Biotechnologie pozyskiwania źródeł energii odnawialnej

Biologiczne źródła energii, paliw gazowych i ciekłych

Sposoby pozyskiwania energii z surowców biologicznych

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

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 Słoma Odpady Sacharoza Skrobia Olej Materiał roślinny Wodór 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 – 15 10 – 17 20 7 – 22 34 – 55 36 – 70 8 – 15 26 5 – 21 2 – 3 52 – 100 8 - 34

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

Fermentacja metanowa Przekształcenie związków organicznych o różnym stopniu utlenienia do metanu i CO2 w warunkach beztlenowych. Proces jest kilkuetapowy, prowadzony przez konsorcjum bakterii. Ostatni etap – bakterie metanowe Produkt końcowy – biogaz, zawierający 55 – 75% metanu, 20 – 40% CO2, 2 - 3 % wodoru

CO2 + H2  CH4 + 2H2O 4HCOOH  CH4 + 3CO2 + 2H2O Fermentacja metanowa Reakcje metanogenezy z różnych substratów CO2 + H2  CH4 + 2H2O 4HCOOH  CH4 + 3CO2 + 2H2O 4CH3OH  3CH4 + CO2 + 2H2O CH3COOH  CH4 + CO2 Reakcje te prowadzone są przez drobnoustroje należące do Archebacteria, Będące ścisłymi beztlenowcami; większość z nich jest organizmami termofilnymi. Wykorzystują one CO2 jako źródło węgla, NH4+ jako źródło azotu i H2S jako źródło siarki.

Fermentacja metanowa Współzależność bakterii acetogennych i metanowych

Specyficzne formy wzrostu drobnoustrojów Kultury mieszane Konsorcja Biofilm Eutrofizacja Sporulacja Oddziaływanie Efekt 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

Rodzaje reaktorów i techniki fermentacji anaerobowej

Schemat przydomowej wytwornicy biogazu

INSTALACJA DO WYTWARZANIA BIOGAZU Z ORGANICZNYCH ODPADÓW STAŁYCH (SALZBURG, AUSTRIA) W instalacji przerabianych jest rocznie 20 000 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 m3 biogazu/T odpadów. Przetworzenie na energię elektryczną – 250 kWh ze 135 m3 biogazu.

Schemat instalacji wykorzystującej odpady browarnicze do wytwarzania energii w obiegu zamkniętym

Efektywność wytwarzania biogazu Substrat Wydajność biogazu m3/m3/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 – 22 19 – 30 10

Wytwarzanie oleju przez rośliny Roślina Wydajność (kg/ha/rok) Wieloletnie Kakaowiec 860 Drzewo oliwne 1 019 Awokado 2 217 Palma kokosowa 2 260 Palma makauba 3 775 Palma olejowa 5 000 Roczne Kukurydza 145 Bawełna 273 Soja 375 Słonecznik 800 Orzeszki ziemne 890 Rzepak 1 000 Rycyna 1 188 Jojoba 1 528

Oleje wytwarzane biologicznie Drobnoustroje wytwarzające i akumulujące oleje mogące znaleźć zastosowanie jako paliwo Glony (oleje terpenoidowe) Botrycoccus braunii 53 – 75% s.m. Chlorella vulgaris 40 – 58% s.m. Phaedodactylum tricornutum 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.

Komórki drożdży Apiatrichium curvatum wytwarzające i magazynujące duże ilości lipidów

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) Lepkość (cSt) Punkt zapłonu (C) Liczba cetanowa Wartość energetyczna (MJ/kg) 0,85 2,8 – 3,5 64 – 80 48 – 51 38 - 45 0,78 – 0.91 37 – 47 246 – 273 38 – 50 37 - 40 0,86 – 0,92 34 – 46 183 – 274 37 – 49 33 - 40 0,88 – 0,91 33 – 45 178 – 254 38 – 45 0,88 7,74 BD 43 40,6 0,81 2,58 60,5 47,5

Biodiesel Modyfikacje olei roślinnych mające na celu polepszenie cech paliwowych Mieszanie z olejem napędowym i alkoholami (obniżenie lepkości) Problem – separacja faz Mikroemulgacja – dyspersja mieszaniny oleju, oleju napędowego, środka powierzchniowo-czynnego i krótkołańcuchowego alkoholu Piroliza (ogrzewanie w temp. 300 – 500 C w obecności katalizatora) Rozpad triacylogliceroli. Problem – wydajność (do 80%), koszt 4. Transestryfikacja. Tworzenie estrów metylowych lub etylowych.

Transestryfikacja triacyloglicerydów Warunki: stosunek molowy metanol lub etanol: olej 6:1, kataliza alkaliczna (NaOH lub KOH), kwasowa (HCl lub H2SO4), lub enzymatyczna (lipaza).

Porównanie właściwości oleju napędowego i estrów z olei roślinnych Cecha Olej napędowy Estry metylowe z oleju rzepak. Estry etylowe z oleju słoneczn. Biodiesel EN 14214 Gęstość (kg/l) Lepkość (cSt) Punkt zapłonu (C) Liczba cetanowa Wartość energetyczna (MJ/kg) 0.85 2,8-3,5 64-80 48-51 38,5-46 0,77-0,88 6,1-7,2 170-185 52-54 35-40 0,88 6,2 124 60 40,5 0,89 4,3 110 47 40 3,5-5,0 >101 >51 Brak danych

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).

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

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.

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 CO2. 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 fotoogniwa biopaliwowego ABTS Cyjanobakterie znajdujące się w komorze anodowej, pod wpływem światła utleniają H2O do O2 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%

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

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.

Zasada konstrukcji pośrednich ogniw biopaliwowych

Parametry ogniw biopaliwowych Maksymalna teoretyczna SEM do 1,1 V. Maksymalne osiągnięte napięcie – 0,62 V Moc 0.1 – 20 W/cm2 powierzchni elektrody. Możliwe do 100 – 200 W/cm2 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