DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA

SI BIOTEHNOLOGII

Prof.univ.dr.ing. Lucian Gavrilă2010 - 2011

BIOCONVERSIA ENERGETICĂ A DEŞEURILOR INDUSTRIEI

ALIMENTARE

Producerea biocombustibililor: biogaz, bioetanol, biodiesel,

biohidrogen

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 3

RECICLAREA prin BIOCONVERSIE

• Reciclarea deşeurilor - metodă curentă pt.:– prevenirea declinului factorilor de mediu– satisfacerea cererilor marite de materii prime.

• Bioconversia (bioreciclarea) = reutilizarea deşeurilor organice în vederea obţinerii de noi produse, prin intermediul utilizării proceselor microbiene.

• Bioconversia deşeurilor industriei alimentare:– producerea de energie, – transformarea deşeurilor în materii prime pentru

obţinerea de produse cu valoare de piaţă.

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 4

BIOENERGIE

• Producerea de bioenergie = producerea combustibililor (metan, hidrogen, etanol) prin fermentare, din materii prime regenerabile.

• Biocombustibili:– Biogaz (biometan)– Bioetanol– Biodiesel– Biohidrogen

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 5

CE SUNT BIOCOMBUSTIBILII ?

• Combustibili obtinuti din materii prime de natura biologica

• Combustibili obtinuti din materii prime regenerabile

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 6

Harta emisiilor mondiale de CO2

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 7

Ciclul CO2 in biocombustibili

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 8

Ciclul CO2 in biocombustibili

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 9

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 10

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 11

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 12

Randamente ale biocombustibililor

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 13

Biocombustibili conventionali(Generatia I)

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 14

Biocombustibili de generatia a II-a

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 15

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 16

Biocombustibili –scheme generale de obtinere

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 17

Bioetanol – generatia a II-a

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 18

Romania – distributia terenurilor

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 19

Romania – distributia terenurilor agricole

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 20

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 21

BIOGAZ

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 22

BIOGAZ

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 23

BIOGAZ

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 24

BIOGAZ

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 25

INTEGRARE BIOGAZ - BIOETANOL

http://www.e3biofuels.com/technology/closed-loop-triangle.php

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 26

BIOGAZ

Consumul de metan pentru propulsia vehiculelor în Suedia

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 27

BIOETANOL

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 28

BIOETANOL• Bioetanol din

trestie de zahăr, porumb şi cereale: Brazilia, SUA, Franţa.

• Producţia de etanol din porumb şi cereale - încă necompetitivă raportat la preţurile actuale ale benzinei şi motorinei.

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 29

BIOETANOL• Factorii care dezavantajează valorificarea

deşeurilor ind. alimentare la bioetanol:– dispersia ridicată a punctelor de generare;– caracterul sezonier al producţiei;– variabilitate ridicată a compoziţiei şi a

caracteristicilor deşeurilor;– necesitatea unor surse suplimentare de azot şi de

nutrienţi (costuri suplimentare);– conc. redusă în zaharuri (~4%), insuficientă pentru

recuperarea economică a bioetanolului;– concurenţa puternică cu piaţa stabilă a subproduselor

care asigură un profit mai ridicat în valorificarea deşeurilor.

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 30

BIOETANOL

• Zerul - materia primă acceptabilă pentru producerea pe scară largă a bioetanolului.

• Producţia totală de zer rezultată prin prelucrarea laptelui = 82.106 tone/an.

• Princ. comp. al zerului = lactoza (peste 70% din conţinutul de SU a zerului)

• Producerea bioetanolului din zer:– fermentaţie cu pretratare enzimatică. – fermentaţie fără pretratare enzimatică.

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 31

BIOETANOL – procedeul Carbery

1600 mc/zi

Concentrat proteicla atomizare

22

Permeat(lactoza)

3

Drojdie

4

Drojdie recuperata

3,5 – 4,2%etanol

14 mc/zi

Etanol96,5% v/v

Apa

1 – ultrafiltrare2 – fermentare3 – separare drojdie4 – distilare

1 – ultrafiltrare2 – fermentare3 – separare drojdie4 – distilare

ZER

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 32

BIOETANOL IRLANDACarbery - Maxol

Etanol96,5% v/v

Benzina

DESHIDRATAREpe site moleculare

Etanol99,9% v/v

Combustibil E85 (CO = 104)

85%

15%

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 33

BIODIESEL

• RME (rapeseed methyl ester – ester metilic al uleiului de rapiţă);

• PME (purely [vegetable] methyl ester – ester metilic al uleiurilor vegetale pure);

• FME (fat methyl ester – ester metilic al grăsimilor din produse vegetale şi animale).

[EN 14214; DIN E 51606]Tipuri curente:- B100 – necesita modificari la motor- B20 – standard comun – utilizabil in motoarele Diesl obisnuite- B2 – marketing de imagine

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 34

BIODIESEL

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 35

BIODIESEL

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 36

BIODIESEL

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 37

BIODIESEL

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 38

BIODIESELMATERII PRIME:• Uleiuri virgine• Uleiuri vegetale uzate• Grasimi animale• Namoluri municipale• Depolimerizare termica deseuri

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 39

Biodiesel –procedeul la

joasa presiune

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 40

BIODIESEL – productie integrata

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 41

BIODIESEL – productie integrata

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 42

BIODIESEL – perfectionarea procesului

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 43

BIODIESEL – perfectionarea procesului

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 44

BIODIESEL – perfectionarea procesului

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 45

BIOHIDROGENUL

• METODE DE OBTINERE:– fermentarea anaerobă a deşeurilor organice cu

obţinere directă de hidrogen;– fermentarea anaerobă a deşeurilor organice cu

obţinere de metan, urmată de conversia catalitică a acesuia cu vapori de apă cu formare de hidrogen şi dioxid de carbon;

– fotosinteza.

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 46

BIOHIDROGENUL

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 47

BIOHIDROGENUL• Reacţia globală de conversie a glucozei:

• Microorganismele termofile sunt capabile să utilizeze o gamă largă de deşeuri organice:– sucul de trestie de zahăr, – pulpa pe porumb, – reziduurile de la fabricarea brânzei tofu, – zerul şi zara, – paiele de orez, – reziduurile de la prepararea cheagului.

22326126 4H2COCOOH2CHO2HOHC ++−→+

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 48

BIOHIDROGENUL - probleme

• Laborator – culturi pure• Industrial – culturi mixte stabilizate• Bacteriile metanogene consuma rapid H2

convertindu-l la CH4

• Degradarea se opreste la acetat si H2 (din considerente termodinamice)

• Sunt generate cantitati importante de acetat care trebuiesc valorificate

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 49

BIOHIDROGENUL - solutii• Decuplarea proceselor de fermentare:

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 50

BIOHIDROGENUL - solutii• Imbogatirea in situ a baceriilor generatoare de

H2 (tratament termic discontinuu)

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 51

BIOHIDROGENUL - solutii

• Fermentarea alcalina (pH = 7,5 – 11)

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 52

BIOHIDROGENUL - solutii• Cuplarea fermentarii termofile cu fermentarea

fotoheterotrofa (bacterii purpurii):

23luminoasa energie

23 8H2HHCO4 O8H COO2CH ++⎯⎯⎯⎯⎯ →⎯+− +−−

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 53

BIOHIDROGENUL - solutii

• Cuplarea fermentarii termofile cu fermentareafotoheterotrofa (bacterii purpurii):

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 54

BIOCONVERSIA DESEURILOR LA ACIZI ORGANICI

• ACIDUL ACETIC– Productie SUA 1995: 2,12.109 kg– Pret de piata: 0,84 $/kg– Utilizare - agent ecologic si necoroziv de

dezghetare pentru:• Piste aeroport• Poduri• Sosele strategice

– Pret agent de dezghetare obtinut prin sintezachimica din mat. prime petroliere: > 1 $/kg

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 55

BIOCONVERSIA DESEURILOR LA ACIZI ORGANICI

• ACIDUL PROPIONIC– Conservant pentru alimente si furaje– Preturi:

• Obtinut petrochimic: 1,0 $/kg• Obtinut prin fermentare: 4,4 $/kg

– Creste cerinta consumatorilor pentru aditivinaturali in produsele alimentare

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 56

BIOCONVERSIA DESEURILOR LA ACIZI ORGANICI

• ACIDUL BUTIRIC– Utilizat in sinteza medicamentelor pentru

• Cancer colorectal• Hemoglobinopatii

– Pretul acidului obtinut petrochimic: 1,21 $/kg

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 57

BIOCONVERSIA DESEURILOR LA ACIZI ORGANICI

• Directii prioritare de cercetare:– Valorificarea biomasei lignocelulozice

rezultata la prelucrarea primara a produseloragricole si in industria alimentara (~109 t/an)

– Procedee de biodegradare cu microorganisme / fungii imobilizate pe suport de hidrogeluripolimerice:• Viabilitate crescuta a microorganismelor• Eficienta mai ridicata a bioproceselor.

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 58

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 59

Lucian Gavrila - DEPOLUAREA EFLUENTILOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA SI BIOTEHNOLOGII 60