WYKŁAD 1.

PROCESY OKRESOWE

Należą do rozwiązań klasycznych. Stosowane w wielu długotrwałych procesach biotechnologicznych ze względu na prostotę ich realizacji. Podczas ich realizacji utrzymuje się optymalne warunki z punktu widzenia fizjologii stosowanego organizmu i nie stosuje się innych dodatków oprócz doprowadzenia niezbędnej ilości tlenu, odpieniaczy, kwasu, zasady w celu utrzymania wymaganego pH.

W określonych hodowlach drobnoustrojów wyróżnia się następujące fazy wzrostu:

1. Faza inkubacyjna (Lag-faza), 9przystosowawcza);

2. Faza zapoczątkowanego wzrostu;

3. Faza wzrostu wykładniczego = logarytmicznego;

4. Faza zahamowanego wzrostu;

5. Faza stacjonarna;

6. Faza letalna.

FAZA INKUBACYJNA. Komórki inokulum przeniesione do innej pożywki adaptują się do nowych warunków wynikających ze zmiany pH albo składu pożywki, spowodowanej chociażby zwiększonym dostępem substratu lub zmniejszonym stężeniem inhibitorów wzrostu. Długość tego okresu zależy głównie od stanu fizjologicznego drobnoustrojów inokulum oraz liczby wprowadzonych komórek.

FAZA WZROSTU WYKŁADNICZEGO. Wzrost szybkości rozwoju komórek. Szybkość ich wzrostu jest stała. Ilościowy rozwój komórek jest opisywany czasem generacji, albo czasem niezbędnym do podwojenia liczby komórek. Podczas wzrostu komórek z powodu ich czynności fizjologicznych dochodzi do ubytku substratu i do wzrostu stężenia metabolitów.

FAZA STACJONARNA. W hodowlach okresowych występuje wówczas, gdy został wyczerpany substrat lub tez, gdy wystąpiło zwiększenie inhibitorów wzrostu do tego stopnia, że ograniczają on stopniowo wzrost organizmów i mogą wystąpić procesy destrukcji ścian komórkowych wynikające ze śmierci komórek. Jest to ważny proces, bo tutaj następuje formowanie odpowiednich metabolitów tzw. metabolitów wtórnych.

FAZA ZAMIERANIA. Wyczerpanie źródeł energii dla komórek. Długość czasu między stacjonarną a fazą zamierania zależy od zastosowanego organizmu i rodzaju procesu technologicznego. W warunkach przemysłowych proces biotechnologiczny przerywa się zazwyczaj przy końcu fazy wykładniczego wzrostu lub przed rozpoczęciem fazy zamierania.

PROCESY CIĄGŁE

Inaczej procesy otwarte. Następuje ciągły dopływ sterylnej pożywki do fermentatora, i także w sposób ciągły następuje odbieranie równoważnej części wykorzystanej pożywki wraz z nagromadzonymi mikroorganizmami. Umożliwia to przedłużenie na długi okres fazy wykładniczej sa ponadto daje inne korzyści:

1. Pominięcie etapu produkcji inokulum;

2. Znaczne zwiększenie wydajności w porównaniu z metodami okresowymi;

3. Zmniejszenia powierzchni użytkowej zakładu w stosunku do wielkości produkcji;

W procesach ciągłych przy stałym składzie pożywki problemem jest wymywanie organizmów. Zjawisko musi być kompensowane przez odpowiedni wzrost organizmów. Przy stałym współczynniku przepływu utrzymuje się stałe stężenie substratu oraz stabilny stan reakcji biochemicznych i produkcji metabolitu. Ponieważ współczynnik wytwarzania produktu jest zależny od współczynnika przepływu.

Zastosowanie: produkcja kwasów organicznych, biomasy (SCP), antybiotyków, enzymów, czystych kultur inokulum, rozpuszczalników organicznych, degradacji celulozy, oczyszczanie ścieków metoda osadu czynnego.

Grupa rozwiązań technologicznych, w których mikroorganizmy sa ciągle wydzielane wraz z płynem pohodowlanym:

1. Systemy jednorodne

2. Niejednorodne

3. Mieszane

Inna grupa to systemy zamknięte, w których mikroorganizmy sa zatrzymywane wewnątrz reaktora:

- systemy jednorodne

- niejednorodne

Efektywność procesów biotechnologicznych na etapie biosyntezy jest uwarunkowana rodzajem stosowanego organizmu oraz aspektami bioinżynieryjnymi, tzn. rozwiązaniem konstrukcyjnym bioreaktora i warunkami prowadzenia procesu.

Podział procesów biotechnologicznych na 3 typy:

1. Produkcja białka biomasy SCP , kwasu glukonowego, etanolu. Wszystkie elementy pokrywają się w czasie.

2. Przemiany energetyczne zachodzą wg przemian pierwotnych metabolizmu. Wytwarzanie produktu końcowego następuje odrębnym szlakiem. Wyróżnia się tutaj dwa okresy:

1. Wzrost organizmów, podczas konsumpcji pożywki przy minimalnym wytwarzaniu produktu;

2. Wytwarzanie produktu przy ubytku substratu i niezauważalnym wzroście organizmów.

3. Wytwarzanie antybiotyków i witamin. Rozdział faz metabolizmu pierwotnego, podczas którego zachodzi wzrost organizmów i zużycie substratu. Faza druga - wytworzenie produktu w wyniku metabolizmu wtórnego.

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA BIOREAKTORÓW

Głównym kryterium podziału jest kierunek zastosowania bioreaktora - biosynteza, fermentacja, procesy enzymatyczne. Inne kryteria to: sposób doprowadzenia energii do reaktora, rodzaj prowadzonych w nim procesów technologicznych - tlenowe, beztlenowe, sposób dystrybucji gazu.

BIOREAKTORY DO HODOWLI DROBNOUSTROJÓW

Duże zróżnicowanie konstrukcji bioreaktora wynika z:

1. Wymagań fizjologiczno-metabolicznych drobnoustrojów

2. Zapotrzebowania na tlen

3. Rodzaju pożywki lub podłoża stałego

4. Właściwości produktu końcowego

5. Stosowanej metody hodowli.

Konstrukcja bioreaktora uwarunkowana przed wszystkim rodzajem drobnoustrojów stosowanych w procesie, ich wymaganiami fizjologicznymi, głównie zapotrzebowaniem na światło, tlen.

Najprostszą konstrukcją charakteryzują się kadzie fermentacyjne stosowane w hodowlach wgłębnych oraz tace - kuwety o niewielkiej głębokości, lecz dużej powierzchni.

Budowa bioreaktora do prowadzenia procesu w pożywce płynnej:

• Pojemnik szklany/ stal odporna na korozję; cylindryczne;

• System mieszadeł wewnątrz;

• Do regulacji pH służy kwas / ług;

• Rura wprowadzająca sterylna pożywkę;

• Środek odmieniający np. oleina;

• Odpowietrzanie - ujście dla gazów fermentacyjnych (dwutlenek węgla);

• System ogrzewanie / chłodzenia;

• System rurek doprowadzających powietrze (dyspergator powietrza);

Sposób doprowadzenia energii do reaktora:

• Bioreaktory, do których energia jest doprowadzona z fazą gazową;

• Energia doprowadzona z fazą płynną;

• Bioreaktory z kombinowanym doprowadzeniem energii - z fazą gazową i płynną;

Sposób dystrybucji gazu:

• Bioreaktory z rozprowadzeniem gazu przez mieszanie np. mieszanie turbinowe; zastosowanie w oczyszczalniach ścieków;

• Powietrze rozprowadzone przez pompy hydrauliczne w tym przez filtry spiekowe i pompy przepływowe wspomagane mieszadłem. Bioreaktory z pompami pracującymi na zasadzie injektorów. Bioreaktory z gazem rozprowadzanym przez pompy injektorowe na zasadzie rozpylania pożywki.

• Rozpuszczanie gazu pod ciśnieniem. Bioreaktory zamknięte, w których gaz znajduje się pod ciśnieniem. Bioreaktory ze spiekiem dyspergującym gaz; z przepływem cieczy, sitowe.

• Pożywka bezpośrednio styka się z gazem, złoża przewietrzane, bioreaktory do hodowli powierzchniowych, bioreaktory napowietrzane przy użyciu urządzeń łopatkowych.

Rodzaj wypełnienia:

• Bez wypełnienia;

• Z wypełnieniem nieruchomym - stabilnym służącym za nośnik komórek np. układy modułowe przy produkcji przeciwciał monoklonalnych lub innych metabolitów.

Wypełnieniem może być: rozdrobnione minerały, kwarc, spreparowane kostki, pianki poliuretanowe wykorzystywane np. do produkcji enzymów stosowanych do intensyfikacji oczyszczania ścieków.

Z wypełnieniem włóknistym do produkcji kwasu octowego.

Rodzaj prowadzonych procesów / skale procesu:

• Tlenowe, beztlenowe, anoksyczne;

• Okresowe, półciągle, ciągłe;

• Sterylne, względnie sterylne, niesterylne

• Przeznaczone do nagromadzania biomasy drobnoustrojów do otrzymywania produktów Endo- i egzogennych lub do przemiany enzymatycznej substratu;

• Wgłębne, powierzchniowe, reaktory biokatalityczne, w których wykorzystuje się unieruchomione komórki, ich elementy, enzymy;

• Całkowitego wymieszania, częściowego przepływu tłokowego pracujących w układzie reaktora pojedynczego, sekcyjnego lub w postaci odpowiedniego zestawu modułów;

• Wgłębne z substratami rozpuszczalnymi i nierozpuszczalnymi ;

• Wgłębne z udziałem różnych grup drobnoustrojów (bakterii, drożdży, grzybów, glonów) lub z wykorzystaniem komórek (hybrydomów) lub tkanek zwierzęcych lub roślinnych;

• Laboratoryjne (badawcze), pilotowe, przemysłowe;

Biokataliza ze względu na swe zalety (czystość, wydajność, jakość produktu końcowego, warunki reakcji, aspekty środowiskowe), znajduje ostatnio coraz częstsze zastosowanie i staje się konkurencyjna wobec katalizy chemicznej. Budowa bioreaktorów do procesów enzymatycznych i do drobnoustrojów nie różni się.

Bioreaktory enzymatyczne okresowe: wanny, kotły serowarskie, kotły warzelne.

WYKŁAD 2.

BIOREAKTORY I OSPRZĘT

Przygotowanie i kontrola przebiegu procesów

Przygotowanie bioreaktora do pracy polega na jego oczyszczeniu i umyciu metodami: mechanicznymi (szczotki, silny strumień wody lub woda z dodatkiem detergentów) lub chemiczno-termicznymi (przy zastosowaniu roztworów specjalnych środków myjących, polifosforanów, roztworów kwasu).

Mycie metoda tradycyjną lub nowoczesną w obiegu zamkniętym (system CIP - clean In place). Etapy:

1. Płukanie strumieniem zimniej/ciepłej wody

2. Mycie właściwe

3. Spłukiwanie resztek środka myjącego.

Sprawdzenie prawidłowości działania:

• Zaworów;

• Manometrów (objętość gazów fermentacyjnych);

• Rotametrów lub innych liczników przepływu;

• Termometrów;

• pH-metrów;

• Tlenomierzy;

• Układów elektronicznych sterujących mieszaniem, termostatowaniem, odmienianiem, napowietrzaniem.

Kontroli podlegają parametry:

• fizyczne (temperatura, ciśnienie, zużycie masy, lepkość, przepływy gazów, cieczy, zmętnienie, ciężar);

• chemiczne (pH, ilość rozpuszczonego tlenu, di tlenek węgla, potencjał erdoks, stężenie pożywki);

• biologiczne (aktywność enzymatyczna, aktywność biologiczna produktu, zawartość DNA, RNA, NADH2, ATP, zawartość białka lub produktu).

DOBÓR DROBNOUSTROJÓW I PROWADZENIE CZYSTYCH KULTUR

Stabilizacja cech genetycznych, fizjologicznych, morfologicznych, technologicznych to podstawowy wymóg praktyki biotechnologicznej, szczególnie przy kosztownej produkcji z użyciem drogich składników i w dużej ilości. Dotyczy to również organizmów zmodyfikowanych genetycznie, gdyż nakłady finansowe sa duże.

Stabilizacja szczepów kultur - tworzone są banki kultur. Przechowywanie:

• Przechowywanie organizmów w pożywce lub na podłożu stałym w niskiej temperaturze (2-6 stopni C). Częste przeszczepianie, duże zagrożenie.

• Przechowywanie w stanie zamrożenia -18 - -80 stopni C lub w ciekłym azocie (-196 stopni).

• Liofilizacja po uprzednim zawieszeniu w odpowiednim roztworze zawierającym czynniki ochronne - krioprotektanty (sacharoza, odtłuszczone mleko w proszku). Liofilizacja umożliwia przechowywanie kultur w hermetycznych ampułach przez wiele lat.

Drobnoustroje wprowadzane do pożywki w postaci kultury ma pierzystej w warunkach chroniących je przed zakażeniem. Odbywa się poprzez dodanie aktywnego (w fazie logarytmicznego wzrostu) inokulum macierzystego w ilości 1-15% w stosunku do objętości pożywki, lub przez rozpylanie zawiesiny inokulum na podłoże stałe.

Przygotowanie inokulum roboczego:

• Hodowla na skosach lub płytkach Petriego (namnażanie na podłoży stałym);

• Przeniesienie kultury z podłoża stałego na pożywkę ciekłą przez zmycie lub przeniesienie kłaczka;

• Przeniesienie kultur namnożonych na pożywkach ciekłych do większej objętości pożywki;

Czystą kulturę rozmraża się w wysterylizowanych zbiornikach i pożywkach. Ochroną przed zakażeniem są: korki z waty, rurki fermentacyjne, membrany.

Przed kolejnym pasażowaniem inokulum stosuje się regenerację kultury. Polega ona w przypadku drożdży na silnym zakwaszeniu środowiska. Zabieg ten eliminuje niektóre zakażenia bakteryjne i osłabione komórki drożdży pozostawiając komórki najbardziej aktywne.

WYJAŁAWIANIE

Podstawowy wymóg to jałowość. Dotyczy on procesu, pomieszczeń, urządzeń, operacji, pożywki, powietrza i ludzi.

1. ANTYSEPTYKA - wyjaławianie bakteriologiczne - zabicie wszystkich żywych drobnoustrojów znajdujących się w określonej przestrzeni, substancji, na przedmiotach, rękach. Wyjaławiania przy użyciu: środków antyseptycznych; środków odkażających.

2. ASEPTYKA - zapobiega zakażaniu żywych drobnoustrojów chorobotwórczymi, niepożądanymi w danym procesie. Jałowe rękawiczki, narzędzia, bielizna, maseczki.

3. DEZYNFEKCJA - odkażanie, niszczenie drobnoustrojów znajdujących się w środowisku. Zakażenie może zmniejszyć wydajność procesu.

4. PASTERYZACJA - niszczenie form wegetatywnych) żywych) przez krótkotrwałe ogrzewanie cieczy do temperatury 62-95 stopni C i następnie szybkie schłodzenie. Dezynfekcja cieczy.

5. TYNDALIZACJA - powtarzany 3-krotnie w odstępach 24-godzinnych proces pasteryzacji zmierzający do eliminacji form drobnoustrojów przetrwalnikująych.

6. STERYLIZACJA - wyjaławianie; proces niszczenia lub usuwania wszystkich drobnoustrojów wraz z zarodnikami i przetrwalnikami, inaktywacja wirusów. Metody: wyżarzanie, opalanie, promieniowanie UV, ultradźwięki, środki dezynfekujące, promieniowanie jonizujące.

Metody do zapewnienia jałowości procesu:

1. Termiczne - zastosowanie odpowiedniej temperatury do eliminacji form wegetatywnych i przetrwalnikujących drobnoustrojów. Procesy na mokro lub na sucho w suszarkach oraz opalanie i wyżarzanie.

2. Mechaniczne - do wyjaławiania cieczy i powietrza przy użyciu mikrofiltracji membranowej. Dawniej: filtracja przez filtry azbestowe i z ziemi okrzemkowej, filtry miliporowe z octanu celulozy.

3. Fizyczne - przy użyciu promieni UV 240-280 nm przez 2-3 godziny; promieni jonizujących o małej długości fali lub ultradźwięków o częstotliwości 0,2-2 MHz.

4. Chemiczne - zastosowanie związków chemicznych o określonym stężeniu lub przez alkalizowanie, zakwaszanie.

Związki chemiczne stosowane: chlor i jego preparaty, chloraminy, antyforminy, perhydrol, nadmanganian potasu, fenol, dwufenyl, etanol, lizol, formalina.

Zaburzenie procesów wynikają z:

• Zakłóceń założonych warunkami inżynieryjnymi;

• Utraty właściwości użytkowych technolog. Przez stosowany do procesu organizm;

• Zmiany warunków hodowli.

WYKŁAD 4.

PROCESY WYDZIELANIA I OCZYSZCZANIA BIOPRODUKTÓW (downstream processing)

Operacje jednostkowe określane mianem procesów wydzielania i oczyszczania obejmują:

• Wydzielanie produktów, np. biomasy, pozostałości po zdezintegrowanej biomasie oraz innych nierozpuszczalnych substancjach;

• Koncentrację produktów (usuwanie wody);

• Wstępne oczyszczanie np. strącanie produktów w wyniku zmiany warunków środowiska;

• Właściwe oczyszczanie tj. wydzielanie produktów w ramach wykorzystania np. technik chromatograficznych.

• Utrwalanie produktów.

Metody mechaniczne filtracja, ultra wirowanie, krystalizacja, sedymentacja.

Metody membranowe mikrofiltracja, ultrafiltracja, odwrócona osmoza, perwaporacja, elektrodializa.

Metody z wykorzystaniem prądu elektrycznego elektrofiltracja, wydzielanie elektromagnetyczne, techniki elektroforetyczne, wydzielanie elektrostatyczne.

Metody ekstrakcji ekstrakcja w układach ciecz-ciecz lub ciecz-ciało stałe; ekstrakcja płynami nadkrytycznymi, układy dwufazowe.

Metody termiczne destylacja, suszenie, odparowanie, liofilizacja.

Inne Absorpcja, adsorpcja, techniki chromatograficzne, precypitacja, wymiana jonowa, frakcjonowanie piany.

Dobór metody zależy od właściwości fizycznych i chemicznych produktu wydzielanego.

Wydzielanie produktu np. bioprocesu jest trudne ze względu na złożony charakter m.in. płynu pohodowlanego, który jest składnikiem podłoża.

Duże trudności związane z wydzielaniem wrażliwych i niestabilnych produktów np. produktów rekombinowanego DNA.

Pierwszy etap: wydzielanie biomasy z płynu pohodowlanego. Podzielenie płynu pohodowlanego na biomasę, składniki nierozpuszczalne i supernatant.

Wydzielanie biomasy, składników nierozpuszczalnych napotyka wiele trudności wynikających z:

• Dużej lepkości (biopolimery, pentozany, beta glukany);

• Wolnej sedymentacji, słabej filtrowalności, dużej zawartości wody;

• Małej stabilności termicznej, chemicznej, niepożądanej zdolności do tworzenia emulsji.

Metody wydzielania składników podzielimy na:

• Wirowanie;

• Filtracja, mikrofiltracja, przy rozdziale substancji o niewielkich różnicach w wielkości cząsteczek;

• Sedymentacja lub flokulacja.

WIROWANIE

Różne typy wirówek. Możliwość prowadzenia procesów ciągłych. Mniejsze rozmiary urządzeń w porównaniu z filtrami. Łatwość mycia. Zastosowanie systemu CIP (cleaning In place).

Wzrost siły grawitacji rzędu 14000g.

Rodzaje wirówek:

• Filtracyjne - zwiększona wartość sił grawitacji i przepływ rozdzielonego materiału przez materiał filtracyjny.

• Sedymentacyjne - rozdział jedynie dzięki działaniom sił zwiększających wartości sił grawitacji.

FILTRACJA

Proces mniej energochłonny niż wirowanie, ale też mniej efektywny. W celu opróżnienia blokowania filtru osadem bądź przedłużenia jego przydatności stosuje się filtrację wstępną, czyli tzw. prefiltrację, w celu usunięcia dużych cząstek stałych.

Zadaniem filtracji jest wydzielenie substancji stałych o określonej wielkości a niekiedy też sterylizacja (usuwanie zbędnych mikroorganizmów), klarowanie i inne.

Filtracja typu osadowego (dead-end) oraz membranowa filtracja dynamiczna (cross-flow).

Filtracja odbywa się na zasadzie oddziaływania sił grawitacji, ale może być wspomagana działaniem ci śnienia (filtracja ciśnieniowa) oraz podciśnienia (filtracja próżniowa).

W celu poprawy warunków filtracji stosuje się substancje pomocnicze: diatomit, perlit, bentonit (pochodne krzemionki). Nimi pokrywa się filtry przed filtracją lub miesza się je z nadawą.

Sposób zwiększenia wydajności filtracji to podwyższenie temperatury produktu.

Filtracja dynamiczna - nadawa przepływa z dużą prędkością stycznie do powierzchni filtracji.

MIKROFILTRACJA

Separacja zawiesin przy użyciu membran porowatych. Pory w membranach 0,2 - 10 nm. Przy niewielkim ciśnieniu 0,1 - 0,3 MPa przepływ jest duży i wynosi od kilku do kilkunastu m3/(m2*h).

Zastosowanie: wydzielanie biomasy, wyjaławianie.

ULTRAFILTRACJA

Inaczej filtracja molekularna. Filtracja z użyciem sit molekularnych, membran, materiałów porowatych. Rozseparowanie roztworów rzeczywistych, mieszanin gazów na indywidua chemiczne.

Wymaga stosowania znacznych ciśnień, czasochłonna.

Np. odwrócona osmoza, hemodializa.

Sita molekularne materiały nanoporowate. Wąski rozmiar porów. Selektywna Absorpcja cząsteczek związków chemicznych.

Rodzaje sit:

• Glinokrzemiany (zeolity);

• Silikażel;

• Porowate polimery;

• Szkła porowate;

• Węgiel aktywny;

Odwrócona osmoza reverse osmosis; ultrafiltracja. Przepływ cząsteczek rozpuszczalnych przez membranę półprzepuszczalną od roztworu o wysokim stężeniu do roztworu o niskim stężeniu (odwrotnie niż w osmozie), tworząc permeat. Spowodowane jest to przyłożeniem do cieczy o wysokim stężeniu ciśnienia większego niż osmotyczne. Cząsteczki soli i innych zanieczyszczeń zostają po stronie naporu wody surowej.

Zastosowanie odwróconej osmozy:

• Odsalanie wody morskiej;

• Oczyszczanie i zatężanie ścieków przemysłowych;

• Odzyskiwanie wody i cennych substancji zawartych w ściekach;

Małe zużycie energii. Bez przemiany fazowej.

Membrana półprzepuszczalna (błona), przepuszcza jedne substancje a zatrzymuje drugie. Naturalną błoną półprzepuszczalną jest skóra, krew.

Inne metody wydzielania biomasy to:

• Metoda powinowactwa;

• Metoda di elektroforezy.

Podstawa metod biospecyficznych jest oddziaływanie materiału biologicznego ze specyficznymi ligandami.

Metody powinowactwa - bardzo specyficzne; trudności z nimi związane dotyczą:

• Różnych oddziaływań między biomasą a ligandami;

• Stanem fizjologicznym mikroorganizmów;

• Budową ściany komórkowej;

• Wielkością.

WYKŁAD 5.

Biotechnologia wobec perspektywy kryzysu energetycznego - bioenergia

Czy istnieje konieczność poszukiwania alternatywnych źródeł paliw?

Zasoby ropy naftowej szacowane są na 30-35 lat.

Zasoby gazu ziemnego - 60 lat.

Węgla kamiennego - 220 lat.

Paliw rozszczepialnych - 210 lat.

Ograniczenia stosowania paliw konwencjonalnych:

• Ograniczone zasoby wobec gwałtownego wzrostu na ich zapotrzebowanie;

• Zmiany klimatu, jako skutek emisji do atmosfery gazów cieplarnianych;

• Kwaśne deszcze - emisja SO_x i NO_x;

• Wzrost cen paliw na światowych rynkach;

• Monopolistyczne praktyki głównych eksporterów ropy naftowej;

• Brak stabilności politycznej i społecznej w regionach wydobycia.

Alternatywa dla paliw kopalnych źródła energii, których zasoby się nie wyczerpują, są odnawialne i nie powodują negatywnych następstw dla środowiska.

Biomasa do produkcji energii elektrycznej.

1960r. ludzkość zużywała 142, 5 EJ (1EJ= 10¹⁸) energii pierwotnej. Pod koniec stulecia: 425 EJ.

Globalne zapotrzebowanie na energię nadal będzie wzrastać. Paliwa kopalne wyczerpują się i powodują dodatkowo niekorzystne zmiany w środowisku.

Procesy pozyskiwania energii z biomasy:

• Spalanie - wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej oraz energii cieplnej;

• Gazyfikacja - przetwarzanie biopaliw stałych w gaz;

• Piroliza (obróbka cieplna) - w warunkach ograniczonego dostępu powietrza.

Metody biotechnologiczne:

• Fermentacja alkoholowa;

• Fermentacja metanowa;

• Nowe koncepcje i technologie biokonwersji biomasy z wykorzystaniem mikroorganizmów.

3 podstawowe surowce do produkcji bioetanolu:

SUROWIEC	ŹRÓDŁO SUROWCA	KONWERSJE	ZASTOSOWANIE
Skrobia	Zboża, ziemniaki, topinambur	Hydroliza, fermentacja	Substytut / dodatek do benzyny
Sacharoza	Burak cukrowy	Fermentacja	Substytut / dodatek do benzyny
Celuloza	Uprawy energetyczne, słoma, rośliny trawiaste	Obróbka wstępna, hydroliza, fermentacja	Substytut / dodatek do benzyny.

Obecnie dominują 2 technologie:

1. BUS

2. Klasyczna Henzego

Obie różnią się jedynie etapem wstępnym.

W technologii BUS na początku waży się surowiec (ziarno / woda), a następnie następuje jego mechaniczne rozdrabnianie.

W technologii klasycznej Henzego waży się surowiec (ziarno / parnik). Następnie odparowuje się surowiec.

Kolejne etapy są już takie same dla obu technologii. Najpierw następuje zacieranie w kadzi zaciernej. Tu zachodzi hydroliza enzymatyczna skrobi do glukozy. Dodawane są enzymy amylolityczne i drożdże gorzelnicze.

Kolejny etap to fermentacja w kadzi fermentacyjnej.

Po niej zachodzi destylacja. Produktem destylacji są: spirytus surowy i wywar podestylacyjny. Natomiast po odwodnieniu otrzymujemy etanol bezwodny.

Hydroliza skrobi.

Cząsteczka skrobi zbudowana jest z amylozy tworzącej długie liniowe łańcuchy oraz amylopektyny, której łańcuchy są rozgałęzione, dzięki obecności wiązań alfa-1,6.

Łańcuchy są cięte i powstają krótkie alfa-dekstryny.

Amyloza docina cząsteczki glukozy i są one stopniowo uwalnianie i dostępne dla fermentacji.

Pullulanoza - wysoce specyficzna do wiązań alfa-1,6. Dodawana w celu scukrzenia.

Od 30 lat światowym liderem jest Brazylia. Do produkcji etanolu wykorzystywana jest trzcina cukrowa.

Silniki samochodowe FFV do zasilania czystą benzyną lub etanolem. (Ford, Volvo, VW, Peugeot).

Zastosowanie etanolu:

• Przemysł paliwowy, farmaceutyczny, kosmetyczny, spożywczy, chemiczny;

• Do produkcji materiałów wybuchowych;

• Do produkcji butadienu (gumy);

• Do produkcji wyrobów alkoholowych.

FERMENTACJA METANOWA - BIOGAZ

Fermentacja metanowa to rozkład substancji organicznych przez bakterie anaerobowe z wydzieleniem metanu.

Etapy:

1. Hydroliza - rozkład polimerów (węglowodany, białka) do prostych związków;

2. Acidogeneza - z produktów hydrolizy wytwarzane są kwasy karboksylowe;

3. Acetogeneza - powstaje octan;

4. Metanogeneza - powstaje metan (bakterie metanowe).

Typy fermentacji metanowej:

1. Psychrofilna - odbywa się w temperaturze otoczenia i trwa ponad 3 miesiące. Zachodzi w otwartych komorach. Powstaje biogaz, który zanieczyszcza atmosferę.

2. Mezofilna - odbywa się w temperaturze 30-37 stopni i trwa 20 dni. Zachodzi w komorach zamkniętych. Bilans dodatni energii.

3. Termofilna - trwa 12-14 dni w temperaturze 50 stopni. Zachodzi w zamkniętych komora ch, czasami przy bilansie energii ujemnym.

Najnowsze metody biotechnologiczne pozyskiwania biopaliw.

• Biopaliwa bakteryjne - zidentyfikowano geny Clostridium thermocellum odpowiedzialne za rozkład biomasy z wydzieleniem etanolu.

Wady bioetanolu:

1. Niższa wartość energetyczna niż paliwa ropopochodne, dlatego musi być mieszany z benzyną;

2. Utrudnione uruchomienie silnika w niskich temperaturach;

3. Higroskopijność.

• Alkohole wyższe (powyżej 2 atomów węgla) mają wysoką liczbę oktanową. Do produkcji tych alkoholi stosowane są bakterie E. coli zmodyfikowane genetycznie, gdyż normalne (niezmodyfikowane) produkują jedynie alkohol.

• Przekierowanie szlaku biosyntezy aminokwasów na produkcję alkoholi.

• Biopaliwa z cukrów bez fermentacji: technologia produkcji DMF (2,5-dimetylofuran). Otrzymany z biomasy (oligosacharydów). Jako biopaliwo jest o 40% wydajniejszy od etanolu.

---