Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Biotechnologie pozyskiwania źródeł energii odnawialnej.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Biotechnologie pozyskiwania źródeł energii odnawialnej."— Zapis prezentacji:

1 Biotechnologie pozyskiwania źródeł energii odnawialnej

2 Biologiczne źródła energii, paliw gazowych i ciekłych

3 Sposoby pozyskiwania energii z surowców biologicznych

4 Zawartość energetyczna różnych paliw PaliwoEnergia (GJ/t) Gaz ziemny55 Węgiel28 Benzyna47 Olej napędowy43 Drewno15 Papier17 Gnojowica16 Słoma14 Trzcina cukrowa14 Odpady komunalne 9 Odpady przemysłowe16 Siano 4

5 ŹródłoTyp paliwaOrganizmWydajność (sm/ha/rok) Drzewa leśne Drzewa szybkorosnące Trawy wieloletnie Odpady ze zbóż Odpady komunalne Rośliny uprawiane Rośliny wodne Drobnoustroje Drewno Słoma 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 10 –35 6 – – – – – 70 8 – – 21 2 – 3 52 –

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

7 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 Produkt końcowy – biogaz, zawierający 55 – 75% metanu, 20 – 40% CO 2, % wodoru

8 Fermentacja metanowa CO 2 + H 2 CH 4 + 2H 2 O 4HCOOH CH 4 + 3CO 2 + 2H 2 O 4CH 3 OH 3CH 4 + CO 2 + 2H 2 O CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Reakcje metanogenezy z różnych substratów Reakcje te prowadzone są przez drobnoustroje należące do Archebacteria, Będące ścisłymi beztlenowcami; większość z nich jest organizmami termofilnymi. Wykorzystują one CO 2 jako źródło węgla, NH 4 + jako źródło azotu i H 2 S jako źródło siarki.

9 Współzależność bakterii acetogennych i metanowych Fermentacja metanowa

10 Specyficzne formy wzrostu drobnoustrojów Kultury mieszane Konsorcja Biofilm Eutrofizacja Sporulacja OddziaływanieEfekt Komensalizm Kometabolizm Syntrofizm Rizosfera Mutualizm Pasożytnictwo Jedna populacja korzysta, a inne są w sytuacji obojętnej Produkt metabolizmu jednej populacji jest substratem dla metabolizmu innej populacji Dwie populacje dostarczają sobie nawzajem substancji pokarmowych Zależność wzrostu drobnoustrojów glebowych żyjących w pobliżu korzeni roślin od sygnałów metabolicznych wydzielanych przez korzenie Obie populacje korzystają z współobecności Jedna populacja żyje kosztem innej

11 Rodzaje reaktorów i techniki fermentacji anaerobowej

12 Schemat przydomowej wytwornicy biogazu

13 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.

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

15 SubstratWydajność biogazu m 3 /m 3 /dzień Czas zatrzymania (h) Osad ściekowy pierwotny Osad ściekowy wtórny Odpady komunalne Obornik bydlęcy Obornik świński 0,9 – 3,0 0,7 – 2,4 2,4 – 3,6 1,0 5 – – Efektywność wytwarzania biogazu

16 RoślinaWydajność (kg/ha/rok) Wieloletnie Kakaowiec860 Drzewo oliwne Awokado Palma kokosowa Palma makauba Palma olejowa Roczne Kukurydza145 Bawełna273 Soja375 Słonecznik800 Orzeszki ziemne890 Rzepak Rycyna Jojoba Wytwarzanie oleju przez rośliny

17 Drobnoustroje wytwarzające i akumulujące oleje mogące znaleźć zastosowanie jako paliwo Oleje wytwarzane biologicznie Glony (oleje terpenoidowe) Botrycoccus braunii53 – 75% s.m. Chlorella vulgaris40 – 58% s.m. Phaedodactylum tricornutum31% 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.

18 Komórki drożdży Apiatrichium curvatum wytwarzające i magazynujące duże ilości lipidów

19 Biodiesel Porównanie właściwości oleju napędowego, olei roślinnych i modyfikowanych olei roślinnych CechaOlej napędowy Olej rzepakowy Olej słonecznikowy Olej sojowy Krakowany olej sojowy Modyfikowany olej kokosowy Gęstość (kg/l) Lepkość (cSt) Punkt zapłonu ( C) Liczba cetanowa Wartość energetyczna (MJ/kg) 0,85 2,8 – 3,5 64 – – ,78 – – – – ,86 – 0,92 34 – – – ,88 – 0,91 33 – – – ,88 7,74 BD 43 40,6 0,81 2,58 BD 60,5 47,5

20 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.

21 Transestryfikacja triacyloglicerydów Warunki: stosunek molowy metanol lub etanol: olej 6:1, kataliza alkaliczna (NaOH lub KOH), kwasowa (HCl lub H 2 SO 4 ), lub enzymatyczna (lipaza).

22 CechaOlej napędowy Estry metylowe z oleju rzepak. Estry etylowe z oleju rzepak. Estry metylowe z oleju słoneczn. Biodiesel EN Gęstość (kg/l) Lepkość (cSt) Punkt zapłonu ( C) Liczba cetanowa Wartość energetyczna (MJ/kg) ,8-3, ,5-46 0,77-0,88 6,1-7, ,88 6, ,5 0,89 4, ,88 3,5-5,0 >101 >51 Brak danych Porównanie właściwości oleju napędowego i estrów z olei roślinnych

23 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; 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).

24 Bioogniwa paliwowe to rodzaj ogniw paliwowych, w których energia chemiczna wytwarzana na drodze enzymatycznej lub mikrobiologicznej, przekształcana może być w energię elektryczną Pozyskiwanie energii elektrycznej ze żródeł biologicznych Bioogniwa paliwowe

25 Rodzaje ogniw biopaliwowych 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. 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.

26 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 Zasada działania bioogniwa mikrobiologicznego Obrazy z mikroskopu konfokalnego biofilmu drobnoustrojów na powierzchni elektrody. Komórki żywe – kolor zielony; komórki martwe – kolor czerwony

27 Zasada działania fotoogniwa biopaliwowego 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 ; wydajność konwersji energii świetlnej – 1.9% ABTS

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

29 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.

30 Zasada konstrukcji pośrednich ogniw biopaliwowych

31 Moc uzyskiwana z ogniw różnego typu Parametry ogniw biopaliwowych Maksymalna teoretyczna SEM do 1,1 V. Maksymalne osiągnięte napięcie – 0,62 V Moc 0.1 – 20 W/cm 2 powierzchni elektrody. Możliwe do 100 – 200 W/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


Pobierz ppt "Biotechnologie pozyskiwania źródeł energii odnawialnej."

Podobne prezentacje


Reklamy Google