Technologie výroby bioplynu a biovodíku http://web.vscht.cz/pokornd/BP
Biogeochemické cykly biogenních prvků
Ing. Pokorná Dana, CSc. (č.dv.136,
[email protected]) Prof.Ing.Jana Zábranská, CSc. (č.dv.115,
[email protected])
ANAEROBNÍ PROSTŘEDÍ
Biotechnologie = vztah mikroorganismus – látka (substrát) Metabolismus • •
dostatek vhodných živin energie
Katabolismus x Anabolismus Oxidačně – redukční potenciál prostředí (ORP) = složený parametr celkové intenzity oxidačních nebo redukčních podmínek v systému a odráží stupeň vyváženosti mezi oxidačními a redukčními procesy
Měření ORP Platinová elektroda x kalomelová nebo argentochloridová Standardně vztaženo k vodíkové elektrodě
Oxidace x Redukce - přenos elektronů, vodíku z látky oxidované (donor) na látku redukovanou (akceptor) - Redukce : pochod, při kterém se snižuje oxidační číslo (mocenství) prvků, atom nebo ion elektrony přijímají od redukčního činidla, které se tím oxiduje. Je elektronovým donorem. - Oxidace : pochod, při kterém se zvyšuje mocenství prvků. Atom nebo ion elektrony ztrácejí, ty přijímá oxidační činidlo, které se tím redukuje. Je elektronovým akceptorem.
C
O
H
N
S
P
ORP (mV) +450
O2
CO2
NO3 -
SO 42-
Poly P
aerobní
+50
anoxická
HO
org.C
2
N2
S
-50
anaerobní -450
H2
CH4
Namon
H2S
PO43-
ORP (mV)
CYKLUS UHLÍKU CO2
+450
Methylotrofní bakterie
γ=0 POXČ = 4
CO2
E O2
aerobní ekosystém O2
H2
+50
org.C
E
Org.C Org.C
-50
NO32n x
H2
anaerobní ekosystém
y n 2x z O2 2 POXČ 4 -450
γ=8 POXČ = - 4
E
CH4
Methanogenní bakterie
CH4
ORP (mV) +450
org.C
nitratační bakterie
NO3 -
denitrifikační bakterie
Nitrobacter
chemolitotrofní
NO2 -
+50
N2
heterotrofní
H2
Paracoccus denitrificans Pseudomonas Denitrobacillus
autotrofní denitrifikační bakterie
nitritační bakterie
-50
Nitrosomonas Nitrococcus
amonifikační bakterie
O2 -450
Namon
org.C
ORP (mV) +450
Cyklus dusíku
NO3 -
nitratační bakterie
denitrifikační bakterie
Nitrobacter heterotrofní
NO2 -
chemilitotrofní
+50
-50
N2 nitritační bakterie Nitrosomonas Nitrococcus
S
Thiobacillus denitrificans autotrofní sirné denitrifikační bakterie
amonifikační bakterie
O2 -450
S2-
Namon
Cyklus dusíku
ORP (mV) +450
NO2 -
nitritační bakterie Nitrosomonas +50
N2
-50
Planctomycetes
O2 -450
autotrofní deamonifikační bakterie
Namon
ORP (mV) +450
SO4 2O2
H2
Desulfovibrio Desulfobulbus Desulfonema
org.C
+50
-50
Cyklus síry
sulfátredukující bakterie (SRB)
S
O2
autotrofní denitrifikující sirné bakterie Thiobacillus denitrificans
sirné bakterie
O2
SO4 2-
org.C
S H2
NO3-
Thiothrix Beggiatoa Thiobacillus -450
H2S
H2S
Sirné bakterie ukládající síru uvnitř buněk
Thiothrix s granulemi síry
bez granulí síry
Sirné bakterie ukládající síru na povrchu buněk
Thiobacillus s granulemi síry
ORP (mV)
Polyfosforečnany - orthofosforečnanyCyklus fosforu
+150
polyfosforečnany ve volutinových granulích poly P bakterie se zvýšenou akumulací fosforu
tvorba vnitrobuněčných zásobních látek z jednoduchých substrátů
Acinetobacter depolymerace polyfosforečnany
PO43-150
srážení s Fe
1 – oxidace org. C 2 – akumulace polyfosfátů 3 – nitrifikace 4 – denitrifikace 5 – depolymerace fosfátů 6 – desulfatace 7 – acido- a acetogeneze 8 - methanogeneze
Gibbsova energie získaná při přenosu jednoho ekvivalentu dostupných elektronů v některých reakcích
Δ G /kJ ede-1
Anaerobní respirace SO42- + H+ + 4 H2O → HS- + 4 H2O N2 + 2 H+ + 3 H2 → 2 NH4+ NO3- + 2 H+ + 3 H2 → NH4+ + 3 H2 HCO3- + 4 H2 + H+ → CH4 + 3 H2O 2 HCO3- + 4 H2O + H+ → CH3COO- + 4 H2O
(SRB) (amonifikační) (denitrifikační, amonifikační) (hydrogenotrofní metanogeny) (homoacetogeny)
19,0 13,3 75,0 17,0 13,1
(acetotrofní metanogeny) (syntrofní acetogeny) (syntrofní acetogeny) (homoacetogeny) (hydrogenotrofní metanogeny)
16,8 13,0 3,9 - 5,4 - 2,4 13,1 17,0
Anaerobní fermentace Glukóza → metan Glukóza → kyselina octová Kyselina octová → metan Kyselina propionová → kyselina octová Kyselina máselná → kyselina octová CO2/H2 → kyselina octová CO2/H2 → metan
Aerobní respirace O2 + 2 H2 → 2 H2O
118,6
Záporný zisk Δ G znamená, že reakce za standardních podmínek probíhá opačným směrem
aerobní
anaerobní
CO2 50 %
Bioplyn (CO2 +CH4) 95 %
Biomasa 50 % Biomasa 5 %
aerobní
anaerobní
Reakční teplo 40 % Bioplyn 90 % Biomasa 60 % Biomasa 5-7 % Reakční teplo 3-5%
anaerobní MO
MAX
S KS S
aerobní MO
Princip anaerobního rozkladu organických látek
HYDROLÝZA
substráty
produkty
organismy
polysacharidy
cukry
bílkoviny
aminokyseliny
hydrolytické
Tuky (lipidy)
vyšší mastné kyseliny
fermentační
glycerol pH
ACIDOGENEZE
cukry
nižší mastné kyseliny
aminokyseliny
alkoholy
acidogenní
vyšší mastné kyseliny
kyselina octová
desulfatační
glycerol
CO2
HH22 ACETOGENEZE
METANOGENEZE
kyselina máselná
kyselina octová
syntrofní
kyselina propionová
CO2
acetogeny
etanol
HH22
kyselina octová
CH4
CO2
CO2
H2
pH
metanogeny acetotrofní hydrogenotrofní
