Biohidrogén, Biogáz Biotechnológia

Biotechnológia

Biohidrogén,

Biogáz

Legtisztább energiahordozó: H

Víz Víz

primer energi

a

energia szállítás,

tárolás

energia felhasználás

Globális felmelegedés: GHG a légkörben

Mars:

vékony atmoszféra CO₂ a talajban

Átlag: -50 ºC Föld:

0,04 % CO₂ a levegőben Átlag: + 15 ºC

Vénusz:

sűrű atmoszféra 96% CO₂ a

levegőben

Átlag: + 420 ºC

Bolygók és atmoszféráik

Meddig

rosszalkodhatunk ezen a bolygón?

Legtisztább energiahordozó: H

"Tonight I am proposing $1.2 billion in research funding so that America can lead the world in developing clean, hydrogen-powered

automobiles.”

"A simple chemical reaction between hydrogen and oxygen generates energy, which can be used to power a car producing only water, not exhaust fumes. With a new national commitment, our

scientists and engineers will overcome obstacles to taking these cars from laboratory to showroom so that the first car driven by a child born today could be powered by hydrogen, and pollution-free.”

"Join me in this important innovation to make our air significantly cleaner, and our country much less dependent on foreign sources of energy."President George W. Bush

2003 State of the Union Address January 28, 2003

President Bush Launches the Hydrogen Fuel Initiative

President Obama has signed into law the hugely-ambitious (and some would say risky) American Recovery and

Reinvestment Act, worth US$787

billion, and including around US$43 billion for energy.

The goal is to double alternative energy production in three years…

President Obama spends 35

times more!

H

veszély: Hindenburg

• az éves termelés ~45 millió tonna

• ennek 96%-a fosszilis tüzelőanyagból

• a piaci kereslet évente 6%-kal nő

atom- erőmű

közvetlen nukleáris nap-,

szél-, víz- erőmű

közvetlen napenergia bio- massza

földgáz

szén elektrolízis

hidrogén-gazdálkodás

termelés tárolás,

szállítás felhasználás

gáznemű folyékony szilárd

700 bar, normál vagy kis hőmérséklet, nehéz, nagy energia-

igény

-253°C, normál vagy nagy nyomáson, nehéz, nagy energia-

igény

atomos vagy moleku- lás abs., nem robban, könnyű, kis energia-

igény

fém-hidridek

vegyi hidridek

szén nanocsövek

szén nanocsövek, fém hibrid anyagok

kén- leválasztó

földgáz

víz

katalitikus gőzreformálás nagy- és kishőmérsékletű vízgáz-reakció

H₂ 65-75%

H₂O 5-10%

CO₂ 10- 15% CO 5- 10%

H₂ 75-80%

H₂O 2- 5%

CO₂ 15- 18% CO 3- 5%

H₂ 75-80%

H₂O 1%

CO₂ 18-20%

CO 0,5-2%

H₂ 78-80%

CO₂ 18- 20% CO 0,5-2%

CH₄+H₂OH₂+CO₂+CO

t=700-1000°C, p=3-25 bar

CO+H₂O  H₂+CO₂

t=300-500°C t=200-300°C

kondenzálás

H₂ 95-98%

CO₂ 1-2%

CO 0,5-2%

CO₂ abszorpció

szél- erőmű

elektro- lízis

H₂- tároló

áramtermelés

szabályozás

szélerőmű-park

teljesítmény- igény kémiai energia villamos

energia

Biomassza hasznosítási lehetőségek

• ÉgetésÉgetés

– CCsak hsak hő, tápanyagigényő, tápanyagigény

• KomposztálásKomposztálás

– Hő és biotrágya Hő és biotrágya

• BiogázBiogáz

– Zöld áram és biotrágyaZöld áram és biotrágya

• Bioetanol, biodízelBioetanol, biodízel

– Speciális Speciális alapanyagokalapanyagokbólból

• BiohidrogénBiohidrogén

– A jA jövő ígéreteövő ígérete

Biohidrogén termelési stratégiák

Biomassza

2H⁺

2H₂O

O₂ +2H⁺

Fotoszintézis

2H⁺

Dark fermentati

on

Hidrogená z

Hidrogená z

elektron hordozó

e^- e^-

e^-

e^-

Szerves anyagok pl. toll

elektron hordozó

Biohidrogén stratégiák

• Fotoszintézis

– Fotoautotróf – Fotoheterotróf

• Hidrogenáz

• Nitrogenáz

• Anaerob fermentáció

– Hidrogenáz – Nitrogenáz

hidrogént vízzé, szerves anyagokat és metánt CO₂-vé, a szulfidokat szulfáttá oxidálják

oxidációs fotoszintézises hidrogén- termelés és nitrogén-kötés

napenergia

szerves anyag

Redox- potenciál

aerob

anaerob

- ve

+ ve aerob baktériumok

ciano-baktériumok

erjesztő baktériumok kénredukáló baktériumok metántermelők

bíbor- és zöldbaktériumok szulfidokat szulfátokká, kénné oxidálják

szerves anyagokból H₂+CO₂ szulfát redukálása H₂S-sé CO₂ redukálása metánná

Zöld alga: Chlamydomonas reinhardtii

Zöld alga: Chlamydomonas reinhardtii

• Stress (pl. kén éheztetés)

– Fotoszintetikus fehérjék gyorsan lebomlanak

• Légzés csaknem állandó

– anaerob

Zöld alga: Chlamydomonas reinhardtii

• O

és H

termelés időben elválik

• 3-4 ciklus után irreverzibilis

[NiFe] hidrogenázok

• Heterodimer

– 64kDa + 34kDa

• [NiFe] + CO/2CN

– Nagy alegységen

»

• 3 x [Fe₄S₄]

– Kis alegységen – 14-15 Angstrom

Hidrogenáz aktivitás mérés

HupK ^- sejtek H

-t termelnek!

In vivoH 2 produkció (%)

0 20 40 60 80 100 120 140

ΔHupK ΔHyn, ΔHup ΔHypF

Ezt már nem nitrogenáz gyártja!

HupK ^- = Hyn ^- / Hup ^- / Hox

N N₂₂ázáz

2e2e^-- + + 2H2H⁺⁺

2H2H⁺⁺

ATPATP ADP+P

ADP+P_ii NHNH₄₄⁺⁺

2e2e^--

NN₂₂ HupLHupL

HupHup SS Hup Hup

C C

HH₂₂ HH₂₂

HynHyn LL 2H2H

++

2e2e^-- XX_rere

d d

ADPADP

+P+P_ii ATPATP

HynHyn SS

Isp1Isp1 Isp2Isp2

2 2 e e^-- Hox

HoxH Y Hox HoxU NAD F

NAD⁺⁺

NADH+H NADH+H⁺⁺ XX_redred: GASH ?: GASH ?

2H2H

+ +

PSPS

ATP ATP

? ?

GASH:glutation GASH:glutation amidamid

Nitrogen Nitrogenázáz

Hox U HoxE

HupVHupV

HupHup UU NADNAD⁺⁺

NADHNADH⁺⁺+H+H⁺⁺ HH₂₂

2H2H⁺⁺ H

YU F Hox2

Megtanítottuk!

0 100 200 300 400 500 600

5 6 7 8 9 12 13 14 15 16 19 20 21

napok

hidrogén termelés (GC egység)

Nitrogenáz Hox hidrogenáz

1. lépcső.

Sötét fermentáció

2. Lépcső fotofermentáció Gáz szeparátor

Gáz szeparátor H₂ + CO₂ H₂ + CO₂

szénhidrátok szerves

savak

szerves savak

H₂ + CO₂

H₂

CO₂

CO₂

BIOMASSZA

Előkezelés

FÉNY

HyVolution EU 6. KP

Biohidrogén termelési stratégiák

Biomassza

2H⁺

2H₂O

O₂ +2H⁺

Fotoszintézis

2H⁺

Dark fermentati

on

Hidrogená z

Hidrogená z

elektron hordozó

e^- e^-

e^-

e^-

Szerves anyagok pl. toll

elektron hordozó

Sötét hidrogén termelés

I. keratintartalmú hulladék

biológiai bontása

keratintartalmú hulladék

III. gáztisztítás

H₂

CO₂

II. hidrogéntermelés

biomassza Thermococcus

litoralis

H₂, CO₂ Bacillus

licheniformis

biomassza

oldott keratin

KÍSÉRLETI ELRENDEZÉS

• Toll-, szőrbontás

– mezofil

– B. licheniformis KK1

• Hidrogén termelés

– hipertermofil – T. litoralis

DC

anód elektrolit katód tüzelőanyag

kimerült tüzelőanyag

kimerült oxidáló anyag és gázok

oxidáló anyag

H₂O CO₂ H₂

O₂ CO₂ CO₃^2-

e^-

H

Fuel cell = H

üzemanyag cella

DC

anód elektrolit katód tüzelőanyag

kimerült tüzelőanyag

kimerült oxidáló anyag és gázok

oxidáló anyag

H₂O CO₂ H₂

O₂ CO₂ CO₃^2-

e^-

H

Fuel cell = H

üzemanyag cella

Proton áteresztő membrán

1807-2007

H

üzemanyag cellás gépjárművek

Hidrogén hajtott “zéro emisszió” autók

H

üzemanyag cellás buszok

H

hajtott légi járművek

fosszilis eredet megújuló eredet

folyékony H₂

nyomott H₂ metanol

dízel

etanol

benzin, dízel fogyasztóknál,

2005. december

biodízel

dízel nyomott H₂ nyomott v. cseppfolyós H₂

nyomott földgáz

földgáz földgáz

földgáz

földgáz

olaj

cukorrépa

repce

fa szélerőmű naperőműves villany

fosszilistől megújulóig

Költség és környezetvédelmi hatékonyság

biogáz

Biomassza hasznosítási lehetőségek

• ÉgetésÉgetés

– CCsak hsak hő, tápanyagigényő, tápanyagigény

• KomposztálásKomposztálás

– Hő és biotrágya Hő és biotrágya

• BiogázBiogáz

– Zöld áram és biotrágyaZöld áram és biotrágya

• Bioetanol, biodízelBioetanol, biodízel

– Speciális Speciális alapanyagokalapanyagokbólból

• BiohidrogénBiohidrogén

– A jA jövő ígéreteövő ígérete

Mocsárgáz - Volta

Biogáz - India

Biogáz jellemzői

• Mocsárgáz, lidércfény Mocsárgáz, lidércfény

– Szerves anyag levegő mentes környezetbenSzerves anyag levegő mentes környezetben

• Bonyolult mikrobiológiai rendszer Bonyolult mikrobiológiai rendszer

– Túlélésre optimalizált Túlélésre optimalizált – A biogáz melléktermékA biogáz melléktermék

• Biogáz termelés fokozása Biogáz termelés fokozása

– Anyagcsere szűk keresztmetszet Anyagcsere szűk keresztmetszet megismerése, megváltoztatása megismerése, megváltoztatása

Biogáz alapanyagok

• Trágya, vágóhídi hulladékok Trágya, vágóhídi hulladékok

– Nem minden hulladék jó előkezelés nélkülNem minden hulladék jó előkezelés nélkül

• Szennyvíziszap, kommunális hulladák Szennyvíziszap, kommunális hulladák

– Aerob mikróba biomassza Aerob mikróba biomassza

– Szelektív hulladékgyűjtés kell(ene)Szelektív hulladékgyűjtés kell(ene)

• Energia növény Energia növény

– Csalamádé kukorica, cukorcirok, csicsóka, Csalamádé kukorica, cukorcirok, csicsóka, répaszelet, konzervipari hulladék

répaszelet, konzervipari hulladék

Alapelv

Anaerob fermentáció Szerves

anyag,

“hulladék”

BIOGÁZ TÁPANYAG

Batch fermentálás

Folyamatos labor fermentálás

Folyamatos biogáz üzem

Tehén: 2-3 nap

Mezofil: 30-60 nap Termofil: 15-30 nap

A biotechnológiai kihívások

rumen

Szintrópia

• Legaláb 2 mikroorganizmus kölcsönösen előnyös társulása

– Tagok eltérő anyagcserét folytatnak

– Anyagcsere folyamataik vagy termékeik a partner javát szolgálják.

• Fajok közötti H

átadás = Szintrópia

– Pontos mechanizmus nem ismert

– H₂ termelő és fogyasztó egymásra utalva

HIDROLIZÁLÓ MIKROORGANIZMUSOK Polimerek bontása:

Poliszacharidok (cellulóz, keményítő), fehérjék, zsírok Monomerek, oligomerek emésztése:

Cukrok, aminosavak, zsírsavak

ACETOGÉN MIKROORGANIZMUSOK Illékony zsírsavak +

H

METANOGÉNEK

CH₄ + CO₂

Intenzifikálási lehetőség

Termofil üzemi kísérlet

Biogáz = bioüzemanyag

Energia növények

Bagass Bagass

ee Cukor Cukor

cirok cirok

Csicsók Csicsók

aa LucernLucern

aa Cukorr

Cukorrépaépa

Bioetanol – Biogáz

megújuló fenntartható

hőenergia, áram hőenergia,

áram

szerves anyag szerves

anyag

bioma

ssza bioma

ssza biotrágya

biotrágya

energia

energia energia

energia

Gáztisztítás

• CO

kivonás

– Mosás pl. víz

– Adszorpció pl. aktív szén, szilicium oxid – Kémiai reakció pl. CaCO₃

– Membrán szeparálás

Gáztisztítás

• Kénmentesítés (H

S)

– Biológiai: Thiobacillus – 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

H₂S + ½ O₂ = H₂O + S°

Biológiai kéntelenítés

Helyünk az EU-ban: 2009

Nemzeti Cselekvési Terv 20 11

Nemzeti Cselekvési Terv 20 12

Helyünk az EU-ban: 2020

EU villamos energia termelés

biogázból

1000 lakosra jutó biogáz termelés néhány

európai országban