Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας

Transcript

1 Ανανεώσιμη ενέργεια Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Γεωθερμία Ηλιακή Αιολική Υδροηλεκτρική Κυματική Βιομάζα Βιοχημική μετατροπή Χημική μετατροπή Θερμοχημική μεταροπή Υβριδική μετατροπή Καύση Αέρια και υγρά βιοκαύσιμα Υγρά καύσιμα (βιοντήζελ) Θερμότητα, ηλεκτρισμός, καύσιμα Θερμότητα, ηλεκτρισμός, καύσιμα Θερμότητα και ηλεκτρισμός

2 Βιομάζα

3 Ορισμός βιομάζας Βιομάζα με την ευρύτερη έννοια του όρου αποτελεί οποιοδήποτε υλικό που προέρχεται από ζωντανούς οργανισμούς

4 Τύποι βιομάζας τα υποπροϊόντα και κατάλοιπα της φυτικής, ζωϊκής, δασικής και αλιευτικής παραγωγής, όπως π.χ. τα άχυρα, στελέχη αραβόσιτου, στελέχη βαμβακιάς, κλαδοδέματα, κλαδιά δένδρων, φύκη, κτηνοτροφικά απόβλητα, οι κληματίδες κ.ά. τα υποπροϊόντα που προέρχονται απο τη μεταποίηση ή επεξεργασία των υλικών αυτών, όπως π.χ. τα ελαιοπυρηνόξυλα, υπολείμματα εκκοκκισμού βαμβακιού, το πριονίδι κ.ά. το βιολογικής προέλευσης μέρος των αστικών λυμάτων και σκουπιδιών

5 Φυτική βιομάζα

6

7 Maabjerg, 2011

8

9

10 Clasification of food processes and respective yield of food waste and by-product generated per kg of raw material utilised Food sector Fish sector Meat sector Dairy sector Wine sector Vegetable sector Production processes % of wastes and byproducts Fish canning Fish filleting, curing, salting and smoking Crustaceans processing Molluscs processing Beef slaughtering Pig slaughtering 35 Poultry slaughtering Milk, butter and cream production Negligible Yoghurt production 2-6 Fresh, soft and cooked cheese White wine production Red wine production Fruit and vegetable juice production Fruit and vegetable processing and preservation 5-30 Vegetable oil production Corn starch production Potato starch production 80 Wheat starch production 50 Sugar production and sugar beet 86

11 Παραγωγή βιομάζας Η βιομάζα αποτελεί μία δεσμευμένη και αποθηκευμένη μορφή της ηλιακής ενέργειας και είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτικών οργανισμών. Κατ' αυτήν, η χλωροφύλλη των φυτών μετασχηματίζει την ηλιακή ενέργεια με μια σειρά διεργασιών, χρησιμοποιώντας ως βασικές πρώτες ύλες διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα καθώς και νερό και ανόργανα συστατικά από το έδαφος. Η διεργασία μπορεί να παρασταθεί ως εξής: H 2 O + CO 2 +Ηλιακή ενέργεια (φωτόνια) + Ανόργανα στοιχεία Βιομάζα + Ο 2

12 Η βιομάζα ως πηγή ενέργειας Βιομάζα + Ο 2 H 2 O + CO 2 +ενέργεια 1 τόνος βιομάζας ισοδυναμεί με περίπου 0,4 τόνους πετρελαίου

13 Ενεργειακό περιεχόμενο* 17.5 GJ/ton υπολειμμάτων ετήσιων καλλιεργειών, όπως άχυρα σιτηρών, υπόλειμμα σακχαροκαλάμων 20 GJ/ton ξυλώδους βιομάζας (σε ξηρή βάση). H αντίστοιχη τιμή για τον γαιάνθρακα είναι 30 GJ/ton και για τον λιγνίτη 20 GJ/ton. Κατά τη συγκομιδή περιέχει αρκετή υγρασία, 8-20 % για άχυρα σιτηρών,έως % για ξυλώδη βιομάζα, και % για κοπριά. Η υγρασία στον γαιάνθρακα αντίστοιχα είναι 2-12 %. Η ειδική ενέργεια της βιομάζας στο σημείο παραγωγής της είναι επομένως μικρότερη από αυτή του γαιάνθρακα. * A. Zobaa, R. Bansal; HANDBOOK OF RENEWABLE ENERGY TECHNOLOGY; World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.; 2011

14 Kaltschmitt, M., et al Renewable energy from biomass. Encyclopedia Phys. Sci. Technol. 203, 28

15 Πλεονεκτήματα Η αποτροπή του φαινομένου του θερμοκηπίου (CO 2 ) Η αποφυγή της επιβάρυνσης της ατμόσφαιρας με SO 2 (όξινη βροχή) Η μείωση της ενεργειακής εξάρτησης Η εξασφάλιση εργασίας και η συγκράτηση των αγροτικών πληθυσμών

16 Μειονεκτήματα Ο μεγάλος όγκος της και η μεγάλη περιεκτικότητά της σε υγρασία Η δυσκολία στη συλλογή, μεταποίηση, μεταφορά και αποθήκευσή της Οι δαπανηρές εγκαταστάσεις και ο εξοπλισμός Η μεγάλη διασπορά και η εποχική παραγωγή της

17 Παγκόσμιο Δυναμικό 172 δισεκ. τόνοι ανά έτος ξηρού υλικού, με ενεργειακό περιεχόμενο δεκαπλάσιο της ενέργειας που καταναλώνεται παγκοσμίως στο ίδιο διάστημα Το τεράστιο αυτό ενεργειακό δυναμικό παραμένει κατά το μεγαλύτερο μέρος του ανεκμετάλλευτο, καθώς, σύμφωνα με πρόσφατες εκτιμήσεις, μόνο το 1/7 της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας καλύπτεται από τη βιομάζα και αφορά κυρίως τις παραδοσιακές χρήσεις της (καυσόξυλα κλπ.).

18 Δυναμικό - Ελλάδα Τα διαθέσιμα γεωργικά και δασικά υπολείμματα ισοδυναμούν ενεργειακά με 3-4 εκατ. τόνους πετρελαίου Το δυναμικό των ενεργειακών καλλιεργειών μπορεί, με τα σημερινά δεδομένα, να ξεπεράσει άνετα εκείνο των γεωργικών και δασικών υπολειμμάτων Το ποσό αυτό αντιστοιχεί ενεργειακά στο 30-40% της ποσότητας του πετρελαίου που καταναλώνεται ετησίως στη χώρα μας

19 Xημική Σύσταση Βιομάζας Tα βασικά στοιχεία που αποτελούν και τη βάση της κυτταρικής δομής είναι C, H, O, N καθώς και P, S Tα υπόλοιπα στοιχεία (24 συνολικά) όπως K, Na, Ca, Mg, Cl, Fe κλπ, ανευρίσκονται σε μικρές ποσότητες (ιχνοστοιχεία) Tα διάφορα οργανίδια, οι μεμβράνες και οι λοιπές δομές του κυττάρου αποτελούνται από τέσσερα βασικά είδη μακρομορίων (βιοπολυμερών)

20 Περιοδικός πίνακας Κόκκινο: βασικά στοιχεία (99%) Μπλε: σημαντικά (0,9%) Πράσινο: ιχνοστοιχεία Κίτρινο: αδιευκρίνιστο αν είναι απαραίτητα

21 Στοιχειακή σύσταση Με υγρασία (wet weight basis): Xi αριθμός Σε ξηρή βάση (dry weight basis): * Ibrahim Dincer, Calin Zamfirescu ; Sustainable energy systems and applications; Springer Science and Business Media.; 2011

22 Δομικοί λίθοι και μακρομόρια Σάκχαρα (υδατάνθρακες) Λιπαρά οξέα Αμινοξέα Νουκλεοτίδια πολυσακχαρίτες λιπίδια πρωτείνες νουκλεϊνικά οξέα

23 Μακρομόρια Tα νουκλεϊνικά οξέα: το RNA (ριβοζονουκλεϊνικό οξύ) και το DNA (δεσοξυριβοζονουκλεϊνικό οξύ) λέγονται και πληροφορικά μακρομόρια Tα λιπίδια αποτελούν κυρίως τρόπο αποθήκευσης ενέργειας, αλλά έχουν και δομικό ρόλο. Oι πολυσακχαρίτες έχουν δομικό (π.χ. κυτταρίνη) αλλά και αποθηκευτικό ρόλο. Oι πρωτεΐνες παίζουν πολλούς ρόλους

24 Από πλευράς ενέργειας ενδιαφέρουν: Ο συνολικός εμπειρικός τύπος και η περιεκτικότητα σε υγρασία Οι υδατάνθρακες ως πηγή για την βιοτεχνολογική παραγωγή αέριων και υγρών βιοκαυσίμων (μεθάνιο, υδρογόνο, υθάνιο, αιθανόλη κλπ) και ηλεκτρισμού (μικροβιακές κυψελίδες καυσίμου) Τα λίπη ως πηγή για την χημική παραγωγή κυρίως υγρών βιοκαυσίμων (βιοντίζελ) Τα ένζυμα (καταλυτικές πρωτεϊνες) για την προκατεργασία της βιομάζας πριν την βιοχημική μετατροπή Τα νουκλεϊνικά οξέα δεν ενδιαφέρουν

25 ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ δίνονται από το γενικό εμπειρικό τύπο (CH 2 O) n παίζουν ρόλο αποθηκευτικό και δομικό οι απλούστεροι είναι οι μονοσακχαρίτες (απλά σάκχαρα) που περιέχουν τρία έως εννέα άτομα άνθρακα. Ανάλογα με τον αριθμό ατόμων άνθρακα, ονομάζονται τριόζες, πεντόζες, κ.ο.κ. αποτελούν παράγωγα είτε αλδεϋδών είτε κετονών.

26 Υδατάνθρακες Οι υδατάνθρακες είναι πολυυδροξυλιωμένες αλδεύδες και κετόνες, που απαντώνται σε κάθε ζώντα οργανισμό και αποτελούν μέχρι και πάνω από το 75% της ξηρής φυτικής μάζας. Οι χαμηλού μοριακού βάρους υδατάνθρακες ονομάζονται σάκχαρα. Τα σάκχαρα και το άμυλο στις τροφές καθώς και η κυτταρίνη στο ξύλο και στο χαρτί είναι σχεδόν καθαροί υδατάνθρακες. Σχηματίζονται από τα πράσινα φυτά μέσω φωτοσύνθεσης: Ηλιακό φως 6 CO H 2 O 6 O 2 + C 6 H 12 O 6 Κυτταρίνη, άμυλο (γλυκόζη)

27 Υδατάνθρακες σε διάλυμα Κάτω κατευθυνόμενο OH: α-πυρανόζη Άνω κατευνόμενο OH: β-πυρανόζη

28 Μονοσακχαρίτες Ο πιο συνηθισμένος μονοσακχαρίτης (εξόζη) είναι η D+ γλυκόζη η οποία περιστρέφει το πολωμένο φως θετικά. Σε διάλυμα απαντάται υπό μορφή δακτυλίου και ονομάζεται πυρανόζη. Η γλυκόζη αποτελεί και το σημαντικότερο και συνηθέστερο θρεπτικό υπόστρωμα (πηγή άνθρακα και ενέργειας). Άλλες συνηθισμένες εξόζες είναι η D-μανόζη, η D-γαλακτόζη και η D-φρουκτόζη. Οι πιο συνηθισμένες πεντόζες είναι η D- ριβόζη και η δεσοξυριβόζη οι οποίες αποτελούν και βασικό στοιχείο της δομής των νουκλεϊνικών οξέων.

29 Ισομερή της γλυκόζης

30

31 Οι δισακχαρίτες προκύπτουν από αντίδραση πολυμερισμού (συμπύκνωση) ανάμεσα σε δύο μόρια μονοσακχαριτών και σχηματίζουν ένα δεσμό που ονομάζεται α-1-4 γλυκοζιδικός δεσμός απελευθερώνοντας ένα μόριο νερού. Έτσι: δύο μόρια γλυκόζης ένα μόριο α-μαλτόζης ένα α-d-γλυκόζης + ένα β-d-φρουκτόζης ένα μόριο σακχαρόζης (η κοινή ζάχαρη) ένα μόριο β-d-γλυκόζης + ένα μόριο β-d-γαλακτόζης ένα μόριο λακτόζης α-1-4 γλυκοζιδικός δεσμός

32 Συμπύκνωση και υδρόλυση

33 Δισακχαρίτες Σημαντικότεροι δισακχαρίτες : Σακχαρόζη α-d γλυκόζης + β-d φρουκτόζη 1,2-α δεσμός Λακτόζη β-d γλυκόζης + β-d γαλακτόζη 1,4-β δεσμός Μαλτόζη 2 μόρια α-d γλυκόζης 1,4 α δεσμός

34 Υδατάνθρακες Η μαλτόζη και η κελλοβιόζη είναι δισακχαρίτες, που σχηματίζονται με γλυκοζιδικό δεσμό μεταξύ C1 και C4 δύο σακχάρων. 34

35 Σχηματισμός γλυκοζιδικού δεσμού. Δύο απλά σάκχαρα συνδέονται μέσω μιας αντίδρασης αφυδάτωσης (μιας αντίδρασης κατά την οποία αφαιρούνται μόρια νερού). Στο παράδειγμα που παρουσιάζεται εδώ, δύο μόρια γλυκόζης σε α-στερεοχημική διάταξη συνδέονται με έναν δεσμό μεταξύ των ατόμων άνθρακα 1 και 4, ο οποίος γι αυτόν τον λόγο ονομάζεται γλυκοζιδικός δεσμός α(1 4). 35

36 Υδατάνθρακες Η σακχαρόζη (κοινή ζάχαρη) είναι το πιο άφθονο σάκχαρο στον πλανήτη. Είναι μίγμα 1:1 γλυκόζης και φρουκτόζης (με α- 1,2δεσμό). 36

37 Πολυσακχαρίτες Προϊόν περαιτέρω πολυμερισμού Πολλαπλά μόρια γλυκόζης σχηματίζουν μία αλυσίδα αμυλόζης. Το άμυλο είναι ένα μίγμα κατά 20% αμυλόζη και 80% αμυλοπηκτίνη (σειρές αμυλόζης συνδεδεμένες με δεσμό ανάμεσα σε άνθρακες 1 και 6). Το γλυκογόνο είναι ένα ακόμα πιο διακλαδισμένο πολυμερές γλυκόζης

38 Υδατάνθρακες Το άμυλο είναι άφθονο πολυμερές και απαντάται π.χ. στις πατάτες, το καλαμπόκι και τα δημητριακά Εξυπηρετεί ως αποθήκευση πηγής ενέργειας για τα φυτά Αποτελείται κατά 20% από αμυλόζη (α-1,4 πολυμερές της πυρανόζης) και 80% από αμυλοπηκτίνη (1,6 συνδεδεμένα πολυμερή αμυλόζης)

39 Αμυλόζη Γραμμικό α-1,4 πολυμερές γλυκόζης n γλυκόζης =100-5,000 και πλέον 20-30% της δομής του αμύλου Αδιάλυτη στο νερό Λόγω της πυκνής δομής της αποδομείται σχετικά δύσκολα

40 Αμυλοπηκτίνη Πολυδιακλαδωμένο πολυμερές της γλυκόζης : (α-1,4 πολυμερές της γλυκόζης), 1,6 συνδεδεμένα πολυμερή αμυλόζης κάθε μονομερή γλυκόζης n γλυκόζης =50, , % της δομής του αμύλου Υδατοδιαλυτός πολυσακχαρίτης Αποδομείται εύκολα

41 Αμυλοπηκτίνη Δεσμός 1-6

42 Πολυσακχαρίτες Αμυλόζη Αμυλοπηκτίνη

43 Το άμυλο στο καλαμπόκι 65-76% άμυλο σε ξηρή βάση (15% υγρασία σε φρέσκους πόρους) Παρόν ως σωματίδια Το υπόλοιπο είναι: 10% πρωτεΐνη, 5% έλαια και 10-15% ίνες και στάχτη

44 Ένζυμα για αποδόμηση του αμύλου Γλυκοαμυλάση: Εξωένζυμο Παράγει: β- γλυκόζη Υδρολύει 1,4 και 1,6 δεσμούς Η γλυκοαμυλάση είναι γνωστή και ως α- γλυκοσιδάση, αμυλογλυκοσιδ άση και γ- αμυλάση Οριακή δεξτρινάση: Υδρολύει 1,6 δεσμούς β-αμυλάση: Εξωένζυμο παράγει: β-μαλτόζη Υδρολύει δεσμούς 1,4 α-αμυλάση: Ενδοένζυμο Υδρολύει δεσμούς 1,4 Παράγει μαλτοπολυσακχαρίτες Στοιχειομετρία: 1 g αμύλου-> 1.11 g γλυκόζης

45 Ζελατινοποίηση του αμύλου Αδιάλυτα σωματίδια αμύλου Η θέρμανση σε νερό τα συσσωματώνει και τα διασπά Προκαλεί σημαντική αύξηση του ιξώδους Η θερμοκρασία ζελατινοποίησης εξαρτάται από το υλικό: Καλαμπόκι C Σίτος C Πατάτα C

46 Κυτταρίνη Δομικό υλικό των φυτών (διαδοχικός β-1,4 πολυμερισμός)

47 Λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα πλήρης από σάκχαρα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή βιοκαυσίμων, όμως είναι δύσκολα διαθέσιμα... Σχεδόν τα ¾ είναι υδατάνθρακες

48 Κυτταρίνη και ημικυτταρίνη Η κυτταρίνη σχηματίζεται από β-1-4 αντί για α-1-4 γλυκοζιδικό δεσμό. Ελάχιστοι οργανισμοί έχουν την δυνατότητα να διασπούν αυτό τον δεσμό και επομένως να μεταβολίζουν την κυτταρίνη (ιδανικό δομικό υλικό) Η κυτταρίνη μπορεί να διασπαστεί ενζυμικά και να δώσει κελλοβιόζη, που είναι ο δισακχαρίτης που σχηματίζεται από δεσμό β-1-4 δύο μορίων γλυκόζης. Η κυτταρίνη αποτελείται από άμορφες και από κρυσταλλικές περιοχές. Οι τελευταίες είναι ιδιαίτερα δύσκολα αποδομήσιμες. Το ξύλο περιέχει επίσης ημικυτταρίνη (διακλαδωμένο πολυμερές πεντοζών) και λιγνίνη, μία ιδιαίτερα περίπλοκη διακλαδωμένη αρωματική ένωση.

49 Τα φυτικά κυτταρικά τοιχώματα ένα δύσκολο υπόστρωμα Μερικοί τύποι λιγνοκυτταρίνης είναι κατασκευασμένοι να αντέχουν μέχρι και 2000 χρόνια

50 Δομή τοιχωμάτων φυτικών κυττάρων Μέσο έλασμα (Middle lamella) Κολλάει μεταξύ τους τα κύτταρα Πηκτίνη και λιγνίνη Πρωτογενές τοίχωμα Περικλείει αναπτυσσόμενα και διαιρούμενα κύτταρα Κυτταρίνη Ημικυτταρίνη (Πηκτίνη) Δευτερογενές τοίχωμα (S1,S2,S3) Σε πλήρως ανεπτυγμένα κύτταρα Κυτταρίνη (κυρίως) Ημικυτταρλινη Λιγνίνη (συγκολλητική ρητίνη)

51 Κυτταρίνη Πολυσακχαρίτης, αποτελούμενος από γραμμική β(1 4) αλυσίδα μονάδων γλυκόζης n γλυκόζης =εκατοντάδες-χιλιάδες Η κελλοβιόζη είναι η επαναλαμβανόμενη μονάδα Δομικός παράγοντας του πρωτογενούς κυτταρικού τοιχώματος των πράσινων φυτών Για βιομηχανική χρήση, η κυτταρίνη σήμερα λαμβάνεται κυρίως από ξύλο και βαμβάκι

52 Μικροϊνίδια κυτταρίνης Σύνδεση με δεσμούς υδρογόνου H σχηματίζοντας μικροϊνίδια 24 πολυμερή ανα μικροϊνίδιο Διάμετρος 3-5nm Κρυσταλλικές και άμορφες περιοχές Τα μικροϊνίδια οργανώνονται σε μεγαλύτερες μακροϊνες που ενσωματώνονται με την ημικυτταρίνη και την λιγνίνη

53 Ημικυτταρίνη Προσκολλάται σε μικροϊνίδια κυτταρίνης και τα συνδέει σχηματίζοντας δίκτυο Πολύπλοκη Η σύσταση εξαρτάται από την προέλευση: Μαλακό ξύλο γλυκομαννάνη, γαλακτογλυκομαννάνη Σκληρό ξύλο γλυκουρονοξυλάνη, γλυκομαννάνη Γρασίδι- αραβινοξυλάνη

54 Ημικυτταρίνη ετεροπολυμερή C6 σάκχαρα- γλυκόζη, μανόζη και γαλακτόζη C5 σάκχαρα ξυλόζη και αραβινόζη Οξέα σακχάρων: γλυκουρονικό οξύ και γαλακτουρονικό οξύ Ενώ η κυτταρίνη έχει κρυσταλλική, ισχυρή δομή και ανθίσταται στην υδρόλυση, η ημικυτταρίνη έχει μία τυχαία άμορφη δομή με μικρή ισχύ και υδρολύεται εύκολα με ασθενές οξύ ή βάση Αποτελείται από βραχύτερες αλυσίδες 500 3,000 μονάδων σακχάρων Η ημικυτταρίνη είναι διακλαδισμένο πολυμερές, ενώ η κυτταρίνη όχι Λειτουργεί ως κόλλα

55 Σάκχαρα ημικυτταρίνης C6 σάκχαρα C5 σάκχαρα Οξέα σακχάρων

56 Αραβινοξυλάνη στο γρασίσι (άχυρο) Σκελετός β-1,4 συνδεδεμένης ξυλάνης Πλευρικές ομάδες αραβινόζης Ακετυλιωμένος άνθρακας 6 στην ξυλόζη Αραβινόζη συνδεδεμένη με φερουλικό οξύ για σύνδεση με λιγνίνη Φερουλικό οξύ

57 Γλυκομαννάνη και γαλακτογλυκομαννάνη στην ξυλώδη βιομάζα Γλυκομαννάνη Γραμμική κυρίως β-1,4 σύνδεση μανόζης και γλυκόζης σε αναλογία 8:5 (περίπου) Μπορεί να ακετυλιωθεί στον άνθρακα 6 Γαλακτογλυκομαννάνη διακλαδωμένη β-1,4 σύνδεση μανόζης και γλυκόζης 1,6 συνδεδεμένες μονάδες γαλακτόζης σις μονάδες μανόζης Μπορεί να ακετυλιωθεί στους άνθρακες 2 και 3

58 Λιγνίνη Πολύπλοκο φαινολικό πολυμερές Υδροφοβική Σχηματίζει πλέγμα γύρω από τους πολυσακχαρίτες Προσδίδει αντοχή και ισχύ στην δομή Άμυνα κατά των εχθρών και παθογόνων Κάνει ομοιοπολικό δεσμό με την ημικυτταρίνη, π.χ. με αραβινοξυλάνη μέσω φερουλικού οξέος Η σύσταση σε μονομερή εξαρτάται πολύ από την προέλευση

59 Λιγνίνη

60 Bidlack et al Συνολική σύσταση φυτικών κυτταρικών τοιχωμάτων Άμορφο φαινολικο πολυμερές Λιγνίνη λειτουργεί συγκολλητικά και βοηθά στην άμυνα Μικροίνες κυτταρίνης Ημικυτταρίνες Συνδέεται με την κυτταρίνη και τη λιγνίνη

61 Άλλα συστατικά φυτικών κυττάρων Άμυλο Πρωτεΐνη Λιπίδια Κηροί Τανίνες Αρωματικές ενώσεις Χρωστικές ενώσεις Στάχτη (άλατα, πυριτικά, )

62 Φυτική ποικιλότητα Η λιγνοκυτταρική σύσταση είναι πολύ σημαντική για την αξιοποίηση της βιομάζας σε βιοδιϋλιστήριο!! Γρασίδι Καλάμια Μαλακό και σκληρό ξύλο

63 % Η σύσταση εξαρτάται από την προέλευση Other Lignin Arabinose Mannose Galactose Xylose Glucose 0 Softwood Hardwood Straw

64 g/100 g TS Η σύσταση εξαρτάται από τον τύπο του φυτού Protein Extractives Ash Klason lignin Hemicellulose Starch Cellulose Thomsen et al (2014) Compositional analysis and projected biofuel potentials from common West African agricultural residues

65 ΛΙΠΙΔΙΑ οι βιολογικές ενώσεις που είναι διαλυτές σε ομοιοπολικούς διαλύτες (π.χ. βενζόλιο, χλωροφόρμιο, αιθέρας) και πρακτικά αδιάλυτες στο νερό. Τα απλούστερα λιπίδια είναι τα κορεσμένα λιπαρά οξέα (n=12-20):

66 Δομή λιπαρών οξέων. Τα λιπαρά οξέα αποτελούνται από μακριές υδρογονανθρακικές αλυσίδες οι οποίες καταλήγουν σε μια καρβοξυλική ομάδα (COO ). Το παλμιτικό και το στεατικό οξύ είναι κορεσμένα λιπαρά οξέα με 16 και 18 άτομα άνθρακα αντίστοιχα. Το ελαϊκό οξύ είναι ένα ακόρεστο λιπαρό οξύ με 18 άτομα άνθρακα, το οποίο περιέχει έναν διπλό δεσμό μεταξύ των ατόμων άνθρακα 9 και 10. Επισημαίνεται ότι ο διπλός δεσμός προκαλεί κάμψη της υδρογονανθρακικής αλυσίδας.

67 Οι σάπωνες είναι άλατα Νατρίου των λιπαρών οξέων όπως και τα άλλα λιπίδια έχουν ένα υδρόφιλο και ένα υδρόφοβο άκρο όταν προστεθούν σε υδατικό διάλυμα μετακινούνται στην διεπιφάνεια νερού-αέρα όπου και προσανατολίζονται με το υδρόφιλο άκρο τους προς το νερό και το υδρόφοβο άκρο τους προς τον αέρα. Αυξάνοντας την συγκέντρωσή τους, φτάνουμε στο σημείο που σχηματίζεται πλήρες επιφανειακό στρώμα.

68 Περαιτέρω αύξηση οδηγεί στον σχηματισμό μυκηλλίων (micelles), δηλαδή συσσωματωμάτων που επιτρέπουν την προφύλαξη των υδρόφοβων άκρων Χαμηλή συγκέντρωση αέρας Υψηλή συγκέντρωση νερό διεπιφάνεια μικύλιο

69 Τα λίπη είναι ένας ιδιαίτερα συνηθισμένος τύπος λιπιδίων. Χρησιμεύουν για την αποθήκευση καυσίμων. Προκύπτουν από αντίδραση γλυκερόλης με τρία όμοια ή διαφορετικά λιπαρά οξέα:

70 Αποτελούνται από 1 μόριο γλυκερόλης μόρια λιπαρών οξέων (μονογλυκερίδια, διγλυκερίδια, τριγλυκερίδια) C H 2 O H HO - OC(CH 2 ) n1 - CH 3 C H 2 O - OC(CH 2 ) n1 - CH 3 C Η O H + HO - OC(CH 2 ) n2 - CH 3-3 H 2 O C Η O - OC(CH 2 ) n2 - CH 3 C H 2 O H HO - OC(CH 2 ) n3 - CH 3 C H 2 O - OC(CH 2 ) n3 - CH 3 Αντίδραση εστεροποίησης

71 Δομή τριακυλογλυκερόλης. Οι τριακυλογλυκερόλες (λίπη) περιέχουν τρία λιπαρά οξέα συνδεδεμένα σε γλυκερόλη. Σε αυτό το παράδειγμα, και τα τρία λιπαρά οξέα είναι μόρια παλμιτικού οξέος, αν και οι τριακυλογλυκερόλες περιέχουν συχνά μείγμα διαφορετικών λιπαρών οξέων.

72 Φωσφολιπίδια Αποτελούνται από 1 μόριο γλυκερόλης + 1ή 2 μόρια λιπαρού οξέος +1 μόριο φωσφορικού οξέος στο οποίο προσδένεται μια οργανική βάση αιθανολαμίνη, χολίνη ή σερίνη C H O - OC(CH 2 ) n1 - CH 3 2 Υδρόφοβο άκρο C Η O - C H O - 2 OC(CH 2 ) n2 - CH 3 O CH 3 O P - O - CH 2 CH 2 N CH 3 O - χολίνη CH 3 Υδρόφιλο άκρο

73 Φωσφολιπίδια Αποτελούν βασικό συστατικό των κυτταρικών μεμβρανών, δημιουργώντας μια διπλοστοιβάδα με τις υδρόφοβες περιοχές στο εσωτερικό και τις υδρόφιλες στο εξωτερικό Υδρόφιλες κεφαλές Υδρόφιλες κεφαλές Υδρόφοβα άκρα

74 Κυτταρική μεμβράνη χοληστερόλη γλυκοπρωτείνη χοληστερόλη διαμεμβρανική πρωτεΐνη α -έλικα χοληστερόλη λιπιδική διπλοστοιβάδα περιφερειακή πρωτεΐνη

75 Τέλος στην κατηγορία των λιπιδίων εντάσσουμε και τις βιταμίνες A, E, K, και D, καθώς και τις σημαντικές για τον ρυθμιστικό τους ρόλο ορμόνες, οι οποίες ανήκουν στην ομάδα των στεροειδών, που χαρακτηρίζονται από τη δομή:

76 ΠΡΩΤΕΙΝΕΣ έχουν μοριακό βάρος από έως είναι σφαιρικές ή ινώδεις.

77 Τις πρωτεΐνες κατατάσσουμε σε: Δομικές: αποτελούν βασικό υλικό για την δόμηση του κυτταρικού τοιχώματος, των μεμβρανών, κ.λ.π. π.χ. το κoλλαγόνο, η ελαστίνη και οι γλυκοπρωτείνες. Συσταλτικές: αποτελούν μέρος μηχανισμών κίνησης π.χ. βλεφαριδών, μαστιγίων και τριχών. Σ' αυτή την κατηγορία εντάσσεται η δυνείνη. Αποθηκευτικές: π.χ. η αλμπουμίνη στο αυγό και η καζείνη στο γάλα. Μεταφορικές: χρησιμεύουν στην μεταφορά κάποιων ουσιών, π.χ. περμεάσες, μυοσφαιρίνη και αιμοσφαιρίνη (για μεταφορά οξυγόνου). Προστατευτικές: παίζουν ρόλο στην άμυνα του οργανισμού, π.χ. αντισώματα και θρομβίνη Τοξίνες: προκαλούν δηλητηρίαση. Ορμόνες: παίζουν ρυθμιστικό ρόλο. Καταλυτικές: ένζυμα ρυθμίζουν όλες τις λειτουργίες του κυττάρου.

78 πρωτείνη = πολυμερές αμινοξέων Τα α-αμινοξέα είναι οπτικά ενεργές οργανικές ενώσεις. Διακρίνουμε πάντα δύο οπτικά (στερεο)ισομερή: Η Η Η 2 Ν C COOH HOOC C N Η 2 R R Μορφή L Μορφή R

79 Αμινοξέα 20 αμινοξέα αποτελούν τη βάση των πρωτεϊνών NH 2 Βασικός χημικός τύπος : H C COOΗ R Πλευρική αλυσίδα Οπτικά ενεργές ενώσεις H H H 2 Ν C COOΗ COOΗ C ΝH 2 L - μορφή R R D - μορφή

80 Αμινοξέα Βασικός χημικός τύπος : NH 2 H C COOΗ R Πλευρική αλυσίδα Οι πλευρικές αλυσίδες διαφέρουν ως προς Το μέγεθος Σχήμα Φορτίο Χημική αντιδρασιμότητα

81 Αμινοξέα Αλειφατικά Με υδροξυλικές ή θεϊκές αλυσίδες Κυκλικά

82 Αμινοξέα Αρωματικά Βασικά Όξινα 21/04/2018

83 Τα αμινοξέα σε διάλυμα είναι είτε διπολικά ιόντα, είτε θετικά ή αρνητικά φορτισμένα ανάλογα με το ph: H H H H 3 + N C C OOH H 3 + N C C OO - H 2 N C C OO - R R R διπολικό ιόν αυξανόμενο ph Το ph όπου παρατηρείται το διπολικό ιόν ονομάζεται ισοηλεκτρικό σημείο

84 Οι απλές πρωτείνες προκύπτουν από την αντίδραση συμπυκνώσεως διαδοχικών αμινοξέων τα οποία σχηματίζουν τον ονομαζόμενο πεπτιδικό δεσμό (~18-21 Kcal/mole):

85 Πεπτιδικός δεσμός

86 Το προϊόν συμπυκνώσεως έως 50 αμινοξέων ονομάζεται πολυπεπτίδιο. Οι πρωτείνες αποτελούν μεγαλύτερες αλυσίδες (τουλάχιστον αμινοξέα και μοριακό βάρος που υπερβαίνει το 10,000). Εκτός από αμινοξέα, οι πρωτείνες μπορεί να περιέχουν και άλλες προσθετικές ομάδες, οπότε ονομάζονται συζυγείς πρωτείνες.

87 Επίπεδα δομής πρωτεϊνών Η πρωτοταγής δομή Η δευτεροταγής δομή Η τριτοταγής δομή Η τεταρτοταγής δομή

88 Η πρωτοταγής δομή αναφέρεται στην σειρά των αμινοξέων που αποτελούν την πρωτείνη είναι ιδιαίτερα σημαντική μια και καθορίζει και όλα τα επόμενα επίπεδα.

89 Η δευτεροταγής δομή αναφέρεται στην δομική διάταξη αμινοξέων που γειτνιάζουν στην σειρά των αμινοξέων. έτσι διακρίνουμε την δομή σε: 1. α-έλικες κάθε καρβοξυλομάδα δημιουργεί ένα δεσμό υδρογόνου με την τρίτη αμινομάδα σε απόσταση απ' αυτήν, δημιουργώντας έτσι έναν έλικα με 3,6 αμινοξέα σε κάθε στροφή του έλικα. 2. β-φύλλα, παράλληλα ή αντιπαράλληλα, σχηματίζονται όταν όλες οι αλυσίδες αμινοξέων ευθυγραμμίζονται προς την ίδια ή την αντίθετη κατεύθυνση.

90 Δευτεροταγής δομή πρωτεϊνών. Οι πιο κοινοί τύποι δευτεροταγούς δομής είναι η α-έλικα και το β-φύλλο. Στην α-έλικα αναπτύσσονται δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των ομάδων CO και NH πεπτιδικών δεσμών που βρίσκονται σε απόσταση τεσσάρων αμινοξέων ο ένας από τον άλλο. Σε ένα β-φύλλο, οι δεσμοί υδρογόνου συνδέουν δύο τμήματα μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας που βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο. Δεν σημειώνονται οι πλευρικές αμινοξικές αλυσίδες.

91 Η τριτοταγής δομή αναφέρεται στο τρισδιάστατο σχήμα της πρωτεΐνης που προκύπτει από τις αναδιπλώσεις της αλυσίδας λόγω αλληλεπιδράσεων ομάδων R που απέχουν σημαντικά. Ιδιαίτερα σημαντικός ο δισουλφιδικός δεσμός (-S-S-) που προκύπτει από την αντίδραση δύο κυστεϊνών (R= -SH). Η τριτοταγής δομή χάνεται με την θέρμανση ή με σημαντικές μεταβολές της οξύτητας του διαλύματος, μία διαδικασία που ονομάζεται μετουσίωση, και που μπορεί να είναι αντιστρεπτή, αν εκλείψει το αίτιο της μετουσίωσης. Η τριτοταγής δομή είναι ιδιαίτερα σημαντική για τα ένζυμα τα οποία χάνουν την καταλυτική τους ιδιότητα όταν μετουσιωθούν, δηλαδή χάσουν την τριτοταγή δομή τους.

92 Τριτοταγής δομή ριβονουκλεάσης. Η αναδίπλωση περιοχών με δευτεροταγή δομή α-έλικας και β-φύλλου οι οποίες συνδέονται με βρόχους οδηγεί στον σχηματισμό της φυσιολογικής διαμόρφωσης της πρωτεΐνης στον χώρο. Σε αυτή τη σχηματική απεικόνιση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας με μορφή ταινίας, οι α- έλικες παρουσιάζονται ως σπειράματα και τα β-φύλλα ως πεπλατυσμένα βέλη.

93 η τεταρτοταγής δομή αναφέρεται στην ύπαρξη πολλαπλών πολυπεπτιδικών αλυσίδων. παράδειγμα αποτελεί η αιμοσφαιρίνη η οποία αποτελείται από τέσσερις ομάδες αίμης και ένα ιόν σιδήρου.

94 Τεταρτοταγής δομή αιμοσφαιρίνης. Η αιμοσφαιρίνη αποτελείται από τέσσερις πολυπεπτιδικές αλυσίδες, καθεμία από τις οποίες συνδέεται με μια ομάδα αίμης. Οι δύο αλυσίδες α και οι δύο αλυσίδες β είναι πανομοιότυπες. 94

95 21/04/2018 Τεταρτοταγής δομή : μυογλοβίνη

96 Τα ένζυμα έχουν ιδιαίτερη σημασία μια και αποτελούν τους καταλύτες που είναι απαραίτητοι για όλες τις βιοχημικές αντιδράσεις. τα ονόματα των ενζύμων λήγουν σε -άση και χαρακτηρίζουν τη βασική αντίδραση που καταλύουν. Έτσι: οξειδοαναγωγάσες ονομάζονται τα ένζυμα τα οποία καταλύουν οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις υδρολάσες τα ένζυμα που καταλύουν υδρολυτικές αντιδράσεις ισομεράσες τα καταλύοντα αντιδράσεις ισομερισμού κ.ο.κ.

97 Διαφορές ενζύμων από τους συνήθεις χημικούς καταλύτες: δρουν πολύ πιο εξειδικευμένα συχνά απαιτούν συνένζυμα (συνεργές ουσίες) χαρακτηρίζονται από κάποια βέλτιστη θερμοκρασία είναι σημαντικά ταχύτερα στην δράση τους είναι λιγότερο ανθεκτικά

98 Ομοιότητες ενζύμων με χημικούς καταλύτες παρεμποδίζονται συχνά από τα προϊόντα των αντιδράσεων που καταλύουν σε ορισμένες περιπτώσεις δηλητηριάζονται αναντίστρεπτα.

99 Θεωρίες για τον καταλυτικό μηχανισμό εν γένει δημιουργείται ένα σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος, που επιτρέπει την δημιουργία των κατάλληλων συνθηκών για αντίδραση κατά μία θεωρία η συμπλοκοποίηση επιτρέπει την προσέγγιση των υποστρωμάτων κατά μία άλλη προσδίδει στο υπόστρωμα τον κατάλληλο προσανατολισμό, κατά μία τρίτη η συμπλοκοποίηση αλλάζει την δομή του υποστρώματος καθιστώντας το αντιδράσιμο. Όλες αυτές οι θεωρίες έχουν κάποια μοριακή βάση Ανάλογα με την περίσταση ο ένας ή ο άλλος μηχανισμός είναι υπεύθυνος για την παρατηρούμενη καταλυτική δράση. Το ένζυμο είναι κατασκευασμένο ούτως ώστε να ταιριάζει με το υπόστρωμα σαν κλειδί σε κλειδαριά. Σ' αυτό οφείλεται ότι το ένζυμο αδρανοποιείται όταν χάσει την τριτοταγή δομή του, καθώς και η τρομερή εξειδίκευση τους.

100 Σύμπλοκο ενζύμου - υποστρώματος

101 Ενζυμική κατάλυση μιας αντίδρασης ανάμεσα σε δύο υποστρώματα. Το ένζυμο παρέχει μια μήτρα επάνω στην οποία τα δύο υποστρώματα έρχονται στην κατάλληλη θέση και με τον κατάλληλο προσανατολισμό, ώστε να αντιδράσουν μεταξύ τους. 101

102 ΥΒΡΙΔΙΚΕΣ ΒΙΟΧΗΜΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ η πεπτιδογλυκάνη : βασικό συστατικό των κυτταρικών τοιχωμάτων αποτελεί υβρίδιο υδατανθράκων και πρωτεϊνών. Ν-ακετυλομουραμικό οξύ β-1-4-γλυκοζιδικός δεσμός Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη τετραπεπτίδιο πενταπεπτίδιο

103 ΥΒΡΙΔΙΚΕΣ ΒΙΟΧΗΜΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ oι λιποπολυσακχαρίτες (LPS), υβρίδια λιπιδίων και υδατανθράκων αποτελούν σημαντικό συστατικό της κυτταροπλασματικής μεμβράνης. οι γλυκοπρωτείνες είναι υβρίδια πρωτεϊνών και μονοσακχαριτών ή ολιγοσακχαριτών. Σ' αυτή την κατηγορία ανήκουν τα αντισώματα, οι κύριοι ανοσολογικοί παράγοντες των σπονδυλωτών.

104 ΤΑ ΝΟΥΚΛΕΪΝΙΚΑ ΟΞΕΑ το RNA (ριβοζονουκλεϊνικό οξύ) και το DNA (δεσοξυριβοζονουκλεϊνικό οξύ) Λέγονται και πληροφορικά βιομόρια λόγω του ρόλου που παίζουν στην μεταβίβαση της γενετικής πληροφορίας από γενεά σε γενεά. Τα νουκλεϊνικά οξέα δημιουργούνται από πολυμερισμό ενός μονομερούς που ονομάζεται νουκλεοτίδιο

105 Δομή Νουκλεοτιδίου ένα μόριο φωσφορικού οξέος. ένα μόριο πεντόζης, ριβόζης για το RNA και δεσοξυριβόζης για το DNA. ένα μόριο νιτρογενούς βάσης, πουρίνης ή πυριμιδίνης.

106 Πουρίνη αδενίνη (A) ή γουανίνη (G) Πυριμιδίνη Κυτοσίνη (C), Θυμίνη (T), ή Ουρακίλη (U) Τ μόνο στο DNA, U μόνο στο RNA

107 Βάσεις Πουρίνες

108 Βάσεις Πυριμιδίνες

109 Βασική δομή νουκλεοτιδίου 5 (A,T,G,C, ή U) (δεσοξυριβόζη ή ριβόζη)

110 ATP η μονοφωσφορική αδενοσίνη ή AMP (adenosine monophosphate) η οποία περιέχει αδενίνη ως νιτρογενή βάση και ριβόζη ως πεντόζη. Η AMP αντιδρά με ένα ή δύο φωσφορικά για να δώσει διαδοχικά διφωσφορική και τριφωσφορική αδενοσίνη (ADP και ATP) σχηματίζοντας τους ονομαζόμενους φωσφοδιεστερικούς δεσμούς: AMP ADP ATP Βασικός μηχανισμός δέσμευσης και μεταφοράς ενέργειας για το κύτταρο. Η διάσπαση κάθε φωσφοδιεστερικού δεσμού αποδίδει 7,3 kcal/mole στους 37 ο C και σε ph 7. Η AMP αποτελεί σημαντικό συνένζυμο για βασικές ενζυμικές αντιδράσεις του κυττάρου.

111

112 Τα νουκλεϊνικά οξέα σχηματίζονται από την συνεχή αντίδραση συμπυκνώσεως νουκλεοτιδίων ανάμεσα στους άνθρακες 3' και 5' διαδοχικών πεντοζών μέσω του φωσφορικού που περιέχεται σε κάθε νουκλεοτίδιο:

113 Νουκλεϊκά οξέα 5 άκρο DNA RNA 5 άκρο 3-5 φωσφοδιεστερικός δεσμός 3-5 φωσφοδιεστερικός δεσμός 3 άκρο 3 άκρο

114 DNA και RNA Το πολυμερές που προκύπτει με αυτό τον τρόπο αποτελεί ένα κλώνο (strand) DNA ή RNA, ανάλογα με το αν η πεντόζη είναι ριβόζη ή δεσοξυριβόζη. το 1953 Watson και Crick: το DNA αποτελείται από δύο κλώνους πολυνουκλεοτιδίων περιπλεγμένους σε μία διπλή έλικα. Τον σκελετό αποτελεί η διαδοχή φωσφορικού και δεσοξυριβόζης, ενώ στο εσωτερικό δημιουργούνται δεσμοί υδρογόνου ανάμεσα σε συμπληρωματικές νιτρογενείς βάσεις από το συμπληρωματικό κλώνο. Συγκεκριμένα κάθε πουρίνη σχηματίζει δεσμό υδρογόνου με κάποια αντίστοιχη πυριμιδίνη. H Γουανίνη σχηματίζει τρεις δεσμούς υδρογόνου με την αντίστοιχη Κυτοσίνη, H Αδενίνη σχηματίζει δύο δεσμούς υδρογόνου με την αντίστοιχη Θυμίνη (ή Ουρακίλη για το RNA).

115 G C A T ή U Μ' αυτό τον τρόπο οι δύο κλώνοι είναι συμπληρωματικοί και προσδιορίζονται από την σειρά νιτρογενών βάσεων, π.χ.: 5'CGATTCGGATT3' 3'GCTAAGCCTAA5'

116 Θυμίνη Αδενίνη Κυτοσίνη Γουανίνη

117 DNA κάθε κλώνος προσδιορίζει επακριβώς τον συμπληρωματικό του: το κλειδί της αντιγραφής του DNA η πληροφορία βρίσκεται υπό μορφή κώδικα, του γενετικού κώδικα, στη σειρά με την οποία εναλλάσσονται οι τέσσερις νιτρογενείς βάσεις. η σχετική περιεκτικότητα ενός μορίου DNA σε ζεύγη G-C έναντι A-T ποικίλλει από 23% έως 75% και προσδιορίζει και την ισχύ της ένωσης των δύο κλώνων μια και το πρώτο ζεύγος περιλαμβάνει τρεις αντί δύο δεσμών υδρογόνου. η θερμοκρασία τήξης (αναδίπλωσης) των κλώνων είναι συνάρτηση αυτής της περιεκτικότητας.

118

119 DNA Οι προκαρυωτικοί οργανισμοί χαρακτηρίζονται από ένα μόνο κυκλικό μόριο DNA (χρωμόσωμα) μοριακού βάρους, π.χ. για το βακτήριο E.Coli, MW= 2 x 10 9, που περιέχει 4,7 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων. Οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί περιέχουν την γενετική τους πληροφορία σε πολλά χρωματοσώματα τα οποία εκτός από νουκλεϊνικά οξέα περιέχουν και κάποιες πρωτείνες που ονομάζονται ιστόνες. Το DNA εκτός από τα χρωματοσώματα ευρίσκεται και σε μικρότερα κυκλικά κομμάτια, τα πλασμίδια, μεγέθους 4 έως 50 χιλιοβάσεων, με ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο στη γενετική μηχανική.

120 RNA To RNA βοηθά στην ανάγνωση και έκφραση της πληροφορίας που περιέχεται στο DNA. Δομικά το RNA μοιάζει με το DNA, με τις βασικές διαφορές ότι περιέχει: ριβόζη αντί για δεσοξυριβόζη oυρακίλη αντί για θυμίνη.

121 Διακρίνουμε τρία βασικά είδη RNA: 1. Αγγελιοφόρο RNA (mrna), το οποίο σχηματίζεται επί τη βάσει του DNA, χρησιμοποιώντας το ως εκμαγείο, με μία διαδικασία που ονομάζεται μεταγραφή. Κατά την μεταγραφή σχηματίζεται το μήνυμα RNA, κατασκευάζοντας ένα πολυνουκλεοτίδιο το οποίο είναι συμπληρωματικό ενός τμήματος DNA (που ονομάζεται γόνος). H σειρά κατασκευάζεται με ζευγάρωμα βάσεων θέτοντας A, U (αντί για Τ), G και C έναντι των βάσεων T, A, C και G του DNA αντίστοιχα. 2. Το μήνυμα "διαβάζεται" στα ριβοσωμάτια, τα οποία αποτελούνται από πρωτείνες και το δεύτερο είδος RNA, το ριβοσωματικό RNA. 3. Τέλος το μεταφορικό RNA συμμετέχει στην μετάφραση του κώδικα που περιέχεται στο μήνυμα RNA. Η μετάφραση αυτή γίνεται στα ριβοσωμάτια και οδηγεί στο τελικό προϊόν, που είναι οι πρωτείνες.