ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Βιοτεχνολογία. Βιοτεχνολογικές εφαρμογές Διδάσκουσα: Αναπλ. Καθ. Άννα Ειρήνη Κούκκου

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Βιοτεχνολογία Βιοτεχνολογικές εφαρμογές Διδάσκουσα: Αναπλ. Καθ. Άννα Ειρήνη Κούκκου

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

3 Βιομηχανική παραγωγή βιο-αιθανόλης

4 Πηγές για παραγωγή αιθανόλης Υποπροϊόντα βιομηχανιών σάκχαρης (μελάσες, σιρόπια, κλπ.) Σακχαρούχα γεωργικά προϊόντα (σακχαροκάλαμο, σακχαρότευτλα, σακχαρόχορτα, κλπ.) Δημητριακά (σιτάρι, καλαμπόκι, ρύζι, κλπ.) Βολβοί (πατάτες κλπ.) Διάφορα (αλεύρι φοινικόδεντρων, πολυσακχαρίτες που απομένουν μετά την εκχύλιση των λιπιδίων από καρύδια κλπ.)

5 Παραγωγή αιθανόλης από κυτταρινική βιομάζα Κυτταρίνη Γλυκόζη Γλυκόζη-6-Ρ Γλυκερόλη Φωσφο-ενολο-πυροσταφυλικό Ακετυλο-CoA CO 2 Ακεταλδεΰδη Αιθανόλη

6 β 1,4-γλυκοσιδικός δεσμός α 1,4-γλυκοσιδικός δεσμός H CH 2 OH O OH H H OH H O H OH H OH H O CH 2 OH H CH 2 OH O OH H H OH H O H CH 2 OH O OH H H OH H κυτταρίνη άμυλο

7 Κυτταρίνη Η αλυσίδα γλυκόζης της κυτταρίνης Σχηματική απεικόνηση δεσμών υδρογόνου ανάμεσα σε μόρια γλυκόζης της κυτταρίνης

8 Σύσταση κυτταρινικών υποστρωμάτων % κυτταρίνη % ημικυτταρίνη % λιγνίνη ξύλο χορτάρι φύλλα Ημικυτταρίνες: με υδρόλυση (γλυκόζη, μαννόζη, γαλακτόζη, πεντόζες)

9 λιγνίνη

10 Επεξεργασία λιγνινοκυτταρικού συμπλόκου φυσικές χημικές (κατεργασία με Ca 2 SO 3 ) Βιολογικές (Sporotrichum pulverulentum)

11 Έκκριση κυτταρινασών Βακτήρια Cellulomonas Streptomyces Μύκητες Trichoderma Penicillium Thermoascus Sporotrichum Humicola Ενζυμική υδρόλυση κυτταρίνης για παραγωγή ενέργειας Παραγωγή κυτταρινασών, εφαρμογές Ενδογλυκανάσες, εξωγλυκανάσες, κελλοβιοϋδρολάσες ή β-γλυκοσιδάσες

12 Για τη μετατροπή κυτταρινούχων πρώτων υλών σε αιθανόλη έχουν χρησιμοποιηθεί μικτές καλλιέργειες Clostridium thermocelium (εξόζες) Clostridium thermosaccharolyticum (πεντόζες) Υγρά απόβλητα επεξεργασίας χαρτιού από κωνοφόρα δέντρα (εξόζες) Υγρά απόβλητα επεξεργασίας χαρτιού από φυλλοβόλα δέντρα (πεντόζες)

13 Παραγωγή αιθανόλης από αμυλούχες πηγές Αμυλούχο υπόστρωμα (+αμυλάση, Ca 2+, H 2 O) Θέρμανση C Ψύξη Υγροποίηση C Υδρόλυση αμύλου C Ζύμωση C Διαχωρισμός Απόσταξη κυτταρικό υλικό Αιθανόλη 94,5 % w/v

14 Αλκοολική ζύμωση ph σάκχαρα 15-20% K +, Na +, NH3, P, Mg 2+, Ca 2+, βιταμίνες αναερόβιες συνθήκες, S. cerevisae Απόσταξη Πρώτη απόσταξη για απομάκρυνση όλων των πτητικών (αλδεΰδες) Επαναπόσταξη (αζεοτροπικό μίγμα, 96.5% v/v) Προσθήκη βενζολίου για απομάκρυνση νερού σε ποσοστό 99.4%.

15 Παραγωγή Βιοαερίου (μίγμα CH 4, CO 2 )

16 Επεξεργασία υγρών λυμάτων Αερόβια Αναερόβια

17 αερόβια Επεξεργασία υγρών αποβλήτων αναερόβια

18 CO 2 + H 2 O 0.5 kg Διαλυτό BOD 1 kg Αερόβια διαδικασία Nέα βιομάζα 0.5 kg Bιοαποδομήσιμο COD 1 kg Aναερόβια διαδικασία CH 4 αέριο > 0.9 kg Nέα βιομάζα < 0.1 kg Biochemical Oxygen Demand, BOD Chemical Oxygen Demand, COD

19 Ενέργεια Γλυκόζη Πυροσταφυλικό Αιθανόλη Ηλεκτρόνια Αναερόβια ζύμωση γλυκόζης σε αιθανόλη Eνέργεια Γλυκόζη Πυροσταφυλικό CO 2 + H 2 O SO 4 2- CO 2 NO 3 - Ηλεκτρόνια H 2 S CH 4 N 2 Αναερόβια αναπνοή της γλυκόζης Δέκτες ηλεκτρονίων O 2 > NO 3 - > SO 4 2- > CO 2

20 Η αναερόβια επεξεργασία λυμάτων περιλαμβάνει 4 κύρια βιολογικά στάδια: Υδρόλυση ζύμωση Οξογένεση Μεθανογένεση

21 Στάδια αναερόβιας επεξεργασίας Bιοαποδομήσιμα απορρίματα 1 Πρωτεΐνες και υδατάνθρακες 1 Λιπίδια 1 1 Πτητικά λιπαρά οξέα (προπιονικό, βουτυρικό) 1 Αμινοξέα και απλά σάκχαρα Μακράς αλυσίδας λιπαρά οξέα Οξικό οξύ 5 3 H 2 και CO 2 4 CH 4 και CO 2

22 Στάδια της αναερόβιας πέψης Μακρομόρια μετατρέπονται σε απλά μονομερή Απλά μονομερή μετατρέπονται σε πτητικά λιπαρά οξέα Πτητικά λιπαρά οξέα μετατρέπονται σε οξικό οξύ, CO 2 και H 2 Οξικό οξύ μετατρέπεται σε CH 4 και CO 2, καθώς καταναλώνεται το H 2

23 Υδρόλυση Δυνητικά αερόβια και αναερόβια Περιορισμός δράσης από υψηλό οργανικό φορτίο

24 Υδατάνθρακες Απλό σάκχαρο άμυλο κυτταρίνη κοινοί υδατάνθρακες

25 Πρωτεΐνες H O R C C NH 2 R O N C C H H O H H O R C C O H NH 2 αμινοξύ Πεπτιδικός δεσμός

26 Λίπη Ενώσεις που αποτελούνται από λιπαρά οξέα και αλκοόλες R O C R O C R O C O O O H CH CH CH H Λιπαρό οξύ R C O O H

27 Στάδιο 2 - Ζύμωση Σάκχαρα, αμινοξέα και λιπαρά οξέα μετατρέπονται σε (C3 και C4) πτητικά λιπαρά οξέα (76%), H 2 (4%), και οξικό οξύ (20%) Βέλτιστη ανάπτυξη σε ph 6 Παράγεται NH 3 από τα αμινοξέα

28 Πτητικά λιπαρά οξέα Οξικό οξύ O CH 3 C O H Προπιονικό οξύ CH 3 CH 2 C Βουτυρικό οξύ CH 3 CH 2 CH 2 C O O H O O H

29 Ζυμωτικά βακτήρια (1) Αυτή η ομάδα βακτηρίων είναι υπεύθυνη για τα πρώτα στάδια της πέψης (υδρόλυση και ζύμωση). Τα βακτήρια είναι είτε δυνητικά είτε αυστηρά αναερόβια που ανήκουν στις οικογένειες των Streptococcaceae και Enterobacteriaceae και τα πιο κοινά γένη είναι: Bacteroides, Clostridium, Butyrivibrio, Eubacterium, Bifidobacterium και Lactobacillus

30 Στάδιο 3 - οξογένεση Πτητικά λιπαρά οξέα μετατρέπονται σε οξικό (68%) και H 2 (32%) Υδρογονοπαραγωγά οξικά βακτήρια(3) Αυτή η ομάδα βακτηρίων μεταβολίζει προπϊονικό και άλλα οργανικά οξέα (>C-2), αλκοόλες και αρωματικές ενώσεις (π.χ. βενζοϊκό) σε οξικό και CO 2. CH 3 CH 2 COO - CH 3 COO - + CO 2 + H 2

31 Ομο-οξικά βακτήρια Clostridium aceticum και Acetobacterium woodii έχουν απομονωθεί από ενεργή λάσπη Χρησιμοποιούν H 2 και CO 2 παράγοντας οξικό Εχουν μεγάλη θερμοδυναμική αποδοτικότητα ώστε δεν υπάρχει συσσώρευση H 2 and CO 2 κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης σε ποικίλες οργανικές ενώσεις. CO 2 + H 2 CH 3 COOH + 2H 2 O

32 Mεθανογέννεση Υποχρεωτικά αναερόβια (μικρότερος ρυθμός ανάπτυξης) Ανήκουν σε ιδιαίτερη ομάδα προκαρυωτικών μικροοργανισμών, τα αρχαία (Archaebacteria), τα οποία διαφέρουν από τα βακτήρια. Χρησιμοποιούν και H 2 για παραγωγή μεθανίου, απομακρύνοντας έτσι το H 2 από το σύστημα ph Ευαίσθητα σε θερμοκρασιακές αλλαγές Η συνεύρεση των οξικών μικροοργανισμών με τα μεθανογενή βακτήρια που καταναλώνουν H 2 βοηθά στη μείωση της συγκέντρωσης του H 2 κάτω από τη συγκέντρωση αναστολής ώστε να μην καταστέλλονται τα βακτήρια που αποδομούν προπϊονικό οξύ. H 2 (100 ppm)

33 ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΣ ΦΑΚΕΛΟΣ ΑΡΧΑΙΩΝ - ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ ΑΡΧΑΙΑ ΒΑΚΤΗΡΙΑ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟ ΤΟΙΧΩΜΑ ψευδοπεπτιδογλυκάνη πεπτιδογλυκάνη ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ Χειρομορφία γλυκερόλης L D Λιπίδια Αιθερικός δεσμός Εστερικός δεσμός Παράπλευρη αλυσίδα λιπιδίων Ισοπρενικές αλυσίδες λιπαρά οξέα

34 Βιοαέριο Matter % Methane, CH Carbon dioxide, CO Nitrogen, N Hydrogen, H Hydrogen sulphide, H 2 S 0-3 Oxygen, O 2 0-2

35

36 Βακτήρια Υδρόλυση ανθεκτικά ζύμωση Οξογένεση ευαίσθητα Μεθανογένεση

37 Βακτήρια : περιβαλλοντικές συνθήκες αυστηρά αναερόβια δυνητικά αναερόβια Διαλυμένο οξυγόνο αυστηρά αερόβια μεσόφιλα θερμόφιλα Θερμοκρασία o C o C ph Οξοπαραγωγά μεθανοπαραγωγά Τοξικότητα (NH 3, H 2 S, metals) λειτουργικά παρεμπόδιση αναστολή

38 Επίδραση της θερμοκρασίας Χρόνος για το 90% της πέψης μεσόφιλα θερμόφιλα Θερμοκρασία (C)

39 Αναερόβια επεξεργασία Τα βακτήρια είναι ευαίσθητα σε: Oξυγόνο Θερμοκρασία (35 o βέλτιστη - μεσόφιλα) ph (σταθερό και ελαφρά όξινο) Tοξικές ενώσεις (H 2 S, NH 3, μέταλλα) Βελτιστοποίηση και έλεγχος βιοαντιδραστήρα αναερόβιας πέψης είναι πολύπλοκη Απαιτείται χρόνος (μερικές μέρες ως μερικά χρόνια)

40 Πλεονεκτήματα- Μειονεκτήματα Δεν απαιτείται οξυγόνο Δεν καταναλώνεται ενέργεια για ανάδευση Μικρότερη παραγωγή βιομάζας σε σχέση με την αερόβια επεξεργασία

41 Πλεονεκτήματα Μειωμένη παραγωγή λάσπης σε αντίθεση με την αερόβια πέψη Μείωση ανεξέλεγκτης διαρροής μεθανίου Χρησιμοποίηση βιοαερίου ηλεκτροδότηση θέρμανση του για και

42 Παράγοντες που επηρεάζουν τη διαδικασία Θερμοκρασία Μπορούν να χρησιμοποιηθούν: ψυχρόφιλα (0-20ºC), μεσόφιλα (20-42ºC), και θερμόφιλα (42-75ºC) Αναερόβια πέψη είναι πιο αποδοτική σε μεσόφιλες ή θερμόφιλες περιοχές θερμοκρασίας Υψηλότερη θερμοκρασία οδηγεί σε μικρότερο χρόνο πέψης άρα και μικρότερο μέγεθος αντιδραστήρα.

43 Παράγοντες που επηρεάζουν τη διαδικασία ph Βέλτιστη περιοχή ph για τα μεθανοπαραγωγά βακτήρια είναι Για την ουδετεροποίηση των παραγόμενων πτητικών λιπαρών οξέων ή του CO 2 απαιτείται ή προσθήκη βάσης ή πρέπει τα λύματα να είναι αλκαλικά.

44 Παράγοντες που επηρεάζουν τη διαδικασία Απαιτείται η προσθήκη θρεπτικών στην αναερόβια πέψη COD:N:P = 350:7:1 (υψηλής φόρτωσης σύστημα) 1000:7:1 (χαμηλής φόρτωσης σύστημα)

45 Παράγοντες που επηρεάζουν τη διαδικασία Οργανικό φορτίο Το οργανικό φορτίο (chemical oxygen demand, COD) αντιστοιχεί στη συγκέντρωση του οξυγόνου που απαιτείται για πλήρη οξείδωση όλων των οργανικών ενώσεων σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό

46 Σύγκριση αναερόβιας με αερόβια διαδικασία Aναερόβια Ρυθμός φόρτωσης οργανικών: Υψηλός ρυθμός:10-40 kg COD/m 3 -ημερ. Απόδοση βιομάζας: Χαμηλή απόδοση: kg /kg COD (βιομάζα δεν είναι σταθερή, εξαρτάται από τον τύπο των υποστρωμάτων) Aερόβια Χαμηλός ρυθμός : kg COD/m 3 -ημ. (για ενεργοποιημένη λάσπη) Υψηλή απόδοση: kg /kg COD (βιομάζα είναι σταθερή, ανεξάρτητα από τα υποστρώματα) Ρυθμός κατανάλωσης υποστώματος: Υψηλός ρυθμός: kg COD/kg ημ. Χαμηλός ρυθμός: kg COD/kg ημ. Χρόνος: 1-2 μήνες για μεσόφιλα 2-3 μήνες για θερμόφιλα 1-2 εβδομάδες

47 Επίδραση των θειϊκών στη παραγωγή μεθανίου Όταν τα απορρίμματα περιέχουν θειϊκά, μέρος του οργανικού φορτίου (COD) χρησιμοποιείται για την αναγωγή των θειϊκών Μειώνεται το συνολικό COD που διατίθεται για τη παραγωγή μεθανίου Σουλφίδια είναι τοξικά για τα μεθανογενή βακτήρια

48 UASB(Upflow Αnaerobic Sludge Blanket) αντιδραστήρας εκκροή biogas είσοδος

49 Τέλος Ενότητας

50 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

51 Σημειώματα

52 Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0. Έχουν προηγηθεί οι κάτωθι εκδόσεις: Έκδοση 1.0 διαθέσιμη εδώ.

53 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Διδάσκουσα: Αναπλ. Καθ. Άννα Ειρήνη Κούκκου. «Βιοτεχνολογία. Βιοτεχνολογικές εφαρμογές». Έκδοση: 1.0. Ιωάννινα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:

54 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά Δημιουργού - Παρόμοια Διανομή, Διεθνής Έκδοση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη. [1]