Biologiczne źródła energii, paliw gazowych i ciekłych

Transkrypt

1 Biologiczne źródła energii, paliw gazowych i ciekłych Drobnoustroje i enzymy Energia elektryczna

2 Sposoby pozyskiwania energii z surowców biologicznych

3 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

4 Źródło Typ paliwa Organizm Wydajność (sm/ha/rok) Drzewa leśne Drzewa szybkorosnące Trawy wieloletnie Odpady ze zbóż Odpady komunalne Rośliny uprawiane Rośliny wodne Drobnoustroje Drewno Drewno Słoma Odpady Odpady Sacharoza Skrobia Olej Materiał roślinny Wodór Olej Różne gatunki Wierzba Topola Miscanthus sp. Hemmthria Pennisetum Łodygi trzciny cukrowej Słoma kukurydziana, ryżowa, jęczmienna itp.. - Trzcina cukrowa Buraki cukrowe Kukurydza Ziemniaki Rzepak Słonecznik Soja Lilia wodna Tatarak Cyjanobakterie, Mikroglony Botryococcus braunii

5 Wytwarzanie biogazu ścieki odpady płynne osady ściekowe odpady komunalne odpady z przemysłu rolno-spożywczego Fermentacja metanowa ścieki oczyszczone osady ustabilizowane biogaz

6 Produkt końcowy biogaz, zawierający 55 75% metanu, 20 40% CO 2, 2-3 % wodoru Wykład 11 Biotechnologie otrzymywania nośników energii Fermentacja metanowa Przekształcenie związków organicznych o różnym stopniu utlenienia do metanu i CO 2 w warunkach beztlenowych. Proces jest kilkuetapowy, prowadzony przez konsorcjum bakterii. Ostatni etap bakterie metanowe

7 Fermentacja metanowa Współzależność bakterii acetogennych i metanowych

8 Rodzaje reaktorów i techniki fermentacji anaerobowej

9 Schemat przydomowej wytwornicy biogazu

10 INSTALACJA DO WYTWARZANIA BIOGAZU Z ORGANICZNYCH ODPADÓW STAŁYCH (SALZBURG, AUSTRIA) W instalacji przerabianych jest rocznie 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 m 3 biogazu/t odpadów. Przetworzenie na energię elektryczną 250 kwh ze 135 m 3 biogazu.

11 Schemat przebiegu procesu w beztlenowej kompostowni w Kaiserslautern

12 Schemat instalacji wykorzystującej odpady browarnicze do wytwarzania energii w obiegu zamkniętym

13 Instalacja do utylizacji ścieków mleczarskich

14 Efektywność wytwarzania biogazu Substrat Wydajność biogazu m 3 /m 3 /dzień Czas zatrzymania (h) Osad ściekowy pierwotny 0,9 3, Osad ściekowy wtórny 0,7 2, Odpady komunalne 2,4 3, Obornik bydlęcy 1,0 10 Obornik świński 1,0 10

15 Roślina Wieloletnie Wytwarzanie oleju przez rośliny Kakaowiec 860 Drzewo oliwne Awokado Palma kokosowa Palma makauba Palma olejowa Roczne Kukurydza 145 Bawełna 273 Soja 375 Słonecznik 800 Orzeszki ziemne 890 Rzepak Rycyna Jojoba Wydajność (kg/ha/rok)

16 Oleje wytwarzane biologicznie Drobnoustroje wytwarzające i akumulujące oleje mogące znaleźć zastosowanie jako paliwo Glony (oleje terpenoidowe) Botrycoccus braunii Chlorella vulgaris Phaedodactylum tricornutum 53 75% s.m % s.m. 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.

17 Biodiesel Porównanie właściwości oleju napędowego, olei roślinnych i modyfikowanych olei roślinnych Cecha Olej napędowy Olej rzepakowy Olej słonecznikowy Olej sojowy Krakowany olej sojowy Modyfikowany olej kokosowy Gęstość (kg/l) 0,85 0, ,86 0,92 0,88 0,91 0,88 0,81 Lepkość (cst) 2,8 3, ,74 2,58 Punkt zapłonu ( C) BD BD Liczba cetanowa ,5 Wartość energetyczna (MJ/kg) ,6 47,5

18 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 C w obecności katalizatora) Rozpad triacylogliceroli. Problem wydajność (do 80%), koszt 4. Transestryfikacja. Tworzenie estrów metylowych lub etylowych.

19 Transestryfikacja triacyloglicerydów O H 2 C O C R 1 R 1 COOCH 3 H 2 C OH O HC O C R 2 + CH 3 OH R 2 COOCH 3 + HC OH O H 2 C O C R 3 R 3 COOCH 3 H 2 C OH Warunki: stosunek molowy metanol lub etanol: olej 6:1, kataliza alkaliczna (NaOH lub KOH), kwasowa (HCl lub H 2 SO 4 ), lub enzymatyczna (lipaza).

20 Porównanie właściwości oleju napędowego i estrów z olei roślinnych Cecha Olej napędowy Estry metylowe z oleju rzepak. Estry etylowe z oleju rzepak. Estry metylowe z oleju słoneczn. Biodiesel EN Gęstość ,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) >101 Liczba cetanowa >51 Wartość energetyczna (MJ/kg) 38, ,5 40 Brak danych

21 Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Wytwarzanie wodoru w układach biologicznych Technologie wytwarzania wodoru: TECHNOLOGIA CHEMICZNA - 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 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 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 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 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 CO 2. 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 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 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 Schemat ogniwa MFC (microbial fuel cell) wykorzystującego ścieki, jako materiał biologiczny Ze ścieków o zawartości kg ChZtTm 3 można uzyskać ,25 kw energii z m 3 objętości roboczej bioreaktora

29 Zasada działania mikrobiologicznego ogniwa biopaliwowego A - w układzie przeniesienia elektronów do anody poprzez cząsteczki mediatora (MET); B w układzie bezpośredniego przeniesienia elektronu (DET)

30 Zasada działania fotoogniwa biopaliwowego ABTS Cyjanobakterie znajdujące się w komorze anodowej, pod wpływem światła utleniają H 2 O do O 2 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%

31 Zasada konstrukcji pośrednich ogniw biopaliwowych

32 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 Parametry ogniw biopaliwowych Maksymalna teoretyczna SEM do 1,1 V. Maksymalne osiągnięte napięcie 0,62 V Moc µw/cm 2 powierzchni elektrody. Możliwe do µw/cm 2 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