K

1
KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA
BIODEGRADÁCIÓ, BIOREMEDIÁCIÓ
A környezet alkotó elemei egymással szoros
összefüggésben léteznek,az egyes elemekre ható
ártalmak a környezet egészére kihatnak. Ha a
fennálló egyensúlyt megbontjuk, beláthatalan
környezetvédelmi problémákkal találhatjuk szembe
magunkat. Fejlodo ipar felhalmozódó
hulladék veszélyes anyagok   A Föld
mikroflórájának válasza az újonnan megjeleno
anyagokra adaptáció
2

• Alapfogalmak
• biotechnológia
• biotechnologie - (EREKY Károly, 1917) all work
  by which products are produced from raw materials
  with the help of living organisms
• alkalmazott mikrobiológia
• - biokonverzió, biotranszformáció
• különbözo (toxikus) vegyületek mikrobiális
  átalakítása
• - biodegradáció
• nem kívánatos, környezetre káros anyagok
  lebontása mikrobiális úton
• - bioremediáció ( tisztítás)
• a környezet megtisztítása a toxikus
  hulladékoktól mikrobiális módszerekkel
• környezetvédelem
• - megelozés
• - tervszeru környezetfejlesztés
• - környezetünk megóvása, védelme

3
A mikrobiális eljárásokhoz ritkán alkalmaznak vad
tipusú törzseket molekuláris
biotechnológia Mikroorganizmusok eloállítása
ipari méretekben fermentorokban Mit tudnak a
mikroorganizmusok? a legkülönbözobb szerves
vegyületek átalakítására képesek enzimek
konstitutív indukált
4
A biotechnológiában fontos mikroorganizmus
csoportok

• Metanogének
• Metilotrófok
• Clostridiumok
• Tejsav baktériumok
• Bacillusok

• Pseudomonasok
• Fotoszintetizáló baktériumok, algák
• Streptomycesek
• Élesztok
• Fonalas gombák

• A biotechnológiai eljárások szempontjából
  legfontosabb tipusú enzimek
• oxidázok, hidroxilázok, dehidrogenázok
• reduktázok, hidrogenázok
• hidrolázok
• izomerázok
• proteázok
• lipázok

5

• Pseudomonasok
• aerob
• heterotróf, Gram negatívok
• exopoliszaharidok
• biodegradáció
• Fotoszint. baktériumok, algák
• aerob vagy anaerob
• biopolimerek
• Fotoszintézis, CO2 fixálás
• Streptomycesek
• aerob, spórázó szervezetek
• antibiotikum termelok
• extracelluláris enzimek
• Élesztok
• alkoholgyártás
• pékéleszto
• Fonalas gombák
• heterotróf eukaryota
• szaprofita vagy parazita

• Metanogének
• archea
• obligát anaerobok
• biogáz
• Metilotrófok
• aerobok
• C1-C3 szénforrások hasznosítása
• pl. Metanotrófok metán oxidáció
• Clostridiumok
• obligát anaerobok
• Gram pozitívok
• hostabil endospóra
• rendkívül sokféle reakcióra képesek
• Tejsav baktériumok
• anaerobok
• Gram pozitívok
• élelemiszeripar
• Bacillusok
• aerobok

6

• Ipari fermentációk
• Upstream processing a kívánt termék
  elkészítése - bioreaktorok - táptalajok -
  sterilizálás - oxigén - aerob v. anaerob
  fermentálás - enzimreaktorok
• Downstream processing a termék kinyerése -
  sejtizolálás - feltárás - extrakció -
  fehérje tisztítás - kiszerelés

7
Biodegradációs, bioremediációs eljárások
bemutatása
FEHÉRJE- és SZÉNHIDRÁTPOLIMEREK
8
VESZÉLYES HULLADÉKOK PL. TOLL, SZOR
(!?) Veszélyes hulladéknak minosülhet minden,
ami természetes körülmények között nem, vagy
nagyon lassan bomlik toll, szor miért bomlik
lassan? SZERKEZETI STABILITÁS
9
Keratin szerkezeti felépítése
Vízben oldhatatlan fehérje, ellenálló a legtöbb
proteolitikus (keratinolitikus) enzim
aktivitással szemben
A fehérjékbol felépülo filamentumok között
kénhidak és hidrogén kötések alakulnak ki, melyek
nagymértékben stabilizálják a szerkezetet

• A kiemelkedo haj/szor rostok a kortikális
  sejtekbol állnak, melyeket a kb. 10 nm-es keratin
  filamentek és az azokhoz kapcsolódó mátrix tölt
  ki.
• A keratint felépíto fehérjék csoportosítása
• glicin-tirozin gazdag fehérjék (foleg a
  filamentek közötti mátrixban)
• alacsony kéntartalmú fehérjék (filamenteket
  alkotják)
• magas kéntartalmú fehérjék (mátrixban)

10
KERATIN BONTÁSA MIKROORGANIZMUSOKKAL

• A nagy kéntartalom következtében csak kevés
  mikroorg. képes a keratin alapú hulladékokat
  hasznosítani
• A mikrobiális lebontó folyamat lassú a
  természetben
• Az iparban nagy mennyiségben keletkezo keratin
  alapú hulladék gyors eltávolítására van
  szükség
• A fehérjék egyik leggyakoribb, és legfontosabb
  enzimatikus módosítása a peptidkötések
  proteolitikus hasítása

PROTEÁZOK
11
PROTEÁZOK

• Általánosan elterjedtek
• Extracelluláris, intracelluláris proteázok
• Az extracelluláris proteázok ritkán
  konstitutívan termelodnek, általában akkor
  indukálódnak, ha éhezik a sejt
• Fontos ipari enzimek (mosószer-, tejipar)
• Csoportosításuk
• I. pH optimum alapján 1. Alkalikus
• 2. Semleges
• 3. Savanyú proteázok
• II. aktív centrumban lévo
• aminosavak (ill. fémek) szerint
  1. Szerin-
• 2. Cisztein-
• 3. Metallo- (stb.) prtoeázok

12
Fontosabb ipari alkalmazásuk
savanyú proteázok - sajtgyártás (renninszeru
proteázok) - orvosi gyakorlatban
(pepszinszeru p.) - sütoiparban semlege
s proteázok (viszonylag instabilak) -
boripar - élelmiszeripar alkalikus proteázok
stabilak erosen lúgos környezetben, magas
homérsékleten -mosószeripar sok
mikroorganizmus termeli, legjelentosebb
termelok a Bacillus fajok
13
Keményíto felhasználó mikroorganizmusok
A keményíto poliszaharid növényi
tápanyagraktár felépítése a D-glükóz
lineáris homopolimerje (amilóz) és
elágazó homopolimerjének (amilopektin)
keverékébol áll Az amilopektin
elágazásainak mértéke és az amilóz
amilopektin arány a keményíto korától
és származásától függ Ipari alkalmazás fruktóz-
ill. alkohol gyártás Keményítot hasító enzimek
a-amiláz, glükoamiláz, glükóz izomeráz

14
A keményíto szerkezete, és enzimatikus hasítása
15
A fruktóz és alkohol ipari eloállítása

• Orölt gabona keményítojét goz és
  nyomássegítségével gélesítik
• Lehutik 50-60C-ra és a-amilázt adnak hozzá,mely
  az a-1,4-kötéseket elhasítja rövidebb
  poliszaharid szálak
• Glükóz felszabadítása glükoamiláz
  enzimmel végtermék glükóz
• Glükóz izomeráz hozzáadásával fruktóztállíthatunk
  elo
• Éleszto sejtek hozzáadásával a glükózból
  alkoholfermentálható
• a-amilázt foleg Bacillus-ok termelik,
  extracelluláris
• Glükoamiláz termelo pl. Aspergillus niger

16
Cellulóz, xilóz hasznosítás

• A lignin, hemicellulóz, cellulóz polimerek
  különbözo kombinációja egy lignocellulóz
• szerkezetet ad, mely a növények szerkezeti
  felépítésében alapveto
• A lignocellulóz a növények feldolgozása során sok
  esetben, mint hulladék jelenik meg
• Ligninhárom dimenziós, globuláris,
  szabálytalan, nem oldható, nagy molekulasúlyú
  polimer fenilpropán alegységekbol különbözo
  kémiai kötésekkel kapcsolódva épül felkémiai
  kötésekkel kapcsolódik a hemicellulózhoz, és a
  cellulóz szálakat beburkoljafelelos a növény
  rigiditásáért, a mechanikai behatásokkal és
  mikroorganizmustámadásokkal szembeni
  ellenállóképességért
• Hemicellulózokrövid láncú, heterogén polimerek
  - hexózokat (pl. glükóz, mannóz,
  galaktóz),pentózokat (xilóz, arabinóz)
  tartalmaznak- három fo csoport a,
  xilánok b, mannánok c, arabinogalaktánok

17
Reprezentatív lignin szerkezet
O
CH

• a fenilpropán egységek
• kapcsolódása nem szervezett,
• nem ismétlodo

C
2
C
C
18
Reprezentatív xilán szerkezet a hasító enzimekkel
19

1. Cellulóza legegyszerubb komponens a
   lignocellulózbana legelterjedtebb polimer
   molekula a bioszférábanhosszú lánca D-glükóz
   molekulák ß-1,4-es kapcsolatából álla
   növényekben támasztó-szerkezeti molekulaa
   cellulózban a glükóz láncok úgy helyezkednek el,
   hogy egy kristályszeruszerkezetet tudnak
   létrehozni, ami vízhatlan tehát a cellulóz
   polimeroldhatatlan, és ellenáll a
   hidrolízisnekhasznos szénforrás, ezért iparilag
   hasznosítani kelleneeloszor ki kell hámozni a
   lignin-hemicellulóz takaróbólezek után jöhetnek
   a cellulázok egy enzimcsoport -
   endoglükanáz - exoglükanáz -
   cellobiohidroláz - ß-glükozidáz, v. cellobiáz

20
Cellulóz és hasító enzimei
21
XENOBIOTIKUMOK MIKROBIÁLIS LEBONTÁSA
22
XENOS IDEGEN SZINTETIKUS NEM
TERMÉSZETES EREDETU
Példák peszticidek, herbicidek, oldószerek,
egyes szerves vegyületek
Lebontásukra megoldás - fizikai -
kémiai módszerek - biológiai
Az 1960-as évek elején felfedezték, hogy számos
talajlakó mikroorganizmus képes a xenobiotikumok
bontására Egyféle szennyezés ritkán fordul elo,
ált. vegyes hulladék sokféle enzim, mikroorg.
szükséges
23
A biodegradációs eljárásokban legismertebb, leggya
krabban eloforduló mikroorganizmusok
Pseudomonasok Sphingomonasok Rhodococcusok Bacillu
sok Sugárgombák
Legproblémásabb vegyületek az aromás, valamint
halogén elem tartalmú vegyületek Lebontásukra az
oxigenáz, dehalogenáz enzimek alkalmasak
24
LEBONTÁSI ÚTVONAL LEHET AEROB, ANAEROB
aerob mono- és dioxigenázok anaerob reduktív
dehalogenáció, oxidált vegyületek szulfát, nitrát
25
Aerob vs. anaerob metabolizmus
26
Aanerob metabolizmus benzoil-CoA-n keresztül
27
Benzoil-CoA konverziója acetil-CoA-vá
28
OXIGENÁZOK

• Aromás vegyületek aerob mikrobiális lebontásában
  mono- és dioxigenáz enzimek támadják az
  aromás gyurut
• Monooxigenázok
• Egy hidroxil csoportot kapcsolnak a molekulához,
  melyhez O2 molekulát használnak és elektron
  donorként NAD(P)H-t
•  
• Dioxigenázok
• 1. Az aromás gyurure oxigént építo
• 2. Az aromás gyurut hasító

1955 Osamuri Hayaishi - felfedezi az oxigenáz
enzimeket dioxigenázok H. S. Mason -
felfedezi a fenoláz enzimet
monooxigenázok 1965- Irwin Gunsalus - citokróm
P450 bakt. monoox. 1970 David Gibson- aromás
szénhidrogén dioxigenázok lebontó útvonalak
tanulmányozása 1980- sok kutatócsoport lebontási
útvonalak feltér- képezése Ananda
Chakrabarty katabolikus plazmid
transzfer Pseudomonas törzsek között
29
Monooxigenázok (hidroxilázok)
Monooxigenázok az O2 molekula egyik atomját
építik be a célmolekulába SH2 O2 SO H2O
(internal monooxigenáz, a szubsztrátról jön az
elektron) S O2 H2X SO(H) OH-_ X
(external monooxigenáz)

• Példák
• p-hidroxibenzoát hidroxiláz család
• phenol 2-hidroxiláz
• alkil csoport hidroxiláz (metán monooxigenáz)
• kámfor 5 monooxigenáz (Citokróm P-450 család)

30
DIOXIGENÁZOK

• A reakcióhoz NAD(P)H-ra is szükség van.
• Az enzimreakció során a NAD(P)H-t az enzimen
  levo FAD oxidálja, a FADH2 kofaktorhoz
  kapcsolódik az O2, és egy reaktív
  hidroxiperoxiflavin tartalmú fehérje képzodik. Ez
  egy reaktív köztiterméken keresztül hidroxilálja
  az aromás gyurut.
• A gyurut hasító enzimek O2 molekulát használnak a
  gyuru hidroxilálásához, ezt követoen egy második
  reakciót katalizálnak, a gyuru felnyitását.
• a, orto/intradiol hasító dioxigenázok a két
  hidroxil csoport között nyitják a gyurut
• b, meta/extradiol hasító dioxigenázok a két
  hidroxil csoport mellett hasítanak

31
ortho
meta
32
(No Transcript)
33
(No Transcript)
34
Plazmid transzfer segítségével létrehozott
szénhidrogén komponenseket bontó superbug
35
(No Transcript)
36
IMMOBILIZÁLÁS

• Mikroorganizmusok, sejtek, enzimek
• felületi rögzítése hordozón
• polimerekbe zárása
• keresztkötése

37
Miért jó?

• Immobilizáció helyhez kötés
• A természetben gyakran találkozunk vele
• Legtöbb sejt életciklusa bizonyos fázisában
  igyekszik helyhez kötodni
• Számos biokatalitikus rendszer számára elonyös
• Védjük a rögzített sejteket a külso behatásoktól,
  valamint megakadályozzuk eltávozásukat a
  reakciótérbol

38
Hordozók

• Természetes és szintetikus polimerek agar,
  agaróz, alginát, karragenan, cellulóz,
  kollagén, stb poliakrilamid,
  polisztirén, poliuretán
• Egyéb üveg, kerámia, agyag, apatit, alginit,
  ioncserélo gyanták

Immobilizálási stratégiák

• felületi adszorpció
• bezárás (encapsulation, entrapment)
• keresztkötés
• biofilm képzés
• aggregátum képzés
• hordozóhoz kötés (ionos, kovalens)

39
Bioremediációs alkalmazások

• Fontos szempontok produktivitás stabilitás az
  alkalmazás során stabilitás a tárolás
  során érzékenység a szennyezoanyagokra egyszeru/
  összetett biztonság elonyök/hátrányok
• Szennyvíz tisztítás, talaj remediáció, biofilm,
  bioreaktorok,

40
Biodegradáció immobilizált sejtekkel és
enzimekkelpéldák

1. Szerves-foszfát peszticidek bontásaPseudomonas
   diminuta - foszfotriészteráz enzim széles
   szubsztrát specifitásparaoxon
   hidrolizisimmobilizálás (porózus
   szilikagélre), tritil agaróz egyszeru
   eljárás fix-ágyas csoreaktor

UV/VIS
Caldwell és mtsai 1991 Biotech Bioeng (vol. 37)
41

• Herbicidek bontására példa
• glifozát széles spektrumú herbicid,
  eloszeretettel alkalmazzák (Monsanto
  szennyvízkezelés szükségessé vált)pilot plant
  kovaföldre immobilizált mikroba konzorcium

Hallas és mtsai 1992 AEM vol. 58/4
42

• Fenolos hulladékok bontása Fusarium
  flocciferum poliuretán felületaktív anyag 1
  g/L fenol koncentráció mellett négy hónap alatt
  teljesen elbontja (Anselmo, Novais 1992.
  Biotechnol. Letters vol. 14/3)
• Pentaklórfenol bontása Arthrobacter
  sp. koimmobilizált rendszer a baktériumot aktív
  szénre rögzíti, majd alginát oldatba adagolja
  (egyéb hordozókat is vizsgáltak) (Siahpush és
  mtsai 1992. Biotech. Bioeng. vol. 39)

Fontos paraméterek az adszorbens mennyisége, az
alginát gél porozitása, segíti a PCP
adszorbciót és mineralizációt felületaktív anyag
jelenléte
43

1. Morfolin bontás Mycobacterium aurum-mal (G
   baktérium)morfolin 1,4 tetrahidro oxazin
   (heterociklusos vegyület)származékai
   adalékanyagok, oldószerek,antioxidáns anyagok,
   stb.gyártásuk során az effluensben
   morfolinjelenik meg, ezért fontos
   lebontásánakkidolgozása

44
Bioremediáció a környezet megtisztítása a
toxikus hulladékoktól mikrobiális módszerekkel
Elonye szerves szennyezoanyagok veszélytelen
anyagokká alakulnak olcsóbb, mint a legtöbb
fizikai, kémiai eljárás
45
Bioremediáció Hogyan muködik? Biztosítani
kell a mikroorganizmusok számára - közeg -
homérséklet - tápanyag - oxigén -szükség
lehet talaj mozgatásra, talaj átforgatására -lev
egoszennyezés megelozése Mennyire
biztonságos? - természetesen eloforduló
mikroorganizmus esetén igen - veszélyes
vegyszert nem használnak - tápanyag sem
veszélyes (trágya) - a folyamat során a
veszélyes anyagok átalakulnak
46
Idotartama? Meghatározó faktorok - jelenlevo
veszélyes vegyületek típusa és mennyisége -
szennyezett terület mérete kiterjedés,
mélység - talaj típusa, állapota - tisztítási
folyamat talaj felszínen vagy alatta
zajlik Miért érdemes bioremediációt
használni? A természetes folyamatok, eljárások
elonyeit hordozza - a szennyezett terület,
talajvíz on site, az eredeti helyen
tisztítható - megfelelo körülmények mellett
nincs szükség a talaj kiásására, talajvíz
szivattyúzására - veszélyes gázok
levegobekerülése elkerülheto - kevés hulladék
keletkezik - más módszerekhez képest nem
igényel annyi felszereltséget - olcsóbb, mint a
legtöbb fizikai-kémiai eljárás Hátránya -
rossz hatékonyságú lehet pl. összetett
szennyezések esetén, nehezen hozzáférheto - a
talaj humuszanyagait is bonthatják a
mikroorganizmusok
47
Mikroorganizmusok tevékenységét
befolyásoló fontos tényezok Oxigénellátás -
levegobefúvatás, H2O2 befecskendezés (használat
limitált) mechanikai megmuvelés, szelloztetés,
kevertetés H2O - szállítóközeg túl magas
víztartalom gátolja az oxigén talajba
jutását 20-60-os nedvességtartalom
megfelelo Tápanyagok - nitrogén, foszfor, kén,
kálium, magnézium, kalcium, -
nyomelemek nitrogén, foszfor korlátozott
mennyiségben ammónium ill. foszfát formában
adagolják a szennyezett talajhoz pH -
szolubilitást (hozzáférhetoség) befolyásolja
Homérséklet - alacsony T csökkeno
biológiai aktivitás (északi területek)
48

• Fo szennyezo források
• Emberi hatások
• mezogazdaság
• ipar
• bányászat
• szakszerutlen hulladéklerakás

Szennyezodések

• Talajszennyezés megnyilvánulása
• pH csökkenés
• toxikus elemek, vegyületek felhalmozódása
• kémiai összetevok arányának változása
• kórokozók elszaporodása (bakt., vírusok,
• gombák)

Környezet- és állapotfelmérés szükséges -
talajszennyezés módja - kiterjedtsége (pontszeru
vs. nem) - terület szennyezés elotti használata -
szennyezodés kora
49
Talajszennyezések vizsgálata
A szennyezoanyag fizikai állapota -
talajrészecskékhez hasonlatos -
folyadékfilm - talajrészecskékhez felületi
adszorbció - talajpórusokban szilárd v.
Folyadék - mikrokapillárisok vizes fázisában
A tisztítási technológia kiválasztása -
illékonyság, oldhatóság, stabilitás -
mikrobiális bonthatóság
Környezet-, állapotfelmérés - területet, és
környékét mire használják - a szennyezodés
kiterjedtsége
50
A szennyezett talajok, vizek állapotfelmérésére
alkalmazott módszerek

• fizikai, kémiai, biológai vizsgálatok
• sokféle szerves anyag
• Mérési módszerek
• nem illékony, vízoldékony szennyezok HPLC (MS)
• illékony szennyezok GC (MS)
• olajszennyezodések infravörös spektroszkópia
• fémek, kén, foszfor plazmaemissziós
  spektrometria (ICP)
• BOI az az oxigénmennyiség, mely a vízben lévo
  szerves anyagok aerob úton meghatározott ido
  alatt történo biokémiai lebontása során elfogy
•  KOI a vízminta K-permanganáttal vagy
  K-dikromáttal történo (egyórás) forralása során
  elhasználódott vegyszerrel egyenértéku oxigén
  fogyással jellemeznek
• Egyéb nitrogén-, foszfor-, szerves- és totál
  szén tartalom, valamint a pH.
• (A biológiai vízminoség azon tulajdonságok
  összessége, melyek a vízi ökoszisztémák életében
  fontosak, létrehozzák, és fenntartják azokat
  halobitás, trofitás, szaprofitás, toxicitás.)

51
Technológiák
on site
Ex situ
In situ
off site
A talajt a helyszínrol eltávolítva kezelik -
extrakció - hokezelés - biológiai kezelés
A talajt helyben kezelik - talajszelloztetés -
talajmosás - biológiai tisztítás
Figyelembe kell venni tovaterjedés kockázatát,
rendelk. álló idot, pénzt talaj hidrogeológiai
adottságait, mennyiségét, homogenitását, talaj
késobbi felhasználását
52
Biológiai eljárásokra példák
landfarming (agrotechnikai eljárás) Ex situ
talajforgatás, levegoztetés, adalékanyagok bio
ágyas, prizmás kezelés, komposztálás bioreaktoro
k alkalmazása természetes mikroflóra
intenzifikálása In situ bioventilláció,
adalékanyagok bioszurok (illékony szennyezések
esetén) fitoremediáció
A szennyezodésekre adaptálódott
mikroorganizmusokkal a lebontó folyamatok
gyorsítása létfontosságú elemek oxigénellátá
s (O2, H2O2) oxigén helyett alkalmazható
esetenként nitrát, szulfát
53
Biofilm
Szilárd hordozóra rögzített mikroorganizmusok
összefüggo felületet képeznek Gáz/goz fázisú
szennyezoket átáramoltatják a biofilteren Lebontás
i sebesség növelheto nagy fajlagos felület,
nagy szubsztrát koncentráció
nagy biomassza koncentráció Optimalizálás
koncentráció, áramlási sebesség Eredményes, ha
effluensben nincs szennyezodés valóban
lebontás történik, nem párolgás! mivel nagy
térfogatokat kell kezelni minél nagyobb
sebesség
54
OLAJSZENNYEZÉSEK
55
Olajszennyezett talajok, természetes vizek
tisztítása
Talajszennyezés

• Pontszeru vagy kiterjedt
• Természetes eredetu és/vagy antropogén
• Szervetlen és/vagy szerves

- nehézfémek
- koolaj és koolajszármazékok
- Szennyvíz, szennyvíziszapok

• PAH, PCB, BTEX
• Felületaktív anyagok
• Növényvédo szerek

56
Példák
Benzin biodegradáció pilot-scale air
biofilter Optimalizálás biofilter mérete,
szennyezo anyag koncentrációja áramlási sebesség
Benzin nitrát in situ talajszerkezet
Benzin H2O2 in situ katalitikus spontán
bomlás kombinált rendszer levegoztetés
Futoolaj landfarming Nyers olaj Exxon Valdez
37 000 tonna (1989 március) mutrágya
biostimuláció baktériumok
bioaugmentáció Nyers olaj kombinált gozextrakc
ió pumpálás és air stripping bioremediáció Fe
lületaktív anyagok szerepe
57
1
4
2
3
58
(No Transcript)
59
(No Transcript)
60
(No Transcript)
61
Fitoremediáció

• In situ talaj-, üledék- és víztisztítás növények
  segítségével
• Talaj- növény- mikroorganizmus kölcsönhatás
• Alkalmazása
• nagy területen eloszló szennyezés esetén, ahol
  más megoldások nagyon költségesek
• alacsony szennyezettségu területeken
• más technológiákkal kapcsoltan

• Növényi fajok
• fák pl. nyárfa
• füvek pl. Festuca spp.
• nitrogén kötok pl. Trifolium spp., Medicago
  sativa, lóhere
• Vízi növények pl. Myriophyllum spicatum,
  Saggitaria latifolia

62
Fitodegradáció, Fitotranszformáció enzimatikus
folyamatok Fitostabilizáció nehézfém
toleráns növények a nehézfémek mozgását
gátolják Fitoextrakció fémek
hiperakkumulációjára képes növényekkel
Fitovolatilizáció illékony szervesanyagok
felvétele, majd átalakítás nélküli
elpárologtatása Rhizofiltráció fémek
eltávolítása vízbol
63
CO2
H2O
párologtatás
fotoszintézis
O2
H2O tápanyagok
transzport
CO2 H2O
H2O tápanyagok
gyökérlégzés
izzadás
metabolit
szervesanyagok
kometabolizmus
CO2 H2O
mineralizáció
64
NITRÁT MENTESÍTÉS
65
A nitrátszennyezett vizek fokozatosan terjednek
a világban, különösen az iparosodott országokban.
Évek óta foglalkoznak e probléma megoldásával
több-kevesebb sikerrel. A nitrátionok
eltávolítására ioncserélo gyantát használnak,
mely a kezelt vízbol hatékonyan megköti a nitrát
ionokat, de a gyantát folyamatosan regenerálni
kell az újrafelhasználás érdekében ( s ennek
végén a nitrát koncentrált formában továbbra is
jelen van). A ma elterjedt nitrátmentesíto
rendszerek hátránya, hogy a baktériumokat csak
mechanikai szurovel veszik körül, és a
muködésükhöz szükséges szerves anyag kikerülhet a
tisztított vízbe (és ez potenciális fertozés
veszélyt jelenthet). Laboratóriumunkban
kifejlesztettünk egy olyan nitrátmentesíto
eljárást, mely a jelenlegiekhez képest két új
tulajdonsággal rendelkezik 1. A fajok közötti
hidrogén transzfer segítségével a
denitrifikáló mikroorganizmusok nitrát
redukciójához szükséges H2-t egy hidrogén
termelo mikroorganizmus biztosítja. A H2 termelo
egyedek energia forrásukat szerves anyagból
(pl. ipari szennyvizek, cukrok, cellulóz)
szerzik. 2. Új immobilizálási technikánk
segítségével a mikroorganizmusok a térben olyan
közel esnek egymáshoz, hogy a termelt hidrogén
hatékonyan adódik át a denitrifikáló
baktériumoknak.
66
CO2 N2
Pseudomonas denitrificans
Acetivibrio cellulolyticus
cellulose fiber
immobilizing matrice
67
Az eljárás elonyei - steril körülmények -
térbeli közelség a fajok között könnyebb
hidrogén transzfer - energiaforrás
szervesanyag nitrátmentesítés
kapcsolható szennyvíztisztítással - hatékony
68
NaCl
NO3- H2O
N2
H2 C6H12O6 (C6H12O6)n
H2O
NaNO3
69
BIOGÁZ TERMELÉS
70
Alternatív energiaforrás igény

• Fosszilis energia kimerül
• Olajföldgáz lt30 év
• Szén üvegház hatás

71
Nukleáris energia maghasadás / magfúzió
72
Napenergia számokban

• Energia felhasználásunk ma 1
• Ismert fosszilis készletek 100
• Szén 80
• Olaj, földgáz 20
• Földre érkezo napenergia 10000
• 1 órányi napenergia ? emberiség 1 éves mai igénye

73
Biohidrogén hasznosítás
hidrogenáz
fejlesztés redukció
H
e-
fogyasztás oxidáció
REDUKÁLÓSZER
H2
Biogáz, denitrifikálás stb.
74
BIOGÁZ TERMELÉS
Biogáz hulladékkezelési technológiákban
keletkezo metán, CO2 Mocsarak, lápok -
levegotol elzárt területeken spontán erjedés
(lidércfény) Hulladék szervesanyagok pl.
cellulóz, egyéb szénhidrátok, fehérjék,
zsírok lehet ipari-, városi hulladék, híg
trágya A metán kiváló futoanyag
75
(No Transcript)
76
metán
77
Makromolekulák anaerob emésztése
lipidek
Zsírbontó baktériumok
Lactobacillus Propionibacteria vajsavbaktériumok
zsírsavak
glicerin
gázok
alkoholok
savak
szén-dioxid metán
szén-dioxid hidrogén
etanol butanol propanol
formát ecetsav propionát laktát piruvát
Aminosavak zsírsavak
Ammonia, szén-dioxid
di- és tripeptidek
metanogének denitrifikáló baktériumok
Fehérje bontó baktériumok
fehérjék
szén-dioxid metán
78
Biogáztermelodés javítható hidrogéntermelo
mikroorganizmus jelenlétével - Mezofil
környezet - Termofil környezetben a hatásfok
tovább javulhat
Metanogének - osi, kemolitotróf szervezetek -
elofordulás anaerob körülmények között
(mocsarak, iszap, állatok bélrendszere) -
szervetlen vegyületek oxidációja révén állítanak
elo ATP-t pl. 4H2CO2 CH4H2O
79
Metanogének a környezetben
80
Fermentáció folyamatát befolyásoló tényezok
homérséklet mezofil 30-40 C termofil 45-65
C - lebomlás endoterm folyamat tápanyag -
felveheto, lebontható szerves anyag legyen -
állandó összetétel - megfelelo arányok - CN
arány (31) - CP arány (1501) - egyéb elemek
S, Ca, Mg, K, Zn, Co
81
Fermentáció folyamatát befolyásoló tényezok
kémhatás - pH7 optimális - savképzodés
csökkentheti semlegesítés
mésztej, szódaoldat mérgezo anyagok -
aktivitás csökkenése vagy pusztulás - oxigén -
nehézfémek - klórozott szénhidrogének, cianid,
szulfát szennyezések víz - biokémiai
folyamatok közege - szárazanyag tartalom 0,1-60
82
Biogáztermelés gyakorlati megvalósítása

• Anaerob erjesztési technológia alapveto lépései
• Alapanyag-tárolás
• 2. Anyag-elokészítés tisztítás
• fáziselválasztás
• aprítás
• szuszpendálás
• homogenizálás
• kondícionálás
• összetétel beállítás
• 3. Erjesztés
• 4. Gázkezelés, maradékanyag-kezelés
• - kondenzálás
• hab, vízgozleválasztás
• - gázmosó
• gázokat megkötik
• CO2 (mésztej)

Eljárások osztályozása Folyamatok térbeli
lejátszódása alapján 1. Egylépcsos 2.
Kétlépcsos Kezelt anyag szárazanyag tartama
alapján lt5 nedves 5-15 szuszpenziós 10-25 f
élszáraz gt25 száraz
83
5. Komposzt kiszerelése - erjesztés maradéka,
kirothasztott iszap utókezelése 6. Gázhasznosítás
Gyakorlati példák
Svájc termofil Kompogas eljárás - külön
gyujtött szerves hulladékok feldolgozása - 300 m3
erjeszto reaktor - 60 C, 15-20 nap
(utórothasztás 5-10 nap) - évi 10 000 t szerves
anyag idegen anyag (2) komposzt
(30) biogáz (13) kisajtolt és tisztított
víz (40) víz az utókomposztáláshoz (15)
84
Valorga-cég Hollandia 20 település, 64 000 t
hulladék kezelése - szilárd hulladékot vízzel
keverik - suru iszap erjedése 30-40 C-on -
keverés gázrecirkuláltatással VITUKI-MÉLYÉPTERV
- szennyvíziszap és hígtrágya feldolgozása -
félfolyamatos és folyamatos eljárás - 35C, 15-20
nap - maradék szikkasztóba kerül Kistelepülések
hulladékainak feldolgozása (Mo.) - félszáraz
eljárás - háztartási hulladék, trágya keverék -
lebomlás aerob indul - 65 C fóliazsák -
gázképzodés 20-30 nap
85
Miért jó, ha tudunk biogázt eloállítani?

1. Értékes energiahordozó (1m3 biogáz 23
   MJ)futésre, elektromos áram termelésre megfelelo
2. A fermentációból visszamaradt anyag
   felhasználhatószerves anyag utánpótlásra, jobb,
   mint az istállótrágya - értékes nitrogén
   tartalom - nem savas - C/N arány
   megfelelo - foszfor, kálium tartalom jó, és
   felveheto forma - gyommagvak csírázóképessége
   csökken - szaghatás csökken
3. Hulladék elhelyezési problémák csökkennek

86
Biogáz hasznosítása
87
(No Transcript)