s z y b k o ś ć m e ta n o g e n e z y s t a j e s i ę m n ie js z a od s z y b k o ś c i w y t w a r z a n ia kw asó w . Z a k ł ó c e n ia w w y­

t w a r z a n i u m e ta n u s ą z w ią z a n e ze s z c z e g ó ln ą w r a ż l i w o ś c i ą b a k ­ t e r i i m etan o w ych n a d z i a ł a n i e ś r o d o w is k a . T e b e z w z g lę d n e b e z t le n o w c e c e c h u ją s i ę w y s o k ą w y b i ó r c z o ś c i ą s u b s t r a t o w ą i m a łą o d p o r n o ś c ią n a z m ia n y t e m p e r a t u r y i o d c z y n u [ 6 ] .

W ie le u w a g i p o ś w ię c o n o f e r m e n t a c j i m e ta n o w e j n i ż s z y c h kwa sów t ł u s z c z o w y c h . J e ż e l i k w a s y t e w p ro w ad zon e do ś r o d o w is k a s t a j ą s i ę s u b s t r a t e m f e r m e n t a c j i m e ta n o w e j, s t w a r z a s i ę wa­

r u n k i j a k g d yb y iz o lo w a n e j f a z y z g a z o w a n ia z w ią z k ó w , k t ó r e z w y k le w y s t ę p u ją ja k o p r o d u k t y p o ś r e d n ie w p r o c e s i e b a r d z i e j z ło ż o n y m . O b s e r w a c je t a k i e j f e r m e n t a c j i mogą d o s t a r c z y ć i s t o t n y c h w sk a z ó w e k d o t y c z ą c y c h m e ta n o g e n e z y i z j a w i s k a z a ­ k w a s z a n ia kom ór f e r m e n t a c y jn y c h . B a d a n ia t e z a p o c z ą t k o w a ł BU SW ELL [ 1 ] . R o z k ła d e m k w a s u o c to w e g o , p ro p io n o w e g o i m a s ło ­

62

Jerzy Chmielowski. Janina Konopacka

wego zajmował się SCHULZE [7]. Ostatnio KEEFER [8] obserwo­

wał fermentację metanową kwasu octowego i propionowego.Wpływ wysokich stężeń kwasu octowego na przebieg fermentacji meta­

nowej badał McCARTY i McKIMEY [9, 10],

Obserwacje te wydają się jednak niepełne. Interesujące by ło szczegółowe zbadanie fermentacji metanowej sześciu pierw­

szych homologów kwasów alifatycznyoh. Występowanie tyoh kwa­

sów lotnych jako produktów pośrednich fermentacji metanowej złożonych związków organicznych jest teoretycznie prawdopo­

dobne i doświadczalnie udowodnione dla większości tych związ ków [1-5J. Doświadczenia zmuszały również do przybliżonego o kreślenia maksymalnych stężeń lotnych kwasów tłuszczowych, które mogą ulegać fermentacji bez zakłócenia metanogenezy.

C z ę ś ć d o ś w i a d c z a l n a

Substraty i metodyka badań

Wytwarzanie metanu z niższych kwasów tłuszczowych prowa­

dzono w środowisku fermentacyjnym cieczy nadosadowej. Ciecze te uzyskiwano przez dekantację osadów biogennych,technicznie przefermentowanych w wydzielonych komorach mezofilnej fer­

mentacji metanowej. Do badań użyto cieczy nadosadowych, w których przez kilkudniową fermentację doprowadzono do zubożę nia zawartości pierwotnych substratów metanogenezy. Tak prze fermentowane ciecze wykazywały szczątkowe wytwarzanie metagu Fermentację prowadzono w termostacie o temperaturze 32 C

± 1 , która odpowiadała optimum mezofilnej fermentacji meta­

nowej.

Jako substrat metanogenezy zastosowano sześó pierwszych kwasów szeregu alifatycznego. Był to kwas mrówkowy, octowy, propionowy, mas łowy, Walerianowy i kapronowy, które użyto w postaci preparatów chemicznie czystych lub ich wodnych roz­

tworów.

Chemiczną charakterystykę fermentujących cieczy stanowi­

ły oznaczenia kwasów lotnych, alkaliczności, suchej pozosta­

łości ogólnej i straty przy prażeniu oraz pH. Analizy te przeprowadzano zgodnie z zaleceniami STANDARD METHODS [11] ; pH oznaczano potencjometrycznie przy pomocy elektrody szkla­

nej.

Rozkład niższych kwasów tłuszczowych w fermentacji... 63

. O b s e r w a c je n a d f e r m e n t a c ją p ro w a d zo n o w s z c z e l n i e za m k n ię t y c h k o m o ra ch l a b o r a t o r y j n y c h . B y ł y t o b u t l e s z k l a n e o do­

k ł a d n i e w y z n a c z o n e j p o je m n o ś c i. Kom ory t e z a o p a t r z o n o w zawo r y z gumy m i ę s i s t e j z a s to s o w a n e p r z e z je d n e g o z a u t o ró w w p r a c a c h w c z e ś n i e j s z y c h [ 5 , 1 2 ] . Z a w o ry b y ł y u m ie s z c z o n e w k o r k a c h z a m y k a ją c y c h ko m o ry i u m o ż li w i a ł y p o m ia r y c i ś n i e n i a w y t w a r z a ją c e g o s i ę g a z u f e r m e n t a c y jn e g o p r z y u ż y c i u z w y k łe g o m ano m etru r t ę c io w e g o z przew odem u z b r o jo n y m i g ł ą i n i e k c y j n ą . W p ro w a d za n ie s u b s t r a t ó w , p o b ó r p ró b c i e c z y l u b g a z u f e r m e n t a o y jn e g o n a s t ę p o w a ł p r z y pom ocy s t r z y k a w e k i n i e k c y j n y c h .

I l o ś c i w y tw a rz a n e g o g a z u fe r m e n t a c y jn e g o m ie rz o n o r a z d z i e n n ie m e to d ą m a n o m e try c z n ą o p ra c o w a n ą w p o p r z e d n ic h b ad a ­ n ia c h [ 5 , 1 2 ] . A n a l i z ę te g o g a z u o p a r t o n a c h r o m a t o g r a f i i g a zo w e j m e to d ą JA N A K a , k t ó r ą p r z y s t o s o w a n o do b a d a ń m etan o g en e z y [ 5 ] .

P r z e b i e g d o ś w ia d c z e ń

F e r m e n t a c ję m etanow ą n i ż s z y c h kw asów t ł u s z c z o w y c h p ro w a ­ dzono w t r z y l i t r o w y c h k o m o ra c h l a b o r a t o r y j n y c h z a o p a t r z o n y c h w t u b u s d o l n y . Z a w i e r a ł y one po 0 , 5 1 c i e c z y n a d o s a d o w e j.

P r z e d r o z p o c z ę c ie m b a d a ń ko m o ry p r z e p łu k iw a n o d w u t le n k ie m wę g l a . Z a p e w n ia ło t o w a r u n k i b e z t le n o w e k o n ie c z n e d l a n a l e ż y ­ te g o p r z e b ie g u f e r m e n t a c j i . C o d z ie n n e , r ę c z n e w s t r z ą ś n i ę c i e ko m ór pow odow ało w y s t a r c z a j ą c e m ie s z a n ie r e a g u j ą c e j m a sy f e r m e n t a c y jn e j .

P i e r w s z a c z ę ś ć p ro g ra m u b a d a ń s k ł a d a ł a s i ę z s z e ś c i u s e ­ r i i , z k t ó r y c h k a ż d a o b e jm o w a ła d w ie 'r ó w n o le g le t r a k t o w a n e ko m o ry d o ś w ia d c z a ln e , p r z e z n a c z o n e d l a je d n e g o z b a d a n y c h kwa­

sów t ł u s z c z o w y c h . P o s łu ż o n o s i ę je d n ą ko m orą k o n t r o ln ą w c e ­ l u w y z n a c z e n ia p r o d u k c j i g a z u fe r m e n t a c y jn e g o p r z e z c i e c z n ad o sa d o w ą n i e o b c ią ż o n ą p r z e z b ad a n e s u b s t r a t y .

B a d a n ia w s tę p n e u m o ż l i w i ł y w y z n a c z e n ie w i e l k o ś c i je d n o r a z o w e j d a w k i k w a s u , j a k ą m ie s z a n e p o p u la c je b a k t e r i i fe rm e n ­ t u ją c e g o ś r o d o w is k a p o t r a f i ł y r o z ł o ż y ć w p r z e c i ą g u d o b y . Z a ­ s to s o w a n o z b l iż o n e d a w k i gramowe t y c h s u b s t r a t ó w . W y n o s iły o n e 1 0 0 0 m g / l d l a k w a s u mrówkowego (K o m o ra 1 i 2 ) , o cto w eg o (K o m o ra 3 i 4 ) i p ro p io n o w e g o (K o m o ra 5 i 6 ) . W p r z y p a d k u kw a su m asło w eg o (K o m o ra 7 i 8 ) w p row adzono 1 2 0 0 m g / l s u b s t r a t u . Dobowe d a w k i k w a s u W a le ria n o w e g o (K o m o ra 9 i 1 0 ) o r a z k a p ronow ego (K o m o ra 11 i 1 2 ) w y n o s i ł y 8 0 0 m g / l . Kom ora 1 3 z a ­ w i e r a ł a c i e c z n ad o sad o w ą i u m o ż li w i a ł a k o n t r o l ę d o ś w ia d c z ę ń i a p r z e z o b s e r w a c je f e r m e n t a c j i s z c z ą t k o w e j te g o ś r o d o w is k a

64 Jerzy Chmielowski, Janina Konopacka

W y t w a rz a n ie g a z u w t e j ko m o rze b y ło r z ę d u 1 0 0 m l / l n a dobę W o b a w ie p r z e d z a k w a s z e n ie m ś r o d o w is k a p r z e z doprow adzone k w a s y , sto so w a n o wodne r o z t w o r y kwasów z a l k a li z o w a n e am o n ia k ie m do pH 7 , 2 do 7 , 8 . N i e w i e l k i e p r z e k r o c z e n i e pH 7 , 2 od­

p o w ia d a ją c e g o optim um f e r m e n t a c j i w y d a w a ło s i ę n ie s z k o d l iw e w t y c h o b s e r w a c ja c h .

CZAS, dni R y s . 1 . W y t w a r z a n ie g a z u w c z a s i e f e r m e n t a c j i m e ta n o w e j

Rozkład niższych kwasów tłuszczowych w fermentacji... 63

C o d z ie n n e d o z o w a n ie w y z n a c z o n y c h daw ek s u b s t r a t u we w s z y s t k i c h s e r i a c h t r w a ł o 7 d n i , po czym n a s t ę p o w a ło 3 - d n io - wa p r z e r w a d l a z u b o ż e n ia ś r o d o w is k a w s u b s t r a t f e r m e n t a c y jn y W c e l u d o ś w ia d c z a ln e g o p o t w ie r d z e n ia p r a w id ł o w o ś c i w y z n a c z e ­ n i a d a w k i s u b s t r a t ó w kw asow ych r o z k ła d a n y c h w c i ą g u d o b y , p r z e z d a ls z e 4 d n i w p ro w ad zan o p o n o w n ie p od an e i l o ś c i su b ­ s t r a t ó w . N a s t ę p n ie po je d n o d n io w e j p r z e r w ie w d o z o w a n iu , 17 d n ia d o ś w ia d c z e n ia do ś r o d o w is k a w prow adzono d a w k i d w u k ro t­

n ie w ię k s z e od p o p r z e d n io w y z n a c z o n y c h . R o z k ła d t y c h z w ię k ­ s z o n y c h p o r c j i s u b s t r a t ó w n a s t ę p o w a ł w c i ą g u o k o ło 2 d n i f e r m e n t a c j i . O bserw ow ano d w u k ro tn e z w ię k s z e n ie w y t w a r z a n ia g a z u z r o z k ł a d u k w a s u mrówkowego i o c to w e g o . W y t w a r z a n ie g a z u w f e r m e n t a c j i p o z o s t a ł y c h kw asów b y ło za h a m o w a n e ! n ie w z r a s t a ł o p r o p o r c jo n a l n ie ze w z r o s t e m d a w k i s u b e t r a t u . P r z e b ie g t y c h e k sp e ry m e n tó w w sp o só b g r a f i c z n y p o d a je r y s . 1 , 2 i 3 d l a kw a su m rów kow ego, o cto w e g o i p ro p io n o w e g o o r a z r y s . 4 ,

5

i 6 d l a k w a s u m a sło w e g o , W a le ria n o w e g o i k a p ro n o w e g o .

Z m ia n y j a k i e z a s z ł y w c i e c z a c h n a d o sa d o w y c h , f e r m e n t u ją ­ c y c h w p ro w ad zon e n i ż s z e k w a s y t łu s z c z o w e b ad an o a n a l i t y c z n i e . T a b e la I p o d a je c n e m ic z n ą c h a r a k t e r y s t y k ę t y c h ś r o d o w is k ¿po o k o ło 3 -ty g o d n io w y m fe r m e n t o w a n iu o k r e ś lo n y c h kw asów w porów n a n iu z a n a l i z ą w s t ę p n ą u ż y t e j c i e c z y n a d o s a d o w e j. S k ł a d g a­

z u fe r m e n t a c y jn e g o w y tw o rz o n e g o z b e z tle n o w e g o r o z k ł a d u b a ­ d a n y ch n i ż s z y c h kw asów a l i f a t y c z n y c h p o d a je t a b e l a 11$ z a ś t a b e l a V in f o r m u je o s k ł a d z i e g ą z u , k t ó r y m ożna b y ło p r z e ­ w i d z i e ć n a p o d s t a w ie s t e c h io m e t r y c z n y c h ró w n a ń f e r m e n t a c j i m e ta n o w e j kw asów t ł u s z c z o w y c h .

P rz e p ro w a d z o n o p o ró w n a n ie i l o ś c i g a z u f e r m e n t a c y jn e g o w y­

tw o rz o n e g o z j e d n o s t k i m a sy p o s z c z e g ó ln y c h s u b s t r a t ó w kw aso ­ w ych z w i e l k o ś c i a m i t e o r e t y c z n y m i , o b lic z o n y m i p r z y pomocy s t e c h io m e t r y c z n e g o r ó w n a n ia BUSW KLLa [1] . R ó w n a n ie t o o k r e ś ­ l a i l o ś ć i s k ł a d g a z u f e r m e n t a c y jn e g o w z a l e ż n o ś c i od s k ł a d u e le m e n ta r n e g o s u b s t r a t u . J e ż e l i ów s k ł a d e le m e n t a r n y j a k i e ­ g o ś z w ią z k u o r g a n ic z n e g o w y r a ż a w z ó r C H 0 , t o o g ó ln ą r e a k c j ę f e r m e n t a c j i m e ta n o w e j o k r e ś l a r & m t ń i e j

C„Ha V (n ' f - I ’ H2 ° — (f - I + 4 5 °°2 + (f + I ' >

D o ś w ia d c z a ln ie w y z n a c z o n e o b j ę t o ś c i g a z u fe r m e n t a c y jn e g o w y tw o rz o n e w b e z tle n o w y m r o z k ł a d z i e j e d n o s t k i m a sy b a d a n y c h kw asów p orów nano w t a b e l i I I I z w i e l k o ś c i a m i t e o r e t y c z n y m i z r ó w n a n ia B U 3 V łEŁLa.

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

4 0 0

2 0 0

0

2 .

—i--- 1---1--- 1--- 1---1--- 1---¹--- 1--- r

Jerzy Chmielowski, Janina Konopacka

):

KWAS OCTOWY Ko m ora 3 Kom ora 4-

• H i l f i ' J

i i

/ i

i

ł f

P

i

J I L J_____I i .

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 25

CZAS, dni W y tw a rza n ie g a z u w c z a s i e f e r m e n t a c j i m etan ol

k w a s u o cto w eg o

WYTWARZANIEGAZU, ml nalitK objętości czynnejnadobę

R0Zv>nH niższych kwasów tłuszczowych w fermentacji » ..— &]_

Rys. 3. Wytwarzanie gazu w czasie fermentacji metanowej

kwasu propionowego

68_________ Jerzy Chmielowski, Janina Konopacka

Rys. 4-. Wytwarzanie gazu w czasie fermentacji metanowej

kwasu masłowego

WYTWARZANIEGAZU, ml naliłr nadobę obj.czynnej

Rozkład niższych kwasów tłuszczowych w fermentacji... 69

Rys. 5. Wytwarzanie gazu w czasie fermentacji metanowej

kwasu

Walerianowego

WYTWARZANIEGAZU, ml nolifrobjętości czynnej nadobę •

70 Jerzy Chmielowski, Janina Konopacka

Rys. 6. Wytwarzanie gazu w czasie fermentacji metanowej kwasu kapronowego

\

Rozkład niższych kwasów tłuszczowych w fermentacji.,. 71

Tabela I Charakterystyka cieczy nadosadowej fermentująoeJ

z dodatkiem niższyoh kwasów tłuszczowych Suhstrat fermentują­

cy w cleozy nadosadowej

0 z n a c z e n i 9 Symbol

komory

Suoha pozo­

stałość

*

Śtrata przy pra­

żeniu su­

chej pozo- stałośoi

*

Kwasy lotne mg/l CHjCOOH

Alka- lloz- '.10 ś i ag/ l CaC03

pH

Ciemz nado sadowa

analiza początk. - 0,30 67 172 2870 7,6

1 ^_ 312 7940 7,8

Kwas mrówkowy

2 0,29 56 330 8130 7,6

3 0,28 54 250 5540 7,7

Kwas ootowy

4 - - - -

5 0,28 57 257 5300 7,4

Kwas propionowy

6 - - 402 5300 7,4

7 _ _{335 5250 7,3}

Kwas masłowy

8 0,29 ^{48 425 5110} 7,4

9 0,28 55 617 2980 7,2

Kwas Walerianowy

10 - - 514 2840 7,2

11 _ _{400 3190 7,2}

Kwas kapronowy

12 0,28 53 421 32 8C 7,2

Cle oz nadosadowa w komorze kontrol­

nej 13 0,26 45 220 3300 7,6

Tabela II Skład gazu fermentacyjnego

stwierdzony metodą chromatografii gazowej w rozkładzie beztlenowym niższych kwasów tłuszczowych

Substrat fermentujący Symbol

S k ł a d

gazu fermentującego,%

w cieczy

n a d o sa d o w e j

komory

C H .

4 c o 2

■ N2

1 6 0 ,5 3 4 ,5 5 , 0

Kwas mrówkowy

2 6 0 ,5 3 4 ,5 5 ,0

3 6 5 ,0 2 9 ,5 5 ,5

Kwas octowy

4

5 6 9 ,0 2 5 ,0 6 , 0

Kwas propionowy

6 6 9 ,5 2 5 ,5 5 , 0

7 7 0 ,5 2 6 ,5 3 , 0

Kwas masłowy

8 7 0 ,5 2 6 ,0 3 , 5

9 6 8 ,0 2 6 ,0 6 , 0

Kwas Walerianowy

10 6 4 ,0

30,0

6 , 0

11 6 6 ,5 2 9 ,0 4 , 5

Kwas kapronowy

12 6 5 ,5

30,0

4 , 5

J e r z y Ch mi el o w s k i , J a n i n a K o n o p a c k a

T a b e la I I I O b l i c z o n e i d o ś w i a d c z a l n i e s t w i e r d z o n e i l o ś c i g a z u f e r m e n t a c y j n e g o

z r o z k ł a d u n l ż s z y o h kwasów t ł u s z c z o w y c h '

Kwas t ł u s z c z o w y

Sym­

b o l k o ­ m ory

D z i e n n a d aw ka k w a s u g / l

I l o ś c i c a z u f e r m e n t a c y j n e g o C a ł k o ­ w i t a

da wk a k w a s u g / l

I l o ś c i g a z u f e r m e n t a c y j n e g o o b l i c z o n e z e wzo

r u HJSWTOa

d o ś w ia c w i e l k o ś ć

I c z a l n e ś r e d n i e

o b l i c z o n e z e w z o r u

BOSWELIa m l / l

d o ś w i a d o z a l n e w i e l k o ś c i ś r e d n i e m l / g m l / l m l / l # i l o ś c i

o b l i c z o n e j m l / l % i l o ś c i

o b l i c z o n e j

Kwas mrówko­

wy

1 2 A B

1 , 0 0 2 , 0 0 0 , 9 2 X ‘ , 2 , 7 6 x J

4 8 7

4 8 7 9 74 447 1 3 4 0

4 0 0 926 4 3 0 11 6 0

8 2 , 0 9 5 . 0 9 6 . 0 8 6 , 5

1 0 , 0 0 1 2 , 0 0 1 1 , 96x ^ 1 1 , 96x ^

4 8 7 0 5 8 5 0 5 8 2 0 5 8 2 0

4 1 4 8 4791 5 3 7 9 5 6 8 8

8 5 . 0 8 2 . 0 9 2 . 5 9 7 . 5

Kwas o o to w y

3 A C D

1 , 0 0 2 , 1 0

1 , 2 0 x ) 3 , 6 0 x )

7 4 7

7 4 7 15 7 0 895 2 6 9 0

7 80 18 3 6 850 2 1 6 0

1 0 4 , 5 1 1 7 , 0 9 5 , 0 8 0 , 5

1 5 , 6 0 1 1 , 0 0 1 5 , 6 0 ^ 1 2 , 0 0 * )

1 1 6 2 0 82 CO 1 1 6 2 0 895 0

1 1 2 0 8 8485 1 1 832 87 6 8

9 7 . 0 1 0 3 , 5 1 0 2 , 0 9 8 . 0

Kwas p r o p i o - 5 1 , 0 0 9 0 8 680 7 5 , 0 1 3 , 0 0 1 1 8 0 0 88 29 7 5 , 0

nowy 6 2 , 0 0 18 1 6 10 00 5 5 , 0 1 1 , 0 0 9 9 8 0 6511 6 5 , 0

7 1 , 2 0 1 2 2 0 880 7 2 , 0 1 5 , 6 0 1 5 9 0 0 1 0 909 6 8 , 5

Kwas m as ło w y 8 2 , 4 0 2 4 4 0 1390 5 7 , 0 1 5 , 6 0 1 5 9 0 0 1 1 1 6 8 7 3 , 5

Kwas W a l e r i a ­ 9 0 , 8 0 880 7 4 0 8 4 , 0 1 0 , 4 0 1 1 4 5 0 8 7 5 8 7 6 , 5

nowy 10 1 , 6 0 1 7 6 0 10 00 5 7 , 0 1 0 , 4 0 1 1 4 5 0 835 4 7 3 , 0

Kwas k a p r o - 11 0 , 8 0 9 2 8 7 2 0 7 7 , 5 1 0 , 4 0 1 2 0 8 0 8719 7 2 , 0

nowy 12 1 , 6 0 1 8 5 6 10 50 5 6 , 5 8 , 8 0 1 0 2 0 0 8857 8 7 , 0

x ) d o z o w a n i e w p o s t a c i w o l n y c h kw a só w .

Rozkładniższychkwasówtłuszczowychw fermentacji

174 Jerzy Chmielowski, Janiną Konopacka

D ru g a c z ę ś ć p ro g ra m u b ad a ń o b j ę ł a f e r m e n t a c ję m etanową k w a su mrówkowego (K o m o ra A i B ) o r a z kw a su o cto w eg o (K o m o ra C i D ) . Kom ora E u m o ż li w i a ł a k o n t r o lę t e j f e r m e n t a c j i . Do d o ś w ia d c z e ń w y b ra n o t y l k o t e dwa k w a s y , p o n ie w a ż i c h fe rm e n t a c j a p r z e b ie g a ł a s z c z e g ó l n i e p o p ra w n ie w p o p r z e d n io o p is a ­ n y c h o b s e r w a c ja c h . W o d r ó ż n ie n i u od p o p r z e d n ic h e k sp e ry m e n ­ tó w w d r u g i e j c z ę ś c i b a d a ń do p rz e fe r m e n to w a n y c h c i e c z y nad o sa d o w y ch w prow adzano w o ln e k w a s y . B y ł o t o m o ż liw e w s k u t e k w y s o k i e j w a r t o ś c i pH 8 , 2 u ż y t e j p rz e fe r m e n t o w a n e j c i e c z y n a d o sa d o w e j o r a z d u ż e j z d o ln o ś c i b u fo r o w e j te g o ś r o d o w is k a .

D o ś w ia d c z e n ie m ia ło p r z e b ie g z b l i ż o n y do p o p r z e d n io o p i­

s a n y c h o b s e r w a c j i . P r z e z o k r e s 10 d n i s to s o w a n o d a w k i 0 ,9 2 g / l k w a su mrówkowego i 1 , 2 0 g / l k w a s u o c to w e g o , po czym w prow adzono 4 - d n io w ą p r z e r w ę w z a s i l a n i u w c e l u z u b o ż e n ia ś r o d o w is k a w f e r m e n t a c j i s z c z ą t k o w e j . W 15 d n iu d o ś w ia d c z e ­ n i a w prow adzono p o n o w n ie t ę dobową dawkę k w a s u , z a ś w

19

d n iu o b s e r w a c j i ko m ory o b c ią ż o n o d aw ką t r z y k r o t n i e w ię k s z ą i w y n o s z ą c ą 2 ,7 6 g / l k w a su mrówkowego o r a z 3 ,6 0 g / l kw a su o c to w e g o . P o 24 g o d z in a c h f e r m e n t a c j i w y t w a r z a n ie g a z u o s i ą g a ło m aksim um , po czym z a n ik a ł o do w a r t o ś c i s z c z ą t k o w y c h w c i ą g u 3 do 4 d n i . P r z e b ie g f e r m e n t a c j i m e ta n o w e j kw a su mrów kowego i octo w eg o w d r u g i e j c z ę ś c i d o ś w ia d c z e ń i l u s t r u j e r y s . 7 i 8 . Z m ia n y s k ł a d u c i e c z y n ad o sa d o w y ch f e r m e n t u ją c y c h t e k w a s y p o d a je t a b e l a I V , z a ś t a b e l a I I I z a w i e r a d o ś w ia d ­ c z a l n i e s t w ie r d z o n e i t e o r e t y c z n e i l o ś c i g a z u f e r m e n t a c y j ­ nego w y tw o rz o n e w b e z tle n o w y m r o z k ł a d z i e b a d a n y c h s u b s t r a ­ tó w .

W ydaw ało s i ę p r z y d a t n e z e b r a n ie w t a b e l i V ró w n a ń f e r ­ m e n t a c j i m eta n o w e j b a d a n y c h lo t n y c h kw asów t ł u s z c z o w y c h , W sp o só b u p r o s z c z o n y p o d a ją one p r a w d o p o d o b n y ,s t e c h io m e t r y c z - n y p r z e b ie g p r o c e s u m e ta n o g e n e z y . T a b e la t a ■ zawiera r ó w n ie ż s k ł a d p ro c e n to w y g a z u fe r m e n t a c y jn e g o o b l ic z o n y n a p o d s t a ­ w ie ró w n a ń s t e c h io m e t r y c z n y c h .

O m ó w i e n i e w y n i k ó w

S z c z e g ó ln ą c e c h ą f e r m e n t a c j i m e ta n o w e j j e s t w y t w o r z e n ie g a z u f e r m e n t a c y jn e g o , k t ó r e g o s k ł a d ja k o ś c io w y j e s t w z a s a ­ d z i e n i e z a l e ż n y od c h a r a k t e r u i s t r u k t u r y s u b s t r a t u : b e z t l e nowy r o z k ł a d r ó ż n y c h s u b s t a n c j i o r g a n ic z n y c h p r o w a d z i zaw­

s z e do w y t w o r z e n ia m ie s z a n in y m etan u i d w u tle n k u w ę g la ja k o g łó w n y c h s k ła d n ik ó w g a z u . W z a l e ż n o ś c i od r o d z a j u fe r m e n to ­ wanego z w ią z k u z m ie n ia s i ę t y l k o s t o s u n e k m etan u i d w u tle n ­ k u w ę g la w w ytw o rzo n ym g a z ie fe r m e n t a c y jn y m .

WYTWARZANIEGAZU, ml nalitr objętości czynnej nadobę

ROZv>ad niższych kwaaćw tłuszczowych w fermentacji.«. 75

Rys. ?. Wytwarzanie gazu w czasie fermentacji metanowej kwasu mrówkowego. Dozowanie wolnego kwasu

i

2200

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

R y s

Jęrzy Chmielowski, Janina Konopacka

C ZA S , dni

, 8 . W y t w a r z a n ie g a z u w c z a s i e f e r m e n t a c j i m etanow e;

kw a s u o c to w e g o . D o zo w a n ie w o ln e g o k w a s u

Tabela IV

C h a r a k t e r y s t y k a c i e c z y n& d osad o w ej f e r m e n t u j ą c e j z d o d a t k ie m kw a su mrówkowego i o cto w eg o

S u b s t r a t f e r m e n t u ją c y w c i e c z y n a d o sa d o w e j

S y m b o l ko m ory

0 z n a c z e n . e S u c h a

p o zo ­ s t a ł o ś ć

%

S t r a t a p r z y p r a ż e ­ n i u s u c h e j p o z o s t a ł o ś c i

%

K w a sy l o t n e m g /i C H j C00H

A l k a ­ l i c z ­ n o ś ć m g/1 CaC03

pH

C i e c z n a d o sa d o w a , a n a ­

l i z a p o c z ą tk o w a - 0 ,5 1 68 34 0 2 7 8 0 8 , 2

A 0 ,4 7 59 430 3 6 0 0 6 , 9

Kw as mrówkowy

B 0 ,4 8 52 25 0 3 5 7 5 7 , 2

C 0 ,4 9 57 410 3 2 5 6 5 , 8

Kw as o c to w y

D - - - - -

C i e c z n ad o sa d o w a w

ko m o rze k o n t r o l n e j E 0 ,4 6 53 112 4 0 1 0 7 , 8

3

Rozkładniższychkwasówtłuszczowychw fermentacji

78 Jerzy Chmielowski, Janina Konopacka

T a b e l a V P r z e g l ą d praw do po dob nych r e a k c j i r o z k ł a d u n i ż s z y c h kwasów t łu s z c z o w y o h

w f e r m e n t a c j i m eta no wej

Reakcja fermentacji metanowej teoretyczny

skład gazu

*CB4 *co2

K W A S M R O W K O W Y

4HC00H— w-CH. + ^3C0 + SB ⁰

stwierdza się małe ilości wodoru w gazie fermentacyjnym;możliwa reakcja dwustopniowa:

H C O O H - ^ C O p + ^H_

C02+ 4H2- ^ C B | + 2Hp0

25,0 75,0

K W A S O C T O W Y

bezpośredni rozkład: CH^COOH

+

^C02

alternatywna reakcja oksydoredukcyjna:

utlenienie: CH,COOH + 2H 0 -*-2C0 ♦ 8H

redukcja: * ^{COg + 8H^ CH^} + ^{2H2 0}

50,0 ^{5 0 , 0}

ogólnie i CHjCOOH CH^ + ^C02

K W A S P R O P I O K O W Y

łCHjCH2C0 0H + 2HgO -»~?CB4 + 5C02

utlenienie: 4CHjCH2C00H + 8H£0 -»-łCHjCOOH + 4C02+ 24E

redukcja: 3C02 + ^24H -w-3CB4 + ^6H20

58,3 41,7

sumarycznie: 4CH..CB COOB + 2B 0 -»-4CH,C00H + ^3CH. + ^C02

fermentacja octanu: ¿ ^ C O O E — 4CH4 ♦ 4C02

ogólnie: 4CE3CB2C00H t 2H2 0 7CE4 + 5C02

K W A S H A S Ł O W Y

2CH3CH2CH2C0 0H + 2H2 0 -*-5CH4 + 3C0 2 oksydoredukcja: 2CH,CH2CH COOH+2H20+CQ2 -w-4CB,COOB+ CH,

fernentacja octanu: ^ HjC00H 4CE4+4C0 2

62,5 37,5

ogólnie: 2CH3CH2CH2C0OK+2H2O 5CH^+3C0?

K w a s w a l e r i a h o w y

4CH,CB„CB,CE,C00H+6E,0-»-13CB,,+7C0,

oksydo- 3 2 2 2 z 4 2

redukcja: AOH.CH^CH CB,CO0B+4B,O+2CO,-to- 4CB,CH,C00B+4CB,C00E+2CB,

fermentacja 3 2 2 2 2 2 3 2 3 4

propionianu: 4CH,CH,C00H+2E„0 4CE,C00H+3CH,+ CO,

fermentacja 0 2 2 ■ y 4 2

octanu: acE^COOH 8CH4+8C0?

65,o 35,0

ogólnie: 4CH3CH2CffgCH2C00Hł^E20 “ 1 3CH4+7C02 '

K W A S K A P R O H O W Y ' --- '

okeydore-

dukcja: 2CB CE CE CE CE,COOH+2E,OtCO,-e-2CH,CH,CH,COOE+2CH,COOB+ CE,

fermentacja ¿ ¿ 2 2 2 2 2 3 2 2 3 4

maślanu: 2 C B - C H C H C 0 0 H + 2 H _ 0 + C 0 , - « - 4CH,C00E+ CH,

fermentacja 3 2 2 2 2 3 4

octanu: óCHjCOOB 6CH4+6C02

66,7 33,3

ogólnie: 2CH3CB2CH2CE2CH2C00E+4h20 -e— '““Scs7+4C0 2

Rozkład niższych kwasów tłuszczowych w fermentacji... 79

W y t w a r z a n ie d w u t le n k u w ę g l a , p r o d u k t u c a łk o w it e g o u t l e n i e n i a s u b s t r a t ó w o r g a n ic z n y c h j e 3 t u z a s a d n io n e . T r u d n i e j n a t o ­ m i a s t w y t łu m a c z y ć w y s tę p o w a n ie m e ta m i, ja k o d r u g ie g o g łó w n e go s k ł a d n i k a g a z u f e r m e n t a c y jn e g o . To c ie k a w e z j a w is k o p ró b o w a ł t łu m a c z y ć BUSW ELL [ 1 3 ] s t w i e r d z a j ą c , ż e p o w s ta w a n iu m ie ­ s z a n i n y C O . i CH . ja k o p r o d u k t u f e r m e n t a c j i t o w a r z y s z y mak-

r

i

s y m a ln y s p a d e k e n e r g i i sw o b o d n e j u k ł a d u . V an N I E L L 6 J p o d a ł t e o r i ę k t ó r a p r z e w id y w a ł a c a ł k o w i t e u t l e n i e n i e s u b s t r a t u w ęg low eg o do d w u t le n k u w ę g la . C z ę ś ć te g o d w u t le n k u u l e g a ł a r e d u k c j i do m e ta n u pod wpływem w o d o ru nag ro m ad zo n eg o w p r o ­ c e s i e d e h y d r o g e n a c ji s u b s t r a t u . O k a z a ło s i ę j e d n a k , ż e n i e ­ k t ó r e z w i ą z k i - k w a s o c to w y [ 1 4 , 15» 1 6 ] l u b m e t a n o l [ i 6 ] tw o ­ r z ą m e ta n p r z e z b e z p o ś r e d n i r o z k ł a d d r o b in y . U d an ą p ró b ę p o g o d z e n ia t y c h p o z o r n ie s p r z e c z n y c h s p o s t r z e ż e ń p rz e p ro w a ­ d z i ł BA RKER [ 6 ] w o g ó ln y m s c h e m a c ie m e ch a n izm u b io c h e m ic z ­ nego w y t w a r z a n ia m e ta n u .

S z c z e g ó l n ie je d n a k p r z y d a t n e u o g ó ln ie n ie m e ta n o g e n e z y po­

d a ł BUSW ELL [ 1 ] w p o s t a c i p r o s t e g o s t e c h io m e t r y c z n e g o ró w n a ­ n i a . R ó w n a n ie t o o c z y w i ś c i e n i e u w z g lę d n ia m e ch a n izm u r o z k ł a d u , s t a n o w i je d n a k n i e w ą t p l i w i e dogodne i p r a k t y c z n e u o g ó l­

n i e n i e z j a w i s k a m e ta n o g e n e z y . P o d a je z a l e ż n o ś ć p o m ię d z y s k ł a dem e le m e n ta rn y m s u s b t r a t u , a i l o ś c i ą i s k ła d e m g a z u f e r n e n - t a c y jn e g o . O k r e ś l a r ó w n ie ż i l o ś ć w o d y , k t ó r a b i e r z e u d z i a ł w tym p r o c e s i e o k s y d o r e d u k c y jn y m . D o ś w ia d c z a ln ie w y z n a c z o n a ob j ę t o ś ć g a z u f e r m e n t a c y jn e g o w y tw o rz o n a z o k r e ś l o n e j i l o ś c i z w ią z k u o r g a n ic z n e g o j e s t z w y k le m n ie js z a od w i e l k o ś c i s t e - c h i o m e t r y c z n e j . W w a ru n k a c h b e z t le n o w e j f e r m e n t a c j i m e ta n o ­ w e j 95 do 99% s u b s t r a t u u le g a p ro c e so m k a t a b a l ic z n y m , k t ó r e d o s t a r c z a j ą e n e r g i i u k ł a d o w i b io c h e m ic z n e m u . G az f e r m e n t a c y j n y j e s t p ro d u k te m t y c h p r o c e s ó w . P o z o s t a ł a z a ś c z ę ś ć m etab o ­ liz o w a n e g o s u b s t a t u s ł u ż y do budowy b io m a s y ko m ó re k d ro b n o ­ u s t r o j o w y c h .

W y n ik i p rz e p ro w a d z o n y c h d o ś w ia d c z e ń s t w i e r d z a j ą , ż e z e s p ó ł b a k t e r i i m etan o w ych z a w a r t y w c i e c z y n a d o sa d o w e j z m ezo- f i l n e j ko m ory f e r m e n t a c y jn e j ła t w o p r z y s t o s o w y w a ł s i ę do z u ­ ż y w a n ia p o s z c z e g ó ln y c h kw asów t łu s z c z o w y c h j a k o je d y n e g o su b s t r a t u m e ta n o g e n e z y ( r y s , 1 - 8 ) . N ie p rz e p ro w a d z o n o w p ra w d z ie b ad ań m i k r o b i o l o g i c z n y c h : i z o l a c j a t i d e n t y f i k a c j a b a k t e r i i m e tan o w ych j e s t z a d a n ie m s z c z e g ó l n i e tru d n y m [ 6 ] i m a ło p r z y d atnym w b a d a n ia c h b io c h e m ic z n y c h f u n k c j i m ie s z a n y c h popu­

l a c j i d r o b n o u s t r o jo w y c h . M ożna je d n a k s p o d z ie w a ć s i ę , że w s k u t e k w y s o k i e j s p e o y f i c z n o ś c i s u b s t r a t o w e j w w y n ik u d łu g o ­

t r w a ł e j f e r m e n t a c j i k w a s u mrówkowego m o g ła w y t w o r z y ć s i ę k u l

t u r a w zb o g aco n a M e t h a n o b a c t e r i u m f o r ­

m i e i c u m lu b M e t h a n o c o c c u s v a n -

30

Jerzy Chmielowski, Janina Konopacka

n i e 1 i i [17 ] . D r o b n o u s t r o je t e s ą z d o ln e do w y k o r z y ­ s t y w a n ia zw ią z k ó w je d n o w ę g lo w y c h w p r o c e s a c h m e t a b o lic z ­ n y « h .

R o z k ła d w y ż e j d r o b in o w y c h kw asów t łu s z c z o w y c h m ógł powo­

dować u t w o r z e n ie s i ę b a r d z i e j z ło ż o n y c h p o p u l a c j i m ie s z a ­ n y c h . Z p r a c BARKRRA [ 6 ] w iad o m o , że r o z ł o ż e n i e t a k p r o s t e go z w ią z k u j a k kw as k a p ro n o w y lu b W a le r ia n o w y wymaga w s p ó ł­

u d z i a ł u i s y n e r g ic z n e g o d z i a ł a n i a co n a jm n ie j t r z e c h g a t u n ­ ków b a k t e r i i m e ta n o w y c h . M e t h a . n o b a c t e r i u m s u b o x y d a n s u t l e n i a kw as W a le r ia n o w y do o c t a n u i p r o p io n ia n u , k t ó r y c h d a l e j t e n o rg a n iz m n ie w y k o r z y s t u je .D o p ie r o d r u g i g a t u n e k M e t h a n o b a c t e r i u m p r o p i o ' n i c u m p r z e m ie n ia kw as p ro p io n o w y do o c t a ­ n u , d w u t le n k u w ę g la i m e ta n u . P o n ie w a ż d r o b n o u s t r ó j t e n n ie a t a k u j e o c t a n u , m u s i p o ja w ić ^ ię t r z e c i g a t u n e k M e t h a -

n o c o c c u s m a z ś i l u b M e t h a n o s a r c i -

n a b a r k e r i i , k t ó r y f e r m e n t u je o c t a n [ 6 ] .

J a k o t e o r e t y c z n ą p o d s ta w ę i n t e r p r e t a c j i u z y s k a n y c h w y n i­

ków d o ś w ia d c z a ln y c h z a s to s o w a n o ró w n a n ie s t e c h io m e t r y c z n e B U SW ELLa [ 1 ] . A n a l i z a c h r o m a t o g r a f ic z n a g a z u f e r m e n t a c y jn e ­ go w y k a z a ł a w z r o s t z a w a r t o ś c i m e ta n u od o k o ło 60,5 d l a kw asu mrówkowego do o k o ło 7 0 5 d l a m aSłow ego i kwasów w y ż s z y c h ( t a b e l a I I ) . S t o s u n e k m e ta n u do b e z w o d n ik a w ęglow ego b y ł w ię c b l i s k i

2c

Podobnym s k ła d e m c e c h u je s i ę g a z f e r m e n t a c y jn y wy t w a r z a j ą c y s i ę w t e c h n ic z n y m p r o c e s ie f e r m e n t a c j i osadów b io g e n n y c h . N a t o m ia s t z r ó w n a n ia BUSW ELLa w y n ik a , że u d z i a ł m e ta n u w g a z ie z fe r m e n t a c y jn e g o r o z k ł a d u kw a su mrówkowego p o w in ie n w y n o s ić 25 5; z a w a r t o ś ć m e ta n u w g a z i e p o w in n a s u k ­ c e s y w n ie w z r a s t a ć w r a z z z a w a r t o ś c i ą w ę g la w d r o b in i e s u b - s t r a t u i o s ią g n ą ć 67 5 d l a k w a s u kapronow ego ( t a b e l a V ) . Na­

l e ż y w ię c s t w i e r d z i ć , ż e w y n i k i d o ś w ia d c z a ln e u z y s k a n e w r o z k ł a d z i e w y ż e j d ro b in o w y c h kw asów lo t n y c h s ą b l i s k i e w a r ­ t o ś c io m t e o r e t y c z n y m . W m ia r ę z m n i e j s z a n ia s i ę i l o ś c i a t o ­ mów w ę g la w d r o b in i e kw a su n a s t ę p u ją c o r a z w i ę k s z e r o z b i e ż ­ n o ś c i . O b s e r w a c ja t a n a k a z u je u w a ża ć s t e c h io m e t r y c z n e ró w ­ n a n ie BU SW ELLa t y l k o z a b a r d z o p r z y b l i ż o n y sp o só b p r z e w id y ­ w a n ia s k ł a d u g a z u f e r m e n t a c y jn e g o z badanego s u b s t r a t u .

W t a b e l i V z e b ra n o n i e k t ó r e d y sk u to w a n e w l i t e r a t u r z e r ó w n a n ia f e r m e n t a c j i m e ta n o w e j l o t n y c h kwasów t ł u s z c z o w y c h . O k a z u je s i ę , że p r z y j ę c i e in n y c h schem ató w d e g r a d a c j i kw asu mrówkowego lu b o cto w eg o n ie w y j a ś n i a o p is a n e j r o z b i e ż n o ś c i , k t ó r a p o le g a n a w y ż s z e j z a w a r t o ś c i m e ta n u w g a z i e f e r m e n t a ­ cyjnym od wyznaczonej teoretycznie. R o z k ła d o c t a n u z o s t a ł potwierdzony badaniami izotopowymi i m u s i.p r o w a d z ić do w y­

Rozkład niższych kwasów tłuszczowych w fermentacji... 81

t w o r z e n ia g a z u f e r m e n t a c y jn e g o , k t ó r y z a w i e r a ró w n e i l o ś c i d w u tle n k u w ę g la i m e ta n u [ 1 4 ,

1 5

^{» 1 6 ]«}

N ie z g o d n o ś ć p o m ię d z y w y n ika m i, d o ś w ia d c z a ln y m i i o b l i c z o ­ n ym i z r ó w n a n ia B U S W E L la t łu m a c z y w pewnym s t o p n iu r o z p u s z ­ c z a l n o ś ć d w u t le n k u w ę g la w w o d z i e , k t ó r a j e s t 3 0 - k r o t n i e w y ż s z a od r o z p u s z c z a l n o ś c i m e t a n u . R o z p u s z c z a n ie s i ę CC>2 w c i e ­ c z y f e r m e n t a c y jn e j z w ię k s z a z a w a r t o ś ć m e ta n u w f a z i e g a z o w e j O p ró c z t y c h b łę d ó w m e to d y c z n y c h p raw o d op od o b ny j e s t r ó w n ie ż in n y powód o m a w ia n e j n ie z g o d n o ś c i . B a d a n y kw as może b y ć p i e r wotnym e u b s t r a t e m m e ta n o g e n e z y i powodować w z r o s t o k r e ś l o ­ n e j k u l t u r y b a k t e r i i m e ta n o w y c h . W w a ru n k a c h p o p u l a c j i m ie ­ s z a n y c h o b u m ie r a ją c a b io m a s a t y c h b a k t e r i i może s t a n o w ić w t ó r n y s u b s t r a t m e ta n o g e n e z y . F e r m e n t a c ja m etan ow a o b u m a rłe j b io m a s y b ia ł k o w e j może d a ć g a z f e n n e n t a o y jn y o s k ł a d z i e i n ­ nym od o trz y m a n e g o z r o z k ł a d u s u b s t r a t u p ie r w o t n e g o . Z w y k le je d n a k i l o ś ć t w o r z ą c e j s i ę m a sy ko m ó rek b a k t e r i i m etan o w ych j e s t n i e w i e l k a , z a ś o m aw ian y w p ły w d o ś ć o g r a n ic z o n y .

S z c z e g ó l n ie w ażn e z a s t o s o w a n ie s t e c h io m e t r y c z n e g o ró w n a ­ n i a B U S W E Lla d o t y c z y w y z n a c z e n ia t e o r e t y c z n e j i l o ś c i g a z u f e r m e n t a c y jn e g o , k t ó r ą m ożna u z y s k a ć z r o z k ł a d u o k r e ś l o n e j m asy s u b s t r a t u . D o ś w ia d c z a ln ie s t w ie r d z o n e i l o ś c i g a z u b y ł y b l i s k i e w a r t o ś c io m t e o r e t y c z n y m d l a kw a su mrówkowego i o c t o wego ( 8 2 do 1 0 3 /» ). W o d n i e s i e n i u do w y ż s z y c h kw asów zg o d n o ść t a m a la ł a do o k o ło 7 0 $ ( t a b e l a I I I ) .

K w as mrówkowy n ie j e s t typow ym p ro d u k te m p o ś re d n im p o ja ­ w ia ją c y m s i ę w f e r m e n t a c j i m e ta n o w e j osadów b io g e n n y c h . N ie ­ w i e l k i e i l o ś c i te g o k w a s u w y k r y w a ł KAPLO VSKY [ 3 ] w p rz y p a d k u n ie p r a w id ł o w e j p r a c y kom ór f e r m e n t a c y jn y c h . P o p ra w n ą fe rm e n ­ t a c j ę m etanow ą k w a su mrówkowego p r z e z m ie s z a n e p o p u la c je b a k t e r y j n e s t w i e r d z a ł NELSON [ 1 7 ] . Z p rz e p ro w a d z o n y c h d o ś w ia d ­ c z e ń w y n i k a , ż e m ró w czan u le g a s z y b k i e j f e r m e n t a c j i m e ta ­ n o w e j. O b c ią ż e n ie ko m o ry f e r m e n t a c y jn e j d aw ką 1 , 0 g / l i 2 , 0 g / l n a dobę m ró w czan u (w p o s t a c i s o l i am onow ej, r y s . 1 ) lu b p o r c j ą 2 ,7 6 g / l n a dobę k w a s u mrówkowego ( r y s . 7 ) powodowało s z y b k i p r z e b ie g f e r m e n t a c j i . G az f e r m e n t a c y jn y w y t w a r z a ł s i ę w i l o ś c i a c h b l i s k i c h danym t e o r e t y c z n y m ( t a b e l a I I I ) .

W p r z e c i w i e ń s t w i e do m ró w c z a n u , kw as o c to w y j e s t pow­

s z e c h n ie w y s t ę p u ją c y m p ro d u k te m p o ś re d n im w b e z tle n o w y m r o z ­ k ł a d z i e z ło ż o n y c h z w ią z k ó w o r g a n ic z n y c h [ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ] .T w o ­ r z y s i ę ja k o p r o d u k t b e t a - o k s y d a c j i w y ż s z y c h kw asów o p a ­ r z y s t e j i l o ś c i atom ów w ę g la w d r o b in i e [ 5 , 6 j . 'W c z e ś n ie js z e b a d a n ia f e r m e n t a c j i m e ta n o w e j kw a su o cto w e g o p r z e p r o w a d z ił BUSW ELL [ 1 ] .

SCHULZE

[ 7 ] p o d a ł , że m a k sy m a ln e z a s i l a n i e komo r y f e r m e n t a c y jn e j kwasem octow ym może w y n o s ić 0 ,9 8 g / l n a do

bę.

O s t a t n io

KEEFER [8]

s t w i e r d z i ł ,

że

r o z k ł a d k w a s u o c to w e -

82 Jerzy Chmielowski, Janina Konopacka

d a je o k o ło 563 o l / g g a z u f e r m e n t a c y jn e g o , k t ó r y z a w i e r a ł 50 do 65% m e ta n u .

W y n ik i p rz e p ro w a d z o n y c h d o ś w ia d c z e ń n i e s ą z g o d n e . z ob­

s e r w a c ja m i SCH U LZEa [ 7 ] , k t ó r y o t r z y m a ł g a z o w a n ie b l i s k i e w a r t o ś c io m t e o r e t y c z n y m t y l k o d l a d a w k i 0 ,9 8 g / l n a dobę k w a su o c to w e g o . P r z y w z r o ś c i e s t ę ż e n i a kw a su do 1 , 6 g / l d z i e n n ie w y t w a r z a n ie g a z u u le g a ł o zah am o w aniu do 41% w i e l ­ k o ś c i t e o r e t y c z n e j , W p rz e p ro w a d z o n y c h b a d a n ia c h zaró w n o p o r c j e 1 , 0 g / l i 2 ,1 g / l n a dobę o c t a n u w p o s t a c i s o l i amo­

n o w e j ( r y s , 2 ) i daw ka ró w n a 3 , 6 g / l kw asu o cto w e g o ( r y s , 8 ) u l e g a ł y p r z e m ia n ie w g a z f e r m e n t a c y jn y w sp o só b zg o d n y z da n y m i t e o r e t y c z n y m i ( t a b e l a I I I ) , W b a d a n ia c h f e r m e n t a c j i m e ta n o w e j k w a su p ro p io n o w e g o sto so w a n o d z ie n n ą daw kę 1 , 0 g / l i 2 , 0 g / l ( r y s . 3 ) , P r z e w y ż s z a ł y one z n a c z n ie d a w k i wy­

zn a c z o n e p r z e z SCHULZEa! [ 7 ] , J e d n a k w p rz y p a d k u te g o kw asu d w u k ro tn e z w ię k s z e n ie p o r c j i s u b s t r a t u z m n ie js z a ł o w y r a ź n ie m e ta n o g e n e zę z 75% do 55% w i e l k o ś c i t e o r e t y c z n e j ( t a b e l a l l l ) Kw as m a sło w y ( r y s . 4 ) w s t ę ż e n i u 1 , 2 g / l n a dob ę wytwa**

r z a ł g a z f e r m e n t a c y jn y w i l o ś c i o d p o w ia d a ją c e j o k o ło 70%

danym t e o r e t y c z n y m . Z w ię k s z e n ie p o r c j i k w a su do 2 , 4 g / l n a dobę o b n iż a ło m e ta n o g e n e zę do 57% ( t a b e l a I I I ) , N ie c o l e p ­ s z ą zg o d n o ść z d a n y m i t e o r e t y c z n y m i o t r z y m a ł SCHULZE [ 7 ] « W t e j p r a c y f e r m e n t a c ja 1 , 6 g / l kw a su m asło w eg o d a w a ła oko­

ł o

90

% t e o r e t y c z n e j i l o ś c i g a z u .

W y n ik i b ad a ń o trz y m a n e d l a k w a su W a le ria n o w e g o ( r y s . 5 ) i kw a su kap ro n o w eg o ( r y s . 6 ) b y ł y z b l i ż o n e , P rz e fe r m e n t o w a - n i e d z i e n n e j d a w k i 0 , 8 g / l d a w ało o k o ło 80% t e o r e t y c z n e j i l o ś c i g a z u . D w u k ro tn e z w ię k s z e n ie t e j d a w k i do 1 , 6 g / l n a dobę pow odow ało zaham o w anie g a z o w a n ia do 57% ( t a b e l a I I I ) .

P rz e p ro w a d z o n e b a d a n ia d o s t a r c z y ł y dowodów, k t ó r e s t w i e r d z a j ą , że f e r m e n t a c ja m etanow a kw asu o cto w eg o i mrówkowego p r z e b i e g a ł a z n a c z n ie ł a t w i e j od r o z k ła d u b e z tle n o w e g o kw asu p ro p io n o w e g o ,m a s ło w e g o , W a le ria n o w e g o i k a p ro n o w e g o .

O b s e r w a c je f e r m e n t a c j i m etan o w ej n i ż s z y c ł n kw asów t ł u s z ­ c z o w y c h w p rz e fe r m e n to w a n y c h c i e c z p c h n ad o sa d o w y ch wykonano d w u k r o t n ie . W p ie r w s z e j c z ę ś c i d o ś w ia d c z e ń sto so w a n o s u b - s t r a t y w p o s t a c i s o l i am onow ych, u z y s k a n y c h p r z e z s ł a b e z a l k a l iz o w a n ie ro z tw o ró w kw asów a m o n ia k ie m do pH 7 , 2 do 7 , 8 ( t a b e l a I ) . McCARTY i McKENNEY [ 9 , 1 0 ] p r z e s t r z e g a j ą p rz e d t o k s y c z n o ś c i ą jo n u am onowego, d o t y c z y t o je d n a k w y ż s z y c h s t ę ­ że ń N H + . D ru g ą c z ę ś ć o b s e r w a c j i p rz e z n a c z o n o n a b a d a n ie f e r m e n t a c j i ła t w o r o z k ł a d a ją c e g o s i ę kw a su octow eg o i mrów­

ko w e g o . W t y c h d o ś w ia d c z e n ia c h u ż y t o w o ln y c h kw asów , sp o ­ d z ie w a ją c s i ę , że w y s o k a z d o ln o ś ć b u fo ro w a c i e c z y n ad o sad o­

w y ch z a p o b ie g n ie z b y tn ie m u z a k w a s z e n iu ś r o d o w is k a .D o z o w a m e

Rozkład niższych kwaąów tłuszczowych w fermentacji... 83

w o ln y c h kw asów sp o w od o w ało o b n iż e n ie pH do 5 * 8 ( t a b e l a . I V ) . W obu je d n a k w y p a d k a c h u z y s k a n o z b l iż o n e w y n i k i ra e ta n o g e n e z y B y ł y one z a d o w a la ją c o ' zgodne z t e o r e t y c z n y m i w i e l k o ś c i a m i o - b li c z o n y m i ze s t e c h io m e t r y c z n e g o r ó w n a n ia B U SW ELLa ^ t a b e la I I I ) .

S t r e s z c z e n i e

N i ż s z e k w a s y a l i f a t y c z n e s ą p ro d u k t a m i p o ś r e d n im i b e z t l e ­ n o w e j d e g r a d a c j i z ł o ż o n y c h s u b s t a n c j i o r g a n ic z n y c h w fe rm e n ­ t a c j i m e ta n o w e j. O bserw ow ano r o z k ł a d kw a su m rów kow ego»octow e g o , p ro p io n o w e g o , m a sło w e g o , W a le ria n o w e g o i k a p ro n o w e g o .S to sow ano t e s u b s t r a t y w p o s t a c i w o ln y c h kw asów lu b s o l i amono­

w y c h . S t w ie r d z o n o , ż e p o s z c z e g ó ln e k w a s y t łu s z c z o w e wprowa*.

dzo n e do ś r o d o w is k a p r z e fe r m e n t o w a n e j c i e c z y n a d o sa d o w e j u l e g a j ą p r z e m ia n ie w g a z f e r m e n t a c y jn y w o k r e ś lo n y m p r z e d z i a l e s t ę ż e ń w sp o só b n a o g ó ł zg o d n y ze s t e c h io m e t r y c z n y m ró w n a ­

n ie m B U SW ELLa. '

M a k sy m a ln e d a w k i p o s z c z e g ó ln y c h kw a só w , k t ó r e m o g ły u l e c r o z k ł a d o w i w c i ą g u doby w y n o s i ł y o k o ło 2 5 0 0 m g / l d l a kw asu mrówkowego i ootow ego o r a z 8 0 0 - 1 2 0 0 m g / l d l a p o z o s t a ł y c h kw a só w . S t w ie r d z o n o , ż e w z r o s t kw asów p o w y ż e j t y c h s t ę ż e ń pow odow ał zah am o w anie f e r m e n t a c j i , k t ó r e p r z e j a w i a ł o s i ę w y­

t w o r z e n ie g a z u r z ę d u 60

%

i l o ś c i s t e c h i o m e t r y c z n e j . T y l k o kw as mrówkowy i o c to w y u l e g a ł y z g a z o w a n iu w w y ż s z y c h s t ę ż e n i a c h z g o d n ie z p r z e w id y w a n ia m i t e o r e t y c z n y m i . Oba t e z w i ą z k i ł a t ­ w i e j od p o z o s t a ł y c h kw asów fe r m e n t o w a ły pod w pływ em m ie s z a ­ n y c h k u l t u r b a k t e r i i m e ta n o w y c h .

W o d r ó ż n ie n iu od o g ó ln e j i l o ś c i w y tw a rz a n e g o g a z u s k ł a d g a z u z f e r m e n t a c j i k w a s u mrówkowego i o cto w eg o r ó ż n i ł s i ę z n a c z n ie od w i e l k o ś c i w y n i k a ją c y c h z r ó w n a n ia B U SW ELLa. W p r z y p a d k u p o z o s t a ł y c h c z t e r e c h kw asów u z y s k a n o w i ę k s z ą zgod n o ś ć s k ł a d u s t w ie r d z o n e g o e k s p e r y m e n t a ln ie z o b lic z o n y m t e o ­ r e t y c z n i e .

W y n ik i d o ś w ia d c z e ń mogą b y ć p r z y d a t n e w i n t e r p r e t a c j i z j a ­ w i s k a z a k w a s z a n ia kom ór f e r m e n t a c y jn y c h .

P o l i t e c h n i k a Ś l ą s k a

K a t e d r a T e c h n o lo g ii «»ody i Ś c ie k ó w

84 Jerzy Chmielowski, Janina Konopacka

L IT E R A T U R A

[1 ] BUSW ELL A .M ., H A T F IE L D W .D .j " A n a e r o b ic F e r m e n t a t io n s ” 1 1 1 . S t a t e W a t e r S u r v e y B u l l . 32 C1 9 3 9 )-

[ 2 ] RAWN A .M ., BANTA A . P . , POMEROY R . i " M u l t i p l e - S t a g e Sew age S lu d g e D i g e s t i o n " - P r o c . A m e r. S o c . C i v i l . E n g . 6 2 , 1 6 7 3 ( 1 9 3 7 ) .

[ 3 ] K A P ID V S K Y J . : " V o l a t i l e A c id P r o d u c t io n d u r in g t h e D i ­ g e s t i o n o f S e e d e d , U n s e e d e d , and L im e d F r e s h S o l i d s " - S e w . I n d . W a s te s 2 2 , 7 1 3 ( 1 9 5 1 ) .

[

4

] LIUBIMOW W . T . , KAGAN Z . S . : "D in a m ilc a l i e t u c z i c h o r g a n i c z e s k ic h k i s l o t , o b r a z u j u s z c z i c h s j a p r i anaerob nom r a z l o i e n i i o r g a n i c z e s k i c h w ie s z c z e s t w m ik ro o rg a n iz ra a m i w m i e t a n t i e n k a c h " - M i k r o b i o l o g i j a 2 2 , 4 8 4 ( 1 9 5 8 ) .

[ 5 ] CHMIELOWSKE J . i " K i n e t y k a i m ech an izm f e i m e n t a c j i m eta n o w e j" . Z e s z y t y Naukowe P o l i t e c h n i k i ¿ l & s k i e j - C h em ia N r 1 7 , G l i w i c e , 1 9 6 3 -

[ 6 ] BARKER H .A .s " B i o l o g i c a l F o r m a t io n o f M e th a n e " - I n d . E n g . Chem .

4 8

, 1 4 3 8 ( 1 9 5 6 ) .

[ 7 ] SCHULZE K . L . , NAGA R A JU B . j " S t u d i e s on S lu d g e D ig e ­ s t i o n and M eth an e F e r m e n t a t i o n . I I . M eth an e F e rm e n ta ­ t i o n o f O r g a n ic A c i d s " - S e w . I n d . W a s te s 3 0 , 164 ( 1 9 5 8 ) .

[ 8 ] K E E F E R C . E . , U RTES H . C . : " D ig e s t io n o f V o l a t i l e A c i d s "

- J . W a te r P o l l u t . C o n t r . F e d e r a t . 3 4 « 5 9 2 (

1 9 6 2

^{) .}

[ 9 ] McCARTY P . L . , McKENNEY R . E . : " V o l a t i l e A c id T o x i c i t y i n A n a e r o b ic D i g e s t i o n " - J . W a te r P o l l u t . C o n t r . F e d e ­ r a t .

2 2

^,

223

(1 9 6 1 ) .

[ 1 0 ] McCARTY P . L . , McKENNEY R . E . : " S a l t T o x i c i t y i n A n a e ro ­ b i c D i g e s t i o n " - J . W a t e r P o l l u t . C o n t r . F e d e r a t . 3 3 ,

399 (1 9 6 1 ) . ~

[

1 1

] STANDARD METHODS f o r t h e E x a m in a t io n o f W a t e r , S e w a g e , and I n d u s t r i a l W a s t e s " - w y d . 1 0 , A m e r. P u b .H e a lt h A s s n New Y o r k , 1 9 5 5 .

[ 1 2 ] CHMJEK5WSKL J . , SIMPSON J . R . , IS A A C P . C . G . j "U s e o f Gas C h ro m a to g ra p h y i n S lu d g e D i g e s t i o n " - S e w . I n d . W a s te s 2 L , 1237 ( 1 9 5 9 ) .

Rozkład niższych kwasów tłuszczowych w fermentacji... 85

1 3 ] BUSW ELL A .M ., M UELLER H . F . s "M e ch a n ism o f M eth an e F e r ­ m e n t a t io n " - I n d . E n g . Chem . 4 4 , 5 5 0 ( 1 9 5 2 ) .

1 4

] STADTMAN T . C . , BARKER H . A . j " S t u d i e s o n t h e M eth an e F e r m e n t a t io n . V I I . T r a c e r E x p e r im e n t s o n t h e M e ch an ism o f M eth an e F o r m a t io n " - A r c h . B io c h e m . 2 1 , 25 6 ( 1 9 4 9 ) . 1 5 ] STADTMAN T . C . , BARKER H . A . : " S t u d i e s on t h e M eth an e F e r

m e n t a t io n . V I I I . T r a c e r E x p e r im e n t s on F a t t y A c id s O xit- d a t io n h y M ethane B a c t e r i a " - J . B a c t . 6 1 , 67 ( 1 9 5 1 ) . 1 6 ] STADTMAN T . C . , BA RKER H . A . : " S t u d i e s o n t h e M eth an e F e r

m e n t a t io n . I X . T h e O r i g i n o f M eth an e i n th e A c e t a t e and M e ta n o l F e r m e n t a t io n b y M e t a n o s a r c in a " - J . B a n t . 6 1 , 81 (1 9 5 1 ) .

1 7 ] STADTMAN T . C . , BA RKER H . A . : " S t u d i e s on t h e M eth an e F e r m e n t a t io n . X . New F o rm a te - D eco m p o sin g B a c t e r iu m , Me-

t h a n c o c c u s v a n n i e l i i " - J . B a c t . 6 2 . 269 (1 9 5 1 )•

1 8 ] NELSON W .O ., OPPERMANN R . A . , BROWN R . E . : " If c V i t r o S t u ­ d i e s on M e ta h n o g e n ic Rumen B a c t e r i a . I I . F e r m e n t a t io n o f B u t y r i c a n d V a l e r i c A c i d " - J . D a i r y S e i . £1_, 545 ( 1 9 5 8 ) .

86 Jerzy Chmielowski, Janina Konopacka

PACHA# M3UMX MtPfiff KHGjTOT B MBTAHOBOM EPOSEM P e 3 n m e

Hn3iane rapH ue ^{khcjioth jibjihbtch} npoMeiyTOHHUMK nponyitTaMH aHaapodHoii « e r p a - AauHK c o c t8b h h x opraHHHecKBC oydcTaraoia ^b MeTaHOBOM Ó p o ie ra n . HadJUDsajicH p a c - nafl MypaBBHHoii, yKcycHoi, nponHOHOBOź, MacjwHOH, BMeptHHOBoM h KanpoHOBoil sok

jiot. 3«ecb npHMeHHJiHCŁ cydCTpatH b Bnae c b o(So«h h x khcjiot u j m aMMomeBioc cojieił 0<3Hapy*eHO, ^{h t o} OTneJiŁHHe sap iw e khcj i o t h, BBejeHHue ^b npo$epMeHTHpoBaHHyio Ha- socaflOHHyn »m k o c t b, noABepranTCfl npeBpaiueHHio ^b ^epMeHTauKOHHHź r a ? ^b o n p e a e - aeHHOM HHTepBajie KOKueHrpaiiHH nyreM, ^b odmeM, coraacHO cTexnoMeTpHMecKOMy ypeB HeHHio E»3yejia.

M aK C HM ajrbHH e a o 3 H O T a e ^ L H O T k h c j i o t, K O T o p tie M o rj m n o a s e p r a T Ł c a p a c n a a y H a npoT H JceH U H o a H m c o y T O K , ó h j m p a a a o k o j i o 2 5 0 0 m t/j i j y w M y p aB Ł H H o fl u y K c y c H o i k h c j i o t, a T aK ace 8 0 0 - 1 2 0 0 m t/j i jweh o c T a j r b H i R k h c j i o t.

K O H C T aT H pO B aH O , MTO BCJM H H Ha C G S ep K aH H H CBHffle 3THX K O H U eH TpaU HH BH3HBaJIO n p e K p a u ie H H e d p o x e H H H , K O T O p o e .n p Q H B J iH J io c b o ó p a 3 0 B a H n e M r a 3 a p a n a 6 0 / c t k c h o- M e T p H n e c K o r o K O J m e c T B a . To j i ł k o M y p a B Ł H H a n h y K c y c H a a k h c j i o t h n o a B e p r a j n a c Ł r a S H ^H K auH H b b u c h m x K O H u e H T p a m u K c o r J i a c H O T e o p e T H n e c K H M n p e n n o c H J n c a M . O d a s t h c o e a H H e H U i $ e p M e H T H p o B a jn i j i e r n e , aeM o C T a JiB H H e k h c j i o t h n o a B J n w r a e M CMemaHHMC K y jtB T y p M eTaHOBHX d a K T e p n i .

B p a c x o * a e n H e o t o d in e ro KOJmnecTBa o d p a a y e M o ro r a 3 a c o c t s b r a 3 a H3 d p o x e -

h h h MypaBŁHOHoS h yK cycH oź k h c j i o t oneH Ł oTJMMaJiCH o t HHCJia, c jie n y m n e ro H SypaB HeHHH B o 3 y e jia . B c j i y a a e o c T a jn > H H x n eT H pex k h c j i o t nojiyaeH O d o jrtm o e c o w ia c n e M e*ay cocTaBOM nojryneHHHM aKcnepHMeHTajiBHo a paccaHTaHHHM teopeT K necK H •

Pe3yjn>TaTH HCCJiesoBaHHiS MoryT Óhtl npitroflHH b HHTepnpeTaujiH stBJiemn nojtKHC aeHHfl MeTaHTeHKOB.

CHJI63CKHH Ib jB tT eX H H H eC K H tt HHCTHTyT

K a$espa TexHOJioran Bosh h Ctohhłk Bo«