Biotechnológiák az energiaiparban SAPIENTIA ERDÉLYI MAGYAR TUDOMÁNYEGYETEM Általános biotechnológia előadás Biotechnológiák az energiaiparban 11/19/2009

Mi jellemzi a 21. századot? 1. Globális környezeti és energiaválság a fosszilis energia használata súlyosan veszélyezteti a környezetet, ráadásul a készletek kimerülőben vannak megújuló energiaforrásokat hasznosító piacképes biotechnológiai eljárások szükségesek

BIO- BIO- BIO- 2. A 21. század a biotechnológia százada BIOTÁRSADALOM ALAPANYAG ENERGIA TECHNOLÓGIA IPAR EGÉSZSÉG GAZDASÁG KÖRNYEZET BIOETANOL METÁN ÚJ GYÓGYSZEREK DIAGNOSZTIKA KÖRNYEZETVÉDELEM REZISZTENS NÖVÉNYEK TRANSZGÉNIKUS ÁLLATOK Vörös biotech egészségügyi felhasználású termékek Fehér biotech ipari felhasználású termékek Zöld biotech mezőgazdasági, élelmiszer és környezeti felhasználású biotechológia ÁLLATEGÉSZSÉGÜGY BIOGÁZ ÉLELMISZERIPAR 2. A 21. század a biotechnológia százada BIOTÁRSADALOM Vörös biotech egészségügyi felhasználású termékek Fehér biotech ipari felhasználású termékek Zöld biotech mezőgazdasági, élelmiszer és környezeti felhasználású biotechológia IPAR VEGYIPAR ENERGIA ENERGIA EGÉSZSÉG EGÉSZSÉG BIOETANOL BIO- BIO- METÁN ÚJ GYÓGYSZEREK BIOGÁZ GÉNTERÁPIA DIAGNOSZTIKA ÁLLATEGÉSZSÉGÜGY ALAPANYAG ENERGIA TECHNOLÓGIA ÉLELMISZERIPAR KÖRNYEZET KÖRNYEZET MEZ MEZ Õ Õ GAZDASÁG GAZDASÁG REZISZTENS NÖVÉNYEK KÖRNYEZETVÉDELEM TRANSZGÉNIKUS ÁLLATOK

Megújuló energiaforrások olyan közeg, természeti jelenség, melyekből energia nyerhető ki ismétlődően rendelkezésunkre áll jelentősebb emberi beavatkozás nélkül legfeljebb néhány éven belül újratermelődik A legfontosabb megújuló energiaforrások: 1. napenergia (naperőmű: napelem, napkollektor); 2. vízenergia (vízerőmű: árapály-energia, hullám energia); 3. szélenergia (szélturbinák); 4. geotermikus energia; 5. biomassza → bioetanol, biodiesel, biohidrogén

Mi a biomassza? Minden növényi vagy állati eredetű szerves anyag. CO2 Fotoszintézis a növényi biomassza termelése. Növényi biomassza források: Fák, gabonák, algák Minden faipari, mezőgazdasági melléktermék és hulladék Kommunális hulladékok rostosanyag tartalma CO2 O2 H2O ásványi anyagok Növényi biomassza

Biomassza a nap-, illetve szélenergiával szemben szállítható, tárolható, így folyamatos energiaellátást tesz lehetővé eltérő technológiai eljárásokkal előállítható belőle hő-, villamos energia vagy üzemanyag → univerzálisan felhasználható

A biomassza energiatartalma hasznosítható Közvetlen tüzeléssel (előkészítéssel vagy anélkül): tűzifa apríték, fűrészüzemi hulladékok, szalma, energiafű, illetve ezekből előállított pellet Kémiai átalakítás után éghető gázként, vagy folyékony üzemanyagként: cukortartalmú növények, zöld növényi hulladék, állati szennyvíziszap, trágya Alkohollá erjesztéssel üzemanyagként: magas cukortartalmú (cukorrépa, cukornád), magas keményítőtartalmú (kukorica, burgonya, búza) vagy magas cellulóztartalmú (szalma, fa, nád, energiafű) növények Növényi olajok észterezésével biodízelként: olajtartalmú növények (pl. repce, oliva, napraforgó)

A biomasszából nyerhető anyagok cellulóz  cukrok hemicellulóz  etanol, butanol lignin  ragasztóanyagok cukor  bioalkohol (fermentációval) olajok  biodízel (átészterezéssel) biogáz (anaerob fermentációval)

Bioetanol Olyan nagyrészt etil-alkoholból álló üzemanyag, melyet biológiailag megújuló energiaforrások (növények) felhasználásával nyernek abból a célból, hogy benzint helyettesítő, vagy annak adalékaként szolgáló motor-üzemanyagot kapjanak Alapanyaga: magas cukortartalmú növény (pl. cukorrépa, cukornád) vagy olyan anyagot tartalmazó növény, melyet kémiai-biológiai reakciók sorozatával cukorrá lehet alakítani (pl. keményítő-tartalmú növények: kukorica, búza, burgonya stb., cellulóz-tartalmú növények: fa, fűfélék, gabonaszárak, szalma)

Alkohol-előállítás lignocellulózokból Lignocellulóz alapanyag Enzim- fermentáció ! Előkezelés Elválasztás, mosás Cellulóz Pentóz Lignin Desztilláció Hidrolízis Hexóz fermentáció Pentóz fermentáció Hasznosítás (?) Celluláz enzimmel vagy savasan EtOH

A technológiai folyamat Hátrányai a gyártási folyamat fajlagosan magas villamosenergia- és hőenergia igényű, a kinyert energia %-os arányban sokkal kisebb mértékben haladja meg a befektetett mennyiséget, mint a hagyományos energiahordozóknál. élelmezési célra használható növényeket, táplálékokat felhasználni üzemanyag-gyártás céljára akkor, amikor a Föld jelentős népessége éhezik – egy etikai vonzatú dilemma Előnyei elvileg semleges hatású az üvegházhatásra a tiszta bioetanol-felhasználás 17%-kal fogná vissza az üvegházhatású gázok kibocsátását? bioetanol nyersanyagát ásványkincsekben szegény, mezőgazdasági területeken is elő lehet állítani

Biodízel növényi olajokból vagy (állati) zsírokból rövid lánchosszúságú mono-alkohollal (metanol, etanol) átészterezéssel (transzeszterifikációval) előállított észter alapú bioüzemanyag dízelmotorok számára fosszilis hajtóanyag helyettesítéseként, vagy azzal keverve annak pótanyagaként használható használata azért előnyös, mert a kőolajjal szemben, a biodízel alapanyagai viszonylag gyors biológiai folyamatoknak az eredménye

A biodízel előállítása: a zsiradék szennyező anyagainak eltávolítása katalizátor jelenlétében reagáltatják a zsiradékot metanollal, vagy etanollal Katalizátor: lúg, erős ásványi sav A folyamat mellékterméke: glicerol (glicerin), a reakció-edény alján gyűlik össze és onnan eltávolítható Milyen hasznos termékekké alakítható át ez a glicerin felesleg?

A biodízel alkalmazási lehetőségei: elsősorban jármű hajtóanyag helyettesítésére vagy pótlására álló (stationary) dízelmotorok üzemeltetésére (pl. hálózattól távoli önálló villany generáló telepeken alkalmaznak) egyéni központi fűtésre

Biogáz szerves anyagok baktériumok által anaerob körülmények között történő lebontása során képződő termék 3 típusát különböztetik meg: szennyvíz-iszap biogáz (szennyvíz gáz) mezőgazdasági biogáz (biogáz) szeméttelepi biogáz (depóniagáz) Összetevői % CH4 50 – 75 CO2 25 – 50 N2 0 – 10 H2 0 – 1 H2S 0 – 3 O2 0 – 2

A biogáz-termelés szakaszai 2 lépésben történik a biogáz-termelés : közönséges anaerob baktériumok a polimereket savakká, etanollá, hidrogénné és szén-dioxiddá hidrolizálják (fermentáció) metánképződés: a széndioxid metanogén baktériumok hatására hidrogénnel metánná redukálódik. A széndioxid egy része azonban visszamarad.

Biogáz előállítása üzemi és kisüzemi körülmények között A legfontosabb metántermelő baktériumok: Methanococcus vannielii, Methanobacterium ruminantium, Methanospirillum sp., stb. - ezek a baktériumok különböző kombinációkban metanolt, acetátot, formiátot, hidrogént és más savakat is hasznosítanak A nem metanogén baktériumbióta: E. coli, Micrococcus varians, Pseudomonas reptilivora, Micrococcus luteus, Alcaligenes viscolactis, A. faecalis, Clostridium, Bacteroides, Lactobacillus, Vibrio, Spirillum, Desulfovibrio, Enterobacter aerogenes, stb. - bizonyos mértékig a humán bélcsatorna baktériumbiotájához hasonló, és lényegesen eltér az aktivált iszapétól

A biogáz-termelés technológiája

Tisztított biogáz hasznosítási lehetőségei: Lakossági használat: főzés-sütés, háztartási cél, vízmelegítés, üzemanyag, lakások fűtése-hűtése (megfelelő technikával) Mezőgazdasági: istállók fűtése, terményszárítás, növényház, üvegház, fóliasátor fűtése, a mezőgazdasági gépek és gépkocsik üzemeltetése Energetikai: elektromos áram termelése gázmotorral saját használatra, távfűtésbe való bekapcsolódás, tisztított biogáz hálózati betáplálása, CO2 emisszió értékesítése

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol) Biohidrogén a legígéretesebb globális energiahordozó energiatartalma: 122 MJ/kg felhasználása során vízzé ég el, ezért elméletileg a legkevésbé környezetszennyező: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol) vízből vagy szerves anyagokból nyerhetjük külső, primer energiaforrás felhasználásával szállítására és tárolására hatékony és biztonságos eljárásokat dolgoztak ki

Biohidrogén-előállítás lehetőségei víz fotolízise (direkt vagy indirekt módon, cianobaktériumok vagy zöldalgák közreműködésével) fermentációs eljárások (anaerob baktériumok) fotofermentáció hibrid rendszerek (fermentáció+fotofermentáció)

Fotofermentáció szerves anyagok átalakulása hidrogénné fotoszintetikus baktériumok jelenlétében a konverzió termodinamikai szempontból kedvezőtlen → CSAK fény jelenlétében történik meg az átalakulás a fény energiáját a fotoszintetikus baktériumokra specifikus pigment-molekulák abszorbeálják

Fotoszintetikus baktériumok anaerobok vagy mikroaerofilek elektrondonorok a bakteriális fotoszintézishez: redukált kénvegyületek (pl. H2S) vagy szerves savak (pl. ecetsav, tejsav, almasav) nem szabadítanak fel oxigént hidrogéntermelés: nitrogenáz vagy hidrogenáz enzimek által

Fotoszintetikus baktériumok tenyésztése zárt, sterilezhető fotobioreaktorban (fényforrás!) anaerob körülmények között optimális növekedési hőmérséklet: 30ºC körül (baktériumtörzstől függően) megfelelő tápközeg: redukált kénvegyületek, szerves savak, szükséges nyomelemek, vitaminok kezdeti pH: 7,0 – 7,5 állandósult állapot elérése: 3-4 nap alatt

A gyakorlati megvalósítással kapcsolatosan felmerülő problémák Mennyi legyen a kezdeti sejt- és szervesanyag-koncentráció? Honnan világítsuk meg a reaktort, kívülről vagy belülről? Mekkora felületen, milyen rétegvastagságon kell a fénynek áthaladnia? Milyen intenzitással világítsuk meg a rendszert? ! G A Z D A S Á G O S S Á G !

Mi a különbség? A legnagyobb mennyiségben termelődő üvegházhatású gáz a szén- dioxid, ami bio- és fosszilis üzemanyagokból is keletkezik, de a bio-üzemanyagok esetében a széndioxid ciklus zárt. Bio-üzem-anyagok CO2 fosszilis olaj

A fehér biotechnológia társadalmi hatásai Új termelési lehetőségek a mezőgazdaság és erdőgazdaság számára Környezeti illetve klimatikus hatás: nem termel plusz szén-dioxidot Csökkenti az olajtól való függőséget Nagyobb politikai/gazdasági biztonságot nyújt Nagy hozzáadott értékű termékeket állít elő GMO-k vélhető nagyobb elfogadottsága