Margrét Auður Sigurbjörnsdóttir

Transcript

1 Margrét Auður Sigurbjörnsdóttir

2 Þörf endurnýjanlegra orkugjafa Jarðefnaeldsneyti er til í takmörkuðum námum og endurnýjast ekki í takti við notkunina Munu hverfa endanlega Notkun þeirra fylgir mengun Mikil þörf fyrir að finna endurnýjanlega orkugjafa sem geta leyst jarðefnaeldsneyti af hólmi Ekki síst til að sporna við aukinni losun koltvísýrings út í andrúmsloftið Endurnýjanleg orka á uppruna sinn í sólinni Sólarljós, vindur, vatnsorka, lífmassi

3 Vetni sem orkuberi Vetni Hrein endurnýjanleg orka Hefur mestu orkuinnihald miðað við þyngd Er án kolefna notkun mun leiða til minnkunar á CO 2 H 2 frá endurnýjanlegu hráefni má líta á sem fullkominn hreinan orkugjafa

4 Framleiðsla á vetni Rafgreining á vatni Úr jarðefna samböndum Með líffræðilegum aðferðum LífVetni (BioHydrogen) Langmest af vetni í dag kemur úr metan og með rafgreiningu

5 Comparison of energy and emissions of combustable fuels Fuel type Energy/unit (MJ/kg) Energy/vol (MJ/l) Kg of C release/kg fuel used Hydrogen gas Hydrogen liquid 120 8,5 0 Coal Natural gas Petrol , Oil Diesel Bio-Diesel Ethanol Charcoal Agric. Residues Wood From Vijayaraghavan & Soom, 2005 (Int. J. Hydrogen Energy)

6 Raunveruleikinn Tiltölulega auðvelt er að framleiða vetni en í dag eru engin kerfi notuð á heimilum eða í iðnaði Spurningin er hvort hægt sé að nota framleiða vetni úr lífmassa þannig að hægt sé að keyra á efnarafala í þeim skala sem til þarf Vandamál: Vísindamenn talast ekki við. Efnaverkfræðingar vita ekki um hraða á vetnisframleiðslu örvera og örverufræðingar vita ekki um þá tækni sem liggur á baki efnarafölum. Oft eru einingar á vetnisframleiðslu ruglandi Gerir samanburð á kerfum flóknari

7 Mismunandi gerðir LífVetnis Bein Ljóstillífun (Direct biophotolysis) Grænþörungar Óbein Ljóstillífun (Indirect biophotolysis) Cyanobacteria Ljóstillífun og gerjun (Photofermentation) Fjólubláar non sulfur bakteríur Gerjun (Fermentation) Loftfirrtar bakteríur

8 Gerjun

9 Gerjun

10 Gerjun Loftfirrtar bakteríur, bæði miðlungshitakærar, hitakærar og háhitakærar C 6 H 12 O H 2 O 2 CH 3 COOH + 2CO 2 + 4H 2 C 6 H 12 O H 2 O CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2CO 2 +2H 2 Hrein gerjun sykra í ediksýru gefur mest H 2 Raunveruleikinn: Blanda af ediksýru og smjörsýru Einnig oft aðrar afoxaðar lokaafurðir eins og etanól og mjólkursýra minni vetni

11 Gerjun Hlutþrýstingur vetnis (ph2) er mjög mikilvægur þegar vetni er framleitt Ensímin sem koma við sögu eru hindruð af auknum styrk vetnis í ræktuninni H 2 ph 2 H 2 og Afoxaðar afurðir Thermodynamics: T C ph 2 hefur minni áhrif Þetta þýðir að þeim mun hærra sem hitastigið er þeim mun líklegra er að fá mest af ediksýru og vetni og minna af afoxuðum afurðum. Bestu stofnarnir eru háhitakærir (Caldicellulosiruptor og Thermotoga); > 3 mól H2/mól hexósu

12 Gerjun Glucose Pyruvate Pyruvate: formate lyase Pyruvate + CoA acetyl-coa + formate Kjörfrjálsar bakteríur Pyruvate: ferredoxin oxido reductase Pyruvate + CoA + 2 Fd (ox) acetyl-coa + CO2 + 2 Fd (red) Loftfirrtar bakteríur

13 Ræktunaraðstæður ph 2, HRT (hydrolytic retention time) ph pgas Hráefni Sumar bakteríur geta notað sterkju og xylan Skolp, lífrænn úrgangur, afrennslisvatn verksmiðja Óraunhæft að miða við einfaldar syrkrur og hreinræktir Miklar rannsóknir í LífVetni í dag sem beinast einna helst að: Að auka hraðann á vetnisframleiðslunni Að auka nýtnina á vetnisframleiðslunni

14 Af hverju hitakærar bakteríur? Kostir hitakærra baktería umfram miðlungshitakærra eru ýmsir Meiri vaxtarhraði Meiri hvarfefnabreidd Meiri heimtur Hlutþrýstingur vetnis hefur minni áhrif á framleiðsluna við hærra hitastig Hitakærar bakteríur finnast víða í umhverfinu, t.d. í heitum hverum Grensdal við Hveragerði Krafla Námaskarð

15 Rannsóknir við Háskólann á Akureyri Rannsóknir búnar að vera í gangi síðan 2004 Einn þeirra vetnisframleiðandi stofna sem búið er að rannsaka er AK 14 Niðurstöður birtar í IAS í október 2010

16 Tilraunir sem gerðar voru Kjörhita- og sýrustig Áhrif upphafsstyrk hvarfefnis Hvarfefnabreidd Áhrif hlutþrýsting vetnis á vetnisframleiðslu Gerjun flókins lífmassa (hýdrólýsata)

17 Niðurstöður Stofninn vex á þröngu hitastigsbili C, kjörhitastig 50 C Stofninn vex við sýrustig á bilinu ph opt 6.5 Skyldastur Anaerobacter polyendosporus (95.1%) en er einn skyldur mörgum tegundum innan Clostridium Úr glúkósa framleiðir stofninn: 20 mm glúkósi 2.8 mm EtOH mm ediksýra mm smjörsýra mm H mm CO2 Úr xýlósa framleiðir stofninn: 20 mm xýlósi 0.0 mm EtOH mm ediksýra mm smjörsýra mm H mm CO2

18 Niðurstöður - hvarfefnabreidd Stofninn framleiðir vetni úr bæði C5 og C6 sykrum ásamt því að geta notað tvísykrur og flóknar fjölliður Hvarfefnabreidd skiptir miklu máli ef horft er til framleiðslu úr flóknum lífmassa Er týpískur ediksýru/smjörsýru framleiðandi

19 Niðurstöður áhrif ᵨH2

20 Niðurstöður áhrif upphafsstyrk hvarfefnis Mikilvægt er að vita hversu mikinn styrk hvarfefnis stofninn þolir áður en hindrunaráhrifa fer að gæta Of hár hvarfefnastyrkur stöðvar framleiðsluna Hefur áhrif á sýrustig ætisins sem einnig getur haft hindrandi áhrif á vöxt stofnsins Hindrun > 30 mm

21 Niðurstöður gerjun flókins lífmassa

22 Umræður Greinilegt er að margir umhverfisþættir er mikilvægir hvað varðar vetnisframleiðslu hitakærra baktería: ph2 Upphafs styrkur hvarfefna Forðmeðhöndlunaraðferðir ph

23 Lífeldsneytis verkefnið Farið var á hverasvæði í Grensdal 2009 og háhitakærar bakteríur auðgaðar á glúkósa, sellulósa og hýdrólýsötum úr grasi. Búið er að einangra 66 stofna sem sumir hverjir sýna mjög góða framleiðslugetu Sellulósa stofnar 15 Glúkósa stofnar 18 Hýdrólýsat stofnar 33

24 Endproduct mmol/l End products (mmol/l) Dæmi um niðurstöður Ethanol Acetate H2 Ethanol Acetate Hydrogen control Glucose Xylose Cellulose Grass 0 Control Xyl_1 Xyl_2 Glu_1 Glu_2 Substrate Substrates

25 Niðurstöður Nýjustu niðurstöður á framleiðslu lokaafurða hjá einangruðum stofnum hafa sýnt fram að margir þeirra eru mjög góðir etanólframleiðendur en þetta kemur á óvart þar sem einangrað var við mjög hátt hitastig

26 Næstu skref Fullgreina einangraða stofna 16S rrna Velja bestu stofnana hámarka vetnisframleiðslu Nota bestu stofnana saman við metanbakteríur lokaðar ræktir síræktir Flókinn lífmassi sykrur H2 + CO2 + Ediksýra H2 + CO2 CH4 Ediksýra CH4