Biotechnol ó gi ák az energiaiparban

1. SAPIENTIA ERDÉLYI MAGYAR TUDOMÁNYEGYETEM Általános biotechnológia előadás Biotechnológiák az energiaiparban

2. Mi jellemzi a 21. századot? 1. Globális környezeti és energiaválság • a fosszilis energia használata súlyosan veszélyezteti a környezetet, ráadásul a készletek kimerülőben vannak • megújuló energiaforrásokat hasznosító piacképes biotechnológiai eljárások szükségesek

3. 2. A 21. század a biotechnológia százada Vörös biotech egészségügyi felhasználású termékek Fehér biotech ipari felhasználású termékek Zöld biotech mezőgazdasági, élelmiszer és környezeti felhasználású biotechológia Vörös biotech egészségügyi felhasználású termékek Fehér biotech ipari felhasználású termékek Zöld biotech mezőgazdasági, élelmiszer és környezeti felhasználású biotechológia IPAR ENERGIA EGÉSZSÉG BIOETANOL BIO- METÁN ÚJ GYÓGYSZEREK BIOGÁZ DIAGNOSZTIKA ÁLLATEGÉSZSÉGÜGY ALAPANYAG ENERGIA TECHNOLÓGIA ÉLELMISZERIPAR GAZDASÁG KÖRNYEZET REZISZTENS NÖVÉNYEK KÖRNYEZETVÉDELEM TRANSZGÉNIKUS ÁLLATOK BIOTÁRSADALOM IPAR VEGYIPAR ENERGIA ENERGIA EGÉSZSÉG EGÉSZSÉG BIOETANOL BIO- BIO- METÁN ÚJ GYÓGYSZEREK BIOGÁZ GÉNTERÁPIA DIAGNOSZTIKA ÁLLATEGÉSZSÉGÜGY ALAPANYAG ENERGIA TECHNOLÓGIA ÉLELMISZERIPAR KÖRNYEZET MEZ MEZ Õ GAZDASÁG GAZDASÁG Õ KÖRNYEZET REZISZTENS NÖVÉNYEK KÖRNYEZETVÉDELEM TRANSZGÉNIKUS ÁLLATOK

4. Megújuló energiaforrások • olyan közeg, természeti jelenség, melyekből energia nyerhető ki • ismétlődően rendelkezésunkre áll • jelentősebb emberi beavatkozás nélkül legfeljebb néhány éven belül újratermelődik • A legfontosabb megújuló energiaforrások: 1. napenergia (naperőmű: napelem, napkollektor); 2. vízenergia (vízerőmű: árapály-energia, hullám energia); 3. szélenergia (szélturbinák); 4. geotermikus energia; 5. biomassza → bioetanol, biodiesel, biohidrogén

5. CO2 Növényi biomassza Mi a biomassza? Minden növényi vagy állati eredetűszervesanyag. Fotoszintézis a növényi biomassza termelése. Növényibiomasszaforrások: • Fák, gabonák, algák • Minden faipari, mezőgazdasági melléktermék és hulladék • Kommunális hulladékok rostosanyag tartalma O2 H2O ásványi anyagok

6. Biomassza • a nap-, illetve szélenergiával szemben szállítható, tárolható, így folyamatos energiaellátást tesz lehetővé • eltérő technológiai eljárásokkal előállítható belőle hő-, villamos energia vagy üzemanyag→ univerzálisan felhasználható

7. A biomassza energiatartalma hasznosítható • Közvetlen tüzeléssel (előkészítéssel vagy anélkül): tűzifa apríték, fűrészüzemi hulladékok, szalma, energiafű, illetve ezekből előállított pellet • Kémiai átalakítás után éghető gázként, vagy folyékony üzemanyagként: cukortartalmú növények, zöld növényi hulladék, állati szennyvíziszap, trágya • Alkohollá erjesztéssel üzemanyagként: magas cukortartalmú (cukorrépa, cukornád), magas keményítőtartalmú (kukorica, burgonya, búza) vagy magas cellulóztartalmú (szalma, fa, nád, energiafű) növények • Növényi olajok észterezésével biodízelként: olajtartalmú növények (pl. repce, oliva, napraforgó)

8. A biomasszából nyerhető anyagok • cellulóz  cukrok • hemicellulóz  etanol, butanol • lignin  ragasztóanyagok • cukor  bioalkohol (fermentációval) • olajok  biodízel • (átészterezéssel) • biogáz • (anaerob fermentációval)

9. Bioetanol • Olyannagyrészt etil-alkoholból álló üzemanyag, melyet biológiailag megújuló energiaforrások (növények) felhasználásával nyernek abból a célból, hogy benzint helyettesítő, vagy annak adalékaként szolgáló motor-üzemanyagot kapjanak • Alapanyaga:magas cukortartalmú növény (pl.cukorrépa, cukornád) vagy olyan anyagot tartalmazó növény, melyet kémiai-biológiai reakciók sorozatával cukorrá lehet alakítani (pl. keményítő-tartalmú növények: kukorica, búza, burgonya stb., cellulóz-tartalmú növények: fa, fűfélék, gabonaszárak, szalma)

10. Enzim- fermentáció Előkezelés Lignin Elválasztás, mosás Pentóz Cellulóz Hidrolízis Hasznosítás (?) Hexóz fermentáció EtOH Desztilláció Alkohol-előállítás lignocellulózokból Lignocellulóz alapanyag ! Pentóz fermentáció Celluláz enzimmel vagy savasan

11. Előnyei elvileg semleges hatású az üvegházhatásra a tiszta bioetanol-felhasználás 17%-kal fogná vissza az üvegházhatású gázok kibocsátását? bioetanol nyersanyagát ásványkincsekben szegény, mezőgazdasági területeken is elő lehet állítani Hátrányai a gyártási folyamat fajlagosan magas villamosenergia- és hőenergia igényű, a kinyert energia %-os arányban sokkal kisebb mértékben haladja meg a befektetett mennyiséget, mint a hagyományos energiahordozóknál. élelmezési célra használható növényeket, táplálékokat felhasználni üzemanyag-gyártás céljára akkor, amikor a Föld jelentős népessége éhezik – egy etikai vonzatú dilemma A technológiai folyamat

12. Biodízel • növényi olajokból vagy (állati) zsírokból rövid lánchosszúságú mono-alkohollal (metanol, etanol) átészterezéssel (transzeszterifikációval) előállított észter alapú bioüzemanyag dízelmotorok számára • fosszilis hajtóanyag helyettesítéseként, vagy azzal keverve annak pótanyagaként használható • használata azért előnyös, mert a kőolajjal szemben,a biodízel alapanyagai viszonylag gyors biológiai folyamatoknak az eredménye

13. A biodízel előállítása: • a zsiradék szennyező anyagainak eltávolítása • katalizátor jelenlétében reagáltatják a zsiradékot metanollal, vagy etanollal • Katalizátor:lúg, erős ásványi sav • A folyamat mellékterméke: glicerol (glicerin), a reakció-edény alján gyűlik össze és onnan eltávolítható Milyen hasznos termékekkéalakítható át ez a glicerin felesleg?

14. A biodízel alkalmazási lehetőségei: • elsősorban jármű hajtóanyag helyettesítésére vagy pótlására • álló (stationary) dízelmotorok üzemeltetésére (pl. hálózattól távoli önálló villany generáló telepeken alkalmaznak) • egyéni központi fűtésre

15. Biogáz • szerves anyagok baktériumok által anaerob körülmények között történő lebontása során képződő termék • 3 típusát különböztetik meg: • szennyvíz-iszap biogáz (szennyvíz gáz) • mezőgazdasági biogáz (biogáz) • szeméttelepi biogáz (depóniagáz)

16. A biogáz-termelés szakaszai • 2 lépésben történik a biogáz-termelés : • közönséges anaerob baktériumok a polimereket savakká, etanollá, hidrogénné és szén-dioxiddá hidrolizálják (fermentáció) • metánképződés: a széndioxid metanogén baktériumok hatására hidrogénnelmetánná redukálódik. A széndioxid egy része azonban visszamarad.

17. Biogáz előállítása üzemi és kisüzemi körülmények között A legfontosabb metántermelő baktériumok: Methanococcusvannielii, Methanobacteriumruminantium, Methanospirillumsp., stb. - ezek a baktériumok különböző kombinációkban metanolt, acetátot, formiátot, hidrogént és más savakat is hasznosítanak A nem metanogén baktériumbióta: E. coli, Micrococcus varians, Pseudomonas reptilivora, Micrococcus luteus, Alcaligenes viscolactis, A. faecalis, Clostridium, Bacteroides, Lactobacillus, Vibrio, Spirillum, Desulfovibrio, Enterobacter aerogenes, stb. - bizonyos mértékig a humán bélcsatorna baktériumbiotájához hasonló, és lényegesen eltér az aktivált iszapétól

18. A biogáz-termelés technológiája

19. Tisztított biogáz hasznosítási lehetőségei: Lakossági használat: főzés-sütés, háztartási cél, vízmelegítés, üzemanyag, lakások fűtése-hűtése (megfelelő technikával) Mezőgazdasági: istállók fűtése, terményszárítás, növényház, üvegház, fóliasátor fűtése, a mezőgazdasági gépek és gépkocsik üzemeltetése Energetikai:elektromos áram termelése gázmotorral saját használatra, távfűtésbe való bekapcsolódás, tisztított biogáz hálózati betáplálása, CO2 emisszió értékesítése

20. Biohidrogén • a legígéretesebb globális energiahordozó • energiatartalma: 122 MJ/kg • felhasználása során vízzé ég el, ezért elméletileg a legkevésbé környezetszennyező: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol) • vízből vagy szerves anyagokból nyerhetjük külső, primer energiaforrás felhasználásával • szállítására és tárolására hatékony és biztonságos eljárásokat dolgoztak ki

21. Biohidrogén-előállítás lehetőségei • víz fotolízise (direkt vagy indirekt módon, cianobaktériumok vagy zöldalgák közreműködésével) • fermentációs eljárások (anaerob baktériumok) • fotofermentáció • hibrid rendszerek (fermentáció+fotofermentáció)

22. Fotofermentáció • szerves anyagok átalakulása hidrogénné fotoszintetikus baktériumok jelenlétében • a konverzió termodinamikai szempontból kedvezőtlen → CSAK fény jelenlétében történik meg az átalakulás • a fény energiáját a fotoszintetikus baktériumokra specifikus pigment-molekulák abszorbeálják

23. Fotoszintetikus baktériumok • anaerobok vagy mikroaerofilek • elektrondonorok a bakteriális fotoszintézishez: redukált kénvegyületek (pl. H2S) vagy szerves savak (pl. ecetsav, tejsav, almasav) • nem szabadítanak fel oxigént • hidrogéntermelés: nitrogenáz vagy hidrogenáz enzimek által

24. Fotoszintetikus baktériumok tenyésztése • zárt, sterilezhető fotobioreaktorban (fényforrás!) • anaerob körülmények között • optimális növekedési hőmérséklet: 30ºC körül (baktériumtörzstől függően) • megfelelő tápközeg: redukált kénvegyületek, szerves savak, szükséges nyomelemek, vitaminok • kezdeti pH: 7,0 – 7,5 • állandósult állapot elérése: 3-4 nap alatt

25. A gyakorlati megvalósítással kapcsolatosan felmerülő problémák • Mennyi legyen a kezdeti sejt- és szervesanyag-koncentráció? • Honnan világítsuk meg a reaktort, kívülről vagy belülről? • Mekkora felületen, milyen rétegvastagságon kell a fénynek áthaladnia? • Milyen intenzitással világítsuk meg a rendszert? ! G A Z D A S Á G O S S Á G !

26. CO2 CO2 Bio-üzem-anyagok fosszilisolaj Mi a különbség? A legnagyobb mennyiségben termelődő üvegházhatású gáz a szén- dioxid, ami bio- és fosszilis üzemanyagokból is keletkezik, de a bio-üzemanyagok esetében a széndioxid cikluszárt.

27. A fehér biotechnológia társadalmi hatásai • Új termelési lehetőségek a mezőgazdaság és erdőgazdaság számára • Környezeti illetve klimatikus hatás: nem termel plusz szén-dioxidot • Csökkenti az olajtól való függőséget • Nagyobb politikai/gazdasági biztonságot nyújt • Nagy hozzáadott értékű termékeket állít elő • GMO-k vélhető nagyobb elfogadottsága