4. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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
5. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wytwarzanie biogazu
ścieki oczyszczone
ścieki
odpady płynne
osady ściekowe
Fermentacja osady ustabilizowane
metanowa
odpady komunalne
odpady z przemysłu biogaz
rolno-spożywczego
6. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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
10. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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.
11. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Schemat przebiegu procesu w beztlenowej kompostowni w Kaiserslautern
12. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Schemat instalacji wykorzystującej odpady browarnicze do wytwarzania energii
w obiegu zamkniętym
18. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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.
19. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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).
20. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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
21. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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).
22. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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
23. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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
24. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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.
25. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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
26. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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
27. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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)
28. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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
29. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Zasada działania mikrobiologicznego ogniwa biopaliwowego
A - w układzie przeniesienia elektronów do anody poprzez cząsteczki
mediatora (MET);
B – w układzie bezpośredniego przeniesienia elektronu (DET)
30. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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%
32. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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.
33. Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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