Anaerob szervesanyag bont ás

1. Anaerob szervesanyag bontás

2. Anaerobok és előfordulásuk • Szulfát-, vas- redukálók, metanogének • Anaerob környezetben pl üledékek, emésztők, emésztőrendszer, talajvíz • Alacsony redox potenciál Szulfát redukálók: Desulfovibrio vulgaris Desulfotomaculum acetoxidans

3. Szulfát redukálók • Desulfovibrio (Gram -), Desulfotomaculum (Gram +) nemzettség • Anaerob kemoorganotrófok, talajban, iszapban elterjedtek • Légzési láncukban végső elektronakceptorként szulfátot használnak, elektrondonorjuk szerves vegyület, és szulfid keletkezik SO42- + 4H2 + H+ HS- + 4H2O • Egyes szulfát redukálók a szulfát oxigénjét szerves anyagok eloxidálására haszn, miközben a szulfát kénhidrogénné redukálódik, a folyamat szigorúan anaerob körülmények között zajlik • a folyamat során fémszulfidok is keletkezhetnek, mivel a fémek reakcióba lépnek a kénhidrogénnel, így a szulfát redukálók károsak lehetnek a fémekre (biokorrózió)

4. Vas(III) redukálók • A fémredukció (a fém a terminális elektronakceptor) valósz a legrégebbi légzési forma, mellyel még ma is találkozunk egyes baktériumokban • Shewanella putrefaciens, Geobactermetallireducens, Desulfuromonas acetoxidans • Szigorúan anaerob körülmény • Egyszerű szerves elektrondonor pl. acetát, laktát, formát • Fe(III)-oxidok redukciója során oldhatóFe(II) formát képez • A vas- és szulfát redukálók ugyanazon elektrondonorért küzdenek (kompetició)

6. Metanogének • Felfedezésük: lángoló mocsár (Volta) • Archaea, obligát anaerobok • Előfordulnak metanogén környezetben pl. anaerob emésztők, üledékekben, szennyvíziszapban, talajban, de élő szervezetekben is (emésztő rdsz.) • Szulfát, nitrát limitált környezetben • Közös ismertető, hogy a CO2-ot (esetleg metil csoport tartalmú vegy.-t) redukálják, ahol az e- donor H2, formát lehet, szénforrásként az acetátot kedvelik • Hidrogén termelő törzsekkel szintrófiában élnek Biogáz előállítás • 4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O • CH3COOH CH4 + CO2 • 4 CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O Methanosarcinasp.

8. Nitrát redukálók • Pl. Pseudomonas, Bacillus fajok • Oxigén hiányában, nitrát jelenlétében a nitrát a végső elektronakceptor, melynek oxigénjét szervesanyagok oxidálására haszn, miközben a nitrát redukálódik (nitrit, N2) Pseudomonas putida Bacillus megaterium

12. Szénhidrogének anaerob biodegradációja • Lassú lebontás, oxigénhiányos környezet • Sokféle mikroorg, pl. szulfát redukálók, metanogének, denitrifikálók, Dehalococcoides (dehalogénező bakt), konzorciumokban • Xenobiotikumok, pl halogénezettek bontása • C<6 nem bontják • Hosszabb láncok, telítetlen CH-k esetén a bontás gyakran nem teljes • Gyakran kezdődik a reakció „építéssel”, alkilcsoportot ragasztanak a vegyületre, utána hasítják el pl.: • Hexadekán hasznosító denitrifikáló izolátum fumaráttal + enzimmel támad • Szulfát redukáló karboxilációval kezd, amit a terminális két C eltáv követ • Klórozottak bontása mehet kometabolizmussal, illetve dehalorespirációval, amikor a halogén tart-ú (erősen elektron negatív karakter) vegyület az e- akceptor (H2 e- donor) és energiát nyer a dehalogénező reakcióból

13. Alifások bontása

14. Alifások bontása

15. Aromások bontása

16. Aromások bontása

17. Előnyök/hátrányok • A természetbe kerülő szervesanyagokról az jut eszünkbe, hogy aerob biodegradáció, aminek részben az alapja, hogy az aerob szervezetek többsége gyorsan szaporodik, valamint a fő terminális elektronakceptor a lebontó folyamatokban az oxigén. Ha ez jelen van, akkor az aerob lebontás a preferált O2-t elektronakceptorként haszn-va. Az anaerob lebontás mintegy alárendeltje az aerob lebontásnak kinetikája és kapacitása miatt. • Noha bizonyos körülmények között az anaerob folyamatok gyorsabban zajlanak, mint az aerob megfelelői, pl a marhák bendőjében a cellulóz bontás sokkal gyorsabban megy végbe, mint oxigén jelenlétében, az átlagos felezési idő kb egy nap • Oxidált állapotú vegyületek esetén az anaerob folyamatok jöhetnek szóba

18. Előnyök/hátrányok • Azokban az esetekben, amikor a hulladékkezelés során könnyen bontható/hasznosítható szervesanyagokat kell eltávolítani, pl élelmiszeripari szerves hulladék, az anaerob folyamatok nagyon hatékonyak, és olcsóbbak, mint az aerob kezelések, ráadásul az anaerob lebontás végén hasznos végterméket is nyerünk: metán • A legtöbb esetben, ahol a szervesanyag lebontásához nem kell oxigén, pl polimerek hidrolizise, előnyös lehet az anaerob kezelés • Az anaerob baktériumok a szubsztrát bontásából kevesebb energiát nyernek, mint az aerobok, ezáltal a sejtszaporodásuk mértéke is elmarad azokétól. Míg egy hexóz 6 CO2-dá tört aerob oxidációjából 2870 kJ/mol erg keletk, addig az anaerob hexóz átalakításból 3 CH4 és 3 CO2 lesz, aminek energianyeresége csak 390 kJ/mol • Az anaerobok hatékony alkalmazása érdekében meg kell oldani, hogy a bioreaktorban nagy mennyiségű biomasszánk legyen, és vigyázni kell az „utánetetés” során se veszítsük el a hasznos anaerob mikroflórát

19. Előnyök/hátrányok • Oxigén hiányában alternatív elektronakceptorokra van szükség. Ezek az elektronokat az átalakítandó szubsztrátról kapják. Az alternatív folyamatok sorrendjét főleg az akceptor rendszer redoxpotenciálja határozza meg: • O2/H2O Eh= +810 mV (pH=7,0), ezután a legmagasabb a • NO3-/NO2- Eh= +430 mV • Mn(IV)O2/Mn2+ Eh= +400 mV • Fe(III)OOH/Fe2+ Eh= +150 mV • SO42-/HS- Eh= -218 mV • CO2/CH4 Eh= -244 mV

20. Előnyök/hátrányok • A lebontási folyamatokban nem mindig előnyös az aerob, oxidációs reakció. Az oxigenázok hidroxil csoportot építenek a vegyületre, és további oxigén jelenlét okozhat gyök képződést, pl fenol gyökök, ami elindíthat egy polimerizációs (polifenolok) és kondenzációs folyamatot, huminszerű vegyületek keletk, melyek további bontása rendkívül nehéz • Ezért fenolos vegyületek esetén gyakran alkalmaznak anaerob biodegradációt, e folyamat elkerülése céljából • Más esetekben a habosodás (pl. felületaktív anyagok jelenlétében) kiküszöbölése miatt választják inkább az anaerob megoldást • A fentiek alapján megállapíthatjuk, hogy nem elegendő csak szigorúan a leggyorsabb lebontási folyamatot kiválasztani és alkalmazni, sokkal több szempontot figyelembe kell venni a módszer bevezetése előtt

21. Szennyvíz kezelés esetén melyiket válasszuk? • Anaerob kezelés esetén gyakran előkezelés szükséges, hogy minimalizáljuk az oxigénigényt • Koncentrált szennyvizek esetén azért érdemes az anaerob kezelést választani, mert energia (biogáz) nyerhető belőle, és kevesebb a biomassza képződés • Aerob kezelés esetén az intenzív levegőztetés kihajthat illékony komponeneseket, ilyenkor az elhasznált gázt tisztítani kell • Alacsonyabb szervesanyag konc esetén ha aerob kezelést alkalmazunk relatíve magas lesz a járulékos költség a levegőztetés miatt, és sok biomassza marad a végén • Az anaerob kezelés összeállítása költségesebb, de a működési költségek alacsonyabbak, mint az aerob megoldás esetén

22. Energianyerő folyamatok anaerob szerves hulladékkezelés során • Konzorcium • Hidrolizis • Biogáz képzés • Hulladék lehet: szénhidrát, fehérje, zsír

23. Biogáz • Szervesanyagok (szénhidrátok, fehérjék, zsírok) anaerob bontásával nyerhető gáz – fő komponensek: CH4 + CO2 • Alapanyagok lehetnek: szinte minden szervesanyag, pl. cellulóz, keményítő, élelmiszeripari melléktermékek, és hulladékok, trágya, kommunális hulladék • Feltételei: anaerob körülmény, bontható szervesanyag, megfelelő mikróba konzorcium (együttműködő, közösség) • Felhasználása: • helyben – fűtésre (fűtőértéke erősen függ az egyéb, nem éghető alkotóktól) • Elszállítva – gázhálózatba – fűtésre - Villamos- és hőenergia előállításra - motormeghajtásra • hulladékhasznosítás! • Visszamaradó biomassza talajerőpótlásra

24. Biogáz képződés Polimerekbontása Monomerek,oligomerekemésztése +H2 Biogáz

29. Anaerob fermentáció Szerves anyag, “hulladék” Biogáz előállításának sematikus ábrázolása BIOGÁZ TÁPANYAG

31. BioEtanol • Keményítő és magas cukortartalmú növényi termékekből • Már az egyiptomiak is tudták (azaz legalább 3000 éve használt technológia: élesztővel cukorból sört, bort fermentáltak) • Most ismét „divat” – benzinhez kötelező bekeverni • Olajválság, ólomterhelés miatt • Ma még jelentősebb, hiszen a bioüzemanyagok egyik fő képviselője (első etanol hajtotta autót 1880-ban Henry Ford alkotta, majd 1990-től Amerikában gasohol, mely kukoricából készült) • Üzemanyagadalékként oktánszámjavító etil-tercier-butil-éter (ETBE) gyártható belőle (5-7%-ban használják)

32. Bioetanol • Cukorrépa, búza, kukorica, cukornád, burgonya, cukorcirok • Fermentáció lényege: Saccharomycescerevisiae oxigén hiányában cukorból etanolt és CO2-ot állít elő C6H12O6 2 C2H5OH + CO2 • Bioetanol előállítás többlépcsős • Nagyüzemi gondok: az etanol, mint oldószer 5% feletti koncentrációban tönkreteszi a sejtek membránját • Előnye, hogy magas cukortartalmú hulladékot, mellékterméket is fel lehet használni alapanyagként • Előállítása költséges, de olcsóbb, mint a szintetikus etanolé, ezért várhatóan inkább a vegyi és kozmetikai ipar lesz a nagyfelhasználó (nem üzemanyagként)

33. Alkohol ipari előállítása keményítőből • Őrölt gabona keményítőjét gőz és nyomás segítségével gélesítik • Lehűtik 50-60°C-ra és α-amilázt adnak hozzá, mely az α-1,4-kötéseket elhasítja oligoszaharid szálak keletk. • Glükóz felszabadítása glükoamiláz enzimmel, a végtermék glükóz • Élesztő sejtek hozzáadásával a glükózból alkohol fermentálható • Töményítés, desztilláció, víztelenítés, ezek a lépések nagyon költségessé teszik, így az energiamérlege negatív Töményítés, desztilláció

34. glükóz glikolizis Szentgyörgyi-Krebs ciklus 2 piruvát 2 CO2 Piruvát dekarboxiláz acetaldehid Alkohol dehidrogenáz NADH NAD+ 2 etanol Alkohol termelő mikroorganizmusokbana glükóz átalakulása etanollá

35. Cellulózból bioetanol