Biogeochemické cykly biogenních prvků

Transkript

1 Technologie výroby bioplynu a biovodíku Biogeochemické cykly biogenních prvků Ing. Pokorná Dana, CSc. (č.dv.136, pokornd@vscht.cz) Prof.Ing.Jana Zábranská, CSc. (č.dv.115, Jana.Zabranska@vscht.cz)

2 ANAEROBNÍ PROSTŘEDÍ

3 Biotechnologie = vztah mikroorganismus látka (substrát) Metabolismus dostatek vhodných živin energie Katabolismus x Anabolismus Oxidačně redukční potenciál prostředí (ORP) = složený parametr celkové intenzity oxidačních nebo redukčních podmínek v systému a odráží stupeň vyváženosti mezi oxidačními a redukčními procesy Měření ORP Platinová elektroda x kalomelová nebo argentochloridová Standardně vztaženo k vodíkové elektrodě

4 Oxidace x Redukce - přenos elektronů, vodíku z látky oxidované (donor) na látku redukovanou (akceptor) - Redukce : pochod, při kterém se snižuje oxidační číslo (mocenství) prvků, atom nebo ion elektrony přijímají od redukčního činidla, které se tím oxiduje. Je elektronovým donorem. - Oxidace : pochod, při kterém se zvyšuje mocenství prvků. Atom nebo ion elektrony ztrácejí, ty přijímá oxidační činidlo, které se tím redukuje. Je elektronovým akceptorem.

5 ORP (mv) C O H N S P +450 O 2 CO 2 NO 3 - SO 4 2- Poly P aerobní +50 anoxická H 2 O org.c N 2 S -50 anaerobní -450 H 2 CH 4 N amon H 2 S PO 4 3-

6 ORP (mv) +450 CYKLUS UHLÍKU CO2 γ = 0 POXČ = 4 E O2 CO2 E Methylotrofní H2 aerobní ekosystém O n x y n 2x z 2 POXČ O2 γ = 8 POXČ = - 4 CH4 org.c E Methanogenní NO3 - Org.C Org.C CH4 H2 anaerobní ekosystém

7 ORP (mv) nitratační Nitrobacter chemolitotrofní NO3 - NO2 - N 2 org.c heterotrofní denitrifikační Paracoccus denitrificans Pseudomonas Denitrobacillus H2 autotrofní denitrifikační -50 nitritační Nitrosomonas Nitrococcus amonifikační O2-450 N amon

8 ORP (mv) +450 Nitrobacter chemilitotrofní nitratační NO3 - NO2 - org.c denitrifikační S 2- Cyklus dusíku heterotrofní Thiobacillus denitrificans nitritační Nitrosomonas Nitrococcus N 2 S amonifikační autotrofní sirné denitrifikační O2-450 N amon

9 ORP (mv) Cyklus dusíku +450 nitritační NO Nitrosomonas N 2 autotrofní deamonifikační -50 Planctomycetes O2-450 N amon

10 ORP (mv) +450 O2 SO4 2- sulfátredukující (SRB) Desulfovibrio Desulfobulbus Desulfonema org.c H2 O2 SO4 2- Cyklus síry sirné O2 S autotrofní denitrifikující sirné Thiobacillus denitrificans NO3 - S H2 org.c Thiothrix Beggiatoa Thiobacillus -450 H2S H2S

11 Sirné ukládající síru uvnitř buněk s granulemi síry Thiothrix bez granulí síry

12 Sirné ukládající síru na povrchu buněk Thiobacillus s granulemi síry

13 ORP (mv) Polyfosforečnany - orthofosforečnanycyklus fosforu +150 polyfosforečnany ve volutinových granulích poly P se zvýšenou akumulací fosforu tvorba vnitrobuněčných zásobních látek z jednoduchých substrátů Acinetobacter depolymerace polyfosforečnany PO srážení s Fe

14 1 oxidace org. C 2 akumulace polyfosfátů 3 nitrifikace 4 denitrifikace 5 depolymerace fosfátů 6 desulfatace 7 acido- a acetogeneze 8 - methanogeneze

15 Gibbsova energie získaná při přenosu jednoho ekvivalentu dostupných elektronů v některých reakcích Anaerobní respirace Δ G /kj e de -1 SO H H 2 O HS H 2 O (SRB) 19,0 N H H 2 2 NH + 4 (amonifikační) 13,3 NO H H 2 NH H 2 (denitrifikační, amonifikační) 75,0 HCO H 2 + H + CH H 2 O (hydrogenotrofní metanogeny) 17,0 2 HCO H 2 O + H + CH 3 COO H 2 O (homoacetogeny) 13,1 Anaerobní fermentace Glukóza metan 16,8 Glukóza kyselina octová 13,0 Kyselina octová metan (acetotrofní metanogeny) 3,9 Kyselina propionová kyselina octová (syntrofní acetogeny) - 5,4 Kyselina máselná kyselina octová (syntrofní acetogeny) - 2,4 CO 2 /H 2 kyselina octová (homoacetogeny) 13,1 CO 2 /H 2 metan (hydrogenotrofní metanogeny) 17,0 Aerobní respirace O H 2 2 H 2 O 118,6 Záporný zisk Δ G znamená, že reakce za standardních podmínek probíhá opačným směrem

16 aerobní anaerobní CO 2 50 % Bioplyn (CO 2 +CH 4 ) 95 % Biomasa 50 % Biomasa 5 %

17 aerobní anaerobní Reakční teplo 40 % Bioplyn 90 % Biomasa 60 % Biomasa 5-7 % Reakční teplo 3-5%

18 anaerobní MO MAX K S S S aerobní MO

19 Princip anaerobního rozkladu organických látek substráty produkty organismy polysacharidy cukry HYDROLÝZA bílkoviny aminokyseliny hydrolytické Tuky (lipidy) vyšší mastné kyseliny fermentační glycerol ph cukry nižší mastné kyseliny ACIDOGENEZE aminokyseliny alkoholy acidogenní vyšší mastné kyseliny kyselina octová desulfatační glycerol CO 2 H 2 kyselina máselná kyselina octová syntrofní ACETOGENEZE kyselina propionová CO 2 acetogeny etanol H 2 kyselina octová CH 4 metanogeny METANOGENEZE CO 2 CO 2 acetotrofní ph H 2 hydrogenotrofní