Bio-ethanol en biogas
Bio-ethanol en biogas
Lesduur is: 60 minOnderdelen in deze les
Bio-ethanol en biogas
De les verbindt twee sporen uit de theorie: biogas als duurzame energiedrager en fermentatie/biotechnologie als basis voor bio-ethanol en andere biobrandstoffen.
Lesdoel
Ik kan uitleggen hoe biogas en bio-ethanol worden gemaakt, gebruikt en verbeterd met biotechnologie.
Deze slide heeft geen instructies
Welke woorden koppel jij aan biogas of bio-ethanol?
Gebruik deze woordwolk om voorkennis op te halen. Vraag eventueel door op woorden als afval, vergisting, duurzaam, gas, alcohol, bacteriën of CO2.
Van fossiel naar hernieuwbaar
Fossiele brandstoffen raken uitgeput en vergroten de uitstoot van CO2
Wind- en zonne-energie zijn belangrijk, maar niet altijd constant beschikbaar
Daarom zoeken we ook naar andere duurzame energiedragers zoals bijvoorbeeld uit afvalstromen.
Biogas en bio-ethanol zijn voorbeelden van brandstoffen uit biomassa
Leg kort de aanleiding uit: energietransitie vraagt om meerdere oplossingen naast elektriciteit uit zon en wind.
Wat is biogas?
Ontstaat uit organisch afval
Voorbeelden: mest, rioolslib en GFT-afval
Bacteriën breken dit af zonder zuurstof
Dit proces heet anaerobe vergisting.
Deze slide heeft geen instructies
Samenstelling van ruw biogas
Ruw biogas bestaat vooral uit methaangas (CH4) en een flinke hoeveelheid koolstofdioxide (CO2). Juist die samenstelling bepaalt wat je ermee kunt doen: direct gebruiken, eerst opwerken of verder verwerken tot brandstof.
Benadruk dat ruw biogas nog niet hetzelfde is als aardgas. De zuiverheid bepaalt de toepassing.
Van grondstof naar toepassing
Organisch afval → vergisting in tank → biogas
Vanuit biogas zijn er drie hoofdroutes:
directe verbranding in een WKK (warmte-krachtkoppeling)
opwerken tot groen gas
vloeibaar maken tot Bio-LNG
Deze slide vormt het overzicht voor de volgende toepassingen.
Route 1: WKK
Biogas wordt vaak op de productielocatie gebruikt bijv. een rioolwaterzuiveringsbedrijf
Een gasmotor drijft een generator aan
Zo ontstaan tegelijk stroom en warmte
Deze slide heeft geen instructies
Waarom is warmte hier nuttig?
De motor van een WKK wordt heet
Die warmte wordt opgevangen via waterbuizen
Een deel houdt de vergistingstanks op temperatuur, vaak rond 38 °C
Overtollige warmte kan naar huizen of bedrijven via een warmtenet
Maak de koppeling tussen energieproductie en procesondersteuning: warmte gaat niet verloren.
Wat gebeurt er in een WKK met biogas?
Het wordt vloeibaar
Het maakt stroom en warmte
Het gaat direct het gasnet in
Het wordt omgezet in zuurstof
Toetst route 1. De afleiders verwijzen naar route 2, route 3 en een onjuiste reactie.
Vul de juiste begrippen in
Biogas ontstaat uit organisch afval dat door bacteriën wordt afgebroken zonder zuurstof. Dit heet anaerobe vergisting. In een WKK levert biogas tegelijk stroom en warmte.
Alle begrippen komen letterlijk uit de eerste biogas-slides terug.
Route 2: groen gas
Ruw biogas bevat te veel CO2 en vocht
Daarom wordt het schoongemaakt in een opwerkinstallatie
Na zuivering blijft bijna puur methaan over
Dat noemen we groen gas of biomethaan
Deze slide heeft geen instructies
Toepassingen van groen gas
Grondstof voor duurzame producten
Bijvoorbeeld plastics en bouwstoffen
Minder afhankelijk van olie en fossiel aardgas
In de chemie
In het gasnet
Zelfde kwaliteit als aardgas
Naar huizen en bedrijven via bestaande leidingen
Inzetbaar voor koken en verwarmen
Deze slide heeft geen instructies
Route 3: brandstof voor transport
Opgewerkt biogas kan ook transportbrandstof worden
Het geeft minder roet en fijnstof dan diesel
Vooral interessant voor voertuigen met hoge energievraag bijv. in de transport.
Deze slide heeft geen instructies
Bio-CNG en Bio-LNG
Samengeperst gas
Opslag onder hoge druk: 200 bar
Voor personenauto's, vuilniswagens en stadsbussen
Bio-LNG (liquefied natural gas)
Vloeibaar gas
Koelen tot -162 °C
Geschikt voor zware vrachtwagens en scheepvaart
Bio-CNG (compressed natural gas)
Benadruk het verschil in energiedichtheid en toepassingsgebied.
Waarom is biogas milieuvriendelijk?
Bij verbranding van biogas komt CO2 vrij, maar die koolstof zat kort geleden nog in planten. Die planten hebben de CO2 eerst uit de lucht opgenomen. Daardoor hoort biogas bij de kortcyclische koolstofkringloop.
Maak hier het contrast met fossiele brandstoffen: daar voeg je oude koolstof opnieuw toe aan de atmosfeer.
De kringloop rond maken
Planten nemen CO2 op → organisch materiaal wordt afval → vergisting maakt biogas → verbranding geeft CO2 terug
Na vergisting blijft ook digestaat over:
rijk aan stikstof en fosfaat
bruikbaar als meststof voor landbouw
Deze slide heeft geen instructies
Waarom moet ruw biogas eerst worden opgewerkt?
Er zit te veel CO2 en vocht in
Er zit te weinig stikstof in
Er zit te veel zuurstof in
Er zit te weinig warmte in
Controleert begrip van het verschil tussen ruw biogas en groen gas.
Maak de route compleet
Na zuivering blijft bijna puur methaan over. Dat noemen we groen gas. Dit kan via het gasnet naar huizen en bedrijven, of als Bio-LNG worden gebruikt voor zwaar transport.
Verbindt route 2 en 3 in één context.
Waarom is biogas toch klimaatvriendelijker dan aardgas?
Bespreek dat biogas past in de kortcyclische koolstofkringloop: planten nemen eerst CO2 op, daarna komt diezelfde koolstof weer vrij. Ook digestaat als meststof kan genoemd worden.
Micro-organismen als productiefabriek
De keuze van micro-organismen bepaalt de opbrengst
Soms worden organismen genetisch aangepast
Doel: lastig afbreekbare stoffen toch benutten
En de productie van biobrandstof efficiënter maken
Dit vormt de overgang van biogas naar bio-ethanol en bredere biotechnologie.
Belangrijke micro-organismen
Bacteriën
Escherichia coli en Zymomonas mobilis
Inzetbaar voor specifieke alcoholen en vetzuren
Vooral E. coli is goed genetisch aanpasbaar
Saccharomyces cerevisiae
Van nature sterk in ethanolproductie uit glucose
Soms aangepast voor complexere suikers zoals xylose
Gisten
Deze slide heeft geen instructies
Microalgen en cyanobacteriën
Gebruiken zonlicht en CO2 via fotosynthese
Maken lipiden, dus oliën
Kunnen worden aangepast om sneller te groeien
En om meer vetten op te slaan
Deze slide heeft geen instructies
Welke micro-organismen zijn van nature sterk in ethanolproductie?
Gisten
Schimmels
Virussen
Protozoa
Sluit aan op Saccharomyces cerevisiae als bekend voorbeeld.
Welk type organisme vind jij het meest geschikt voor biotechnologie?
Gisten
Bacteriën
Microalgen
Weet ik nog niet
Deze slide heeft geen instructies
Fermentatie als basis
Fermentatietechnologie is al eeuwenoud
In een bioreactor werken micro-organismen gecontroleerd
Ze zetten organische grondstoffen enzymatisch om in producten
Noem dat fermentatie een kernonderdeel van biotechnologie is.
Alcoholische fermentatie
Bij afwezigheid van zuurstof schakelt gist over op alcoholische fermentatie. Via de glycolyse wordt glucose afgebroken tot pyruvaat. Daarbij ontstaat ATP. Daarna wordt pyruvaat omgezet in ethanol en CO2 om de redoxbalans van NAD+/NADH te herstellen.
Houd het op hoofdlijnen; voor deze doelgroep is het vooral belangrijk dat glucose via gist leidt tot ethanol en CO2.
Factoren van belang voor goede productie
Temperatuur en enzymactiviteit
Substraatsaturatie
Osmolariteit
Verbind dit eventueel aan procescontrole in een laboratorium of fabriek.
Temperatuur en enzymactiviteit
De reactiesnelheid hangt af van temperatuur
Voor gist ligt het optimum rond 30–35 °C
Te koud: enzymen werken traag
Te warm: enzymen kunnen denatureren
Verbind dit eventueel aan procescontrole in een laboratorium of fabriek.
Substraatsaturatie
Meer glucose verhoogt eerst de reactiesnelheid
Maar dat blijft niet onbeperkt zo
Bij verzadiging zijn transportsystemen en enzymen bezet
Dan is de maximale snelheid (Vmax) bereikt
Benadruk dat extra suiker dan het proces niet sneller maakt, maar hoogstens langer laat doorgaan.
Osmolariteit en celstress
Een te hoge suikerconcentratie maakt het medium hypertoon
Daardoor verlaat water de gistcel via osmose
Dit kan leiden tot plasmolyse
Het metabolisme van de cel wordt dan sterk geremd
Deze slide heeft geen instructies
Wat is het directe eindproduct van alcoholische fermentatie door gist?
Zuurstof en water
Ethanol en CO2
Methaan en CO2
Glucose en ATP
Toetst het kernidee van fermentatie zonder te veel detail over redoxchemie te vragen.
Vul de procesbegrippen in
Bij gist ligt het temperatuuroptimum rond 30–35 °C. Bij veel extra glucose kan uiteindelijk Vmax worden bereikt. Is de suikerconcentratie te hoog, dan ontstaat een hypertoon medium en kan de cel last krijgen van plasmolyse.
Hier komen de drie belangrijkste procesfactoren samen: temperatuur, verzadiging en osmose.
Relatief nieuwe techniek: Precisiefermentatie
Gist wordt genetisch aangepast met recombinant-DNA
De cel maakt dan een specifiek gewenst eiwit
Voorbeeld: caseïne voor diervrije zuivel
Noem indien gewenst dat na de fermentatie filtratie en opzuivering volgen.
Biomassa-fermentatie
Hier is niet het uitgescheiden product het doel
Het doel is juist veel biomassa maken
De geoogste cellen leveren Single Cell Protein voor voeding of diervoeder. Single Cell Protein betekent dat de eiwitmassa afkomstig is van eencelligen zoals bacteriën of gisten.
Deze slide heeft geen instructies
Biobrandstoffen uit afvalstromen
Moderne biobrandstoffen komen steeds vaker uit non-food biomassa
Bijvoorbeeld agro-industriële reststromen en fruitafval
Dat maakt de productie circulairder dan gebruik van voedselgewassen
Dit is de opstap naar lignocellulose en voorbehandeling.
Waarom is voorbehandeling nodig?
Veel restbiomassa bestaat uit cellulose en hemicellulose. Gist kan deze complexe polymeren niet direct gebruiken. Daarom is eerst enzymatische hydrolyse nodig om ze af te breken tot fermenteerbare monosachariden.
Deze slide heeft geen instructies
Van suikers naar brandstof
Lignocellulose-afval → enzymatische hydrolyse → fermenteerbare suikers → fermentatie met gist → bio-ethanol of Sustainable Aviation Fuel (SAF)
Laat zien dat biotechnologie en processtappen samen bepalen of afval echt bruikbare brandstof wordt.
Wat laat dit geheel zien?
Biomassa kan worden omgezet in gas of vloeibare brandstof
Micro-organismen doen het omzettingswerk
Procesomstandigheden bepalen de opbrengst
Biotechnologie maakt de productie steeds gerichter en efficiënter
Gebruik deze slide als inhoudelijke afronding vóór de begrippenlijst.
Restbiomassa
Op de afbeelding zie je
hoe de bruikbare stoffen
in de celwand aanwezig zijn
en hoe deze stoffen weer
nuttig gebruikt kunnen
worden.
Deze slide heeft geen instructies
Waarom is enzymatische hydrolyse nodig bij lignocellulose-afval?
Om CO2 op te slaan
Om polymeren tot suikers af te breken
Om zuurstof uit het medium te halen
Om digestaat te maken
Controleert of leerlingen begrijpen waarom gist restbiomassa niet direct kan gebruiken.
Van afval naar brandstof
Bij precisiefermentatie maakt een genetisch aangepaste cel een gewenst eiwit. Bij biomassa-fermentatie is juist veel celgroei het doel. Voor brandstof uit afval is eerst enzymatische hydrolyse nodig, waarna suikers kunnen worden omgezet in bio-ethanol.
Bundelt de moderne toepassingen uit de laatste inhoudelijke slides.
Welke stap bepaalt volgens jou het meest de opbrengst?
Verwachte elementen: noem minstens twee schakels, zoals micro-organismen, procesomstandigheden, hydrolyse, opwerken, of keuze van grondstof. Laat leerlingen de keten in eigen woorden samenvatten.
Welk onderdeel vond jij het lastigst om te begrijpen?
Reflectievraag over leerproces. Handig voor docentfeedback op tempo en uitleg.
Begrippenlijst
Biogas - Gasmengsel uit anaerobe afbraak van organisch materiaal
Anaerobe vergisting - Afbraakproces zonder zuurstof door micro-organismen
WKK - Installatie die tegelijk warmte en elektriciteit opwekt
Groen gas - Opgewerkt biogas dat bijna gelijk is aan aardgas
Bio-CNG - Samengeperst groen gas als transportbrandstof
Bio-LNG - Vloeibaar gemaakt groen gas voor zwaar transport
Digestaat - Restproduct van vergisting dat als meststof kan dienen
Deze slide heeft geen instructies
Begrippenlijst
Fermentatie - Gecontroleerde omzetting van organische stoffen door micro-organismen
Alcoholische fermentatie - Omzetting waarbij gist ethanol en CO2 vormt
Glycolyse - Afbraakroute waarin glucose wordt omgezet tot pyruvaat
Substraatsaturatie - Punt waarop extra substraat de reactiesnelheid niet verder verhoogt
Vmax - Maximale reactiesnelheid van een enzymatisch systeem
Plasmolyse - Krimpen van een cel door waterverlies in een hypertoon milieu
Enzymatische hydrolyse - Afbraak van grote biomoleculen met enzymen tot kleinere suikers
Deze slide heeft geen instructies
