wyklad 11
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Biologiczne źródła energii, paliw gazowych i ciekłych
Drobnoustroje i enzymy Energia elektryczna
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Sposoby pozyskiwania energii z surowców biologicznych
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Zawartość energetyczna różnych paliw
Paliwo Energia (GJ/t)
Gaz ziemny 55Węgiel 28Benzyna 47Olej napędowy 43Drewno 15Papier 17Gnojowica 16Słoma 14Trzcina cukrowa 14Odpady komunalne 9Odpady przemysłowe 16Siano 4
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
10 –356 – 1510 – 17207 – 2234 – 55
20
36 – 708 – 15265 – 212 – 3
52 – 1008 - 34
Różne gatunkiWierzba Topola Miscanthus sp.HemmthriaPennisetumŁodygi trzciny cukrowejSłoma kukurydziana, ryżowa, jęczmienna itp..-Trzcina cukrowaBuraki cukroweKukurydzaZiemniakiRzepakSłonecznikSojaLilia wodnaTatarakCyjanobakterie, MikroglonyBotryococcus braunii
DrewnoDrewno
Słoma
Odpady
OdpadySacharoza
Skrobia
Olej
Materiał roślinnyWodórOlej
Drzewa leśneDrzewa szybkorosnące
Trawy wieloletnie
Odpady ze zbóż
Odpady komunalneRośliny uprawiane
Rośliny wodne
Drobnoustroje
Wydajność (sm/ha/rok)OrganizmTyp paliwaŹródło
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Wytwarzanie biogazu
Fermentacja metanowa
ścieki oczyszczone
osady ustabilizowane
biogaz
ścieki
odpady płynne
osady ściekowe
odpady komunalne
odpady z przemysłurolno-spożywczego
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Fermentacja metanowaPrzekształcenie związków organicznych o różnym stopniu utlenienia do metanu i CO2 w warunkachbeztlenowych. Proces jest kilkuetapowy, prowadzony przez konsorcjum bakterii. Ostatni etap – bakterie metanowe
Produkt końcowy – biogaz, zawierający 55 – 75% metanu, 20 – 40% CO2, 2 - 3 % wodoru
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Fermentacja metanowa
Współzależność bakterii acetogennych i metanowych
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Rodzaje reaktorów i techniki fermentacji anaerobowej
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Schemat przydomowej wytwornicy biogazu
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
INSTALACJA DO WYTWARZANIA BIOGAZU Z ORGANICZNYCH ODPADÓW STAŁYCH (SALZBURG, AUSTRIA)
W instalacji przerabianychjest rocznie 20 000 tonodpadów w jednofazowymprocesie fermentacji beztlenowej.
Odpady rozdrobnione do 40 mmsą transportowane do dozownika,mieszane ze szlamem fermentacyjnym.i podgrzewane do 55 °C, a następniewprowadzane do bioreaktora.
Wydajność 135 m3 biogazu/T odpadów.Przetworzenie na energię elektryczną –250 kWh ze 135 m3 biogazu.
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Schemat przebiegu procesu w beztlenowej kompostowni w Kaiserslautern
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Schemat instalacji wykorzystującej odpady browarnicze do wytwarzania energiiw obiegu zamkniętym
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Instalacja do utylizacji ścieków mleczarskich
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Efektywność wytwarzania biogazu
5 – 22
5 – 22
19 – 30
10
10
0,9 – 3,0
0,7 – 2,4
2,4 – 3,6
1,0
1,0
Osad ściekowy pierwotny
Osad ściekowy wtórny
Odpady komunalne
Obornik bydlęcy
Obornik świński
Czas zatrzymania (h)Wydajność biogazu m3/m3/dzień
Substrat
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Wytwarzanie oleju przez roślinyRoślina Wydajność (kg/ha/rok)
Wieloletnie
Kakaowiec 860Drzewo oliwne 1 019Awokado 2 217Palma kokosowa 2 260Palma makauba 3 775Palma olejowa 5 000
Roczne
Kukurydza 145Bawełna 273Soja 375Słonecznik 800Orzeszki ziemne 890Rzepak 1 000Rycyna 1 188Jojoba 1 528
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Oleje wytwarzane biologicznieDrobnoustroje wytwarzające i akumulujące oleje mogące znaleźć zastosowaniejako 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.
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
BiodieselPorównanie właściwości oleju napędowego, olei roślinnych i modyfikowanycholei roślinnych
0,81
2,58
BD
60,5
47,5
0,88
7,74
BD
43
40,6
0,88 – 0,91
33 – 45
178 – 254
38 – 45
33 - 40
0,86 – 0,92
34 – 46
183 – 274
37 – 49
33 - 40
0,78 – 0.91
37 – 47
246 – 273
38 – 50
37 - 40
0,85
2,8 – 3,5
64 – 80
48 – 51
38 - 45
Gęstość (kg/l)
Lepkość (cSt)
Punkt zapłonu (°C)
Liczba cetanowa
Wartośćenergetyczna (MJ/kg)
Modyfikowany olej kokosowy
Krakowany olej sojowy
Olej sojowy
Olej słonecznikowy
Olej rzepakowy
Olej napędowy
Cecha
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
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, środkapowierzchniowo-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.
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Transestryfikacja triacyloglicerydów
H2C O
C O
C
C
C
R1
R2
O
O
O C R3
OH
H2
+ CH3OH
R1COOCH3
R2COOCH3
R3COOCH3
+
H2
H
OH
H2C OH
C OH
C
Warunki: stosunek molowy metanol lub etanol: olej 6:1, kataliza alkaliczna(NaOH lub KOH), kwasowa (HCl lub H2SO4), lub enzymatyczna (lipaza).
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Porównanie właściwości oleju napędowego i estrów z olei roślinnych
0,88
3,5-5,0
>101
>51
Brak danych
0,89
4,3
110
47
40
0,88
6,2
124
60
40,5
0,77-0,88
6,1-7,2
170-185
52-54
35-40
0.85
2,8-3,5
64-80
48-51
38,5-46
Gęstość(kg/l)
Lepkość (cSt)
Punkt zapłonu (°C)
Liczba cetanowa
Wartośćenergetyczna (MJ/kg)
Biodiesel EN 14214
Estry metylowe z oleju słoneczn.
Estry etylowe z oleju rzepak.
Estry metylowe z oleju rzepak.
Olej napędowy
Cecha
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: TECHNOLOGIA CHEMICZNAPodstawy Biotechnologii
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Wytwarzanie wodoru w układach biologicznychTechnologie 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; 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).
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Wytwarzanie wodoru w układach biologicznych
Anabena cylindrica
Komórki wegetatywne
Heterocysty
Szlaki wytwarzania wodoru przez drobnoustroje fotosyntetyzującea/ szlak bezpośredni; w warunkach niskiego poziomu siarki; b/ szlak pośredni glonyc/ szlak z wykorzystaniem fotosystemu – bakterie fotosyntetyzujące
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Pozyskiwanie energii elektrycznej ze żródeł biologicznychBioogniwa paliwowe
Bioogniwa paliwowe to rodzaj ogniw paliwowych, w których energia chemiczna wytwarzana na drodze enzymatycznej
lub mikrobiologicznej, przekształcana może być w energię elektryczną
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Rodzaje ogniw biopaliwowych
ogniwa enzymatyczne – ogniwa, w których jako katalizatory stosuje się enzymy. Jako katalizator anodowy wykorzystuje się enzymy katalizujące reakcje utleniania, np.: dehydrogenazęmleczanową, dehydrogenazę glukozową, dehydrogenazęalkoholową, oksydazę glukozową. Katalizatorem katodowym mogą być m.in.: oksydaza p-bifenylowa – lakkaza, oksydaza bilirubiny, oksydaza cytochromowa. Wszystkie te enzymy katalizująredukcję 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.
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Zasada działania bioogniwa mikrobiologicznego
Obrazy z mikroskopu konfokalnego biofilmudrobnoustrojów 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 bezpośredniegokontaktu, 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 anodydo katody przez opór zewnętrzny. W przestrzeni katodowej reagują one z akceptorem ostatecznym (tlen) i protonami. Najbardziej efektywne – mieszane kultury bakterii
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Rozwiązania konstrukcyjne bioogniw mikrobiologicznych
A – bioogniwo z mostkiem solnym; B- układ czterech ogniw, w których komory są oddzielonemembranami; C – układ z ciągłym przepływem przez komorę anodową; D – ogniwo typufotoheterotroficznego; E – ogniwo jednokomorowe z katodą powietrzną; F - ogniwo typu Hz dwiema komorami wyposażonymi w systemu odgazowania
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
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 katodąpowietrzną otoczoną komorą anodową z elektrodami grafitowymi; E – ogniwozespolone (6 elementów)
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Schemat ogniwa MFC (microbial fuel cell) wykorzystującego ścieki, jako materiał biologiczny Ze ścieków o zawartości 0.1 – 10 kg ChZtTm3 można uzyskać 0.01 – 1,25 kW energii z m3 objętości roboczej bioreaktora
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Zasada działania mikrobiologicznego ogniwa biopaliwowego A - w układzie przeniesienia elektronów do anody poprzez cząsteczkimediatora (MET);B – w układzie bezpośredniego przeniesienia elektronu (DET)
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Zasada działania fotoogniwa biopaliwowego
Cyjanobakterie znajdujące się w komorze anodowej, pod wpływem światłautleniają 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, katalizowanaprzez oksydazę bilirubinową, W reakcji tej mediatorem jest ABTS.Parametry ogniwa – max. moc – 0.13 mW; SEM – 0.26 V, przy oporze zewnętrznym500 Ω; wydajność konwersji energii świetlnej – 1.9%
ABTS
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Zasada konstrukcji pośrednich ogniw biopaliwowych
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Ogniwa enzymatyczne
Zasada działania jednego z rodzajów jednokomorowego ogniwa enzymatycznego.Anoda – elektroda złota pokryta monowarstwą chinonu pirochinoliny (PQQ) i FADza pośrednictwem monowarstwy cysteaminy. Na monowarstwie PQQ-FAD immobilizowane cząsteczki oksydazy glukozowej. Reakcja –trójetapowa, dwuelektronowaKatoda – kompleks cytochrom c/oksydaza cytochromu c immoblizowane na monowarstwie maleinimidowej osadzonej na elektrodzie złotej.Reakcja – redukcja tlenu do wody.
Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Wykład 11 – Biotechnologie otrzymywania nośników energii
Parametry ogniw biopaliwowych
Maksymalna teoretyczna SEM do 1,1 V. Maksymalne osiągnięte napięcie – 0,62 V
Moc 0.1 – 20 µW/cm2 powierzchni elektrody. Możliwe do 100 – 200 µW/cm2
Perspektywy zastosowań praktycznych:
- inżynieria biomedyczna, m.in. zasilaczedo rozruszników serca, sensorów glukozy(paliwo – glukoza i tlen z krwi)
- zasilacze do telefonów komórkowych i innegosprzętu mikroelektronicznego (paliwo – alkohol)
- uzyskiwanie energii elektrycznej z przerobu ścieków, odpadów ligninocelulozowychosadów dennych w zbiornikach wodnych
Moc uzyskiwana z ogniw różnego typu