Milieu biotechnologie

Transcriptie

1 Milieu biotechnologie Prof. Dr. ir. J. Swings Milieu biotechnologie Inleiding milieuproblematiek Biologische bestrijding Bioremediering Microbiele omzettingen

2 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

3

4 Case : Bioplastics in de vaste afvalstroom Oorsprong vast afval Weg van het vaste afval Opties van vast afvalmanagement Compostering Biodegradeerbare plastics

5 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

6 Eliminatie aan de bron Hergebruik Recycling Producten gemaakt van gerecycleerd materiaal Waste material Paper Sludge Rubber Plastic Glass Fly and bottom ash Oil Product Printing paper Sanitary paper Packaging Compost Pavement Reefs Pipes Ceramic bricks Concrete Roadfill Asphalt Cement Oil

7 Verbranding Hoge temperatuur verbrandingsoven

8 Energie-inhoud van afval tov standaard brandstof Fuel Solid - Coal Bark 37 - Wood waste 46 - Sawdust 54 - Coffee grounds 46 - Corncobs 59 Liquid - Oil Oil waste 97 - Paints/resins 54 - Dirty solvents 86 - Old grease 76 Gaseous - Natural gas Coke oven gas 78 -Refinery waste gas 271 Heating value (percent) Stort

9 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

10 Humus en compost Ground Living plants Compost Organic substrate Fungi + bacteria Alteration of dead tissue Fungi + bacteria + associated fauna (detrivores, mycophages) Mechanical homogenisation Contamination with Bacteria, Actinomycetes, Fungi, Leaf layer Decomposition of biochemical degradable compounds Degradation and Humification Humus clay complexes Addition of compost to the ground Stabilised form Humification of organic compounds at average temperature. Fungi + Bacteria + Actinomycetes + Fauna Progressive incorporation of HUMUS in the ground Compost Composteringsprocedures Substraat Discontinue systeem Continue systeem Vast Methodes in kuil, op een Opeenvolgende hopen, in hoop of in fermentor fermentoren of silo s Vloeibaar Methodes in geaereerde Methodes in fermentoren kuilen of op hopen of in geaereerde kuilen

11 Experimenteel composteringsstation (Johnson city Tennessee) Slib verwerking Afval ontvangst Vermaling Rijping Fermentatie Schema van de continue evolutie van organisch afval Organic waste Young compost Prehumified Mature compost Rich in humus Decomposition phase Maturation phase Aerobic fermentations

12 Plaats van compostering in de afvalstromen Valorisatie van de biomassa : plaats van compostering

13 Compostering van slib 1. Dehydration of sludge 2. Sludge reservoir 3. Structuring agents reservoir 4. Homogenisation 5. Transportation band 6. Fermentor 7. Aeration 8. Aeration central 9. Fresh compost 10. Recyclage of compost Microscopische structuur van compost

14 Vochtigheid en beluchting Passieve aeratie

15 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

16 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 : Acidogenese, mesofiele flora II: Alkalinisatie, thermofiele flora III: Stabiliserende fase IV: Stabiele fase, neutrale ph

17 Verband tussen compostering, vochtigheid, aeratie en betrokken microflora Mesofiele en thermofiele populaties

18 Gebruik van compost Landbouw domein % markt Dosis (ton/ha) Frequentie Wijnbouw jaar Grote teelten jaar Boomkweek Groententeelt Champignons Case : Bioplastics in de vaste afvalstroom Oorsprong vast afval Weg van het vaste afval Opties van vast afvalmanagement Compostering Biodegradeerbare plastics

19 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

20 Belangrijkste koolstofketen-polymeren PE PS PP PVC Heteroketen polymeren

21 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

22 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

23 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