Evaluación de la gestión integrada de Digestión Anaerobia y carbonización hidrotermal para la producción de bioenergía
15 de junio de 2014
Una novela de estado sólido (UAS) reactor anaeróbico de flujo ascendente se utilizó para la producción de biogás a partir de materia prima fibrosa. Lodos de digestión del reactor UAS se carboniza hidrotermal en HTC biochar en un reactor discontinuo a presión. La integración de los dos conceptos de bioenergía se aplicó en este estudio para aumentar la producción global de la bioenergía.
Existen cuatro etapas de degradación en cualquier digestión anaerobia. Primero, los polisacáridos se hidrolizan en monómeros. Los monómeros se convierten en lactatos y alcoholes de ácidos grasos de bajo carbono mediante agénesis.
En una cetogénesis. El producto procedente de Agenesis se convierte y se da formato. El último paso es la miogénesis, donde los microorganismos metagénicos producen metano a partir del producto Aceto SSIS.
La digestión anaeróbica tradicional de la biomasa sólida es un proceso que consume mucho tiempo y energía. Sin embargo, un novedoso reactor en estado sólido ascendente y aeróbico tiene todo el potencial para superar estas limitaciones. La ventaja significativa de este tipo de reactor es la separación espontánea de sólidos y líquidos.
Además, la circulación de líquido puede eliminar la costosa dirección. La hidrocarbonización es un proceso de tratamiento termoquímico en el que la biomasa residual se calienta entre 200 y 260 grados Celsius a la presión de saturación del agua durante 4,5 a seis horas. El agua subcrítica en estas condiciones es muy reactiva. Como resultado, la hemicelulosa, junto con otros extractivos, se degrada alrededor de los 180 a 200 grados Celsius, mientras que la celulosa reacciona alrededor de los 220 a 230 grados Celsius y la lignina permanece en el biochar obtenido mediante HTC.
El producto sólido de la HTC es muy frágil, hidrofóbico y estable. Tiene características caloríficas similares a las del carbón lignito. El objetivo del trabajo fue combinar estos dos procesos de producción de bioenergía en conjunto.
En este video, mostraremos el principio de funcionamiento y la operación de un reactor UASS novedoso para la producción de biogás. Posteriormente, también mostraremos la carbonización hidrotérmica del digestato para la producción de biocombustible sólido en una digestión aeróbica. Se utilizó un reactor UASS de 39 litros con longitudes de cinco a 65 milímetros.
Se alimentan trozos crudos de paja de trigo. El contenido de materia orgánica seca de la biomasa fue del 85,9 %, mientras que la fracción de fibra bruta fue del 46,3 %. Los reactores UASS estaban hechos de acero inoxidable con una ventana de inspección hecha de vidrio acrílico. Un filtro anaerobio de 30 litros se combinó con cada reactor UASS de 39 litros.
Cada filtro anaeróbico se llenó con 325 portadores de biopelícula de polietileno. El portador de biopelícula tenía un área superficial de 305 metros cuadrados por metro cúbico. Se utilizó una bomba Dolf Pump Drive 5 2 0 1 tanto en condiciones mesófilas como termófilas. Para el líquido del proceso, los calentadores se ajustaron al nivel de temperatura deseado del reactor para la alimentación diaria de los reactores UASS.
Se pesan 120 gramos de paja de madera. Se abre el tubo de alimentación UASS y se retira el tocón. La paja de madera se introduce en el tubo de alimentación diagonal y se empuja hacia el fondo del reactor.
La superficie del techo se fija de forma hermética al gas y el tubo de alimentación se cierra. Las bombas funcionan continuamente, transportando 1,2 litros por hora de proceso que se filtra a través del sistema del reactor. La composición del biogás se mide regularmente utilizando el analizador industrial de biogás.
Aproximadamente tres kilogramos de digestato se eliminan una vez por semana. Las muestras de proceso, líquido y digestato se analizaron semanalmente para determinar sus propiedades químicas. Se utilizó un reactor en serie escalonado de 18 litros 4 5 5 5 con un controlador par 4 8 4 8 para los experimentos de HTC.
Se utilizó el paquete de software Spec view 3 2 8 4 9 en este estudio. Se pesó la paja digerida. Se utilizó la misma balanza para medir 10 kilogramos de agua.
Tanto el digestato como el agua se introdujeron en el recipiente antes del cierre médico de NU. El contenido del reactor se agitó manualmente para evitar el bloqueo del agitador de la hélice. El reactor se cerró y aseguró mediante el cierre transversal.
Aprete el perno con una fuerza de 50 newton metro. Las condiciones de la reacción se establecieron en este experimento particular. La temperatura se ajustó a 230 grados Celsius con una velocidad de calentamiento de dos grados Celsius por minuto y se mantuvo la temperatura durante seis horas.
Tras la fase de enfriamiento, se apagó el interruptor y el gas se recogió en una bolsa de gas de 20 litros. La suspensión se drenó a través de una válvula esférica de alta presión y alta temperatura. El fluido se recogió y se filtró.
El biocarbón producido fue desmenuzado. El biocarbón húmedo se coloca en un horno a 105 grados celsius. En este trabajo se utilizó un analizador elemental vari EL tres.
En un crisol de muestra, se pesaron 30 miligramos de óxido de tungsteno(VI). Se agregaron entre 5 y 10 miligramos de muestra seca al crisol. Mezclar y envolver.
La bandeja de muestra se coloca en un muestreador automático vari EL. Se inicia el análisis y los datos se almacenan en una computadora. El rendimiento máximo de metano fue de 270,4 litros por kilogramo para operación termofílica y de 216,9 litros por kilogramo para operación mesofílica.
El biogás contenía entre 41 y 61 % de metano, y el resto es dióxido de carbono. El residuo digerido seco tiene un aspecto similar al del paja seca, solo un poco más oscuro en color. La estructura fibrosa se destruye en la biocarbón obtenida mediante la carbonización hidrotérmica (HTC).
En ausencia de una estructura fibrosa, el biocarbón HTC se vuelve frágil. Apenas requiere presión para pulverizarlo. El biocarbón HTC es muy hidrofóbico.
Puede permanecer en contacto con el agua durante un tiempo prolongado. Si se carboniza hidrotermalmente un kilogramo de paja cruda, el biocarbón HTC tendrá un potencial de 11 megajulios. Pero con el proceso combinado, se puede obtener un total de 12,1 megajulios de bioenergía.
La digestión anaeróbica tiene un rendimiento energético del 20 al 25 %, mientras que con la combinación de la CHT, el rendimiento energético puede alcanzar hasta el 70 %.
Descripción general
Este estudio explora la integración de un novedoso reactor anaeróbico de estado sólido de flujo ascendente (UASS) para la producción de biogás con la carbonización hidrotérmica (HTC) del digestato en biocarbón. La investigación tiene como objetivo mejorar la producción de bioenergía a partir de materias primas fibrosas, demostrando el potencial de combinar estos dos procesos de bioenergía.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Producción de bioenergía
- Digestión anaeróbica
- Carbonización hidrotermal
Antecedentes
- La digestión anaeróbica implica múltiples pasos de degradación de la biomasa.
- Los métodos tradicionales requieren mucho tiempo y energía.
- El reactor UASS ofrece ventajas como la separación sólido-líquido.
- La HTC es un proceso termoquímico que convierte la biomasa en biocarbón estable.
Objetivo del estudio
- Combinar los procesos UASS y HTC para mejorar el rendimiento de bioenergía.
- Evaluar la eficiencia de la producción de biogás a partir de materias primas fibrosas.
- Analizar las propiedades del biocarbón producido.
Métodos Utilizados
- Utilización de un reactor UASS de 39 litros para la producción de biogás.
- Carbonización hidrotermal del digestato a temperaturas controladas.
- Medición regular de la composición del biogás mediante analizadores industriales.
- Análisis de las propiedades químicas del digestato y del biocarbón.
Resultados principales
- El rendimiento máximo de metano alcanzó 270,4 litros por kilogramo en condiciones termofílicas.
- La composición del biogás varió entre 41% y 61% de metano.
- El biocarbón HTC presentó un alto valor calorífico y estabilidad.
- Los procesos combinados aumentaron el rendimiento energético total hasta un 70%.
Conclusiones
- La integración de UASS y HTC mejora significativamente la producción de bioenergía.
- El biocarbón de HTC posee propiedades favorables para aplicaciones energéticas.
- Este enfoque podría mejorar la eficiencia en la gestión de residuos de biomasa.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este estudio demuestra una nueva integración de la digestión anaeróbica y la carbonización hidrotermal para aumentar el rendimiento de bioenergía a partir de biomasa lignocelulósica, ofreciendo una vía para mejorar la producción de energía renovable a partir de residuos agrícolas. El enfoque combinado incrementa la recuperación de energía en más del 60 % en comparación con la digestión anaeróbica por sí sola, lo que contribuye a reducir los riesgos de las tecnologías de conversión de biomasa en las etapas iniciales del desarrollo de biocombustibles. Estas plataformas híbridas termoquímico-biológicas podrían orientar las decisiones de cartera en I+D de energía sostenible al mejorar la confianza predictiva en la valorización de materias primas.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar la recalcitrancia de la biomasa y la eficiencia del pretratamiento mediante la producción medible de biogás y biochar.
- Valor operativo: Proporciona una plataforma estandarizada para comparar los efectos del pretratamiento sobre el rendimiento energético posterior.
Desarrollo de Pruebas y Cribado
- Valor científico: Genera rendimiento cuantitativo de metano y valor calórico de biocarbón como puntos finales reproducibles para la optimización del proceso.
- Valor operativo: Facilita la preparación del ensayo mediante la producción consistente de digestato y la conversión por carbonización hidrotérmica (HTC) bajo condiciones definidas.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor científico: Demuestra la continuidad desde el digestato húmedo hasta el biocarbón estable, posibilitando el avance ajustado al riesgo de las vías de conversión de biomasa.
- Valor operativo: Ofrece una separación sólido-líquido escalable mediante el diseño UASS, reduciendo la complejidad de manejo en operaciones continuas.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
El método sitúa la digestión anaeróbica como una etapa previa de generación de biogás y la carbonización hidrotermal como una etapa posterior de valorización del digestato, creando un flujo de trabajo de biorrefinería acoplada aplicable a la selección de materias primas lignocelulósicas.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre el rendimiento de comunidades microbianas y la accesibilidad de sustratos en condiciones mesofílicas y termofílicas.
- Selección: Proporciona mediciones reproducibles de la composición del biogás y el rendimiento de metano para comparar la eficacia del pretratamiento de materias primas.
- Análisis: Ofrece datos sobre la producción volumétrica de gas y la composición elemental para evaluar la eficiencia del proceso y la recuperación de energía.
- Investigación Traducional: Relaciona el efluente de la digestión con la conversión termoquímica, permitiendo evaluar el flujo de carbono y la distribución de energía.
- Reutilización Empresarial: El diseño del reactor UASS permite ciclos repetidos de alimentación y retención de sólidos, favoreciendo el uso prolongado de la plataforma con distintas variantes de materias primas.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la comprensión mecanicista de la desviación del carbono entre las vías de metano y biochar sólido.
- Valor operacional: Mejora la estabilidad del sistema mediante la separación espontánea de sólidos y líquidos, reduciendo los costos operativos.
- Valor estratégico: Mejora la eficiencia del capital al extraer energía adicional del digestato, que de otro modo requeriría tratamiento.
- Impacto en la cartera: Permite la priorización ajustada al riesgo de rutas de conversión de biomasa según umbrales combinados de rendimiento energético.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en microbiología anaeróbica y control de procesos termoquímicos.
- Necesita instrumentación para el monitoreo de biogás, reactores con regulación de temperatura y recipientes de carbonización hidrotérmica (HTC) de alta presión.
- Exige la estandarización de la preparación del material orgánico y la medición de sólidos volátiles para obtener resultados reproducibles.
- Implica consideraciones de adaptación al escalar el diseño de UASS o modificar el tiempo de residencia en el proceso HTC para diferentes tipos de biomasa.
- Incluye limitaciones prácticas, como la variabilidad en el rendimiento de metano y la calidad del biocarbón dependiente de la composición del digestato.
