Milieu biotechnologie
Prof. Dr. ir. J. Swings
Milieu biotechnologie • Inleiding milieuproblematiek • Biologische bestrijding • Bioremediering • Microbiele omzettingen
1
Deel 3 Microbiële omzettingen van vast afval
Case : Bioplastics in de vaste afvalstroom Oorsprong vast afval Weg van het vaste afval Opties van vast afvalmanagement Compostering Biodegradeerbare plastics
2
3
Case : Bioplastics in de vaste afvalstroom Oorsprong vast afval Weg van het vaste afval Opties van vast afvalmanagement Compostering Biodegradeerbare plastics
4
Case : Bioplastics in de vaste afvalstroom Oorsprong vast afval Weg van het vaste afval Opties van vast afvalmanagement Compostering Biodegradeerbare plastics
Vergelijking van de opties voor vaste afval management Eliminatie aan de bron Hergebruik Recycling Verbranding Compostering Stort
5
Eliminatie aan de bron Hergebruik Recycling
Producten gemaakt van gerecycleerd materiaal Waste material
Product
Paper
Printing paper Sanitary paper Packaging
Sludge
Compost
Rubber
Pavement Reefs
Plastic
Pipes
Glass
Ceramic bricks Concrete
Fly and bottom ash
Roadfill Asphalt Cement
Oil
Oil
6
Verbranding
Hoge temperatuur verbrandingsoven
7
Energie-inhoud van afval tov standaard brandstof Fuel
Solid -
Heating value (percent)
Coal Bark Wood waste Sawdust Coffee grounds Corncobs
100 37 46 54 46 59
Liquid -
Oil Oil waste Paints/resins Dirty solvents Old grease
100 97 54 86 76
Gaseous
- Natural gas - Coke oven gas -Refinery waste gas
100 78 271
Stort
8
Stockage van vast afval
Case : Bioplastics in de vaste afvalstroom Oorsprong vast afval Weg van het vaste afval Opties van vast afvalmanagement Compostering Biodegradeerbare plastics
9
Humus en compost Ground
Compost
Living plants
Organic substrate
Fungi + bacteria
Alteration of dead tissue
Mechanical homogenisation
Contamination with Bacteria, Actinomycetes, Fungi,…
Fungi + bacteria + associated fauna (detrivores, mycophages)
Decomposition of biochemical degradable compounds
Leaf layer
Degradation and Humification
Humus – clay complexes
Stabilised form
Humification of organic compounds at average temperature. Fungi + Bacteria + Actinomycetes + Fauna Addition of compost to the ground
Compost Progressive incorporation of HUMUS in the ground
Composteringsprocedures Substraat
Discontinue systeem
Continue systeem
Vast
Methodes in kuil, op een hoop of in fermentor
Opeenvolgende hopen, in fermentoren of silo’s
Vloeibaar
Methodes in geaereerde kuilen of op hopen
Methodes in fermentoren of in geaereerde kuilen
10
Experimenteel composteringsstation (Johnson city Tennessee)
Slib verwerking Vermaling
Afval ontvangst
Rijping Fermentatie
Schema van de continue evolutie van organisch afval
Organic waste
Young compost Prehumified
Decomposition phase
Mature compost Rich in humus
Maturation phase
Aerobic fermentations
11
Plaats van compostering in de afvalstromen
Valorisatie van de biomassa : plaats van compostering
12
Compostering van slib
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Dehydration of sludge Sludge reservoir Structuring agents reservoir Homogenisation Transportation band Fermentor Aeration Aeration central Fresh compost Recyclage of compost
Microscopische structuur van compost
13
Vochtigheid en beluchting
Passieve aeratie
14
Geforceerde aeratie
Nood aan zuurstof tijdens de compostering Zone 1 : maximale aerobe afbraak, hoge vereiste Zone 2: matige aerobe afbraak, mindere vereiste Zone 3: Maturatie, weinig zuurstof nodig
15
Temperatuurscurve bij compostering
Zone A : Warmteproductie hoogst Zone B : Thermisch evenwicht Zone C : Temperatuurverlies hoogst Zeer fermenteerbaar substraat Matig fermenteerbaar substr. Zwak fermenteerbaar substraat
pH schommeling tijdens de compostering
I: II: III: IV:
Acidogenese, mesofiele flora Alkalinisatie, thermofiele flora Stabiliserende fase Stabiele fase, neutrale pH
16
Verband tussen compostering, vochtigheid, aeratie en betrokken microflora
Mesofiele en thermofiele populaties
17
Gebruik van compost
Landbouw domein
% markt
Dosis (ton/ha)
Frequentie
Wijnbouw
60
20-300
2-3 jaar
Grote teelten
5
20-50
3-5 jaar
Boomkweek
10
10-100
-
Groententeelt
9
3-5
-
Champignons
5
-
-
Case : Bioplastics in de vaste afvalstroom Oorsprong vast afval Weg van het vaste afval Opties van vast afvalmanagement Compostering Biodegradeerbare plastics
18
Gezochte eigenschappen van bioplastics -
Licht Waterondoordringbaar Stabiel Niet toxisch Strukturele veelzijdigheid Weerstand aan afbraak
Toepassingen 75% langdurige toep. 25% kortstondige toep. - tassen - verpakking - folie - flessen
Biodegradatie van plastics Biodegradeerbaarheid, biodeterioratie, biokompatibiliteit Methoden om biodegradatie te bepalen Biodegradatie van specifieke polymeren - PE, PS, PVC : niet afbreekbaar - NR, synthetische rubbers : wel/niet afbreekbaar - zetmeelgevulde polymeren - polyesters : PGA, PCL, PLLA - vinylpolymeren : PVA, PEA, PVAc - polyhydroxyalkanoaten : PHB, PHBV
19
Belangrijkste koolstofketen-polymeren PE
PS
PP
PVC
Heteroketen polymeren
20
Fotodegradeerbare plastics
- UV gevoeligheid stijgt door C=O in de polymeerstruktuur - Norrish types chemische reakties - Vlugge verbrokkeling ? Uiteindelijke afbraak van de fragmenten door micro-organismen ? - Toepassingen : landbouwfolie en verpakkingsplastics
Norrish type I en II reacties in Ecolyte masterbatch
Fotodegradeerbare plastics C=O copolymeren : - Copolymerisatie van C=O en polyethyleen (LDPE) - Worden de fragmenten afgebroken door micro-organismen ? - six-pack connector materiaal
Norrish Type I en II reactions in E/CO
21
Fotodegradeerbare plastics Types van copolymeerstructuren
Polyhydroxyalkanoaten Poly(3-hydroxybutyraat) : PHB - Kristallijn thermoplastisch materiaal - Reservestof van micro-organismen - Afbraakproducten : CO2 en H2O of CH4 en H2O - Stijver en breekbaarder dan PP
Poly(3-hydroxybutyraat)-poly(3-hydroxyvaleraat) PHBV - PHV reduceert kristalliniteit, geeft meer toepassingsmogelijkheden - PHV kan variëren, dus ook de eigenschappen - Goed afbreekbaar - Gemaakt in batch vergistingen van glucose en propionzuur : PHBV bereikt 80% van het droog celgewicht
22
Polyesters Polyglycolzuur : PGA - Hydrofieler dan PLLA - Copolymeren met PLLA hebben lagere kristalliniteit -> degradeert vlugger - Gespecialiseerde toepassingen (biomedische) : implantaten, vertraagde afgifte van producten
Poly(L-lactaat) : PLLA - Sterke homopolymeren - Lage weerstand tegen hydrolyse - Release systemen voor geneesmiddelen, pesticiden, meststoffen Poly(caprolacton) : PCL - Medische en landbouwtoepassingen - Tragere afbraak dan PGA en PLLA
Vinylpolymeren
Poly(vinylalcohol) : PVA
Poly(enol-keton) : PEK
Poly(vinylacetaat) : PVAc - afbraak door enzymatische oxidatie van sek. OH tot –C=O hetgeen zorgt voor ketensplitsing - Wateroplosbaar - PCL-PEK mengsels voor gecontroleerde vrijstelling : PCL is onoplosbaar en houdt de struktuur samen tijdens de vrijstelling - PVAc breekt traag af
23
