Transcript 8. óra anyaga

Anaerob szervesanyag
bontás
Anaerobok és előfordulásuk
• Szulfát-, vas- redukálók, metanogének
• Anaerob környezetben pl üledékek, emésztők,
emésztőrendszer, talajvíz
• Alacsony redox potenciál
Szulfát redukálók:
Desulfotomaculum acetoxidans
Desulfovibrio vulgaris
Szulfát redukálók
• Desulfovibrio (Gram -), Desulfotomaculum (Gram +) nemzettség
• Anaerob kemoorganotrófok, talajban, iszapban elterjedtek
• Légzési láncukban végső elektronakceptorként szulfátot használnak,
elektrondonorjuk szerves vegyület, és szulfid keletkezik
SO42- + 4H2 + H+
HS- + 4H2O
• Egyes szulfát redukálók a szulfát oxigénjét szerves anyagok
eloxidálására haszn, miközben a szulfát kénhidrogénné redukálódik,
a folyamat szigorúan anaerob körülmények között zajlik
• a folyamat során fémszulfidok is keletkezhetnek, mivel a fémek
reakcióba lépnek a kénhidrogénnel, így a szulfát
redukálók károsak lehetnek a fémekre (biokorrózió)
Vas(III) redukálók
• A fémredukció (a fém a terminális elektronakceptor) valósz a
legrégebbi légzési forma, mellyel még ma is találkozunk egyes
baktériumokban
• Shewanella putrefaciens, Geobacter metallireducens,
Desulfuromonas acetoxidans
• Szigorúan anaerob körülmény
• Egyszerű szerves elektrondonor pl. acetát, laktát, formát
• Fe(III)-oxidok redukciója során oldható
Fe(II) formát képez
• A vas- és szulfát redukálók ugyanazon
elektrondonorért küzdenek (kompetició)
Metanogének
• Felfedezésük: lángoló mocsár (Volta)
• Archaea, obligát anaerobok
• Előfordulnak metanogén környezetben pl. anaerob emésztők,
üledékekben, szennyvíziszapban, talajban, de élő szervezetekben
is (emésztő rdsz.)
• Szulfát, nitrát limitált környezetben
• Közös ismertető, hogy a CO2-ot (esetleg metil csoport tartalmú
vegy.-t) redukálják, ahol az e- donor H2, formát lehet,
szénforrásként az acetátot kedvelik
• Hidrogén termelő törzsekkel szintrófiában élnek
Biogáz előállítás
 4 H2 + CO2
 CH3COOH
 4 CH3OH
CH4 + 2 H2O
CH4 + CO2
3CH4 + CO2 + 2H2O
Methanosarcina sp.
Nitrát redukálók
• Pl. Pseudomonas, Bacillus fajok
• Oxigén hiányában, nitrát jelenlétében a nitrát a végső
elektronakceptor, melynek oxigénjét szervesanyagok
oxidálására haszn, miközben a nitrát redukálódik (nitrit, N2)
Pseudomonas putida
Bacillus megaterium
Szénhidrogének anaerob biodegradációja
• Lassú lebontás, oxigénhiányos környezet
• Sokféle mikroorg, pl. szulfát redukálók, metanogének, denitrifikálók,
Dehalococcoides (dehalogénező bakt), konzorciumokban
• Xenobiotikumok, pl halogénezettek bontása
• C<6 nem bontják
• Hosszabb láncok, telítetlen CH-k esetén a bontás gyakran nem teljes
• Gyakran kezdődik a reakció „építéssel”, alkilcsoportot ragasztanak a
vegyületre, utána hasítják el pl.:
– Hexadekán hasznosító denitrifikáló izolátum fumaráttal + enzimmel támad
– Szulfát redukáló karboxilációval kezd, amit a terminális két C eltáv követ
• Klórozottak bontása mehet kometabolizmussal, illetve
dehalorespirációval, amikor a halogén tart-ú (erősen elektron negatív
karakter) vegyület az e- akceptor (H2 e- donor) és energiát nyer a
dehalogénező reakcióból
Alifások bontása
Alifások bontása
Aromások bontása
Aromások bontása
Előnyök/hátrányok
• A természetbe kerülő szervesanyagokról az jut eszünkbe, hogy
aerob biodegradáció, aminek részben az alapja, hogy az aerob
szervezetek többsége gyorsan szaporodik, valamint a fő terminális
elektronakceptor a lebontó folyamatokban az oxigén. Ha ez jelen
van, akkor az aerob lebontás a preferált O2-t elektronakceptorként
haszn-va. Az anaerob lebontás mintegy alárendeltje az aerob
lebontásnak kinetikája és kapacitása miatt.
• Noha bizonyos körülmények között az anaerob folyamatok
gyorsabban zajlanak, mint az aerob megfelelői, pl a marhák
bendőjében a cellulóz bontás sokkal gyorsabban megy végbe,
mint oxigén jelenlétében, az átlagos felezési idő kb egy nap
• Oxidált állapotú vegyületek esetén az anaerob folyamatok
jöhetnek szóba
Előnyök/hátrányok
• Azokban az esetekben, amikor a hulladékkezelés során könnyen
bontható/hasznosítható szervesanyagokat kell eltávolítani, pl
élelmiszeripari szerves hulladék, az anaerob folyamatok nagyon
hatékonyak, és olcsóbbak, mint az aerob kezelések, ráadásul az
anaerob lebontás végén hasznos végterméket is nyerünk: metán
• A legtöbb esetben, ahol a szervesanyag lebontásához nem kell oxigén,
pl polimerek hidrolizise, előnyös lehet az anaerob kezelés
• Az anaerob baktériumok a szubsztrát bontásából kevesebb energiát
nyernek, mint az aerobok, ezáltal a sejtszaporodásuk mértéke is
elmarad azokétól. Míg egy hexóz 6 CO2-dá tört aerob oxidációjából
2870 kJ/mol erg keletk, addig az anaerob hexóz átalakításból 3 CH4 és
3 CO2 lesz, aminek energianyeresége csak 390 kJ/mol
• Az anaerobok hatékony alkalmazása érdekében meg kell oldani, hogy
a bioreaktorban nagy mennyiségű biomasszánk legyen, és vigyázni
kell az „utánetetés” során se veszítsük el a hasznos anaerob
mikroflórát
Előnyök/hátrányok
• Oxigén hiányában alternatív elektronakceptorokra van
szükség. Ezek az elektronokat az átalakítandó szubsztrátról
kapják. Az alternatív folyamatok sorrendjét főleg az akceptor
rendszer redoxpotenciálja határozza meg:
–
–
–
–
–
–
O2/H2O Eh= +810 mV (pH=7,0), ezután a legmagasabb a
NO3-/NO2- Eh= +430 mV
Mn(IV)O2/Mn2+ Eh= +400 mV
Fe(III)OOH/Fe2+ Eh= +150 mV
SO42-/HS- Eh= -218 mV
CO2/CH4 Eh= -244 mV
Előnyök/hátrányok
• A lebontási folyamatokban nem mindig előnyös az aerob,
oxidációs reakció. Az oxigenázok hidroxil csoportot építenek a
vegyületre, és további oxigén jelenlét okozhat gyök képződést, pl
fenol gyökök, ami elindíthat egy polimerizációs (polifenolok) és
kondenzációs folyamatot, huminszerű vegyületek keletk, melyek
további bontása rendkívül nehéz
• Ezért fenolos vegyületek esetén gyakran alkalmaznak anaerob
biodegradációt, e folyamat elkerülése céljából
• Más esetekben a habosodás (pl. felületaktív anyagok jelenlétében)
kiküszöbölése miatt választják inkább az anaerob megoldást
• A fentiek alapján megállapíthatjuk, hogy nem elegendő csak
szigorúan a leggyorsabb lebontási folyamatot kiválasztani és
alkalmazni, sokkal több szempontot figyelembe kell venni a
módszer bevezetése előtt
Szennyvíz kezelés esetén melyiket
válasszuk?
• Anaerob kezelés esetén gyakran előkezelés szükséges, hogy
minimalizáljuk az oxigénigényt
• Koncentrált szennyvizek esetén azért érdemes az anaerob
kezelést választani, mert energia (biogáz) nyerhető belőle, és
kevesebb a biomassza képződés
• Aerob kezelés esetén az intenzív levegőztetés kihajthat
illékony komponeneseket, ilyenkor az elhasznált gázt tisztítani
kell
• Alacsonyabb szervesanyag konc esetén ha aerob kezelést
alkalmazunk relatíve magas lesz a járulékos költség a
levegőztetés miatt, és sok biomassza marad a végén
• Az anaerob kezelés összeállítása költségesebb, de a működési
költségek alacsonyabbak, mint az aerob megoldás esetén
Energianyerő folyamatok anaerob szerves
hulladékkezelés során
•
•
•
•
Konzorcium
Hidrolizis
Biogáz képzés
Hulladék lehet: szénhidrát, fehérje, zsír
Biogáz
• Szervesanyagok (szénhidrátok, fehérjék, zsírok) anaerob
bontásával nyerhető gáz – fő komponensek: CH4 + CO2
• Alapanyagok lehetnek: szinte minden szervesanyag, pl.
cellulóz, keményítő, élelmiszeripari melléktermékek, és
hulladékok, trágya, kommunális hulladék
• Feltételei: anaerob körülmény, bontható szervesanyag,
megfelelő mikróba konzorcium (együttműködő, közösség)
• Felhasználása:
– helyben – fűtésre (fűtőértéke erősen függ az egyéb, nem éghető
alkotóktól)
– Elszállítva – gázhálózatba – fűtésre
- Villamos- és hőenergia előállításra
- motormeghajtásra
• hulladékhasznosítás!
• Visszamaradó biomassza talajerőpótlásra
Biogáz képződés
Polimerek
bontása
Monomerek,
oligomerek
emésztése
Biogáz
+H2
Biogáz előállításának sematikus ábrázolása
BIOGÁZ
Szerves
anyag,
“hulladék”
Anaerob
fermentáció
TÁPANYAG
BioEtanol
• Keményítő és magas cukortartalmú növényi termékekből
• Már az egyiptomiak is tudták (azaz legalább 3000 éve használt
technológia: élesztővel cukorból sört, bort fermentáltak)
• Most ismét „divat” – benzinhez kötelező bekeverni
– Olajválság, ólomterhelés miatt
• Ma még jelentősebb, hiszen a bioüzemanyagok egyik fő képviselője
(első etanol hajtotta autót 1880-ban Henry Ford alkotta, majd 1990től Amerikában gasohol, mely kukoricából készült)
• Üzemanyagadalékként oktánszámjavító etil-tercier-butil-éter (ETBE)
gyártható belőle (5-7%-ban használják)
Bioetanol
• Cukorrépa, búza, kukorica, cukornád, burgonya, cukorcirok
• Fermentáció lényege: Saccharomyces cerevisiae oxigén
hiányában cukorból etanolt és CO2-ot állít elő
C6H12O6
2 C2H5OH + CO2
• Bioetanol előállítás többlépcsős
• Nagyüzemi gondok: az etanol, mint oldószer 5% feletti
koncentrációban tönkreteszi a sejtek membránját
• Előnye, hogy magas cukortartalmú hulladékot, mellékterméket is
fel lehet használni alapanyagként
• Előállítása költséges, de olcsóbb, mint a szintetikus etanolé, ezért
várhatóan inkább a vegyi és kozmetikai ipar lesz a
nagyfelhasználó (nem üzemanyagként)
Alkohol ipari előállítása
keményítőből
1. Őrölt gabona keményítőjét gőz és
nyomás segítségével gélesítik
2. Lehűtik 50-60°C-ra és α-amilázt
adnak hozzá, mely az α-1,4kötéseket elhasítja oligoszaharid
szálak keletk.
3. Glükóz felszabadítása glükoamiláz
enzimmel, a végtermék glükóz
4. Élesztő sejtek hozzáadásával a
glükózból alkohol fermentálható
5. Töményítés, desztilláció,
víztelenítés, ezek a lépések nagyon
költségessé teszik, így az
energiamérlege negatív
Töményítés, desztilláció
Alkohol termelő mikroorganizmusokban
a glükóz átalakulása etanollá
glükóz
glikolizis
SzentgyörgyiKrebs ciklus
2 piruvát
2 CO2
Piruvát
dekarboxiláz
acetaldehid
Alkohol
dehidrogenáz
NADH
NAD+
2 etanol
Cellulózból
bioetanol