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 Product

Paper Printing paperSanitary paperPackaging

Sludge Compost

Rubber PavementReefs

Plastic Pipes

Glass Ceramic bricksConcrete

Fly and bottom ash RoadfillAsphaltCement

Oil Oil

7

Verbranding

Hoge temperatuur verbrandingsoven

8

Fuel Heating value (percent)Solid- Coal 100- Bark 37- Wood waste 46- Sawdust 54- Coffee grounds 46- Corncobs 59

Liquid- Oil 100- Oil waste 97- Paints/resins 54- Dirty solvents 86- Old grease 76

Gaseous- Natural gas 100- Coke oven gas 78-Refinery waste gas 271

Energie-inhoud van afval tov standaard brandstof

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

Ground CompostLiving plants

Alteration of dead tissue

Degradation andHumification

Fungi + bacteria

Organic substrate

Mechanicalhomogenisation

Contamination withBacteria, Actinomycetes,Fungi,…

Fungi + bacteria+ associated fauna(detrivores, mycophages)

Leaf layerDecomposition of biochemical

degradable compounds

Stabilised formHumification of organic compoundsat average temperature.Fungi + Bacteria + Actinomycetes + Fauna

Compost

Humus – claycomplexes

Progressive incorporationof HUMUS in the ground

Addition of compost to the ground

Humus en compost

Composteringsprocedures

Substraat Discontinue systeem Continue systeem

Vast Methodes in kuil, op een Opeenvolgende hopen, inhoop of in fermentor fermentoren of silo’s

Vloeibaar Methodes in geaereerde Methodes in fermentorenkuilen of op hopen of in geaereerde kuilen

11

Afval ontvangstVermaling

Slib verwerking

Fermentatie

Rijping

Experimenteel composteringsstation (Johnson city Tennessee)

Organic waste Young compostPrehumified

Mature compostRich in humus

Decomposition phase Maturation phase

Schema van de continue evolutie van organisch afval

Aerobic fermentations

12

Plaats van compostering in de afvalstromen

Valorisatie van de biomassa : plaats van compostering

13

1. Dehydration of sludge2. Sludge reservoir3. Structuring agents reservoir4. Homogenisation5. Transportation band6. Fermentor7. Aeration8. Aeration central9. Fresh compost10. Recyclage of compost

Compostering van slib

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 vereisteZone 2: matige aerobe afbraak, mindere vereisteZone 3: Maturatie, weinig zuurstof nodig

16

Zone A : Warmteproductie hoogstZone B : Thermisch evenwichtZone C : Temperatuurverlies hoogst

Zeer fermenteerbaar substraatMatig fermenteerbaar substr.Zwak fermenteerbaar substraat

Temperatuurscurve bij compostering

pH schommeling tijdens de compostering

I : Acidogenese, mesofiele floraII: Alkalinisatie, thermofiele floraIII: Stabiliserende faseIV: Stabiele fase, neutrale pH

17

Verband tussen compostering, vochtigheid, aeratie en betrokken microflora

Mesofiele en thermofiele populaties

18

Landbouw domein % markt Dosis (ton/ha) Frequentie

Wijnbouw 60 20-300 2-3 jaar

Grote teelten 5 20-50 3-5 jaar

Boomkweek 10 10-100 -

Groententeelt 9 3-5 -

Champignons 5 - -

Gebruik van compost

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 reactiesin 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

- afbraak door enzymatische oxidatie van sek. OH tot –C=O hetgeenzorgt voor ketensplitsing

- Wateroplosbaar- PCL-PEK mengsels voor gecontroleerde vrijstelling : PCL is onoplosbaaren houdt de struktuur samen tijdens de vrijstelling

- PVAc breekt traag af

Poly(enol-keton) : PEK

Poly(vinylacetaat) : PVAc