Biot echnologie pozyskiwania ź róde ł energii odnawialnej

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 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

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

7. 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

8. 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.

9. Fermentacja metanowa Współzależność bakterii acetogennych i metanowych

10. Specyficzne formy wzrostu drobnoustrojów Kultury mieszane Konsorcja Biofilm Eutrofizacja Sporulacja

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 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.

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

15. Efektywność wytwarzania biogazu

16. 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

17. 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.

18. Komórki drożdży Apiatrichium curvatum wytwarzające i magazynujące duże ilości lipidów

19. Biodiesel Porównanie właściwości oleju napędowego, olei roślinnych i modyfikowanych olei roślinnych

20. 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.

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

22. 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. 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

25. 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.

26. 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

27. 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%

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. 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