Biotechnologie pozyskiwania rde energii odnawialnej Biologiczne rda energii
Biotechnologie pozyskiwania źródeł energii odnawialnej
Biologiczne źródła energii, paliw gazowych i ciekłych
Sposoby pozyskiwania energii z surowców biologicznych
Zawartość energetyczna różnych paliw Paliwo Gaz ziemny Węgiel Benzyna Olej napędowy Drewno Papier Gnojowica Słoma Trzcina cukrowa Odpady komunalne Odpady przemysłowe Siano Energia (GJ/t) 55 28 47 43 15 17 16 14 14 9 16 4
Źródło Typ paliwa Organizm Wydajność (sm/ha/rok) Drzewa leśne Drzewa szybkorosnące Drewno Różne gatunki Wierzba Topola Miscanthus sp. Hemmthria Pennisetum Łodygi trzciny cukrowej Słoma kukurydziana, ryżowa, jęczmienna itp. . Trzcina cukrowa Buraki cukrowe Kukurydza Ziemniaki Rzepak Słonecznik Soja Lilia wodna Tatarak Cyjanobakterie, Mikroglony Botryococcus braunii 10 – 35 6 – 15 10 – 17 20 7 – 22 34 – 55 Słoma Trawy wieloletnie Odpady ze zbóż Odpady komunalne Rośliny uprawiane Odpady Sacharoza Skrobia Olej Rośliny wodne Drobnoustroje Materiał roślinny Wodór Olej 20 36 – 70 8 – 15 26 5 – 21 2– 3 52 – 100 8 - 34
ścieki oczyszczone ścieki odpady płynne osady ściekowe odpady komunalne odpady z przemysłu rolno-spożywczego Fermentacja metanowa osady ustabilizowane biogaz
Fermentacja metanowa Przekształcenie związków organicznych o różnym stopniu utlenienia do metanu i CO 2 w warunkach beztlenowych. Proces jest kilkuetapowy, prowadzony przez konsorcjum bakterii. Ostatni etap – bakterie metanowe Produkt końcowy – biogaz, zawierający 55 – 75% metanu, 20 – 40% CO 2, 2 - 3 % wodoru
Fermentacja metanowa Reakcje metanogenezy z różnych substratów CO 2 + H 2 CH 4 + 2 H 2 O 4 HCOOH CH 4 + 3 CO 2 + 2 H 2 O 4 CH 3 OH 3 CH 4 + CO 2 + 2 H 2 O CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Reakcje te prowadzone są przez drobnoustroje należące do Archebacteria, Będące ścisłymi beztlenowcami; większość z nich jest organizmami termofilnymi. Wykorzystują one CO 2 jako źródło węgla, NH 4+ jako źródło azotu i H 2 S jako źródło siarki.
Fermentacja metanowa Współzależność bakterii acetogennych i metanowych
Specyficzne formy wzrostu drobnoustrojów Kultury mieszane Konsorcja Biofilm Eutrofizacja Sporulacja Oddziaływanie Efekt Komensalizm Kometabolizm Jedna populacja korzysta, a inne są w sytuacji obojętnej Produkt metabolizmu jednej populacji jest substratem dla metabolizmu innej populacji Dwie populacje dostarczają sobie nawzajem substancji pokarmowych Zależność wzrostu drobnoustrojów glebowych żyjących w pobliżu korzeni roślin od sygnałów metabolicznych wydzielanych przez korzenie Obie populacje korzystają z współobecności Jedna populacja żyje kosztem innej Syntrofizm Rizosfera Mutualizm Pasożytnictwo
Rodzaje reaktorów i techniki fermentacji anaerobowej
Schemat przydomowej wytwornicy biogazu
INSTALACJA DO WYTWARZANIA BIOGAZU Z ORGANICZNYCH ODPADÓW STAŁYCH (SALZBURG, AUSTRIA) W instalacji przerabianych jest rocznie 20 000 ton odpadów w jednofazowym procesie fermentacji beztlenowej. Odpady rozdrobnione do 40 mm są transportowane do dozownika, mieszane ze szlamem fermentacyjnym. i podgrzewane do 55 C, a następnie wprowadzane do bioreaktora. Wydajność 135 m 3 biogazu/T odpadów. Przetworzenie na energię elektryczną – 250 k. Wh ze 135 m 3 biogazu.
Schemat instalacji wykorzystującej odpady browarnicze do wytwarzania energii w obiegu zamkniętym
Efektywność wytwarzania biogazu Substrat Wydajność biogazu m 3/dzień Czas zatrzymania (h) Osad ściekowy pierwotny 0, 9 – 3, 0 5 – 22 Osad ściekowy wtórny 0, 7 – 2, 4 5 – 22 Odpady komunalne 2, 4 – 3, 6 19 – 30 Obornik bydlęcy 1, 0 10 Obornik świński 1, 0 10
Wytwarzanie oleju przez rośliny Roślina Wydajność (kg/ha/rok) Wieloletnie Kakaowiec Drzewo oliwne Awokado Palma kokosowa Palma makauba Palma olejowa 860 1 019 2 217 2 260 3 775 5 000 Roczne Kukurydza Bawełna Soja Słonecznik Orzeszki ziemne Rzepak Rycyna Jojoba 145 273 375 800 890 1 000 1 188 1 528
Oleje wytwarzane biologicznie Drobnoustroje wytwarzające i akumulujące oleje mogące znaleźć zastosowanie jako paliwo Glony (oleje terpenoidowe) Botrycoccus braunii Chlorella vulgaris Phaedodactylum tricornutum 53 – 75% s. m. 40 – 58% s. m. 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.
Komórki drożdży Apiatrichium curvatum wytwarzające i magazynujące duże ilości lipidów
Biodiesel Porównanie właściwości oleju napędowego, olei roślinnych i modyfikowanych olei roślinnych Cecha Olej napędowy Olej rzepakowy Olej słonecznikowy Olej sojowy Krakowany olej sojowy Modyfikowany olej kokosowy Gęstość (kg/l) 0, 85 0, 78 – 0. 91 0, 86 – 0, 92 0, 88 – 0, 91 0, 88 0, 81 Lepkość (c. St) 2, 8 – 3, 5 37 – 47 34 – 46 33 – 45 7, 74 2, 58 Punkt zapłonu ( C) 64 – 80 246 – 273 183 – 274 178 – 254 BD BD Liczba cetanowa 48 – 51 38 – 50 37 – 49 38 – 45 43 60, 5 Wartość energetyczna (MJ/kg) 38 - 45 37 - 40 33 - 40 40, 6 47, 5
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, środka powierzchniowo-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 Warunki: stosunek molowy metanol lub etanol: olej 6: 1, kataliza alkaliczna (Na. OH lub KOH), kwasowa (HCl lub H 2 SO 4), lub enzymatyczna (lipaza).
Porównanie właściwości oleju napędowego i estrów z olei roślinnych Cecha Olej napędowy Estry metylowe z oleju rzepak. Estry metylowe z oleju słoneczn. Biodiesel EN 14214 Gęstość (kg/l) 0. 85 0, 77 -0, 88 0, 89 0, 88 Lepkość (c. St) 2, 8 -3, 5 6, 1 -7, 2 6, 2 4, 3 3, 5 -5, 0 Punkt zapłonu ( C) 64 -80 170 -185 124 110 >101 Liczba cetanowa 48 -51 52 -54 60 47 >51 38, 5 -46 35 -40 40, 5 40 Brak danych Wartość energetyczna (MJ/kg)
Wytwarzanie wodoru w układach biologicznych Technologie 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; 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).
Pozyskiwanie energii elektrycznej ze żródeł biologicznych 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 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. ogniwa enzymatyczne – ogniwa, w których jako katalizatory stosuje się enzymy. Jako katalizator anodowy wykorzystuje się enzymy katalizujące reakcje utleniania, np. : dehydrogenazę mleczanową, dehydrogenazę glukozową, dehydrogenazę alkoholową, oksydazę glukozową. Katalizatorem katodowym mogą być m. in. : oksydaza p-bifenylowa – lakkaza, oksydaza bilirubiny, oksydaza cytochromowa. Wszystkie te enzymy katalizują redukcję tlenu do wody.
Zasada działania bioogniwa mikrobiologicznego Obrazy z mikroskopu konfokalnego biofilmu drobnoustrojów na powierzchni elektrody. Komórki żywe – kolor zielony; komórki martwe – kolor czerwony Bakterie znajdujące się w komorze anodowej utleniają glukozę do CO 2. Elektrony uwolnione z cząsteczek donora są przekazywane do elektrody w wyniku bezpośredniego kontaktu, 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 anody do katody przez opór zewnętrzny. W przestrzeni katodowej reagują one z akceptorem ostatecznym (tlen) i protonami. Najbardziej efektywne – mieszane kultury bakterii
Zasada działania fotoogniwa biopaliwowego ABTS Cyjanobakterie znajdujące się w komorze anodowej, pod wpływem światła utleniają H 2 O do O 2 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, katalizowana przez oksydazę bilirubinową, W reakcji tej mediatorem jest ABTS. Parametry ogniwa – max. moc – 0. 13 m. W; SEM – 0. 26 V, przy oporze zewnętrznym 500 ; wydajność konwersji energii świetlnej – 1. 9%
Zasada działania mikrobiologicznego ogniwa biopaliwowego A - w układzie przeniesienia elektronów do anody poprzez cząsteczki mediatora (MET); B – w układzie bezpośredniego przeniesienia elektronu (DET)
Ogniwa enzymatyczne Zasada działania jednego z rodzajów jednokomorowego ogniwa enzymatycznego. Anoda – elektroda złota pokryta monowarstwą chinonu pirochinoliny (PQQ) i FAD za pośrednictwem monowarstwy cysteaminy. Na monowarstwie PQQ-FAD immobilizowane cząsteczki oksydazy glukozowej. Reakcja –trójetapowa, dwuelektronowa Katoda – kompleks cytochrom c/oksydaza cytochromu c immoblizowane na monowarstwie maleinimidowej osadzonej na elektrodzie złotej. Reakcja – redukcja tlenu do wody.
Zasada konstrukcji pośrednich ogniw biopaliwowych
Parametry ogniw biopaliwowych Maksymalna teoretyczna SEM do 1, 1 V. Maksymalne osiągnięte napięcie – 0, 62 V Moc 0. 1 – 20 W/cm 2 powierzchni elektrody. Możliwe do 100 – 200 W/cm 2 Perspektywy zastosowań praktycznych: - inżynieria biomedyczna, m. in. zasilacze do rozruszników serca, sensorów glukozy (paliwo – glukoza i tlen z krwi) -zasilacze do telefonów komórkowych i innego sprzętu mikroelektronicznego (paliwo – alkohol) - uzyskiwanie energii elektrycznej z przerobu ścieków, odpadów ligninocelulozowych osadów dennych w zbiornikach wodnych Moc uzyskiwana z ogniw różnego typu
- Slides: 31