Az életciklus analízis (LCA) kialakulása és fejlődése

Az előadások a következő témára: "Az életciklus analízis (LCA) kialakulása és fejlődése"— Előadás másolata:

1 Az életciklus analízis (LCA) kialakulása és fejlődése
Az első életciklus szempontú vizsgálatok a késő hatvanas években láttak napvilágot A módszer kialakulásának elsődleges oka vitathatatlanul a 70-es években bekövetkező energia árrobbanás volt kisebb energiaigényű technológiai megoldások, illetve az alternatív energiaforrások A Coca-Cola pl.1969-ben készített egy tanulmányt az italos rekeszekre, az erőforrás felhasználás és környezeti szempontok közötti összefüggésekre. Öko-mérleg: ismertünk meg ben az UK-ban BOUSTEAD kiszámolta a különböző fajtájú (üveg,acél, műanyag, alumínium) konténerek termelésének teljes energia fogyasztását. Az 1992-es Riói Konferencián már úgy beszéltek az életciklus elemzésről, mint egy olyan új eszközről, ami a környezeti menedzsment feladatok széles köréhez alkalmazható. Az életciklus elemzés (life cycle analysis = LCA), vagy más néven életút elemzés, később (life cycle assessment = LCA) életciklus hatásvizsgálat kialakulásában úttörő szerepet vállalt a Környezeti és Toxicológiai Kémiai Társaság (Societyof Environmental Toxicology and Chemistry, rövid nevén SETAC). Az első komolyabb tanulmányt 1993-ban publikálták, amely egy Európai Útmutató az életciklus elemzéshez. Töpfer törvény

2 Az életciklus elemzés alkalmazási területei
Az LCA-t eredetileg döntéstámogató eszköznek fejlesztették ki, hogy környezeti szempontból különbséget tehessenek termékek ill. szolgáltatások között. Ezen kívül azonban a következő területekre alkalmazható: belső ipari felhasználásnál termékfejlesztésre és javításra, belső stratégiai tervezésnél és vállalati politikai döntések támogatásánál az iparban, külső ipari használat során marketing célokra, kormánypolitika meghatározására és alakítására az ökocímke és a hulladékgazdálkodás területén. Az életciklus-elemzés részletessége a különböző alkalmazási területek szerint három szintű lehet (Christiansen et al., 1997): fogalmi LCA szint, egyszerűsített LCA szint, részletes LCA szint.

3 Az egyszerűsítés gyakorlatilag három lépcsőben érhető el:
A fogalmi LCA az életciklusban való gondolkozást jelenti. Az életciklus értékelés legegyszerűbb módja, mely során egy korlátozott és csak minőségi lista alapján történik a környezeti hatások becslése. Ez az értékelési szint csak alapkérdésekre ad választ, az újtermék előnyeit, hátrányait mutatja be. Az egyszerűsített LCA egy, az életciklus egészét átfogó becslés. A felhasznált adatok az életciklus egészét átfogják, de általánosak, gyakran standard modelleket használ fel. Az egyszerűsített becslés csak a legfontosabb környezeti aspektusokra figyel vagy a potenciálisan előforduló környezeti hatásokra ill. az életcikluson belül csak egy-egy kiragadott lépésre összpontosít. Az egyszerűsített értékelés célja hasonló eredmények elérése, a részletes értékeléshez képest jóval kisebb idő- és költségráfordítással. Az egyszerűsítés gyakorlatilag három lépcsőben érhető el: osztályozás:az életciklus fontosabb részeinek azonosítása, a kihagyható részek meghatározása, a lényeges részekre az életciklus-értékelés elvégzése, a megbízhatóság becslése annak ellenőrzésével, hogy az egyszerűsítés nem csökkentette-e jelentősen az eredmény megbízhatóságát. Ez a szint alkalmazható környezeti címkézésnél ill. az életciklus azon pontjainak meghatározásánál, ahol a legnagyobb környezeti hatás várható. A részletes LCA a legteljesebb, az életciklus minden lépésére kiterjedő elemzési módszer, amely azonban igen költség- és időigényes, ezért ritkán alkalmazzák.

4 Az LCA környezeti szempontok elemzésének és egy termékhez kapcsolódó potenciális környezeti hatás becslésének az eszköze az által, hogy: leltárt készít a termékrendszer fontosabb in- és outputjairól, értékeli az adatokhoz kapcsolódó potenciális környezeti hatásokat, a leltár és a hatásbecslési fázis eredménye it a tanulmány céljának tükrében értelmezi. A hatásértékelést az alábbi egyszerűsített ábra szemlélteti. ha az összes hatást 100 %-nak tekintjük a hatáskategóriák közötti megoszlás x, y, és z arányú lesz.

5 Az LCA problémái A szabványosítási munkabizottság és az elemzésben tapasztalatot szerzett szakemberek is nyomatékosan hangsúlyozzák, hogy egy életút-elemzés: nem foglalkozhat gazdasági és társadalmi aspektusokkal, mindössze egy módszer, a számos más környezetközpontú irányítástechnikai módszer közül (pl: kockázatbecslés, környezetvédelmi auditálás, stb.) eredményei nem sűríthetők egyetlen mutató számba, eredményeinek szakszerűtlen felhasználása számos csapdát rejteget, mert a rendszer határok, a hatáskategóriák kijelölése általában szubjektív, így nem biztos, hogy a vizsgált modell minden hatásra felhívja a figyelmet, a globális és regionális méretben készített életút-elemzés nem alkalmazható lokális méretben és fordítva, a számítások végeredményének pontosságát a kiindulási adatforrások minősége behatárolja, a rendszerhatárok idő és térbeli-kijelölésének hiánya számos bizonytalanság forrása.

6 Biopolimerek Biopolimerek: élő szervezetek által előállított polimerek
(élő szervezetek által termelt monomerekből mesterségesen előállított polimerek, pl. politejsav) Poláros karakterűek Monomerjeikből kondenzációval (vízkilépéssel) keletkeznek, ált. lineáris v. elágazó láncúak Katalizátor jelenlétében monomerjeikre hidrolizálhatók Lényegi tulajdonságuk a jól definiált szerkezet Gyakran jellegzetes térbeli konformációt vesznek fel Ált. jellemzőjük a monodiszperzitás

7 A biopolimerek fő típusai
Monomer Poliszacharidok Monoszacharidok, cukrok Fehérjék Aminosavak Nukleinsavak (RNS, DNS) Nukleinbázisok, cukor, (ribóz, dezoxi-ribóz) foszfát-csoport

8 Poliszacharidok Nagy energiatartalmú vegyületek
Vízben nem v. gyengén oldódnak Általában tartalék tápanyagok v. vázanyagok Legfontosabb fajtáik: keményítő, cellulóz, hemicellulóz, pektin, glikogén, kitin, dextrán, agar Monoszaharidokból glikozidkötéssel épülnek fel

9 A poliszacharidok építőkövei I.
Szénhidrát (CnH2nOn) monomerek (cukrok): aldehidcukrok (pl. glükóz) v. ketocukrok (pl. fruktóz) Méretüket tekintve ált. hexózok: pl. glükóz: v. pentózok, pl. ribóz:

10 Poliszacharidok építőkövei II.
Monoszaharid származékok, pl glükuronsav  pektin N-acetil-D-glükózamin  kitin

11 Monoszaharidok szerkezete I.
Ált gyűrű alakot vesznek fel (félacetál képzés) -D-glükopiranóz b- D-glükopiranóz D - glükóz

12 Monoszaharidok szerkezete II.
Optikailag aktívak (biológiai rendszerek) A lineáris konfigurációban az aldehidcsoport melletti (5.) C-atom királis A gyűrűzáráskor az 1. C-atom is királissá válik

13 Monoszaharidok szerkezete III.
A 6 C-atomszámúak gyűrűs formájának elnevezése a pirán analógiájára piranóz A polimerekben ált. a székforma a stabil

14 A glikozidkötés -1,4 glikozidos kötés: (maltóz diszacharid)
-glikozidos kötés: (szacharóz diszacharid) 

15 A cellulóz és a keményítő
D-glükózegységekből épülnek fel Cellulóz: -1,4-glikozidos kötések (egyenes lánc, rostok) Keményítő: amilóz (hélix), amilopektin: -1,4-glikozidos kötések (elágazásnál: -1,6)

16 POLISZACHARIDOK Keményítő: amilózból és amilopektinből áll
az amilózban a glükózegységek ( ) -kötésekkel kapcsolódnak össze az amilózlánc helikális jóddal intenzív kék színeződést ad

17

18 Az amilopektinben ( )-kötések dominálnak, de glükózegységenként (1 6)-kötésű elágazások is vannak

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40 A glikogén az állati szövetek tartalék
tápanyaga szerkezete az amilopektinhez hasonlít jóddal vörösbarna színreakciót ad a sejtekben szemcsék formájában raktározódik A dextránok (1 6) kötésekkel kapcsolódó D-glükóz-molekulákból épülnek fel Az inulin D-fruktóz-egységekből ( ) kötésekkel képződik

41

42 VÁZSZÉNHIDRÁTOK A cellulóz növényi rostok fő alkotórésze D-glükóz egységekből épül fel (1 4)-kötésekkel enyhe savas hidrolízissel vagy celluláz enzimmel cellobiózra bontható a molekula hosszú láncot alkot, melyet a C-3 OH-csoportok és a gyűrűbe zárt O-atomok közötti hidrogénkötések stabilizálnak

43

44 KEMÉNYÍTŐ CELLULÓZ GLIKOGÉN

45 növények lágyabb szöveteiben fordulnak elő
pektinek növények lágyabb szöveteiben fordulnak elő agar-agar: a tengeri algák D- és L-galaktózból felépített poliszacharidja, szulfátcsoportot is tartalmaz kitin: az izeltlábúak külső vázát és a gombák sejtfalát alkotja kitin

46 A kitin hosszú polimer láncmolekula, melyet N-cetilglükózamin molekulák alkotnak. A gombák sejtfalának fő komponense, valamint az ízeltlábúak (rákok, rovarok) külső vázának alkotója is. A rákok és a rovarok páncélanyagában található kitin könnyen elkülöníthető, mert a kitin kémiailag nagyon ellenálló. Vízben, híg savakban és lúgokban oldhatatlan. Csak tömény savval való melegítés hatására hidrolizál. Hidrolízisekor először N-acetil-D-glükózamin, majd D-glükóz és ecetsav képződik. Szerkezete a cellulózéval analóg, az N-acetil-D-glükózamin egységek között β (1→4) kötések találhatók. A kitint számos orvosi és ipari területen felhasználják.

47 Kitozán A kitozán-hidroklorid egy N-acetil-D-glükózamin és D-glükózamin egységekből álló, el nem ágazó, biner heteropoliszacharid klorid-sója, amelyet kitin részleges dezacetilezésével nyernek. A dezacetilezés mértéke általában 70,0 − 95,0%. A kitint garnélarák és tengeri rák páncéljából vonják ki. ELŐÁLLÍTÁS A kitozán-hidroklorid előállítására felhasznált állatoknak meg kell felelniük az illetékes hatóságok által, az emberi fogyasztásra szánt állatok egészségi állapotával szemben támasztott követelményeknek. Igazolni kell, hogy az alkalmazott előállítási eljárás a vírus-szennyezőket vagy egyéb kórokozókat milyen mértékben inaktiválja vagy távolítja el. SAJÁTSÁGOK Küllem: fehér vagy csaknem fehér, finom por. Oldékonyság: vízben mérsékelten oldódik; etanolban gyakorlatilag nem oldódik. A kitozánt antimikrobiális hatásának köszönhetően felhasználják az élelmiszeriparban, textiliparban és a mezőgazdaságban. Alkalmazzák továbbá víztisztító membránoknál és kozmetikumok összetevőjeként is.

48 DEXTRÁN glükóz polimer: lineáris rész: α(1-6), elágazás α(1-4) kötéssel Bioszintézis: transzglikozilálás Leuconostoc Szacharóz mesenteroides Dextrán – szacharáz dextrán +(n-1) fruktóz Irreverzibilis 100 %-os konverzió. Molekulatömeg: – Cukorgyárakban: léfertızıdés Fermentáció: 10 – 20 % szacharóz + 2% CSL. Elıbb a sejtnövekedés, aztán a termékképzıdés. A dextránképzéshez nem kell levegıztetés, csak keverés = O2 limit (2 nap) 0,5 g/l baktérium 80 g/l dextránt termel Gyakorlatilag nyugvósejtes technológia. Elvileg lehetne enzimesen is, de nem gazdaságos Tejsavképzıdés: a pH szabályozás közönbösíti Feldolgozás: kicsapás metil-alkohollal, szőrés, oldás pirogénmentes vízben, újabb metilalkoholos kicsapás. Felhasználás: Vérplazma-pótló: a) részleges sósavas hidrolízis 100 °C-on. lebontás (viszkozitás csökkenés.) Frakcionált kicsapás – kis molekulatömegő – vérplazma, – nagy molekulatömegő: visszavezetés a hidrolízisre b) Enzimes hidrolízis: dextranáz P. funiculosum Dextrán gél (kromatográfiás töltet): térhálósítani kell, vízoldhatatlan, inert, hidrofil szemcsék c) vizes kétfázisú extrakciónál fázisképzı

49 MUKOPOLISZACHARIDOK a savas mukopoliszacharid molekulák kocsonyás, síkos jellegűek, a sejtek között kötő-, ill. kenőanyagként szerepelnek hialuronsav (1 3) kondroitin (1 3) heparin (1 4) heparin

50 A pektin (E440) egy heteropoliszacharid, melyet a magasabb rendű szárazföldi növények (húsos gyümölcsök például alma, körte; valamint húsos gyökerek például sárgarépa, murok) sejtfalából állítható elő. A pektint először Henri Braconnot írta le 1825-ben. A tiszta pektin fehér, alaktalan tömeg, amelynek íze és szaga nincsen; vízzel sűrű, kocsonyaszerű tömeggé lesz és ebből alkohollal ismét leválasztható. Salétromsavval melegítve, előbb cukorsav, azután nyálkasav képződik belőle. A pektint az élelmiszeriparban zselésítőanyagként, térfogatnövelőként, valamint stabilizálószerként alkalmazzák. A legtöbb estben lekvárok, dzsemek zselésítésére használják, így javítva annak minőségét. A szervezetbe kerülve a pektin megváltoztatja a széklet víztartalmát, növeli a viszkozitását, ezért mind székrekedés, mind hasmenés kezelésére alkalmazható. Égési sérülések esetén vízmegkötő képessége miatt alkalmazzák. Kozmetikumok elsősorban stabilizáló hatása miatt tartalmazzák.

51 Biológiai Hatások: A természetben a pektin vízben nem oldódó protopektin formájában fordul elő a szárazföldi növények lágy részében található sejtek közötti lamellák között. Mennyisége és struktúrája nagymértékben függ a növény fajtájától, korától, és részétől. Az erősebb részek több pektint tartalmaznak. A pektin az emberi étrendnek szerves összetevője, mivel majdnem az összes ember által fogyasztott növényben megtalálható. Az ember számára pektin nem tekinthető tápanyagforrásként, mert a vékonybélen szinte érintetlenül halad keresztül. A vastagbélben található baktériumok számára tápanyag-forrásként használ (rövid láncú zsírsavakra bontják le, melyek hosszú távon csökkenti a koleszterinszintet, mert gátolják a koleszterin felszívódását). Kémiai Tulajdonságok: A pektin váza α-(1-4) kapcsolt D-galakturonsav lineáris láncából áll. Ezt néhány helyen (1-2) kapcsolt L-ramnóz helyettesíti. A ramnózhoz számos más természetes cukor kapcsolódik. Ezek főként D-galaktóz, L-arabinóz, D-xilóz, de más cukrok is előfordulhatnak. A pektin vázában átlagosan minden 25. helyen fordul elő ramnóz. Átlagos molekulatömege g/mol, mely az előállítás során használt alapanyagból, valamint az előállítás folyamatától függ.

52 Fehérjék Igen változatos felépítésű makromolekulák
Átl. összetétel: 50% C, 7% H, 23% O, 16% N, 0-3% S A sejtek szárazanyagának 50%-át teszik ki Kifejezői az élőlényekre jellemző összes sajátosságnak Multifunkcionális alkotói az élő szervezeteknek: transzportfehérjék (hemoglobin) védőfehérjék (interferonok) hormonok (inzulin) vázfehérjék (keratin) tartalék fehérjék (kazein) enzimek (pepszin) Oldhatóság szerint pl. albuminok (víz), globulinok (híg sóoldat), hisztonok (híg savak), stb. Térbeli elhelyezkedés szerint: globuláris, fibrilláris

53 Hemicellulóz: Gyűjtőnév.
Poliszacharidok  cellulózon kívüli sejtfalalkotók. Feladatuk: cellulóz szálak rögzítése

54 Sejtfal cellulóz pektin hemicellulóz

55 Hemicellulóz

56 Hemicellulóz: Pentozán: leggyakoribb, legnagyobb mennyiségben
pl.: xilán: D-xilóz, beta-1,4-glik. esetenként D-arabinóz, D-galaktóz és D-glükuronsav Hexozán Cellulóz felépítésű poliszacharidok

57 Hemicelluláz Mezőgazdaságban találkozunk velük a legtöbbször.
Elsősorban a takarmány előkészítésében van szerepük. Leggyakrabban pentozanáz vagy arabinoxilanáz enzimeket használják  búzában pentozánt és arabinoxilánokat bont Alkalmaznak alfa-galaktozidázt is  raffinóz és sztachióz bontása szójában, csemegebabban és extrahált napraforgó darában van. Sertéstakarmányozásra használják takarmány előkészítésre. Aspergillus niger, Mortierella vinaceae (vinaceé) termeli.

58 Egy példán szeretném bemutatni ennek a fontosságát:
A baromfi takarmányok számos olyan nem, vagy nehezen emészthető anyagot tartalmaznak, amelyek csökkenthetik a takarmányokban lévő, jól emészthető, egyéb tápanyagok hasznosulását. Hemicelluláz enzimek segítségével ezen anyagok egy része felbontható, növelve a takarmány hasznosulását.

59 A xilanáz enzim az oldható pentozánokat bontja,  búzában, árpában és szójában fordulnak elő de a kukoricában, rozsban és a zabban is Hatására látványosan mérséklődik a béltartalom viszkozitása, amely jelentős mértékben csökkenti a ragacsos ürülék szindróma előfordulását. Ez amellett, hogy jelentős mennyiségű meg nem emésztett szerves anyagot tartalmaz, nagy nedvességtartalma miatt az alom víztartalmát is megnöveli, ami viszont táptalaja lehet számos potenciálisan patogén kórokozónak.

60 Előállítására: Aspergillus niger, Bacillus lentus, Bacillus subtilis, Humicola insolens, Trichoderma longibrachiatum törzsek is használhatók. A papíriparban használt cellulázról és hemicellulázról már volt szó múlt héten, ezért csak megemlítem, hogy a hemicellulázzal biofehérítést is végeznek. Ennek lényege, hogy az enzim úgy módosítja a szubsztrátum szerkezetét, hogy az azt követő kémiai fehérítés során a vegyszer könnyebben hozzáférhessen. A folyamatban főleg xilázt használnak.

61 A fehérjék építőkövei: aminosavak
Általános képletük: ( aminosavak) Optikailag aktívak 20-féle esszenciális aminosav (L-aminosavak) Funkciós csoportjaik: karboxil: COOH- amino: NH2+ Az ún. ikerionos szerkezet magyarázata: molekulán belüli sav –bázis reakció:

62 Aminosavtípusok Egyes aminosavak apoláros R csoportot tartalmaznak
 a fehérje belsejében helyezkednek el Más aminosavak, poláros R csoporttal  a fehérje felületén

63 A fehérjék szerkezete I.
Primer szerkezet: Aminosav sorrend Peptidkötések (delokalizáció) Szekunder szerkezet -helix -redőzött lemez „random”

64 A fehérjék szerkezete II.
A peptidkötés jellemzői

65 A fehérjék szerkezete II.
Tercier szerkezet Hogyan tekeredik fel a polipeptid „doménné” Kölcsönhatás típusok Elektrosztatikus kettősréteg Van der Walls (ion és dipólus) Hydrogen bonding Hydrophobic Kvaterner szerkezet Hogyan helyezkednek el a domének a térben Bizonyos kötőerők a domének között is működnek

66 A fehérjék szerkezete III. A kötőerők a polipeptid-láncon belül

67 Zselatin Biokompatibilis polipeptid, mely a szervezetbe kerülve antigenitást és bioadszorptivitást mutat. Gyakran használják a gyógyászatban, köszönhetően annak, hogy gélesedési hőmérséklete közel azonos az emberi testhőmérséklettel. Egyéb kedvező jellemzője a plaszticitás és a tapadóképesség, valamint a viszonylag alacsony ár. Ennek köszönhetően alkalmazzák kapszulák, kötszerek, sebészeti célú adszorbens párnák összetevőjeként, s nagy szerepet játszik a 3 dimenziós szöveti regenerációban is. Amorf polimer, melynek fontosabb építőelemei az ábrán feltüntetett aminosavak.

68 A nukleinsavak A biológiai információ tárolásának és továbbításának alapmolekulái: ribonukleinsavak (egészében rendezetlen): fehérjeszintézis, sejten belüli szabályozás dezoxiribonukleinsav (teljesen rendezett): a genetikai információ hordozója Fő alkotórészeik: nukleinbázisok foszfát ribóz v. dezoxi-ribóz Nukleinbázisok: pirimidin v. purin alapúak

69 A nukleinsavak építőkövei I.
Nukleinbázisok: A DNS-nél uracil helyett timin

70 A nukleinsavak építőkövei II.
Ribóz-foszfát észterkötés az RNS-ben: Dezoxi-ribóz: 2. C-atomon nincs OH

71 Aromás jelleg a nukleinbázisoknál
Keto-enol tautoméria a pirimidin-bázisoknál: az enol forma hordozza az aromás jelleget

72 Nukleozidok és nukleotidok kialakulása
Nukleozidok: bázis és cukor kapcsolódásából Nukleotidok: észterkötéssel, a foszfát és a nukleozid cukor egyik szabad OH-csoportja között

73 Polinukleotid – nukleinsav primer szerkezete
AAGCUC: A bázissorrend: adenin guanin citozin uracil A foszfát a ribózokat 5’3’ helyeken köti össze

74 A DNS szerkezete I. A DNS mérete az adott élőlény fejlettségétől függ:
3-4 nagyságrenddel hosszabb mint a sejt (emberé:  2m) Hogyan fér el?  Szuperhelikális struktúra „Kettős spirál”: a kettős DNS-szál jobbmenetes csavart képez A két szál antiparallel lefutású A bázisrészek egy képzeletbeli hengerpalást belseje felé néznek A szerkezetet H-hidak és apoláros kölcsönhatások stabilizálják

75 A DNS szerkezete II. Az egymással szemben elhelyezkedő bázisok minősége szigorúan meghatározott: A – T G – C Komplementaritás elve  Ok: A lehetséges H-hídak száma, ill. a bázisok térszerkezete

76 A DNS szerkezete II.

77 A DNS szerkezete IV.

78 A DNS szerkezete V. Eukariótákban a DNS kompakt, szupercsavar formában van jelen Erősen bázikus fehérjékhez, hisztonokhoz (az ábrán számozva) kötődik