Gáz halmazállapotú energiahordozók és biohajtóanyagok (biogáz, biohidrogén) Bagi Zoltán1, Dr. Kovács Kornél1,2 1SZTE 2MTA
Biotechnológiai Tanszék
Szegedi Biológiai Központ
Megújuló energiaforrások Magyarországon (PJ/év)
Biomassza hasznosítási lehetőségek • Égetés ¾ Csak hő, tápanyagigény
• Komposztálás
¾ Hő és biotrágya
• Biogáz
¾ Zöld áram és biotrágya
• Bioetanol, biodízel
¾ Speciális alapanyagokból • Biohidrogén ¾ A jövő ígérete
Legtisztább energiahordozó: H2
Víz
Víz primer energia
energia szállítás, tárolás
energia felhasználás
Biohidrogén termelési stratégiák 2H+ 2H2O
e-
Fotoszintézis
O2 + 2H+
Biomassza
e-
Sötét fermentáció
elektron hordozó
e-
Hidrogenáz
e-
elektron hordozó
2H+ Hidrogenáz
[NiFe] hidrogenázok
s2 s1 Cy Cy
CN CO
-
Aktív centrum
S S
Fe
-
CN S
Ni
C
S
ys
4
s3 Cy
L (zöld): nagy alegység S (piros): kis alegység Fe-S: vas-kén kockák
Aktív centrum: össze kell rakni AKTÍV CENTRUM AKTÍV CENTRUM CO
CO
CN--
C Cyyss
SS
Fe SS
Ni
Cys Cys
SS C Cyyss
SS
C Cyyss
FeS-KOCKÁK FeS-KOCKÁK
[NiFe] hidrogenázok összeszerelése
Aktív fehérje
Fe
HypEF
KP + ATP
HupK
? HypAB
Ni + GTP
GDP + Pi
Thiocapsa roseopersicina BBS • Fototróf bíbor kénbaktérium • Hideg tengervízben él; Tnövekedés<30°C • Anaerob • Nitrogenáza van • [NiFe] hidrogenázai vannak
Hol vannak a sejtben? H2
2H+
2H+
HynL
HupL
HynS
ADP+ Pi
H2 2H+
H
U Y Hox2
GASH:glutation amid
?
ATP
2eHup C
Isp2 2e-
Xred
NH4+ Xox
Xred: GASH ?
NAD+
F
HupS
Isp1
PS
ATP
2H+
NADH++H+
H2
ADP+Pi ATP 2e- + 2H+ N2
Nitrogenáz H2
NADH+H+ HoxH HoxE HoxU
2H+
H2
H2
HupV
HoxF HoxY NAD+
HupU
Hyvolution EU 6. KP-IP Gáz elválasztás
Biomassza
Gáz elválasztás
szénhidrátok szerves savak
szerves savak
Biomassza hasznosítási lehetőségek • Égetés ¾ Csak hő, tápanyagigény
• Komposztálás
¾ Hő és biotrágya
• Biogáz ¾ Zöld áram és biotrágya
• Bioetanol, biodízel
¾ Speciális alapanyagokból • Biohidrogén ¾ A jövő ígérete
Biogáz jellemzői • Mocsárgáz, lidércfény Szerves anyag levegő mentes környezetben
• Bonyolult mikrobiológiai rendszer Túlélésre optimalizált A biogáz melléktermék
• Biogáz termelés fokozása Anyagcsere szűk keresztmetszet megismerése, megváltoztatása
Ország
2003
2005
Nagy-Britannia
1253
1473
Németország
1229
1291
Franciaország
344
359
Spanyolország
257
275
Olaszország
201
203
Svédország
119
120
Hollandia
109
110
Dánia
83
93
Portugália
76
76
Csehország
41
50
Lengyelország
35
43
Belgium
42
43
Ausztria
38
42
Görögország
32
32
Írország
19
19
Finnország
16
17
Szlovénia
6
7
Luxemburg
4
5
Szlovákia
3
3
Észtország
3
3
Magyarország
2
2
Hiányzik: Ciprus Lettország Litvánia Lichtenstein
Alapelv
Szerves anyag, “hulladék”
BIOGÁZ Anaerob fermentáció
TÁPANYAG
Biogáz képződés HIDROLIZÁLÓ MIKROORGANIZMUSOK
Polimerek bontása: Poliszacharidok (cellulóz, keményítő), fehérjék, zsírok
Monomerek, oligomerek emésztése: Cukrok, aminosavak, zsírsavak
ACETOGÉN MIKROORGANIZMUSOK Illékony zsírsavak +
H2
METANOGÉNEK
CH4 + CO2
A hidrogén, mint sebesség meghatározó komponens Acetát
H2
Metanogének
CH4 + CO2
+ H2
Hidrogén termelő baktérium törzs
Batch fermentáció Mezofil hőmérséklet
Termofil hőmérsékleten 3000
2000 2500
2000 biogáz (m l)
biogáz (m l)
1500
1000
1500
1000 500 500
0
0 kontroll
hidrogén termelő törzzsel
kontroll
hidrogén termelő törzzsel
Valóban a hidrogén? Acetát bevitel 3000 2500
biogáz (ml)
2000
20mM 30 mM 40mM
1500
50mM kontroll
1000 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 idő (napok)
Valóban a hidrogén? 80
összes biogáz (ml) / 1 g szárazanyag
70
60
50
40
30
20
10
0 kontroll
hidrogén termelő törzs
hypF mutáns
Folyamatos fermentáció 2 literes térfogatban 1. Ferm. gázhozam (ml) 2. Ferm. gázhozam (ml) 1. Ferm.száraza. t. (%) 2. Ferm.száraza. t. (%) hőmérséklet (°C) 30
1200
400 300
1000
25
800
20
600
15
400
10
200
5
-100
0
0
-200
1
9
17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105 113 121 129 idő (napok)
b io g á z (m l)
hőmérséklet (°C)
biogáz (ml)
200 100 0 1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103 109 115 121 127 133
Leoltás
idő (napok)
Leoltás
Termofil üzemi kísérlet: 15 m3 térfogatú folyamatos üzemű fermentor 6000 biogá z (l/na p)
5000 4000 3000 2000 beoltás
1000 0 1
31
61
91
121 idő (nap)
151
181
211
Energia növények Bagasse
Cukor cirok Cukorrépa
Csicsóka
Lucerna
Projekt tervek • Klárafalva Ipari vizsgáló laboratórium, kísérleti biogáz üzem, 2000 m3 termelő üzemi biogáz fermentor (0,5 MW). Épül.
• Algyő Ipari prototípus üzem (5 MW) bioetanol + biogáz, megvalósítási tanulmány
• Mezőhegyes Termelő üzem (5-8 MW) bioetanol + biogáz, tervezés alatt
• Kiskőrös kistérség
Termelő üzem (5-8 MW) bioetanol + biogáz + égetőmű, tervezés alatt
• Bácsszőllős Termelő üzem (0,5-2 MW) biogáz + bioetanol, tervezés alatt
• Békéscsaba Termelő üzem biogáz + égetőmű, tervezés alatt
Köszönöm a figyelmet!
