Bewertung des integrierten Biogas-und Hydrothermale Karbonisierung für die Bioenergieproduktion
15. Juni 2014
Ein Roman Upflow Anaerobe Solid State (Fachhochschulen) Reaktor wurde für die Biogasproduktion aus Faserausgangsstoffe verwendet. Gärresten aus Fachhochschulen Reaktor wurde hydrothermal in HTC Biokohle in einem Druck Batch-Reaktor verkohlt. Die Integration der beiden Bioenergie-Konzepte wurde in dieser Studie angewendet, um die Gesamt Bioenergie-Produktion zu erhöhen.
Es gibt vier Abbauschritte bei jeder anaeroben Vergärung. Zunächst werden Polysaccharide zu Monomeren hydrolysiert. Die Monomere werden durch Agenese in kurzkettige Fettsäuren, Lactate und Alkohole umgewandelt.
Bei der Ketogenese wird das Produkt aus der Agenese umgewandelt und formatiert. Der letzte Schritt ist die Myogenese, bei der metagene Mikroorganismen Methan aus dem Aceto-SSIS-Produkt produzieren.
Die herkömmliche anaerobe Vergärung fester Biomasse ist ein zeitaufwändiger und energieintensiver Prozess. Ein neuartiger Aufwärts- und aeroben Festbettreaktor besitzt jedoch das Potenzial, die bestehenden Nachteile zu überwinden. Der wesentliche Vorteil dieses Reaktortyps liegt in der spontanen Trennung von Feststoff und Flüssigkeit.
Außerdem kann die Flüssigkeitszirkulation die kostspielige Steuerung eliminieren. Die hydrothermische Karbonisierung ist ein thermochemisches Behandlungsverfahren, bei dem Biomasseabfall bei 200 bis 260 Grad Celsius und Wassersättigungsdruck über 4,5 bis sechs Stunden erhitzt wird. Unter diesen Bedingungen ist subkritisches Wasser sehr reaktiv. Infolgedessen zersetzen sich Hemicellulose zusammen mit anderen Extraktiven bei etwa 180 bis 200 Grad Celsius, während Cellulose bei etwa 220 bis 230 Grad Celsius reagiert und Lignin im HTC-Biochar zurückbleibt.
Das feste Produkt der HTC ist sehr brüchig, hydrophob und stabil. Es weist kalorische Eigenschaften auf, die denen von Braunkohle ähneln. Ziel der Arbeit war es, diese beiden bioenergetischen Produktionsverfahren miteinander zu kombinieren.
In diesem Video zeigen wir das Wirkprinzip und den Betrieb eines neuartigen UASS-Reaktors zur Biogasproduktion. Anschließend demonstrieren wir die hydrothermische Karbonisierung von aufbereiteten Abfällen zur Herstellung von Biokohle für eine aerobe Vergärung. Ein 39-Liter-UASS-Reaktor wurde verwendet, der fünf bis 65 Millimeter lang war.
Rohes Weizenstroh wird verfüttert. Der organische Trockenmassegehalt des Substrats betrug 85,9 %, während der Rohfaseranteil 46,3 % betrug. Die UASS-Reaktoren bestanden aus Edelstahl und verfügten über eine Sichtscheibe aus Acrylglas. Jeder 39-Liter-UASS-Reaktor war mit einem 30-Liter-Anaerobfilter kombiniert.
Jeder anaerobe Filter wurde mit 325 Polyethylen-Biofilmträgern gefüllt. Der Biofilmt räger hatte eine Oberfläche von 305 Quadratmetern pro Kubikmeter. Eine Dolf-Pumpantriebseinheit 5 2 0 1 wurde sowohl unter mesophilen als auch unter thermophilen Bedingungen verwendet. Für die Prozessflüssigkeit wurden die Heizpatronen auf das gewünschte Temperaturniveau des Reaktors eingestellt, um die UASS-Reaktoren täglich zu beschicken.
120 Gramm Holzspäne werden abgewogen. Der Zulaufschlauch der UASS wird geöffnet und der Stopfen entfernt. Die Holzspäne werden in den diagonalen Zulaufschlauch gefüllt und in den Reaktorboden hineingeschoben.
Die Deckenfläche wird gasdicht verschlossen und der Zulaufschlauch wird geschlossen. Die Pumpen laufen kontinuierlich und fördern 1,2 Liter pro Stunde Prozessablauf durch das Reaktorsystem. Die Zusammensetzung des Biogases wird regelmäßig mit dem industriellen Biogasanalysator gemessen.
Ungefähr drei Kilogramm des vergorenen Substrats werden einmal wöchentlich entnommen. Proben des Prozesses, der Flüssigkeit und des vergorenen Substrats wurden wöchentlich auf ihre chemischen Eigenschaften analysiert. Für die HTC-Experimente wurde ein gestufter Reaktor einer 18-Liter-4-5-5-5-Serie mit einem 4-8-4-8-Regler verwendet.
Das Softwarepaket Spec view 3 2 8 4 9 wurde in dieser Studie verwendet. Das verdaute Stroh wurde gewogen. Derselbe Wägeapparat wurde zur Messung von 10 Kilogramm Wasser verwendet.
Sowohl der digestierte Inhalt als auch Wasser wurden in den Behälter geleitet, bevor der NU medizinisch verschlossen wurde. Der Reaktorinhalt wurde manuell gelenkt, um eine Blockierung der Propellergabelung zu verhindern. Der Reaktor wurde geschlossen und mit der Querverbindung gesichert.
Ziehen Sie die Schraube mit einer Kraft von 50 Newtonmeter an. Die Reaktionsbedingungen wurden in diesem speziellen Experiment festgelegt. Die Temperatur wurde auf 230 Grad Celsius mit einer Aufheizrate von zwei Grad Celsius pro Minute eingestellt und die Temperatur sechs Stunden lang gehalten.
Nach der Abkühlphase wurde der Schalter ausgeschaltet und das Gas in einem 20-Liter-Gasbeutel gesammelt. Die Suspension wurde über ein Hochdruck-Hochtemperatur-Kugelventil abgelassen. Die Flüssigkeit wurde aufgefangen und filtriert.
Das hergestellte Biochar wurde zerkleinert. Das feuchte Biochar wird in einen Ofen bei 105 Grad Celsius gegeben. Zur Analyse wurde ein Vari EL 3-Elementaranalysator verwendet.
In einer Probenschale wurden 30 Milligramm Wolfram(VI)-oxid abgewogen. Fünf bis 10 Milligramm der trockenen Probe wurden in die Probenschale gegeben. Mischen Sie es und verpacken Sie es.
Die Probenpfanne wird in einen Vari-EL-Autosampler eingelegt. Die Analyse wird gestartet und die Daten werden auf einem Computer gespeichert. Die maximale Methanproduktion betrug 270,4 Liter pro Kilogramm bei thermophilen und 216,9 Liter pro Kilogramm bei mesophilen Betriebsbedingungen.
Das Biogas enthielt zwischen 41 und 61 % Methan, der Rest war Kohlendioxid. Der trockene Gärrest sieht trockenem Stroh ähnlich, ist jedoch etwas dunkler in der Farbe. Die faserige Struktur ist in der HTC-Biochar zerstört.
Bei Abwesenheit einer faserigen Struktur wird das HTC-Biochar brüchig. Es benötigt kaum Druck, um es zu pulverisieren. HTC-Biochar ist sehr hydrophob.
Es kann über einen längeren Zeitraum mit Wasser in Kontakt bleiben. Wenn ein Kilogramm Rohstroh hydrothermal karbonisiert wird, hat die HTC-Biochar eine Energieausbeute von 11 Megajoule. Bei Verwendung des Kombinationsverfahrens können insgesamt 12,1 Megajoule an Bioenergie gewonnen werden.
Die anaerobe Vergärung weist eine Energierückgewinnung von 20 bis 25 % auf, während bei Kombination mit HTC die Energierückgewinnung bis zu 70 % erreichen kann.
Übersicht
Diese Studie untersucht die Integration eines neuartigen Hochstrom-Anaeroben-Feststoff-(UASS-)Reaktors zur Biogasproduktion mit der hydrothermalen Karbonisierung (HTC) von Digestat zu Biochar. Das Forschungsvorhaben zielt darauf ab, die Bioenergiegewinnung aus faserigen Substraten zu verbessern und das Potenzial der Kombination dieser beiden Bioenergieprozesse aufzuzeigen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Bioenergieerzeugung
- anaerobe Vergärung
- hydrotherme Karbonisierung
Hintergrund
- Die anaerobe Vergärung umfasst mehrere Abbauschritte der Biomasse.
- Herkömmliche Methoden sind zeitaufwändig und energieintensiv.
- Der UASS-Reaktor bietet Vorteile wie die Fest-Flüssig-Trennung.
- HTC ist ein thermochemischer Prozess, der Biomasse in stabilen Biochar umwandelt.
Zweck der Studie
- Kombination der UASS- und HTC-Verfahren zur Verbesserung der Bioenergieausbeute.
- Beurteilung der Effizienz der Biogaserzeugung aus faserreichem Einsatzstoff.
- Analyse der Eigenschaften des erzeugten Biochars.
Verwendete Methoden
- Nutzung eines 39-Liter-UASS-Reaktors zur Biogasproduktion.
- Hydrothermale Karbonisierung von Digestat bei kontrollierten Temperaturen.
- Regelmäßige Messung der Biogaszusammensetzung mithilfe industrieller Analysatoren.
- Analyse der chemischen Eigenschaften von Digestat und Biochar.
Hauptergebnisse
- Die maximale Methanausbeute erreichte unter thermophilen Bedingungen 270,4 Liter pro Kilogramm.
- Die Zusammensetzung des Biogases variierte zwischen 41 % und 61 % Methan.
- Der HTC-Biochar wies einen hohen Heizwert und eine hohe Stabilität auf.
- Kombinierte Verfahren erhöhten die gesamte Energieausbeute auf 70 %.
Schlussfolgerungen
- Die Kombination von UASS und HTC verbessert die Bioenergieproduktion erheblich.
- HTC-Biochar weist günstige Eigenschaften für energetische Anwendungen auf.
- Dieser Ansatz könnte die Effizienz des Biomasseabfallmanagements verbessern.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Diese Studie zeigt eine neuartige Kombination von anaerober Vergärung und hydrothermaler Karbonisierung zur Steigerung der Bioenergieausbeute aus lignocellulosehaltiger Biomasse auf und bietet einen Ansatz zur Verbesserung der erneuerbaren Energieproduktion aus landwirtschaftlichen Reststoffen. Der kombinierte Ansatz erhöht die Energierückgewinnung um über 60 % im Vergleich zur alleinigen anaeroben Vergärung und trägt dazu bei, Biomasseumwandlungstechnologien in der frühen Phase der Biokraftstoffentwicklung weniger risikobehaftet zu machen. Solche hybriden thermochemisch-biologischen Plattformen könnten Entscheidungen über Forschungsportfolios im Bereich nachhaltige Energieforschung beeinflussen, indem sie das Vorhersagevertrauen bei der Wertstoffnutzung von Einsatzstoffen verbessern.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung der Biomasse-Recalcitrance und der Effizienz der Vorbehandlung anhand messbarer Biogas- und Biochar-Produkte.
- Operativer Wert: Bietet eine standardisierte Plattform zum Vergleich der Auswirkungen von Vorbehandlungen auf die nachgeschaltete Energierückgewinnung.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt quantitative Methan-Ausbeute und Heizwert von Biochar als reproduzierbare Endpunkte zur Prozessoptimierung.
- Operativer Wert: Unterstützt die Bereitschaft für Analysen durch konsistente Digestatproduktion und HTC-Umwandlung unter definierten Bedingungen.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Zeigt die Kontinuität von nassem Digestat zu stabilem Biochar auf und ermöglicht so die risikoadjustierte Weiterentwicklung von Biomasseumwandlungsverfahren.
- Operativer Wert: Bietet eine skalierbare Fest-Flüssig-Trennung mittels UASS-Konzept und reduziert damit die Handhabungskomplexität bei kontinuierlichen Prozessen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode positioniert die anaerobe Vergärung als vorgelagerten Biogaserzeugungsschritt und die hydrothermale Karbonisierung als nachgeschalteten Veredelungsschritt für das Digestat und schafft so einen gekoppelten Biorefinery-Prozess, der für die Untersuchung lignocellulosehaltiger Einsatzstoffe geeignet ist.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung zur Leistungsfähigkeit mikrobieller Gemeinschaften und der Substratzugänglichkeit unter mesophilen und thermophilen Bedingungen.
- Screening: Liefert reproduzierbare Messgrößen zur Biogaszusammensetzung und Methanausbeute, um die Wirksamkeit von Substrat-Vorbehandlungen zu vergleichen.
- Analytik: Stellt volumetrische Gasproduktionsdaten und Angaben zur elementaren Zusammensetzung bereit, um die Prozesseffizienz und Energierückgewinnung zu bewerten.
- Translationale Forschung: Verbindet Digestat mit thermochemischer Umwandlung, wodurch die Beurteilung des Kohlenstoffflusses und der Energieverteilung ermöglicht wird.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Das UASS-Reaktordesign erlaubt wiederholte Beschickungszyklen und Feststoffrückhaltung und unterstützt so die langfristige Plattformnutzung über verschiedene Substratvarianten hinweg.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht das mechanistische Verständnis der Kohlenstoffumleitung zwischen Methan- und festen Biochar-Wegen.
- Operativer Wert: Verbessert die Systemstabilität durch spontane Fest-Flüssig-Trennung und verringert so den operationellen Aufwand.
- Strategischer Wert: Steigert die Kapitaleffizienz, indem zusätzliche Energie aus dem Digestat gewonnen wird, das andernfalls einer Behandlung bedürfte.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht eine risikoadjustierte Priorisierung von Biomasseumwandlungswegen basierend auf kombinierten Schwellenwerten für den Energieertrag.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in anaerober Mikrobiologie und thermochemischer Prozesssteuerung.
- Benötigt Instrumentierung zur Biogasüberwachung, temperaturgeregelten Reaktoren und Hochdruck-HC-Gefäßen.
- Erfordert die Standardisierung der Substratpräparation und der Messung flüchtiger Feststoffe für reproduzierbare Ergebnisse.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen bei der Skalierung des UASS-Designs oder der Änderung der HC-Verweilzeit für verschiedene Biomassetypen.
- Umfasst praktische Einschränkungen wie die Variabilität der Methanausbeute und die Abhängigkeit der Biochar-Qualität von der Zusammensetzung des Digestats.
