Elementy

Elementy

biotechnologii

biotechnologii

Seminarium 8

1. Hydrobiometalurgia

- Mechanizmy procesu
- Przykład technologii
- Procesy techniczne
- Bioremediacja

2. Biogaz, biomasa, biopaliwa

- Charakterystyka
- Korzyści
- Zastosowanie

Biogeochemia

(ługowanie

mikrobiologiczne)

wykorzystuje

aktywność

metaboliczną

mikroorganizmów w praktycznym celu – pozyskania
rozproszonych w minerałach lub skałach substancji
nieorganicznych lub też w celu wyizolowania cennych
pierwiastków ze skał i minerałów skałotwórczych.

Biogeochemia (1)

Biotechnologiczne metody pozyskiwania

pierwiastków

Zdolność niektórych
bakterii
chemolitotroficznych do
produkcji kwasów, które
rozpuszczają zawarte w
minerałach związki
chemiczne (tzw.
wymywanie).

Mikroorganizmy które
wykazują swoiste
powinowactwo z określonymi
pierwiastkami akumulując je w
swoich komórkach. W kolejnym
etapie następuje wyizolowanie
pierwiastka lub związku
chemicznego z organizmu
żywego.

Biogeochemia (2)

Mikroorganizmy stosowane do procesów ługowania:

-bakterie z rodziny Thiobacillus – zazwyczaj
autotroficzne bakterie tlenowe, niektóre z nich
posiadają zdolność do redukcji azotanów w
warunkach beztlenowych

-bakterie chemolitotroficzne tlenowe z rodziny
Thiobacillus (thiooxidans, ferrooxydans), które
energie niezbędną na podtrzymanie metabolizmu
czerpią w wyniku reakcji chemicznych: utlenienie
siarki elementarnej lub siarczków, źródłem węgla
jest CO

2

-drobnoustroje przystosowane do życia w
środowisku kwaśnym - acidofile, zdolne do
wytwarzania enzymów przy pH w granicach 2 - 3

Biogeochemia (3)

Mechanizm procesu

Ługowanie biologiczne opiera się na tworzeniu
rozpuszczalnych soli metali w wyniku biologicznego
utleniania (np. przekształcanie siarczków w
siarczany).

Metody ługowania biologicznego:
-ługowanie bezpośrednie –

bezpośredni kontakt miedzy

bakteriami a minerałem zawierającym pierwiastek lub związek
chemiczny np. siarczek

-ługowanie pośrednie –

czynnik ługowany jest wytwarzany lub

regenerowany przez mikroorganizm

np. ługowanie rud uranowych

-ługowanie połączone

– w przypadku występowania rud o

złożonym składzie chemicznym wykorzystuje się obie metody:
pośrednią i bezpośrednią

Ługowanie bezpośrednie

Przemiany enzymatyczne prowadzące do

utleniania siarczków do siarczanów przebiega przez
T. ferrooxidans:

2 FeS

2

+ 7 O

2

+ 2 H

2

O

2 FeSO

4

+

2 H

2

SO

4

4 FeSO

4

+ O

2

+ 2 H

2

SO

4

2

Fe

2

(SO

4

)

3

+ 2 H

2

O

Powyższy mechanizm stosowany jest do utleniania
siarczków: żelaza, miedzi, cynku, ołowiu, molibdenu,
kobaltu, niklu, bizmutu.

Ługowanie pośrednie

Siarczki mogą być utleniane przez jony żelaza III i
ługowane ze złoża bez udziału bakterii.

MeS + Fe

2

(SO

4

)

3

MeSO

4

+ 2 FeSO

4

+

S

Kationy Fe

2+

powstające w tej reakcji mogą być

utlenianie do jonów Fe

3+

przez T. ferrooxidans i

ponownie uczestniczyć w utlenianiu siarczków.
Powstająca w przemianie siarka jest utleniana przez T.
thiooxidans które zwykle występują w kolonii T.
ferrooxidans

2 S + 3 O

2

+ 2 H

2

O

2H

2

SO

4

Bakterie T. thiooxidnas wytwarzając kwas siarkowy
(IV) stymulują warunki do rozwoju T. ferrooxidnas i
utlenianiu przez nie kationów żelazowych.

Techniki wymywania (1):

Techniki labolatroyjne:

- perkolator* –

cylinder wypełniony rozdrobnioną rudą lub

odpadem przemysłowym i wypełniaczem w postaci piasku, całość
zalewa się płynem perkolacyjnym (pożywką bakteryjną ) i
szczepem

bakteryjnym uprzednio

wysterylizowanym . Pompa powietrzna

dostarcza

sterylnego powietrza a przepływając

przez słup rudy napowietrza ją tak że metabolity produkowane
przez mikroorganizmy powodują wymywanie związków
chemicznych

- hodowla wstrząsana –

hodowla szczepu w

płynnej pożywce z dodatkiem surowca np. rudy
metalu, drobnoustroje produkują silne kwasy
nieorganiczne np. H

2

SO

4

lub HNO

3

-wymywanie pod ciśnieniem –

w wywiercony otwór litego

bloku rudy wprowadza się rurą połączoną z pompą ssąco – tłoczącą

pożywkę bakteryjną wraz ze szczepem. Dzięki ciśnieniu
hydrostatycznemu drobnoustroje są rozprowadzane w całej objętości
rudy wypłukując związki chemiczne.

Techniki wymywania (2):

Wymywanie pierwiastków ze złóż (warunki in stitu):

-technika wymywania niskoprocentowych rud prowadzi do
koncentracji pozyskiwanych substancji z wycieku, który
systemem rur jest tłoczony do miejsca w którym następuje
izolacja związku chemicznego lub pierwiastka

-wymywanie surowca z odpadów poprodukcyjnych np. hałd
specjalnie do tego przygotowanych. Górna cześć stosu
ukształtowana jest w specjalne stawy umieszczone na
asfaltowym podłożu zdrenowanym systemem rur. Do stawów
wprowadzana jest pożywka zawierająca produkty
metabolizmu bakterii, które wymywają związki chemiczne z
rudy a materiał wymyty gromadzi się w kolektorze.

Techniki wymywania (3):

Typy wymywania pierwiastków na skale przemysłową:

-metoda ‘hole – to – hole’ wiercenie wielu głębokich
dziur w złożu i wtłaczaniu do brzegowych jego części
roztworów pożywki, centrum służy do
wypompowywania wymytego materiału

-metoda ‘hole – to – mine’ wokół głównego otworu
wierci się wiele otworów którymi wpompowywuje się
pożywkę. Płyn penetruje złożę minerału i ścieka do
głównego szybu, skąd odprowadzany jest na
powierzchnie w celu ekstrakcji. Metoda ta stosowana
jest np. do pozyskiwania uranu

Techniki wymywania (4):

- ługowanie stert – przebiega w specjalnie
zbudowanych basenach betonowych . Są one
wyposażone w system odprowadzania płynu
ługującego poprzez np. ‘podwójne dno’ . Pozostała
procedura jest identyczna jak ługowanie hałd

- ługowanie w reaktorach z mieszaniem – ten typ
ługowania jest łatwy do kontroli i gwarantuje jego
wysoką wydajność (wysokie stężenie metalu w płynie).
Wadą tej metody są wysokie koszty nadal nie
adekwatne do uzyskiwanych minerałów, pierwiastków,
związków chemicznych.

Przykłady
technologii (1)

Ługowanie
miedzi:

Miedz zawarta w minerałach (np. chalkozyn, chalkantyt,
malachit) wymywana jest sposobem pośrednim ze
względu na niski zysk energetyczny jaki uzyskują
bakterie chemolitotroficznym podczas utleniania Cu

+

do

Cu

2+

. Zwykle proces ten jest skorelowany z reakcjami

utleniania towarzyszących miedzi: związkom żelaza i
siarki.

2 FeS

2

+ 7 O

2

+ 2 H

2

O

2 FeSO

4

+ 2 H

2

SO

4

2 FeS

2

+ 15/2 O

2

+ H

2

SO

4

Fe

2

(SO

4

)

3

+

H

2

SO

4

Cu

2

S + 2 Fe

2

(SO

4

)

3

2 CuSO

4

+ 4

FeSO

4

+ S

Wytrącanie miedzi z roztworu jest również reakcją z
udziałem mikroorganizmów:

CuSO

4

+ Fe

2+

FeSO

4

+ Cu

2+

cement
miedziowy

Przykłady technologii (2)

Ługowanie cynku:

Cynk zawarty w minerałach tj. sfaleryt, cynkit, wilemit
nie stanowi dla bakterii autotroficznych źródła
bogatego w energie potrzebą do przemian
metabolicznych. Jeśli jednak w rudzie występują związki
chemiczne zawierające żelazo lub siarkę to bakterie z
rodziny T. ferrooxidans utlenia siarczki żelaza
do siarczanu żelazowego a następnie reaguje z
siarczkiem cynku

ZnS + 2 Fe

2

(SO

4

)

3

+ O

2

ZnSO

4

+ 4 FeSO

4

+ 2H

2

SO

4

Metoda ta wykorzystywana jest dość powszechnie ze
względu na zapotrzebowanie cynku jako składnika
wielu stopów.

Przykłady technologii (3)

Odsiarczanie węgla i ropy
naftowej:

Proces wymywania związków siarki z węgla i z ropy
naftowej przy udziale mikroorganizmów wymaga
odpowiedniej ilości wody. W warunkach niskiej
wilgotności bakterie utleniają siarczki

FeS

2

+ 3 O

2

FeSO

4

+ SO

2

Przy znacznym zawilgoceniu środowiska reakcje zachodzi
z równaniem

2 FeS

2

+ 7 O

2

+ 2 H

2

O

FeSO

4

+ 2 H

2

SO

4

4 FeSO

4

+ 2 H

2

SO

4

+ O

2

2 Fe

2

(SO

4

)

3

+ 2 H

2

O

Fe

2

(SO

4

)

3

+

2 H

2

O

2 Fe(OH)SO

4

+

H

2

SO

4

mikrobilogiczne
utlenianie

hydroliza

Ropa naftowa zawierająca związki siarki oczyszczana jest przy
wykorzystaniu bakterii Desulfovibrio, proces polega na
utlenianiu siarczków do siarczanów grupy SO

3

2-

mniej

agresywnych dla środowiska.

Zalety i wady metod bioługowania

-możliwość wykorzystania rud ubogich i
odpadowych,

-wysoka sprawność wydzielania metali
-możliwość wykorzystania w przerobie różnych rud

Do zalet ługowania
biotechnologicznego należą:

Do wad ługowania biotechnologicznego
należą:

-względnie wolny przebieg procesu
-trudność kontroli i sterowania procesem,
-wrazliwość czynnika biologicznego
-trudność z zapewnieniem właściwego
napowietrzenia

-trudność odzyskiwania metali z rozcieńczonych
roztworów

Bioremediacja (bioodzysk) transformacja różnego
rodzaju zanieczyszczeń przy użyciu mikroorganizmów
lub układów biologicznych do form mniej szkodliwych.

Bioremediacja (1)

W wyniku wydobycia rud i dalszych procesów
związanych z wykorzystaniem wydobytego
surowca powstają odpady często zawierające
metale ciężkie np. Cd, Hg, Cr, Ag, Zn, Au, Sb, Sn.

Bioodzysk jest zespołem zabiegów stymulujących
charakterystyczne dla danego środowiska,
mikroorganizmy do usuwania chemicznych
zanieczyszczeń głównie z gleby, wód gruntowych

Mikroorganizmy wykorzystywane w

procesach usuwania metali ciężkich, muszą
charakteryzować się dobrą zdolnością
namnażanie się i szeroką tolerancją na
warunki środowiskowe. Należą do nich:
Bakterie
Drożdże,
Promieniowce,
Pleśnie
Glony

Bioremediacja (2)

Usuwanie zachodzi dzięki
mechanizmom: 1.
Powierzchniowego wiązania
metali przez reaktywne polimery i
makrocząski występujące w
osłonach komórkowych

2.Wewnątrzkomórkowe wiązanie
metali

Bioremediacja (3)

Konwencjonalne metody oczyszczania gruntów i wód z
pierwiastków metali ciężkich wymagają transportu
dużych ilości gruntu skażonego. Zalety bioremediacji to:

-możliwość stosowania w miejscu skażenia (in stitu)
-nie wymaga stosowania skomplikowanych urządzeń
-może zachodzić w środowisku aerobowym lub
anaerobowym

-jest ekonomiczna
-grunt nadaje się do użytku bezpośrednio po procesie

Ograniczenia bioremediacji:

-ilość skażeń wobec, których można stosować tę metodę

-czas w którym, zanieczyszczenie powinno być usunięte

-specjalne warunki jakie powinno spełniać miejsce
oczyszczenia

Procesy bioremediacji

Biostymulacja –

towarzyszy i przyspiesza proces remediacji

zanieczyszczeń gleby

dzięki wprowadzeniu z

zmodyfikowanych warunków środowiskowych:
temperatura, pH

Natlenianie –

stosuje się w celu zwiększenia dostępności tlenu

cząsteczkowego,

przyspiesza biodegradacje różnych

związków chemicznych

Bioaugmentacja –

wzbogacanie zanieczyszczonego terenu w

specjalne populacje

bakterii wykazujące aktywność w

kierunku biodegradacji

zanieczyszczeń

Bioremediacja podstawowa –

metoda nie wymaga

dodatkowych interwencji,

poza monitorowaniem

procesu biodegradacji skażenia

Elektrobioremediacja –

metoda oczyszczania gruntów

wykorzystująca zjawiska

mikrobiologiczne,

chemiczne, oraz elektroniczne np. pole

elektryczne do przyspieszania procesów usuwania

zanieczyszczeń ze środowiska

Biopaliwa podzielić można na:

-stałe,

-płynne,

-biogaz występujący w postaci
gazowej.

Biopaliwa to paliwa do napędu silników powstałe z
dodania do paliw otrzymywanych głównie z ropy naftowej
( etylina, olej napędowy) pewnej ilości komponentów
pochodzących z przetwórstwa produktów roślinnych -
najczęściej etanolu lub przetworzonych olejów
roślinnych*. Ilości te to zwykle zaledwie kilka procent.

Biopaliwa (1)

* używanie biopaliw pozwala na zmniejszenie importu i zużycia
ropy, co może mieć korzystne skutki ekologiczne i gospodarcze.
Z drugiej strony biopaliwa są zwykle droższe od benzyny i mogą
być szkodliwe dla niektórych silników.

Biopaliwa stałe używane mogą być na cele
energetyczne w procesach bezpośredniego spalania,
gazyfikacji oraz pyrolizy w postaci:

•drewna i odpadów drzewnych (w tym zrębków z
szybko-rosnących gatunków drzewiastych tj.: wierzba,
topola)

•słomy jak i ziarna (zbóż, rzepaku)
•słomy upraw specjalnych roślin energetycznych np.
Miscanthus,

•osadów ściekowych,
•makulatury,
•szeregu innych odpadów roślinnych powstających na
etapach uprawy i pozyskania jak też przetwarzania
przemysłowego produktów (siana, ostatek kukurydzy,
trzciny cukrowej i bagiennej, łusek oliwek, korzeni,
pozostałości przerobu owoców itp.)

Biopaliwa (2)

Biopaliwa (3)

Biopaliw

o

Roślina

Proces

konwersji

Zastosowanie

Bioetan
ol

Zboża, ziemniaki,
pseudozboża,
topinambur

hydroliza i
fermentacja

substytut i/lub
dodatek do
benzyny

 

Buraki cukrowe itp.

fermentacja

substytut i/lub
dodatek do
benzyny

 

Uprawy
energetyczne, słoma,
rośliny trawiaste

obróbka
wstępna,
hydroliza i
fermentacja

substytut i/lub
dodatek do
benzyny

Biometa
nol

Uprawy
energetyczne

gazyfikacja lub
synteza
metanolu

ogniwa paliwowe

Olej
roślinny

Rzepak, słonecznik,
itp.

-

sustytut i/lub
dodatek do ON

Biodiese
l

Rzepak, słonecznik,
itp.

estryfikacja

sustytut i/lub
dodatek do ON

Bio-olej

Uprawy
energetyczne

pyroliza

substytut ON lub
benzyny

ZZe względu na istniejącą sieć dystrybucji paliw

najprostsze jest wykorzystanie:

-

oleju rzepakowego

–

przetworzonego na metylowy ester

rzepakowy, który może być stosowany w czystej postaci w
przystosowanych pojazdach (Niemcy, Austria i Szwecja) lub
mieszany z konwencjonalnym olejem napędowym w ilości do 30% dla
wybranych grup pojazdów (Francja, Czechy) albo w ilości do 5% w
powszechnie stosowanym paliwie do silników wysokoprężnych
(Francja i Włochy). Ponadto ester ten może być stosowany zamiast
oleju opałowego lub jako dodatek do tego paliwa, czego przykładem
jest ogrzewanie nowej siedziby Parlamentu Niemiec.

-

alkoholu etylowego

-

który może stanowić komponent benzyn

lub być stosowany jako paliwo w czystej postaci (bioetanol).
Większość pojazdów może korzystać z paliwa z 15% dodatkiem
etanolu bez żadnych modyfikacji silnika.

Perspektywy biopaliw

Biomasa (1)

Biomasa - jest to substancja organiczna powstająca w
wyniku procesu fotosyntezy. Przyrost biomasy roślin
zależy od intensywności nasłonecznienia, biologicznie
zdrowej gleby i wody. Zastosowaniem biomasy z
drewna i słomy jest produkcja energii cieplnej
(wykorzystanie biopaliw stałych w instalacjach
kogeneracji ciepła i elektryczności a tym samym w
wytwarzaniu ciepła i elektryczności).

Biomasa (2)

Pod względem ekologicznym:

- biomasa jest lepsza niż węgiel gdyż podczas spalania
emituje mniej SO

2

niż węgiel,

- emisja CO

2

jest zerowy ponieważ podczas spalania do

atmosfery oddawane jest tyle CO

2

ile wcześniej rośliny

pobrały z otoczenia.

WNIOSEK:

Biomasa jest o wiele bardziej wydajna niż

węgiel, a w dodatku jest stale odnawialna w

procesie fotosyntezy.

Słoma żółta

14,3 MJ/kg

Słoma szara

15,2 MJ/kg

Drewno opałowe

13,0 MJ/kg

Trzcina

14,5 MJ/kg

Pod względem energetycznym:

2 tony biomasy = 1 tonie węgla kamiennego

Korzyści z energetycznego

wykorzystania biomasy:

- wytworzenie energii tanim kosztem,
- efektywne zagospodarowanie bioodpadów ,
- obniżenie ujemnego wpływu na środowisko paliw
kopalnych (emisja zanieczyszczeń, powstawanie
odpadów, degradacja gleb i krajobrazu),

- zwiększenia przychodów dla rolnictwa, gospodarki
leśnej czy sadownictwa

- stworzenia nowych miejsc pracy w sektorze
pozyskiwania i przygotowania biopaliw.

Biomasa
(3)

Biogaz - powstaje w wyniku fermentacji biomasy.
Substancje organiczne rozkładane są przez bakterie na
związki proste - głównie

CH

4

i CO

2

SKŁAD biogazu: metan (CH

4

) - 55-70%, 32-37% CO

2

, 0,2-

0,4% N

2

oraz H

2

S: 6g/100m

3

przed odsiarczaniem i

poniżej 0,01g/100m

3

po wykonaniu tego zabiegu.

Szybkość rozkładu zależy w głównej mierze od:

-charakterystyki i masy surowca,
-temperatury (30-35

0

C dla bakterii mezofilnych, 50-60

0

C

dla bakterii termofilnych) oraz optymalnie dobranego
czasu trwania procesu

Utrzymanie takich temperatur w komorach
fermentacyjnych zużywa się od 20-50% uzyskanego
biogazu

wydajność procesu wytwarzania biogazu to

60%

Biogaz (1)

Biogaz (2)

Biogaz nadający się do celów energetycznych może

powstawać w procesie fermentacji beztlenowej
•odpadów zwierzęcych w biogazowniach rolniczych,
•osadu ściekowego na oczyszczalniach ścieków,
•odpadów organicznych na komunalnych wysypiskach śmieci.

Odchody
zwierzęce

Osad ściekowy

Odpad
organiczny

Obornik >30%
Gnojowica 2-

10%
Gnojówka 0,5-

1%
Odcisk

BIOGAZOWANIE

indywidualne/scentralizo

wane

FERMENTACJA BEZTLENOWA

Osad

Frakcja

stała

kompos

t

Frakcja

ciekła

nawóz

Biogaz CH

4

>

40%

Turbiny gazowe,
silniki
elektryczne

elektryczność, ciepło

MATERIAŁ

WYDAJNOŚĆ biogazu

m3/kg SMO

Czas fermentacji
dni

słoma

0,367

78

liście buraków

0,501

14

łęty
ziemniaczane

0,606

53

łodygi
kukurydzy

0,514

52

koniczyna

0,445

28

trawa

0,557

25

 

Biogaz (3)

W Polsce około 10 gospodarstw rolnych

wykorzystuje energię biogazu z odchodów
zwierzęcych do produkcji ciepła. Szereg
instalacji wykorzystujących biogaz,
działających w oczyszczalniach ścieków,
produkuje rocznie około 6,7 GWh energii
elektrycznej i cieplnej. Energia ta jest zwykle
wykorzystywana dla potrzeb własnych,
obniżając koszty zaopatrzenia w prąd i ciepło
a pochodzi z roślinnego materiału
organicznego.

Biogaz (4)

Schemat wytwarzania
biogazu:

Biogaz o dużej zawartości metanu (powyżej 40%)

może być wykorzystany do celów użytkowych, głownie
do celów energetycznych lub w innych procesach
technologicznych np.:

•produkcję energii elektrycznej w silnikach iskrowych
lub turbinach,

•produkcję energii cieplnej w przystosowanych kotłach
gazowych,

•produkcję energii elektrycznej i cieplnej w jednostkach
skojarzonych,

•dostarczanie gazu wysypiskowego do sieci gazowej,
•wykorzystanie gazu jako paliwa do silników
trakcyjnych/pojazdów,

•wykorzystanie gazu w procesach technologicznych, np.
w produkcji metanolu

Biogaz (3)

Inne biopaliwa

1. Biodimetyloeter - odpowiedź na nadmierną emisję tlenków azotu i
sadzy w silnikach Diesla. Biodimetyloeter, a właściwie oligomer
eteru dimetylowego w warunkach normalnych jest gazem o
temperaturze wrzenia wynoszącej 24,9°C, łatwo się skrapla
(podobnie jak amoniak, propan czy butan) pod ciśnieniem O,5 MPa w
temp. 20°C. Nie jest toksyczny i bywa stosowany jako propelent w
preparatach

aerozolowych.

nazywany

jest

także

eterem

dimetylowym.

2. Biooil (Bio-olej) - powstaje w wyniku poddania pirolizie biomasy. W
przypadku gdy drewno jest poddawane procesowi szybkiej pirolizy
Bio-olej stanowi 70% masy produktów reakcji. Oprócz niego
powstają: produkty uboczne w postaci gazów (15% masy) oraz
węgiel drzewny (15% masy). Bio-olej to ciekła odmiana biomasy.

3. BioETBE (ethyl tertiary butyl ether) powstaje w wyniku
wymieszania etanolu pochodzenia roślinnego z izobutylenem a
następnie wprowadzeniu tej mieszaniny w reakcję chemiczną w
temperaturze i przy udziale katalizatora. ETBE to w około 42%
etanol. Podobnie jak etanol, ETBE, podnosi liczbę oktanową benzyny.
Atuty ETBE jako paliwa to:

•etanol z uwagi na to ze bardzo łatwo absorbuje z otoczenia wodę i zanieczyszczenia,

nie może być transportowany rurociągami. Takich niedogodności nie stwarza ETBE.

Może on być mieszany (blendowany) z benzyną w rafinerii a następnie przesłany

rurociągiem do miejsca wyładunku - logistyka.
• wykazuje niskie ciśnienie jego par. W przypadku blendowania benzyny z etanolem,

parowanie jest dość intensywne, co powoduje trujące emisje do atmosfery lub nakłada

na rafinerie konieczność obniżania stopnia lotności par benzyn do których dodawany

jest etanol.