Anaerob szervesanyag bontás

Az előadások a következő témára: "Anaerob szervesanyag bontás"— Előadás másolata:

1 Anaerob szervesanyag bontás

2 Anaerobok és előfordulásuk
Szulfát-, vas- redukálók, metanogének Anaerob környezetben pl üledékek, emésztők, emésztőrendszer, talajvíz Alacsony redox potenciál Szulfát redukálók: Desulfovibrio vulgaris Desulfotomaculum acetoxidans

3 Szulfát redukálók Desulfovibrio (Gram -), Desulfotomaculum (Gram +) nemzettség Anaerob kemoorganotrófok, talajban, iszapban elterjedtek Légzési láncukban végső elektronakceptorként szulfátot használnak, elektrondonorjuk szerves vegyület, és szulfid keletkezik SO H2 + H+ HS- + 4H2O Egyes szulfát redukálók a szulfát oxigénjét szerves anyagok eloxidálására haszn, miközben a szulfát kénhidrogénné redukálódik, a folyamat szigorúan anaerob körülmények között zajlik a folyamat során fémszulfidok is keletkezhetnek, mivel a fémek reakcióba lépnek a kénhidrogénnel, így a szulfát redukálók károsak lehetnek a fémekre (biokorrózió)

4 Vas(III) redukálók A fémredukció (a fém a terminális elektronakceptor) valósz a legrégebbi légzési forma, mellyel még ma is találkozunk egyes baktériumokban Shewanella putrefaciens, Geobacter metallireducens, Desulfuromonas acetoxidans Szigorúan anaerob körülmény Egyszerű szerves elektrondonor pl. acetát, laktát, formát Fe(III)-oxidok redukciója során oldható Fe(II) formát képez A vas- és szulfát redukálók ugyanazon elektrondonorért küzdenek (kompetició)

5

6 Metanogének Felfedezésük: lángoló mocsár (Volta)
Archaea, obligát anaerobok Előfordulnak metanogén környezetben pl. anaerob emésztők, üledékekben, szennyvíziszapban, talajban, de élő szervezetekben is (emésztő rdsz.) Szulfát, nitrát limitált környezetben Közös ismertető, hogy a CO2-ot (esetleg metil csoport tartalmú vegy.-t) redukálják, ahol az e- donor H2, formát lehet, szénforrásként az acetátot kedvelik Hidrogén termelő törzsekkel szintrófiában élnek Biogáz előállítás 4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O CH3COOH CH4 + CO2 4 CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O Methanosarcina sp.

7

8 Nitrát redukálók Pl. Pseudomonas, Bacillus fajok
Oxigén hiányában, nitrát jelenlétében a nitrát a végső elektronakceptor, melynek oxigénjét szervesanyagok oxidálására haszn, miközben a nitrát redukálódik (nitrit, N2) Pseudomonas putida Bacillus megaterium

9

10

11

12 Szénhidrogének anaerob biodegradációja
Lassú lebontás, oxigénhiányos környezet Sokféle mikroorg, pl. szulfát redukálók, metanogének, denitrifikálók, Dehalococcoides (dehalogénező bakt), konzorciumokban Xenobiotikumok, pl halogénezettek bontása C<6 nem bontják Hosszabb láncok, telítetlen CH-k esetén a bontás gyakran nem teljes Gyakran kezdődik a reakció „építéssel”, alkilcsoportot ragasztanak a vegyületre, utána hasítják el pl.: Hexadekán hasznosító denitrifikáló izolátum fumaráttal + enzimmel támad Szulfát redukáló karboxilációval kezd, amit a terminális két C eltáv követ Klórozottak bontása mehet kometabolizmussal, illetve dehalorespirációval, amikor a halogén tart-ú (erősen elektron negatív karakter) vegyület az e- akceptor (H2 e- donor) és energiát nyer a dehalogénező reakcióból

13 Alifások bontása

14 Alifások bontása

15 Aromások bontása

16 Aromások bontása

17 Előnyök/hátrányok A természetbe kerülő szervesanyagokról az jut eszünkbe, hogy aerob biodegradáció, aminek részben az alapja, hogy az aerob szervezetek többsége gyorsan szaporodik, valamint a fő terminális elektronakceptor a lebontó folyamatokban az oxigén. Ha ez jelen van, akkor az aerob lebontás a preferált O2-t elektronakceptorként haszn-va. Az anaerob lebontás mintegy alárendeltje az aerob lebontásnak kinetikája és kapacitása miatt. Noha bizonyos körülmények között az anaerob folyamatok gyorsabban zajlanak, mint az aerob megfelelői, pl a marhák bendőjében a cellulóz bontás sokkal gyorsabban megy végbe, mint oxigén jelenlétében, az átlagos felezési idő kb egy nap Oxidált állapotú vegyületek esetén az anaerob folyamatok jöhetnek szóba

18 Előnyök/hátrányok Azokban az esetekben, amikor a hulladékkezelés során könnyen bontható/hasznosítható szervesanyagokat kell eltávolítani, pl élelmiszeripari szerves hulladék, az anaerob folyamatok nagyon hatékonyak, és olcsóbbak, mint az aerob kezelések, ráadásul az anaerob lebontás végén hasznos végterméket is nyerünk: metán A legtöbb esetben, ahol a szervesanyag lebontásához nem kell oxigén, pl polimerek hidrolizise, előnyös lehet az anaerob kezelés Az anaerob baktériumok a szubsztrát bontásából kevesebb energiát nyernek, mint az aerobok, ezáltal a sejtszaporodásuk mértéke is elmarad azokétól. Míg egy hexóz 6 CO2-dá tört aerob oxidációjából 2870 kJ/mol erg keletk, addig az anaerob hexóz átalakításból 3 CH4 és 3 CO2 lesz, aminek energianyeresége csak 390 kJ/mol Az anaerobok hatékony alkalmazása érdekében meg kell oldani, hogy a bioreaktorban nagy mennyiségű biomasszánk legyen, és vigyázni kell az „utánetetés” során se veszítsük el a hasznos anaerob mikroflórát

19 Előnyök/hátrányok Oxigén hiányában alternatív elektronakceptorokra van szükség. Ezek az elektronokat az átalakítandó szubsztrátról kapják. Az alternatív folyamatok sorrendjét főleg az akceptor rendszer redoxpotenciálja határozza meg: O2/H2O Eh= +810 mV (pH=7,0), ezután a legmagasabb a NO3-/NO2- Eh= +430 mV Mn(IV)O2/Mn2+ Eh= +400 mV Fe(III)OOH/Fe2+ Eh= +150 mV SO42-/HS- Eh= -218 mV CO2/CH4 Eh= -244 mV

20 Előnyök/hátrányok A lebontási folyamatokban nem mindig előnyös az aerob, oxidációs reakció. Az oxigenázok hidroxil csoportot építenek a vegyületre, és további oxigén jelenlét okozhat gyök képződést, pl fenol gyökök, ami elindíthat egy polimerizációs (polifenolok) és kondenzációs folyamatot, huminszerű vegyületek keletk, melyek további bontása rendkívül nehéz Ezért fenolos vegyületek esetén gyakran alkalmaznak anaerob biodegradációt, e folyamat elkerülése céljából Más esetekben a habosodás (pl. felületaktív anyagok jelenlétében) kiküszöbölése miatt választják inkább az anaerob megoldást A fentiek alapján megállapíthatjuk, hogy nem elegendő csak szigorúan a leggyorsabb lebontási folyamatot kiválasztani és alkalmazni, sokkal több szempontot figyelembe kell venni a módszer bevezetése előtt

21 Szennyvíz kezelés esetén melyiket válasszuk?
Anaerob kezelés esetén gyakran előkezelés szükséges, hogy minimalizáljuk az oxigénigényt Koncentrált szennyvizek esetén azért érdemes az anaerob kezelést választani, mert energia (biogáz) nyerhető belőle, és kevesebb a biomassza képződés Aerob kezelés esetén az intenzív levegőztetés kihajthat illékony komponeneseket, ilyenkor az elhasznált gázt tisztítani kell Alacsonyabb szervesanyag konc esetén ha aerob kezelést alkalmazunk relatíve magas lesz a járulékos költség a levegőztetés miatt, és sok biomassza marad a végén Az anaerob kezelés összeállítása költségesebb, de a működési költségek alacsonyabbak, mint az aerob megoldás esetén

22 Energianyerő folyamatok anaerob szerves hulladékkezelés során
Konzorcium Hidrolizis Biogáz képzés Hulladék lehet: szénhidrát, fehérje, zsír

23 Biogáz Szervesanyagok (szénhidrátok, fehérjék, zsírok) anaerob bontásával nyerhető gáz – fő komponensek: CH4 + CO2 Alapanyagok lehetnek: szinte minden szervesanyag, pl. cellulóz, keményítő, élelmiszeripari melléktermékek, és hulladékok, trágya, kommunális hulladék Feltételei: anaerob körülmény, bontható szervesanyag, megfelelő mikróba konzorcium (együttműködő, közösség) Felhasználása: helyben – fűtésre (fűtőértéke erősen függ az egyéb, nem éghető alkotóktól) Elszállítva – gázhálózatba – fűtésre Villamos- és hőenergia előállításra motormeghajtásra hulladékhasznosítás! Visszamaradó biomassza talajerőpótlásra

24 Biogáz képződés +H2 Polimerek bontása Monomerek, oligomerek emésztése

25

26

27

28

29 Biogáz előállításának sematikus ábrázolása
Anaerob fermentáció Szerves anyag, “hulladék” TÁPANYAG

30

31 BioEtanol Keményítő és magas cukortartalmú növényi termékekből
Már az egyiptomiak is tudták (azaz legalább 3000 éve használt technológia: élesztővel cukorból sört, bort fermentáltak) Most ismét „divat” – benzinhez kötelező bekeverni Olajválság, ólomterhelés miatt Ma még jelentősebb, hiszen a bioüzemanyagok egyik fő képviselője (első etanol hajtotta autót 1880-ban Henry Ford alkotta, majd 1990-től Amerikában gasohol, mely kukoricából készült) Üzemanyagadalékként oktánszámjavító etil-tercier-butil-éter (ETBE) gyártható belőle (5-7%-ban használják)

32 Bioetanol Cukorrépa, búza, kukorica, cukornád, burgonya, cukorcirok
Fermentáció lényege: Saccharomyces cerevisiae oxigén hiányában cukorból etanolt és CO2-ot állít elő C6H12O6 2 C2H5OH + CO2 Bioetanol előállítás többlépcsős Nagyüzemi gondok: az etanol, mint oldószer 5% feletti koncentrációban tönkreteszi a sejtek membránját Előnye, hogy magas cukortartalmú hulladékot, mellékterméket is fel lehet használni alapanyagként Előállítása költséges, de olcsóbb, mint a szintetikus etanolé, ezért várhatóan inkább a vegyi és kozmetikai ipar lesz a nagyfelhasználó (nem üzemanyagként)

33 Alkohol ipari előállítása keményítőből
Őrölt gabona keményítőjét gőz és nyomás segítségével gélesítik Lehűtik 50-60°C-ra és α-amilázt adnak hozzá, mely az α-1,4-kötéseket elhasítja oligoszaharid szálak keletk. Glükóz felszabadítása glükoamiláz enzimmel, a végtermék glükóz Élesztő sejtek hozzáadásával a glükózból alkohol fermentálható Töményítés, desztilláció, víztelenítés, ezek a lépések nagyon költségessé teszik, így az energiamérlege negatív Töményítés, desztilláció

34 Alkohol termelő mikroorganizmusokban a glükóz átalakulása etanollá
glikolizis 2 piruvát Szentgyörgyi-Krebs ciklus acetaldehid 2 etanol 2 CO2 NADH NAD+ Piruvát dekarboxiláz Alkohol dehidrogenáz

35 Cellulózból bioetanol