Wyklad 11

Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA

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

Źródło Typ paliwa Organizm Wydajność (sm/ha/rok)

Drzewa leśne Drewno Różne gatunki 10 –35
Drzewa szybkorosnące Drewno Wierzba 6 – 15
Topola 10 – 17
Trawy wieloletnie Słoma Miscanthus sp. 20
Hemmthria 7 – 22
Pennisetum 34 – 55
Odpady ze zbóż Odpady Łodygi trzciny cukrowej
Słoma kukurydziana, ryżowa, 20
jęczmienna itp..
Odpady komunalne Odpady -
Rośliny uprawiane Sacharoza Trzcina cukrowa 36 – 70
Buraki cukrowe 8 – 15
Skrobia Kukurydza 26
Ziemniaki 5 – 21
Olej Rzepak 2–3
Słonecznik
Soja
Rośliny wodne Materiał roślinny Lilia wodna 52 – 100
Wodór Tatarak 8 - 34
Drobnoustroje Olej Cyjanobakterie, Mikroglony
Botryococcus braunii


Wytwarzanie biogazu
ścieki oczyszczone
ścieki

odpady płynne

osady ściekowe
Fermentacja osady ustabilizowane
metanowa
odpady komunalne

odpady z przemysłu biogaz
rolno-spożywczego

Fermentacja metanowa
Przekształcenie związków organicznych o różnym stopniu utlenienia do metanu i CO2 w warunkach
beztlenowych. 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 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 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 energii
w obiegu zamkniętym


Instalacja do utylizacji ścieków mleczarskich


Efektywność wytwarzania biogazu

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

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

Roczne

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


Oleje wytwarzane biologicznie
Drobnoustroje wytwarzające i akumulujące oleje mogące znaleźć zastosowanie
jako 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.


Biodiesel
Porównanie właściwości oleju napędowego, olei roślinnych i modyfikowanych
olei roślinnych

Cecha Olej Olej Olej Olej Krakowany Modyfikowany
napędowy rzepakowy słonecznikowy sojowy olej sojowy olej kokosowy
Gęstość (kg/l) 0,85 0,78 – 0.91 0,86 – 0,92 0,88 – 0,91 0,88 0,81

Lepkość (cSt) 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 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

O
H2C O C R1 R1COOCH3 H2C OH
O
H C O C R2 + CH3OH R2COOCH3 + H C OH
O
H2C O C R3 R3COOCH3 H2C OH

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

Cecha Olej Estry metylowe Estry etylowe Estry metylowe Biodiesel
napędowy z oleju rzepak. z oleju rzepak. z oleju słoneczn. EN 14214

Gęstość 0.85 0,77-0,88 0,88 0,89 0,88
(kg/l)

Lepkość (cSt) 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

Wartość
energetyczna 38,5-46 35-40 40,5 40 Brak
(MJ/kg) danych

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; 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 fotosyntetyzujące
a/ szlak bezpośredni; w warunkach niskiego poziomu siarki; b/ szlak pośredni glony
c/ szlak z wykorzystaniem fotosystemu – bakterie fotosyntetyzujące


Pozyskiwanie energii elektrycznej ze żródeł biologicznych
Bioogniwa 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 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 CO2. 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


Rozwiązania konstrukcyjne bioogniw mikrobiologicznych

A – bioogniwo z mostkiem solnym; B- układ czterech ogniw, w których komory są oddzielone
membranami; C – układ z ciągłym przepływem przez komorę anodową; D – ogniwo typu
fotoheterotroficznego; E – ogniwo jednokomorowe z katodą powietrzną; F - ogniwo typu H
z 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 katodą
powietrzną otoczoną komorą anodową z elektrodami grafitowymi; E – ogniwo
zespolone (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 cząsteczki
mediatora (MET);
B – w układzie bezpośredniego przeniesienia elektronu (DET)


Zasada działania fotoogniwa biopaliwowego
ABTS

Cyjanobakterie znajdujące się w komorze anodowej, pod wpływem światła
utleniają 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, katalizowana
przez oksydazę bilirubinową, W reakcji tej mediatorem jest ABTS.
Parametry ogniwa – max. moc – 0.13 mW; SEM – 0.26 V, przy oporze zewnętrznym
500 Ω; wydajność konwersji energii świetlnej – 1.9%


Zasada konstrukcji pośrednich ogniw biopaliwowych

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.


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. 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

Wyklad 11

Recommended

Recommended

More Related Content

Viewers also liked

Viewers also liked (9)

Similar to Wyklad 11

Similar to Wyklad 11 (8)

More from marwron

More from marwron (20)

Wyklad 11