04/20/2304/20/23 11

BiotechnolBiotechnolóógigiák ák az az

energiaiparbanenergiaiparban

SAPIENTIA ERDÉLYI MAGYAR

TUDOMÁNYEGYETEM

Általános biotechnológiaelőadás

22

Mi jellemzi a 21. Mi jellemzi a 21. szszázadot?ázadot?

1. Globális környezeti és energiaválság1. Globális környezeti és energiaválság a fosszilis energia használata súlyosan a fosszilis energia használata súlyosan

veszélyezteti a környezetet, ráadásul a veszélyezteti a környezetet, ráadásul a készletek kimerülőben vannakkészletek kimerülőben vannak

megújuló energiaforrásokat hasznosító megújuló energiaforrásokat hasznosító piacképes biotechnológiai eljárások piacképes biotechnológiai eljárások szükségesekszükségesek

33

BIO-

VEGYIPAR

EGÉSZSÉG ENERGIA

MEZMEZÕÕGAZDASÁGKÖRNYEZET

GÉNTERÁPIA

BIOTÁRSADALOM

BIO-ALAPANYAG

ENERGIATECHNOLÓGIA

IPAR

EGÉSZSÉGENERGIA

GAZDASÁGKÖRNYEZET

BIOETANOLMETÁN

ÚJ GYÓGYSZEREK

DIAGNOSZTIKA

KÖRNYEZETVÉDELEM REZISZTENS NÖVÉNYEK

TRANSZGÉNIKUS ÁLLATOK

ÁLLATEGÉSZSÉGÜGY

BIOGÁZ

ÉLELMISZERIPAR

Vörös biotech egészségügyi felhasználású termékek

Fehér biotech ipari felhasználású termékek

Zöld biotech mezőgazdasági, élelmiszer és környezeti felhasználású biotechológia

2. 2. A 21. század a biotechnológia századaA 21. század a biotechnológia százada

44

Megújuló energiaforrásokMegújuló energiaforrások

olyan közeg, természeti jelenség, melyekből olyan közeg, természeti jelenség, melyekből energia nyerhető kienergia nyerhető ki

ismétlődően rendelkezésunkre állismétlődően rendelkezésunkre áll jelentősebb emberi beavatkozás nélkül jelentősebb emberi beavatkozás nélkül

legfeljebb néhány éven belül újratermelődiklegfeljebb néhány éven belül újratermelődik A legfontosabb megújuló energiaforrások:A legfontosabb megújuló energiaforrások:

1. napenergia (naperőmű: napelem, napkollektor);1. napenergia (naperőmű: napelem, napkollektor);2. vízenergia (vízerőmű: árapály-energia, hullám 2. vízenergia (vízerőmű: árapály-energia, hullám

energia);energia);3. szélenergia3. szélenergia (szélturbinák) (szélturbinák); ; 4. geotermikus energia; 4. geotermikus energia; 5. biomassza 5. biomassza →→ bioetanol, biodiesel, biohidrog bioetanol, biodiesel, biohidrogéénn

55

Mi a biomasszaMi a biomassza??Minden növényi vagy állati eredetűMinden növényi vagy állati eredetű szervesszerves anyag. anyag.

Növényi biomassza források:

- Fák, gabonák, algák- Minden faipari,

mezőgazdasági melléktermék és hulladék

- Kommunális hulladékok rostosanyag tartalma

Fotoszintézis a növényi biomassza termelése.

H2Oásványi anyagok

CO2

O2

Növényi biomassza

66

BiomasszaBiomassza

a nap-, illetve szélenergiával szemben a nap-, illetve szélenergiával szemben szállítható, tárolhatószállítható, tárolható, így , így folyamatos folyamatos energiaellátástenergiaellátást tesz lehetővé tesz lehetővé

eltérő technológiai eljárásokkal eltérő technológiai eljárásokkal előállítható belelőállítható belőle őle hőhő--, villamos energia , villamos energia vagy vagy üzemanyagüzemanyag →→ univerzálisan univerzálisan felhasználhatófelhasználható

77

A biomassza A biomassza energiatartalma energiatartalma hasznosíthatóhasznosítható

Közvetlen tüzelésselKözvetlen tüzeléssel (előkészítéssel vagy anélkül): (előkészítéssel vagy anélkül): tűzifa apríték, fűrészüzemi hulladékok, szalma, tűzifa apríték, fűrészüzemi hulladékok, szalma, energiafű, illetve ezekből előállított pellet energiafű, illetve ezekből előállított pellet

Kémiai átalakítás utánKémiai átalakítás után éghető gázként éghető gázként, vagy , vagy folyékony üzemanyagkéntfolyékony üzemanyagként: cukortartalmú : cukortartalmú növények, zöld növényi hulladék, állati növények, zöld növényi hulladék, állati szennyvíziszap, trágya szennyvíziszap, trágya

Alkohollá erjesztéssel üzemanyagkéntAlkohollá erjesztéssel üzemanyagként: magas : magas cukortartalmú (cukorrépa, cukornád), magas cukortartalmú (cukorrépa, cukornád), magas keményítőtartalmú (kukorica, burgonya, búza) vagy keményítőtartalmú (kukorica, burgonya, búza) vagy magas cellulóztartalmú (szalma, fa, nád, energiafű) magas cellulóztartalmú (szalma, fa, nád, energiafű) növények növények

Növényi olajok észterezésével Növényi olajok észterezésével biodízelkéntbiodízelként: : olajtartalmú növények (pl. repce, oliva, napraforgó)olajtartalmú növények (pl. repce, oliva, napraforgó)

88

A biomasszából nyerhető A biomasszából nyerhető anyagokanyagok

• cellulóz cukrok• hemicellulóz etanol, butanol• lignin ragasztóanyagok• cukor bioalkohol

(fermentációval)• olajok biodízel

(átészterezéssel) biogáz

(anaerob fermentációval)

99

BioetanolBioetanol OlyanOlyan nagyrészt etil-alkoholból álló üzemanyagnagyrészt etil-alkoholból álló üzemanyag,,

melyet biológiailag megújuló energiaforrások melyet biológiailag megújuló energiaforrások (növények) felhasználásával nyernek abból a (növények) felhasználásával nyernek abból a célból, hogy célból, hogy benzint helyettesítő, vagy annak benzint helyettesítő, vagy annak adalékaként szolgáló motor-üzemanyagotadalékaként szolgáló motor-üzemanyagot kapjanakkapjanak

Alapanyaga:Alapanyaga: magas cukortartalmú növény (plmagas cukortartalmú növény (pl.. cukorrépa, cukornádcukorrépa, cukornád) vagy ) vagy olyan anyagot olyan anyagot tartalmazó növény, melyet kémiai-biológiai tartalmazó növény, melyet kémiai-biológiai reakciók sorozatával cukorrá lehet alakítani (plreakciók sorozatával cukorrá lehet alakítani (pl.. keményítőkeményítő--tartalmú növényektartalmú növények: kukorica, búza, : kukorica, búza, burgonyaburgonya stb., cellulóz stb., cellulóz--tartalmú növények: tartalmú növények: fa, fa, fűfélék, gabonaszárak, szalmafűfélék, gabonaszárak, szalma))

1010

Alkohol-előállítás lignocellulózokbólAlkohol-előállítás lignocellulózokból

Enzim-fermentáció

Lignocellulóz alapanyag

Előkezelés

Pentózfermentáció

Hidrolízis

Hexózfermentáció

Hasznosítás (?)

DesztillációEtOH

!

Elválasztás,mosás Cellulóz

Pentóz

Lignin

Celluláz enzimmel

vagy savasan

1111

A technolA technológiai folyamatógiai folyamat

ElőnyeiElőnyei elvileg semleges hatású az elvileg semleges hatású az

üvegházhatásraüvegházhatásra aa tiszta bioetanol-felhasználás tiszta bioetanol-felhasználás

17%-kal fogná vissza az 17%-kal fogná vissza az üvegházhatású gázok üvegházhatású gázok kibocsátásátkibocsátását??

bioetanol nyersanyagát bioetanol nyersanyagát ásványkincsekben szegény, ásványkincsekben szegény, mezőgazdasági területeken is mezőgazdasági területeken is elő lehet állítaelő lehet állítani ni

HátrányaiHátrányai a gyártási folyamat fajlagosan a gyártási folyamat fajlagosan

magas villamosenergia- és magas villamosenergia- és hőenergia igényhőenergia igényűű, a kinyert , a kinyert energia energia %-%-os arányban sokkal os arányban sokkal kisebb mértékben haladja meg a kisebb mértékben haladja meg a befektetett mennyiséget, mint a befektetett mennyiséget, mint a hagyományos hagyományos energiahordozóknál.energiahordozóknál.

élelmezési célra használható élelmezési célra használható növényeket, táplálékokat növényeket, táplálékokat felhasználni üzemanyag-gyártás felhasználni üzemanyag-gyártás céljára akkor, amikor a Föld céljára akkor, amikor a Föld jelentős népessége éhezik – egy jelentős népessége éhezik – egy etikai vonzatú dilemmaetikai vonzatú dilemma

1212

BiodízelBiodízel növényi olajokból vagy (állati) zsírokból növényi olajokból vagy (állati) zsírokból

rövid lánchosszúságú monorövid lánchosszúságú mono--alkohollal alkohollal (metanol, etanol) át(metanol, etanol) átéészterezéssel szterezéssel (transzeszterifikációval) előállított észter (transzeszterifikációval) előállított észter alapú bioüzemanyag dízelmotorok számáraalapú bioüzemanyag dízelmotorok számára

fosszilis hajtóanyag helyettesítéseként, fosszilis hajtóanyag helyettesítéseként, vagy azzal keverve annak pótanyagaként vagy azzal keverve annak pótanyagaként használhatóhasználható

használata azért előnyös, mert a kőolajjal használata azért előnyös, mert a kőolajjal szemben,szemben, a biodízel alapanyagai a biodízel alapanyagai viszonylag gyors biológiai folyamatoknak viszonylag gyors biológiai folyamatoknak az eredményeaz eredménye

1313

a a zsiradék szennyező anyagaizsiradék szennyező anyagainak enak eltávolítltávolításaása kkatalizátor jelenlétében reagáltatják atalizátor jelenlétében reagáltatják a zsiradékot a zsiradékot metanollal, metanollal,

vagy etanollalvagy etanollal KatalizátorKatalizátor:: lúglúg,, erős ásványi sav erős ásványi sav

A folyamat melléktermékeA folyamat mellékterméke:: glicerol glicerol (glicerin), (glicerin), a reakció a reakció--edény edény alján gyűlik össze és onnan eltávolítható alján gyűlik össze és onnan eltávolítható

MMilyen hasznos termékekkéilyen hasznos termékekké alakítható át ez a glicerin feleslegalakítható át ez a glicerin felesleg??

A biodA biodízel előállítása:ízel előállítása:

1414

A biodízel alkalmazási lehetőségei:A biodízel alkalmazási lehetőségei:

elsősorban jármű hajtóanyag elsősorban jármű hajtóanyag helyettesítésére vagy pótlásárahelyettesítésére vagy pótlására

álló (álló (stationarystationary) dízelmotorok ) dízelmotorok üzemeltetéséreüzemeltetésére (pl. (pl. hálózattól hálózattól távoli önálló villany generáló távoli önálló villany generáló telepeken alkalmaznaktelepeken alkalmaznak))

egyéni központi fűtésreegyéni központi fűtésre

1515

BiogázBiogáz szerves anyagok szerves anyagok

baktériumok által anaerob baktériumok által anaerob körülmények között történő körülmények között történő lebontása során képződő lebontása során képződő terméktermék

3 típusát különböztetik meg:3 típusát különböztetik meg: szennyvíz-iszap biogáz szennyvíz-iszap biogáz

(szennyvíz gáz)(szennyvíz gáz)

mezőgazdasági biogáz mezőgazdasági biogáz (biogáz)(biogáz)

szeméttelepi biogáz szeméttelepi biogáz (depóniagáz)(depóniagáz)

ÖsszetevőiÖsszetevői %%

CHCH44 50 – 75 50 – 75

COCO22 25 – 5025 – 50

NN22 0 – 100 – 10

HH22 0 – 1 0 – 1

HH22SS 0 – 3 0 – 3

OO22 0 – 2 0 – 2

1616

A biogáz-termelés szakaszaiA biogáz-termelés szakaszai

2 lépésben történik a biogáz-termelés :2 lépésben történik a biogáz-termelés : kközönséges anaerob baktériumok a özönséges anaerob baktériumok a

polimereket savakká, etanollá, polimereket savakká, etanollá, hidrogénné és szén-dioxiddá hidrolizáljákhidrogénné és szén-dioxiddá hidrolizálják ((fermentációfermentáció))

metánképződésmetánképződés: a : a széndioxid metanogénszéndioxid metanogén baktériumobaktériumok hatására hidrogénnelk hatására hidrogénnel metánná redukálódik. A széndioxid egy metánná redukálódik. A széndioxid egy része azonban visszamaradrésze azonban visszamarad..

1717

Biogáz előállítása üzemi és kisüzemi körülmények között

A legfontosabb metántermelő baktériumok: Methanococcus vannielii, Methanobacterium ruminantium,Methanospirillum sp., stb.

- ezek a baktériumok különböző kombinációkban metanolt, acetátot, formiátot, hidrogént és más savakat is hasznosítanak

A nem metanogén baktériumbióta: E. coli, Micrococcus varians, Pseudomonas reptilivora, Micrococcus luteus, Alcaligenes viscolactis, A. faecalis, Clostridium, Bacteroides, Lactobacillus, Vibrio, Spirillum, Desulfovibrio, Enterobacter aerogenes, stb.

- bizonyos mértékig a humán bélcsatorna baktériumbiotájához hasonló, és lényegesen eltér az aktivált iszapétól

1818

A biogA biogáázz--termeltermelés és technológiájatechnológiája

1919

Lakossági használat: főzés-sütés, háztartási cél, vízmelegítés, üzemanyag, lakások fűtése-hűtése (megfelelő technikával)Mezőgazdasági: istállók fűtése, terményszárítás, növényház, üvegház, fóliasátor fűtése, a mezőgazdasági gépek és gépkocsik üzemeltetése Energetikai: elektromos áram termelése gázmotorral saját használatra, távfűtésbe való bekapcsolódás, tisztított biogáz hálózati betáplálása, CO2 emisszió

értékesítése

Tisztított biogáz hasznosítási Tisztított biogáz hasznosítási lehetőségeilehetőségei::

2020

BioBiohidrogénhidrogén

a legígéretesebb globális energiahordozóa legígéretesebb globális energiahordozó energenergiatartalmaiatartalma: 122 MJ/kg : 122 MJ/kg felhasználása során vízzé ég el, ezért elméletileg a felhasználása során vízzé ég el, ezért elméletileg a

legkevésbé környezetszennyező:legkevésbé környezetszennyező:

2 H2 H22(g) + O(g) + O22(g) → 2 H(g) → 2 H22O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol) vízből vagy szerves anyagokból nyerhetjük külső, vízből vagy szerves anyagokból nyerhetjük külső,

primer energiaforrás felhasználásávalprimer energiaforrás felhasználásával szállítására és tárolására hatékony és biztonságos szállítására és tárolására hatékony és biztonságos

eljárásokat dolgoztak ki eljárásokat dolgoztak ki

2121

BioBiohidrogén-előállítás hidrogén-előállítás lehetőségeilehetőségei

víz fotolízise (víz fotolízise (diredirekktt vagy indirekt módon vagy indirekt módon, , cianobaktcianobaktéériumokriumok vagy zöldalgák közreműködésével) vagy zöldalgák közreműködésével)

fermentfermentációs eljárások ációs eljárások (anaerob baktériumok)(anaerob baktériumok)

fotoferfotofermentmentációáció

hibrid rendszerek hibrid rendszerek (fermentáció+fotofermentáció)(fermentáció+fotofermentáció)

2222

FFotofermentotofermentációáció

szerves anyagok átalakulása hidrogénné szerves anyagok átalakulása hidrogénné fotoszintetikus baktériumok jelenlétébenfotoszintetikus baktériumok jelenlétében

a konverzió termodinamikai szempontból a konverzió termodinamikai szempontból kedvezőtlenkedvezőtlen → → CSAK fény jelenlétében történik CSAK fény jelenlétében történik meg az átalakulásmeg az átalakulás

a fény energiáját a fotoszintetikus a fény energiáját a fotoszintetikus baktériumokra specifikus pigment-molekulák baktériumokra specifikus pigment-molekulák abszorbeáljákabszorbeálják

fényenergia6 12 6 2 2 2C H O + 6 H O 12 H + 6 CO

fényenergia3 2 2 22 CH COOH + 4 H O 8 H + 4 CO

2323

Fotoszintetikus Fotoszintetikus baktbaktéériumokriumok anaeranaerobok vagy obok vagy mimikkroaeroroaerofilekfilek

elektrondonorok a bakteriális fotoszintézishez: elektrondonorok a bakteriális fotoszintézishez: redukált kénvegyületek (pl. Hredukált kénvegyületek (pl. H22S) vagy S) vagy szerves savak (pl. ecetsav, tejsav, almasav)szerves savak (pl. ecetsav, tejsav, almasav)

nem szabadítanak fel oxigéntnem szabadítanak fel oxigént

hidrogéntermelés: nitrogenáz vagy hidrogenáz hidrogéntermelés: nitrogenáz vagy hidrogenáz enzimek általenzimek által

2424

Fotoszintetikus Fotoszintetikus baktériumok tenyésztésebaktériumok tenyésztése

zárt, sterilezhetzárt, sterilezhetőő fotobioreaktorban (fényforrás fotobioreaktorban (fényforrás!!)) anaerob körülmények közöttanaerob körülmények között optimális optimális nnövekedési hövekedési hőőmérséklet: mérséklet: 30ºC30ºC körül körül

(baktériumtörzst(baktériumtörzstőől függl függőően)en) megfelelő tápközeg: redukált kénvegyületek, megfelelő tápközeg: redukált kénvegyületek,

szerves savak, szükséges nyomelemek, szerves savak, szükséges nyomelemek, vitaminokvitaminok

kezdeti kezdeti ppH: H: 7,0 – 7,57,0 – 7,5 állandósult állapot elérése: 3-4 nap alattállandósult állapot elérése: 3-4 nap alatt

2525

Mennyi legyen a kezdeti sejt- és Mennyi legyen a kezdeti sejt- és szervesanyag-koncentráció?szervesanyag-koncentráció?

Honnan világítsuk meg a Honnan világítsuk meg a reaktort, kívülről vagy belülről?reaktort, kívülről vagy belülről?

Mekkora felületen, milyen Mekkora felületen, milyen rétegvastagságon kell a fénynek rétegvastagságon kell a fénynek áthaladnia?áthaladnia?

Milyen intenzitással világítsuk Milyen intenzitással világítsuk meg a rendszert?meg a rendszert?

! G A Z D A S Á G O S S Á G !! G A Z D A S Á G O S S Á G !

A A gyakorlati megvalósítással gyakorlati megvalósítással kapcsolatosan felmerülő kapcsolatosan felmerülő

problémákproblémák

2626

Mi a különbség?Mi a különbség?

A legnagyobb mennyiségben termelődő üvegházhatású gáz A legnagyobb mennyiségben termelődő üvegházhatású gáz a szén- dioxid, ami bio- és fosszilis üzemanyagokból is a szén- dioxid, ami bio- és fosszilis üzemanyagokból is keletkezik, dekeletkezik, de

Bio-üzem-

anyagok

CO2

CO2

fosszilis olaj

a bio-üzemanyagok esetében a széndioxid ciklusa bio-üzemanyagok esetében a széndioxid ciklus zártzárt..

2727

Új termelési lehetőségek a mezőgazdaság és erdőgazdaság számára

Környezeti illetve klimatikus hatás: nem termel plusz szén-dioxidot

Csökkenti az olajtól való függőséget

Nagyobb politikai/gazdasági biztonságot nyújt

Nagy hozzáadott értékű termékeket állít elő

GMO-k vélhető nagyobb elfogadottsága

A fehér biotechnológia társadalmi hatásai