KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA ÉS BIOTECHNOLÓGIA

KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA ÉS BIOTECHNOLÓGIA ISCO (In situ kémiai oxidáció) Biotenzidek - speciális alkalmazások Molnár Mónika és Feigl Viktória

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék

BIOTENZIDEK és speciális alkalmazásaik

Hozzáférhetőség növelése A bioremediáció gyakori korlátozó tényezője a szennyezőanyag korlátozott biológiai hozzáférhetősége.

 Hőmérséklet emelése  Tenzidek  Biotenzidek  Ciklodextrinek

Page  3

http://www.mdpi.com/1422-0067/17/3/401/htm

Biotenzidek A biotenzidek csökkentik az olajcseppek felületi feszültségét → mikrocseppek jönnek létre, amiket egy biotenzid réteg vesz körül.

http://www.titanoilrecovery.com/microscopic-photo.html Page  4

5

RHAMNOLIPIDEK ALKALMAZÁSAI  Talajremediáció, szennyvízkezelés  Olajipar  Mezőgazdaság: antibiózis, paraziták ellen, peszticidekben, nedvesítőszerként  Élelmiszeripar: emulziók előállítása  Gyógyszeripar: antibakteriális, antifungális  Kozmetikaipar: emulzifikáló

Page  5

www.piacesprofit.hu

6

RHAMNOLIPIDEK A TALAJREMEDIÁCIÓBAN  Nehezen oldható, hidrofób anyagok hozzáférhetőségét növeli és biodegradációját elősegíti.

 Biofilm kialakulásában segít  Nehézfém megkötés kelátképzéssel  In situ „talajmosás”: talajvíz összegyűjtéssel vagy anélkül  Természetes mikroflórával vagy inokulálással

 Hátrány: – Drágább a biológiai előállítása Page  6

OLAJIPAR Az első és másodlagos technológiák (hagyományos kihozatali technológiák) → a feltárt olajkészletek 5-35 %-a nyerhető ki

Page  7

Forrás: Benkő Mária PhD. Dolgozat (2012) Tenzidek zárványkomplex képződésének vizsgálata folyadékfázisban és adszorpciójuk tanulmányozása szilárd/folyadék határfelületen

8

RHAMNOLIPIDEK ALKALMAZÁSAI MEOR Microbial Enhanced Oil Recovery

Eset: Beatrice Field, Anglia: 25%-os hozamnövekedés

Forrás: www.cell.com Page  8

ISCO

In situ kémiai eljárások  Kémiai folyamatok  A szennyezőanyag kémiai kötései felbomlanak a bejuttatott erős oxidálószerek (ISCO), vagy redukálószerek (ISCR) hatására.  In situ →

http://regenesis.com Page  10

ISCO (In situ kémiai oxidáció)  In situ  Talajban és talajvízben

 A szerves szennyezőanyagok bontása, ártalmatlanítása  oxidálószerekkel.  Oxidálószerek: permanganát, a peroxid, a perszulfát és az ózon…  Az oxidálószer redukálódik, azaz elektront vagy hidrogént vesz fel.  A talajvízben oldott szerves szennyezőanyag, vagy a telítetlen talaj nedvességtartalmában oldott, esetleg a szilárd felületen szorbeált szennyezőanyag bontása.

Page  11

ISCO - röviden

Page  12

Mechanizmus:

Kezelhető/eltávolítható szennyezőanyagok:‚‚

Kémiai lebontás/ kémiai reakciók Szabad gyökök

Szennyezőanyagok széles skálájának eltávolítására alkalmas

Idő:

Környezeti elemek / fázisok:

Alkalmazási gyakoriság:

Gyors (hetek - hónapok)

Talajvíz, talaj (telítetlen és telített)

Általában többszöri alkalmazás szükséges

Koncentráció: Közepes és nagy mértékű szennyezés kezelése

http://regenesis.com/site-remediationsolutions/in-situ-chemical-oxidation-isco/

ISCO (In situ kémiai oxidáció)  Ex situ reaktorban is alkalmazható az oxidáció kémiai reagensekkel – de ez nem ISCO!

 Oxidálószer -fogyasztás  nem elég a szennyezőanyag koncentrációjából kiindulni   A talaj saját oxidálószer fogyasztásának kísérleti meghatározása.  Előkísérletek, technológiatervezés

Page  13

ISCO (In situ kémiai oxidáció)  Kombinálható felületaktív anyagok alkalmazásával  megnő a vízben oldott hányad, így hatékonyabb az ISCO kezelés.

 ISCO + felületaktív anyag + koszolvens együttes alkalmazása.  Főbb előnyei: – ritkán képződik nagyobb mennyiségű melléktermék, és

– rendszerint viszonylag rövid idő alatt hatásos.

 Döntés előtt minden esetben be kell gyűjteni a szennyezett területről származó információt értékelés döntés.

Page  14

ISCO - oxidálószerek Vegyület neve

Standard redox potenciál [V]

Hidroxil gyök (.OH)

2,8

Szulfát gyök (.SO4-)

2,5

Ózon (O3)

2,1

Nátrium-perszulfát (Na2S2O8)

2,0

Hidrogén-peroxid (H2O2)

1,8

Permanganát (Na/K)

1,7

•Az értékek jó összehasonlítási alapot képeznek, de a helyszíni viszonyok befolyásolnak. •A hőmérséklet, a pH, a reagens koncentrációja, katalizátorok, a melléktermékek reakciói vagy a beadagolt vegyület megfelelő szétterjedése. Page  15

ISCO ózonnal •Az egyik legerősebb oxidáló hatású • Gázformájú, direkt oxidációra és szabadgyökös reakciókra is képes. •Olyan talajrétegekbe is eljut, ahova a folyékony reagensek eljuttatása problémát jelent a talaj szorpciós kapacitása miatt. • Peroxiddal kombinálva igen radikális oxidáció érhető el. •Kis koncentrációban alkalmazva a keletkező oxigén stimuláló • De! Problémák Page  16

ISCO perszulfáttal •A disszociált só perszulfát anionja (S2O82-) ugyan erős oxidálószer, de a szerves szennyeződéseket önmagában igen lassan bontja. •Reaktánsok hozzáadásával elősegíthetjük a perszulfát anionok szulfát gyökökké (SO4-) alakulását, ami jóval erősebb oxidálószer. •Az átalakulás elősegíthető a hőmérséklet növelésével vagy Fe(II) ionok hozzáadásával. •Probléma:…

Page  17

ISCO hidrogén-peroxiddal •Önmagában is erős oxidálószer→ de a talajban katalizátorral együtt hatékony. •+ Fenton-reagens : hidrogénperoxid + vasszulfát  Fe2+ hatására OH gyökök. •Savas közeg: az oxidálódott Fe3+ folyamatosan visszaalakul Fe2+-vé, így a katalízis állandó. (pH 4-6) • A vas oldott állapotban tartását kelátképző szerekkel is el lehet érni. Problémák: • Hő keletkezik •Savas környezet •A peroxid erős sejtméreg, nagy koncentrációban a mikroorganizmusok pusztulásához vezethet. ●

•DE Ha lassan oldódó, illetve a peroxidot lassan és fokozatosan a talajba engedő vegyületformákat alkalmaznak, akkor a mellékhatások enyhék. Page  18

ISCO permanganáttal • Nem keletkeznek szabad gyökök, mint a peroxidok és az ózon alkalmazásakor. • A permanganát jól oxidálja a klórozott alkánokat, a szén-szén kettős kötést tartalmazó szerves vegyületeket, az aldehid- és hidroxil-csoportot tartalmazó vegyületeket. •Nincs hőtermelés, bármilyen pH-n. •A permanganátok reaktivitása kevéssé érinti a mikrokapillárisokban élő talaj mikroorganizmusokat. •A kezelést követően a mikroflóra spontán visszaáll. •Hátrány… Page  19

Klórozott szerves szennyezőanyagok permanganátos oxidációja A klórozott szerves szennyezőanyagok permanganátos oxidációja közvetlen elektron transzferen alapul, így nem keletkeznek szabad gyökök, mint a peroxidok, perszulfátok vagy az ózon alkalmazásakor.  Perklóretilénnel (PCE):

4KMnO4 + 3C2Cl4 + 4H2O → 6CO2 + 4MnO2(s) + 4K + 12Cl + 8H +

-

+

 Triklóretilénnel (TCE): 2KMnO4 + C2HCl3 → 2CO2 + 2MnO2(s) + 3Cl- + H + 2K +

+

 Diklóretilénnel (DCE): 8KMnO4 + 3C2H2Cl2 + 2H+ → 6CO2 + 8MnO2(s) + 8K + 6Cl- + 4H2O +

 Vinilkloriddal (VC): 10KMnO4 + 3C2H3Cl → 6CO2 + 10MnO2(s) + 10K + 3Cl- + 7OH- + H2O +

Page  20

ISCO (In situ kémiai oxidáció) - alkalmazások

ISCO technológiai ábra (Christ és mtsai, 2005)

http://www.geo-solutions.com/what-wedo/technologies/soil-mixing/in-situ-treatment

Page  21

ISCO - Kivitelezési lehetőségek  Bekeverés talajba  Pneumatikus tördelés  Injektálás A reakciók/hatások a szennyezett pórustérben játszódjanak le, a bejuttatott anyagok a pórustérben keveredjenek a szennyezőanyagokkal. Probléma: Kevés bejuttatható hatóanyag ↔ kicsi hatástávolság → kezeletlen térrészek - Gravitációs nyeletés - Nyomással történő injektálás - Ideiglenes injektáló lándzsa, nagynyomású injektálás Page  22



Izing Imre 1, Lonsták László 1, Tóth Roland 2 Golder Associates (Magyarország) Zrt. 2 Geo-Engineering Kft. Injektálási technológiák alkalmazása a környezetvédelemben Kármentesítés aktuális kérdései c. konferencia 1

ISCO – alkalmazások (Max-Ox®)

Page  23

ISCO – alkalmazások (BME – Mezőlak) Permanganát Hatékony bontás, de nagymennyiségű csapadék képződik

Perszulfát Adalékok, elsősorban FeSO4 javítják a hatékonyságot (80% fölött) Hátrány: nagy szulfátterhelés, és oldhatatlan csapadék keletkezése Peroxid Adalékok: FeSO4 és ciklodextrin javítják a hatékonyságot (közel 100%) Hátrány: alacsony pH, talajsavanyodás, mikrobagátlás Page  24

ISCO – alkalmazások (BME – Mezőlak)

Page  25

Szabadföldi kísérletek push & pull technikával H2O2 és kénsav adagolása a kitermelt talajvízhez, injektálás

8000

8000

7000

7000

TCE-koncentráció (ug/l)

TCE-koncentráció (ug/l)

Két egymástól 1 m távolságra levő kutat felváltva kezeltünk és szivattyúztunk.

6000 5000 4000

3000 2000 1000 0 MTE-1/1MTE-1/8MTE-1/9 MTE1/11

MTE1/13

MTE 1/14

A nyilak a kezelést jelzik Page  26

6000

5000 4000 3000

2000 1000 0 M-3/8

M-3/10

M-3/12

M-3/13

M3/14

ISCO – alkalmazások (BME – Mezőlak) Szabadföldi kísérlet: TCE <5000 g/lit H2O2 és foszforsav adagolása július

Page  27

(g/lit)

(g/lit)

Váltott üzemű kezelés és termeltetés

In situ kémiai oxidációval kombinált ex situ vízkezelés

Page  28

A technológia erősségei In situ csökkenti a szennyezőanyag-koncentrációt, a szennyezőanyag nem kerül ki a talaj mélyebb rétegeiből Mobilizálja a szennyezőanyag lencsét Nem keletkeznek toxikus melléktermékek, a reakció végtermékei (szén-dioxid, klorid és víz) a talajban maradnak A hidrogénperoxid 2%-ban és alatta nem károsítja a talajmikroflórát. A technológia gyenge pontjai A vegyszerek költsége, ami csökkenthető, A munkaerőigény, ami automatizálással csökkenthető, A reagensek veszélyesek lehetnek, szakképzett személyzet, munkavédelem segít· 2% felett átmenetileg káros lehet a talajmikroflórára (amit törvény nem véd). A technológia lehetőségei Pontforrások vagy nagy kiterjedésű terület egyidejű kezelésére van lehetőség Bármilyen oxidálható szennyezőanyag kezelésére alkalmas, így vegyes, nagyon toxikus szennyezőanyagokra is (pl. klórozott és nem klórozott vegyesen) Azonosított fa. források (pl. lencse) in situ kezelésével gyors eredmény érhető el. PRB-vel vagy kútsorral kialakított hidraulikai gát tölteteként vagy kutakban, mint in situ reaktorokban is alkalmazható. A technológia veszélyei Veszélyes reagenseket alkalmaz, A lencse helyzetének azonosítását nemKSZGYSZ, váltja 2009 ki.

ISCO hatása a mikroflórára (talajban) • Cél: kétféle remediációs eljárás, az ISCO és az in situ biológiai remediáció párosításának alkalmazhatósága, mint költségcsökkentési lehetőség. •Szabadföldön, talajban vegyes eredmények. • Kis és közepes hidrogén-peroxid koncentrációk alkalmazása esetén a sejtszámok a kezdeti visszaesés után újra nőni kezdenek. • Pozitív kapcsolatot a Fenton-oxidáció és a mikrobiális-biomassza között • A katalizált ISCO csökkenti a mikrobák diverzitását, ami előnyhöz juttatja a bioremediációra képes organizmusokat a szubsztrátért folytatott versengésben.

Page  29

ISCO - BIOREMEDIÁCIÓ  ISCO – BIOREMEDIÁCIÓ

 In situ Technieken - http://www.in-situ.nl/websiteEN/en_home.html  REGENESIS

Page  30

http://regenesis.com/site-remediationsolutions/in-situ-chemical-oxidation-isco/

ISCO - irodalom

 Izing Imre 

Page  31

Lonsták László 1, Tóth Roland 2 1 Golder Associates (Magyarország) Zrt. 2 Geo-Engineering Kft. Injektálási technológiák alkalmazása a környezetvédelemben Kármentesítés aktuális kérdései c. konferencia (KSZGYSZ) 2011. március 17–18., Hotel Aréna, Budapest 1,

REGENESIS - http://regenesis.com

KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA ÉS BIOTECHNOLÓGIA

ZH II - témakörök

ZH témakörök • • • • • •

• • Page  33

Talajromlás (talajdegradáció, talajromlási folyamatok) Remediáció; remediációs technológiák csoportosítása, osztályozása Példák a különböző csoportokra Toxikus fémek, toxikus fémek a talajban, fémszennyezettség eredete, kockázatuk Hagyományos mérnöki technológiák toxikus fémekkel szennyezett talajok kezelésére Fizikai-kémiai technológiák toxikus fémekkel szennyezett talajok és felszín alatti vizek kezelésére Fitoremediációs technológiák Bioremediációs technológiák toxikus fémekkel szennyezett talajok és felszín alatti vizek kezelésére BME ABÉT 2014

ZH témakörök  Szerves szennyezőanyagok sorsa a talajban  Biodegradáció (jellemzők, alapfolyamatok, enzimek)  Biodegradáció és biodegradálhatóság  Biodegradációt befolyásoló paraméterek  Biostimuláció, bioaugmentáció, biotenzidek, biológiai hozzáférhetőség, kometabolizáció  Biodegradáció jellemzése szennyezett területen (módszerek, biológiai módszerek rövid ismertetése)  Bioremediáció: A természetes folyamatok mérnöki alkalmazásának fokozatai szennyezett talaj remediálásában (biológiai technológiák osztályozása, beavatkozások)  Bioremediációs technológiák, a hatékonyság növelésének lehetőségei  ISCO és kombinált technológiák  Definíciók, részletesen kifejtendő feladatok

Page  34

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!