Bioüzemanyagok – 1 PDF

Bioüzemanyagok – 1 Biogáz  Bioüzemanyagok globális klímaváltozás 1970-es évek: kőolajválság kőolajtermékek árának többszöri ugrásszerű növelése szegényebb országokat jobban érintette Brazília: 2006 – üzemanyag felhasználás 45%-a bioetanol 2000-es évek eleje: relatív...

Bioüzemanyagok – 1 Biogáz  Bioüzemanyagok globális klímaváltozás 1970-es évek: kőolajválság kőolajtermékek árának többszöri ugrásszerű növelése szegényebb országokat jobban érintette Brazília: 2006 – üzemanyag felhasználás 45%-a bioetanol 2000-es évek eleje: relatív mezőgazdasági túltermelés bioüzemanyag termelés állami támogatása 2006: George W. Bush: bioüzemanyagok támogatása élelmiszer árak növekedése termőföld: táplálék vagy bioüzemanyag Mexikó: tüntetések  Biomassza hasznosítási lehetőségek Égetés – Csak hő, égésterméek Komposztálás – Hő és biotrágya Biogáz – Zöld áram és biotrágya Bioetanol, biodízel – Speciális alapanyagokból Biohidrogén – A jövő ígérete (?)  Bioüzemanyagok bioetanol biodízel növényi vagy állati biomasszából biohidrogén biogáz  Metanogének:metánt termelnek Volta 1776: éghető gáz = mocsárgáz 1804 Dalton:CH4 + CO2 Pasteur: Mikrobák termelik Tiszta tenyészet 1947 – Methanosarcina sp.  Biogáz jellemzői Mocsárgáz, lidércfény – Szerves anyag levegő mentes környezetben Bonyolult mikrobiológiai rendszer – Túlélésre optimalizált – A biogáz melléktermék Biogáz termelés fokozása – Anyagcsere szűk keresztmetszet megismerése, megváltoztatása  Alapanyagok növény kukorica siló, cukorrépa, energianövények cukor cirok, szudáni fű, csicsóka, tritikálé állati eredetű trágya szarvasmarha, sertés, baromfi kommunális hulladék szerves része szennyvíziszap mezőgazdasági hulladékok élelmiszeripari melléktermékek melasz, törköly, bioetanol gyártás melléktermékei  Alapelv Szerves BIOGÁZ anyag, Anaerob “hulladék” TÁPANYAG fermentáció  Biogáz képződés Polimerek bontása Monomerek, oligomerek +H2 emésztése Biogáz  Szénhidrátok anaerob lebontása Lignocellulóz (fa) mehanikai darabolódás Lignocellulóz (lignin, cellulóz, hemicellulóz, xilán) Hidrolízis cellulázok, xilanázok glükóz, cellobióz, pentózok + Lignin Fermentáció anaerob kör.közt nincs számottevő lebontás propionsav, vajsav, tejsav, etanol H2,CO2, formát, acetát Acetogenezis H2,CO2, acetát Metanogenezis CH4 + CO2  Fehérjék anaerob lebontása Fehérjék (állati, növényi) Hidrolízis proteázok Oligopeptidek Aminosavak Fermentáció NH3 H2,CO2, formát, acetát propionsav, vajsav, tejsav, etanol Acetogenezis Metanogenezis H2,CO2, acetát CH4 + CO2  Lipidek (foszfolopidek, glikolipidek) anaerob lebontása Zsírok, olajok (állati, növényi) Hidrolízis Lipázok, foszfolipázok glicerin, glükóz,galaktóz,inozitol foszfát kolin telített és telítetlen zsírsavak Fermentáció Acetogenezis -Oxidáció NH3 pH2 < 10-4 atm pH2 > 10-4 atm H2,CO2, formát, acetát H2,CO2, formát, acetát zsírsavak Etano Metanol l Acetogenezis Metanogenezis H2,CO2, acetát H2,CO2, acetát CH4 + CO2  Batch fermentáció biogáz desztillált víz v biomassza desztillált víz üveg mérőhenger Batch fermentálás Folyamatos üzemű laborfermentor Folyamatos labor fermentálás Biogáz - India  Biogáz üzem működési sémája biomassza előfermentor1 utófermentor1 előkezelő fermentációs maradék előfermentor2 utófermentor2 talajerő utánpótlás gázmotor elektromos áram Zöldforrás Energia Kft Zöldforrás Energia Kft. Zöldforrás Energia Kft. Zöldforrás biogáz erőmű, Szeged  Biogáz üzemek Európában biogáz erőművek száma az EU-ban biogáz erőművek által termelt energia az EU-ban (MV)  Fermentációs paraméterek Hőmérséklet pH Szárazanyag tartalom N/C arány Pufferkapacitás Illó szervessav tartalom Szerves sav összetétel Ammónium-ion tartalom A hőmérséklet hatása  A pH hatása a fermentációra 120 100 relatív gázhozam (%) 80 60 40 20 0 5 6 7 8 9 pH A szárazanyag-tartalom hatása a gázhozamra Gázhozam az N/C arány függvényében  Az illó szervessav tartalom / pufferkapacitás aránya 1 relatív biogáz hozam 0,5 0,1 0,2 0,3 illó szervessav / pufferkapacitás  Az ammónium-ion tartalom hatása a fermentációra 1 relatív biogáz hozam 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 NH4+ koncentráció (g/l)  A biotechnológiai kihívások rumen Tehén: 2-3 nap Mezofil: 30-60 nap Termofil: 15-30 nap  Az anaerob fermentáció hatékonyságának növelése biomassza lebontásának elősegítése előkezelés cellulóz bontó mikrobákkal ligninbontó mikrobákkal bioaugmentáció hidrogén adagolása hidrogén termelő törzzsel Enterobacter cloacae (mezofil) Caldicellulosiruptor saccharolyticus (termofil) DIET (direkt elektron transzfer)  Előkezelés gombákkal Aspergillus nidulans Trichoderma reesei Rhizomucor miehei Gilbertella persicaria  Előkezelés gombákkal 100 90 80 70 Kontroll % 60 50 Növényi szubsztrát 40 30 Rhizomucor 20 10 0 Aspergillus Fűz Kukorica Szalma 0 Trichoderma -10 Fermentált oTS (%) Gilbertella -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 Bioaugmentáció hatása - Alapanyag: kukoricaszár - Piros vonal: kontroll - Kék és lila vonalak: bioaugmentált fermentorok  Szintrópia Legalább 2 mikroorganizmus kölcsönösen előnyös társulása – Tagok eltérő anyagcserét folytatnak – Anyagcsere folyamataik vagy termékeik a partner javát szolgálják. Fajok közötti H2 átadás = Szintrópia – Pontos mechanizmus nem ismert – H2 termelő és fogyasztó egymásra utalva  Hidrogén termelő törzs hatása 6000.00 5000.00 Biogáz termelés (liter/nap) 4000.00 3000.00 2000.00 1000.00 0.00 1 15 29 43 57 71 85 99 113 127 141 155 169 183 197 211 225 239 253 267 Idő (nap) DIET Bioelektrokémiai rendszer Bioelektrokémiai rendszer  Mikroba közösség változása adaptáláskor Vér az adaptálás kezdetekor Vér 5 hét adaptálás után  Biogáz összetétele Metán: 50-70% - szennyvíz iszap: 65-70% - mezőgazdasági melléktermék 60-65% - települési hulladék: 50% Szén-dioxid: 28-48% Egyéb gázok: kén-hidrogén, szén-monoxid, nitrogén 1-2% Földgáz: >90% metán  Biogáz tisztítása Szén-dioxid (CO2) Vizes mosás fizikai adszorpció kémiai adszorpció (amine oldatokkal) membrán szeparáció CH4  Gáztisztítás Kénmentesítés (H2S) – Biológiai: Thiobacillus ferrooxidans – Fe2O3 reakció: Fe2O3 x 3H2O + 3H2S → Fe2S3 + 6H2O Fe2S3 + 1,5O2 + 3H2O → Fe2O3 x 3H2O + 3S – FeCl2 reakció: FeCl2 + H2S → FeS + 2HCl – K2CO3 + aktív szén: K2CO3 + 2O2 + H2S → K2SO4 + CO2 + H2O  Biológiai kéntelenítés H2S + ½ O2 = H2O + S° Biogáz felhasználása Biogáz = bioüzemanyag Biogáz = bioüzemanyag Biogáz = bioüzemanyag  Bioetanol – Biogáz hőenergia, áram szerves anyag megújuló fenntartható „Power-to-gas” eljárás  Hidrogén metánná alakítás hidrogenotróf metanogénekkel zöld: kontroll, piros (A): 20 ml, kék (B): 40 ml, fekete (C): 60 ml H2 napi bevitel  Hidrogén metánná alakítás hidrogenotróf metanogénekkel zöld: kontroll, piros: 20 ml, kék: 40 ml, fekete: 60 ml H2 napi bevitel és a visszamaradt H2 mennyisége (kék szaggatott: 40 ml, fekete szaggatott: 60 ml H2 napi bevitel).