Wyklad 11

Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii

Biologiczne źródła energii, paliw gazowych i ciekłych

Drobnoustroje i enzymy Energia elektryczna



Sposoby pozyskiwania energii z surowców biologicznych



Zawartość energetyczna różnych paliw

Paliwo Energia (GJ/t)

Gaz ziemny 55Węgiel 28Benzyna 47Olej napędowy 43Drewno 15Papier 17Gnojowica 16Słoma 14Trzcina cukrowa 14Odpady komunalne 9Odpady przemysłowe 16Siano 4



10 –356 – 1510 – 17207 – 2234 – 55

20

36 – 708 – 15265 – 212 – 3

52 – 1008 - 34

Różne gatunkiWierzba Topola Miscanthus sp.HemmthriaPennisetumŁodygi trzciny cukrowejSłoma kukurydziana, ryżowa, jęczmienna itp..-Trzcina cukrowaBuraki cukroweKukurydzaZiemniakiRzepakSłonecznikSojaLilia wodnaTatarakCyjanobakterie, MikroglonyBotryococcus braunii

DrewnoDrewno

Słoma

Odpady

OdpadySacharoza

Skrobia

Olej

Materiał roślinnyWodórOlej

Drzewa leśneDrzewa szybkorosnące

Trawy wieloletnie

Odpady ze zbóż

Odpady komunalneRośliny uprawiane

Rośliny wodne

Drobnoustroje

Wydajność (sm/ha/rok)OrganizmTyp paliwaŹródło



Wytwarzanie biogazu

Fermentacja metanowa

ścieki oczyszczone

osady ustabilizowane

biogaz

ścieki

odpady płynne

osady ściekowe

odpady komunalne

odpady z przemysłurolno-spożywczego



Fermentacja metanowaPrzekształcenie związków organicznych o różnym stopniu utlenienia do metanu i CO2 w warunkachbeztlenowych. Proces jest kilkuetapowy, prowadzony przez konsorcjum bakterii. Ostatni etap – bakterie metanowe

Produkt końcowy – biogaz, zawierający 55 – 75% metanu, 20 – 40% CO2, 2 - 3 % wodoru



Fermentacja metanowa

Współzależność bakterii acetogennych i metanowych



Rodzaje reaktorów i techniki fermentacji anaerobowej



Schemat przydomowej wytwornicy biogazu



INSTALACJA DO WYTWARZANIA BIOGAZU Z ORGANICZNYCH ODPADÓW STAŁYCH (SALZBURG, AUSTRIA)

W instalacji przerabianychjest rocznie 20 000 tonodpadów w jednofazowymprocesie fermentacji beztlenowej.

Odpady rozdrobnione do 40 mmsą transportowane do dozownika,mieszane ze szlamem fermentacyjnym.i podgrzewane do 55 °C, a następniewprowadzane do bioreaktora.

Wydajność 135 m3 biogazu/T odpadów.Przetworzenie na energię elektryczną –250 kWh ze 135 m3 biogazu.



Schemat przebiegu procesu w beztlenowej kompostowni w Kaiserslautern



Schemat instalacji wykorzystującej odpady browarnicze do wytwarzania energiiw obiegu zamkniętym



Instalacja do utylizacji ścieków mleczarskich



Efektywność wytwarzania biogazu

5 – 22

5 – 22

19 – 30

10

10

0,9 – 3,0

0,7 – 2,4

2,4 – 3,6

1,0

1,0

Osad ściekowy pierwotny

Osad ściekowy wtórny

Odpady komunalne

Obornik bydlęcy

Obornik świński

Czas zatrzymania (h)Wydajność biogazu m3/m3/dzień

Substrat



Wytwarzanie oleju przez roślinyRoślina Wydajność (kg/ha/rok)

Wieloletnie

Kakaowiec 860Drzewo oliwne 1 019Awokado 2 217Palma kokosowa 2 260Palma makauba 3 775Palma olejowa 5 000

Roczne

Kukurydza 145Bawełna 273Soja 375Słonecznik 800Orzeszki ziemne 890Rzepak 1 000Rycyna 1 188Jojoba 1 528



Oleje wytwarzane biologicznieDrobnoustroje wytwarzające i akumulujące oleje mogące znaleźć zastosowaniejako paliwo

Glony (oleje terpenoidowe)

Botrycoccus braunii 53 – 75% s.m.Chlorella vulgaris 40 – 58% s.m.Phaedodactylum tricornutum 31% s.m.

Hydrokraking i destylacja oleju z Botrycoccus braunii daje 62% benzyn,15% paliwa lotniczego, 15% oleju napędowego, 3% olejów ciężkich

Drożdże

Apiatrichium curvatum (triacyloglicerole) do 80% s.m.



BiodieselPorównanie właściwości oleju napędowego, olei roślinnych i modyfikowanycholei roślinnych

0,81

2,58

BD

60,5

47,5

0,88

7,74

BD

43

40,6

0,88 – 0,91

33 – 45

178 – 254

38 – 45

33 - 40

0,86 – 0,92

34 – 46

183 – 274

37 – 49

33 - 40

0,78 – 0.91

37 – 47

246 – 273

38 – 50

37 - 40

0,85

2,8 – 3,5

64 – 80

48 – 51

38 - 45

Gęstość (kg/l)

Lepkość (cSt)

Punkt zapłonu (°C)

Liczba cetanowa

Wartośćenergetyczna (MJ/kg)

Modyfikowany olej kokosowy

Krakowany olej sojowy

Olej sojowy

Olej słonecznikowy

Olej rzepakowy

Olej napędowy

Cecha



Biodiesel

Modyfikacje olei roślinnych mające na celu polepszenie cech paliwowych

1. Mieszanie z olejem napędowym i alkoholami (obniżenie lepkości)Problem – separacja faz

2. Mikroemulgacja – dyspersja mieszaniny oleju, oleju napędowego, środkapowierzchniowo-czynnego i krótkołańcuchowego alkoholu

3. Piroliza (ogrzewanie w temp. 300 – 500 °C w obecności katalizatora)Rozpad triacylogliceroli. Problem – wydajność (do 80%), koszt

4. Transestryfikacja. Tworzenie estrów metylowych lub etylowych.



Transestryfikacja triacyloglicerydów

H2C O

C O

C

C

C

R1

R2

O

O

O C R3

OH

H2

+ CH3OH

R1COOCH3

R2COOCH3

R3COOCH3

+

H2

H

OH

H2C OH

C OH

C

Warunki: stosunek molowy metanol lub etanol: olej 6:1, kataliza alkaliczna(NaOH lub KOH), kwasowa (HCl lub H2SO4), lub enzymatyczna (lipaza).



Porównanie właściwości oleju napędowego i estrów z olei roślinnych

0,88

3,5-5,0

>101

>51

Brak danych

0,89

4,3

110

47

40

0,88

6,2

124

60

40,5

0,77-0,88

6,1-7,2

170-185

52-54

35-40

0.85

2,8-3,5

64-80

48-51

38,5-46

Gęstość(kg/l)

Lepkość (cSt)

Punkt zapłonu (°C)

Liczba cetanowa

Wartośćenergetyczna (MJ/kg)

Biodiesel EN 14214

Estry metylowe z oleju słoneczn.

Estry etylowe z oleju rzepak.

Estry metylowe z oleju rzepak.

Olej napędowy

Cecha

Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: TECHNOLOGIA CHEMICZNAPodstawy Biotechnologii


Wytwarzanie wodoru w układach biologicznychTechnologie wytwarzania wodoru:

- reforming metanu

- zgazowanie węgla

- termokatalityczna przeróbka pary wodnej (katalizator zeolitowy)

- elektroliza wody

- gazyfikacja biomasy

- piroliza biomasy

- bezpośrednie wytwarzanie przez drobnoustroje

Drobnoustroje wytwarzające wodór: glony zielone; cyjanobakterie (np. Anabena cylindrica); bakterie fotosyntetyzujące (np. Rhodospirillum rubrum, Rhodobacter sphaeroides), inne bakterie (np. Clostridium butylicum, Clostridium bifermentans, Enterobacter aerogenes; warunki beztlenowe, substraty – mąka, skrobia, wydajność – 4 – 6 g z kg substratu).



Wytwarzanie wodoru w układach biologicznych

Anabena cylindrica

Komórki wegetatywne

Heterocysty

Szlaki wytwarzania wodoru przez drobnoustroje fotosyntetyzującea/ szlak bezpośredni; w warunkach niskiego poziomu siarki; b/ szlak pośredni glonyc/ szlak z wykorzystaniem fotosystemu – bakterie fotosyntetyzujące



Pozyskiwanie energii elektrycznej ze żródeł biologicznychBioogniwa paliwowe

Bioogniwa paliwowe to rodzaj ogniw paliwowych, w których energia chemiczna wytwarzana na drodze enzymatycznej

lub mikrobiologicznej, przekształcana może być w energię elektryczną



Rodzaje ogniw biopaliwowych

ogniwa enzymatyczne – ogniwa, w których jako katalizatory stosuje się enzymy. Jako katalizator anodowy wykorzystuje się enzymy katalizujące reakcje utleniania, np.: dehydrogenazęmleczanową, dehydrogenazę glukozową, dehydrogenazęalkoholową, oksydazę glukozową. Katalizatorem katodowym mogą być m.in.: oksydaza p-bifenylowa – lakkaza, oksydaza bilirubiny, oksydaza cytochromowa. Wszystkie te enzymy katalizująredukcję tlenu do wody.

ogniwa mikrobiologiczne – ogniwa oparte na wykorzystaniu żywych mikroorganizmów.W ogniwach bezpośrednich energia elektryczna jest generowana w wyniku aktywności katabolicznej drobnoustrojów znajdujących się w komorze anodowej.W ogniwach pośrednich wykorzystuje się np. rodziny bakterii Clostridium i Enterobacter, wytwarzających w trakcie przemian metabolicznych wodór, służący jako paliwo w klasycznych ogniwach paliwowych.



Zasada działania bioogniwa mikrobiologicznego

Obrazy z mikroskopu konfokalnego biofilmudrobnoustrojów na powierzchni elektrody.Komórki żywe – kolor zielony; komórki martwe –kolor czerwony

Bakterie znajdujące się w komorze anodowej utleniają glukozę do CO2. Elektrony uwolnione z cząsteczek donora są przekazywane do elektrody w wyniku bezpośredniegokontaktu, poprzez nanoprzewody lub za pośrednictwem nanoprzenośników. W wyniku tego procesu, w komorze anodowej są także wytwarzane protony, które migrują przez kationowymienną membranę (CEM) do komory katodowej. Elektrony przepływają z anodydo katody przez opór zewnętrzny. W przestrzeni katodowej reagują one z akceptorem ostatecznym (tlen) i protonami. Najbardziej efektywne – mieszane kultury bakterii



Rozwiązania konstrukcyjne bioogniw mikrobiologicznych

A – bioogniwo z mostkiem solnym; B- układ czterech ogniw, w których komory są oddzielonemembranami; C – układ z ciągłym przepływem przez komorę anodową; D – ogniwo typufotoheterotroficznego; E – ogniwo jednokomorowe z katodą powietrzną; F - ogniwo typu Hz dwiema komorami wyposażonymi w systemu odgazowania



Rozwiązania konstrukcyjne bioogniw mikrobiologicznych do pracy ciągłej

A – ogniwo rurowe z przepływem wstępującym. Anoda wewnętrzna grafitowa,katoda zewnętrzna; B – ogniwo rurowe z przepływem wstępującym. Anoda na dole, katoda u góry, membrana wbudowana; C - ogniwo płytowe. Przepływ serpentynowy; D – system jednokomorowy z wewnętrzną, koncentryczną katodąpowietrzną otoczoną komorą anodową z elektrodami grafitowymi; E – ogniwozespolone (6 elementów)



Schemat ogniwa MFC (microbial fuel cell) wykorzystującego ścieki, jako materiał biologiczny Ze ścieków o zawartości 0.1 – 10 kg ChZtTm3 można uzyskać 0.01 – 1,25 kW energii z m3 objętości roboczej bioreaktora



Zasada działania mikrobiologicznego ogniwa biopaliwowego A - w układzie przeniesienia elektronów do anody poprzez cząsteczkimediatora (MET);B – w układzie bezpośredniego przeniesienia elektronu (DET)



Zasada działania fotoogniwa biopaliwowego

Cyjanobakterie znajdujące się w komorze anodowej, pod wpływem światłautleniają H2O do O2 i H+ oraz redukują cząsteczki mediatora DMBQ (2,4-dimetylo-1,4-benzochinonu). DMBQ jest utleniany w bezpośredniej reakcji anodowej. W komorze katodowej następuje redukcja tlenu do wody, katalizowanaprzez oksydazę bilirubinową, W reakcji tej mediatorem jest ABTS.Parametry ogniwa – max. moc – 0.13 mW; SEM – 0.26 V, przy oporze zewnętrznym500 Ω; wydajność konwersji energii świetlnej – 1.9%

ABTS



Zasada konstrukcji pośrednich ogniw biopaliwowych



Ogniwa enzymatyczne

Zasada działania jednego z rodzajów jednokomorowego ogniwa enzymatycznego.Anoda – elektroda złota pokryta monowarstwą chinonu pirochinoliny (PQQ) i FADza pośrednictwem monowarstwy cysteaminy. Na monowarstwie PQQ-FAD immobilizowane cząsteczki oksydazy glukozowej. Reakcja –trójetapowa, dwuelektronowaKatoda – kompleks cytochrom c/oksydaza cytochromu c immoblizowane na monowarstwie maleinimidowej osadzonej na elektrodzie złotej.Reakcja – redukcja tlenu do wody.



Parametry ogniw biopaliwowych

Maksymalna teoretyczna SEM do 1,1 V. Maksymalne osiągnięte napięcie – 0,62 V

Moc 0.1 – 20 µW/cm2 powierzchni elektrody. Możliwe do 100 – 200 µW/cm2

Perspektywy zastosowań praktycznych:

- inżynieria biomedyczna, m.in. zasilaczedo rozruszników serca, sensorów glukozy(paliwo – glukoza i tlen z krwi)

- zasilacze do telefonów komórkowych i innegosprzętu mikroelektronicznego (paliwo – alkohol)

- uzyskiwanie energii elektrycznej z przerobu ścieków, odpadów ligninocelulozowychosadów dennych w zbiornikach wodnych

Moc uzyskiwana z ogniw różnego typu

Wyklad 11

Documents

Transcript of Wyklad 11