Évaluation de la digestion anaérobie intégré et hydrothermale carbonisation pour production de bioénergie
15 juin 2014
Un Solid State (UAS) réacteur à flux ascendant anaérobie roman a été utilisé pour la production de biogaz à partir de matières premières fibreuses. Digestats provenant du réacteur UAS a été hydrothermique carbonisé dans HTC biochar dans un réacteur discontinu sous pression. L'intégration des deux concepts bioénergie a été appliqué dans cette étude pour augmenter la production globale de la bioénergie.
Il existe quatre étapes de dégradation dans toute digestion anaérobie. Tout d'abord, les polysaccharides sont hydrolysés en monomères. Les monomères se transforment ensuite en acides gras à faible teneur en carbone, en lactates et en alcools par agénésie.
Dans une cétogenèse. Le produit issu de l'agénèse se convertit et se forme. La dernière étape est la myogenèse, au cours de laquelle des microorganismes métanogènes produisent du méthane à partir du produit Aceto SSIS.
La digestion anaérobie traditionnelle de la biomasse solide est un processus consommateur de temps et d'énergie. Toutefois, un nouveau réacteur à flux ascendant et en état solide aérobie possède tout le potentiel nécessaire pour surmonter ces inconvénients. L'avantage majeur de ce type de réacteur réside dans la séparation spontanée entre les phases solide et liquide.
En outre, la circulation du liquide peut éliminer la nécessité d'un système de direction coûteux. La carbonisation hydrothermale est un procédé de traitement thermo-chimique au cours duquel la biomasse résiduaire est chauffée entre 200 et 260 degrés Celsius, sous pression de saturation de l'eau, pendant 4,5 à six heures. Dans ces conditions, l'eau subcritique est très réactive. En conséquence, l'hémicellulose, ainsi que d'autres extraits, se dégradent aux alentours de 180 à 200 degrés Celsius, tandis que la cellulose réagit vers 220 à 230 degrés Celsius et que la lignine reste dans le biochar issu de la carbonisation hydrothermale (HTC).
Le produit solide de la CTH est très friable, hydrophobe et stable. Il possède des caractéristiques calorifiques similaires à celles du charbon lignite. L'objectif de ce travail était de combiner ces deux procédés de production de bioénergie ensemble.
Dans cette vidéo, nous présenterons le principe de fonctionnement et l'utilisation d'un nouveau réacteur UASS pour la production de biogaz. Ensuite, nous montrerons également la carbonisation hydrothermale du digestat pour la production de biocarburant pour une digestion aérobie. Un réacteur UASS de 39 litres a été utilisé, avec des éléments de 5 à 65 millimètres de longueur.
Des morceaux de paille de blé bruts sont utilisés comme aliment. La teneur en matière sèche organique de la matière première était de 85,9 %, tandis que la fraction en fibres brutes était de 46,3 %. Les réacteurs UASS étaient en acier inoxydable, munis d'une fenêtre d'inspection en verre acrylique. Un filtre anaérobie de 30 litres était associé à chaque réacteur UASS de 39 litres.
Chaque filtre anaérobie a été rempli avec 325 porteurs de biofilm en polyéthylène. Le porteur de biofilm présentait une surface de 305 mètres carrés par mètre cube. Une pompe Dolf Pump Drive 5 2 0 1 a été utilisée dans les conditions mésophiles et thermophiles. Pour le liquide de procédé, les éléments chauffants ont été réglés à la température souhaitée du réacteur afin d'alimenter quotidiennement les réacteurs UASS.
120 grammes de paille de bois sont pesés. Le tube d'alimentation de l'UASS est ouvert et le moignon est retiré. La paille de bois est introduite dans le tube d'alimentation en diagonale et poussée vers le bas du réacteur.
La surface du plafond est scellée de manière à être étanche aux gaz et le tube d'alimentation est fermé. Les pompes fonctionnent en continu, acheminant 1,2 litre par heure de produit fuité à travers le système du réacteur. La composition du biogaz est mesurée régulièrement à l'aide de l'analyseur industriel de biogaz.
Environ trois kilogrammes de digestat sont retirés une fois par semaine. Des échantillons du procédé, du liquide et du digestat ont été analysés chaque semaine pour leurs propriétés chimiques. Un réacteur en série de 18 litres 4 5 5 5 avec un contrôleur par 4 8 4 8 a été utilisé pour les expériences de HTC.
Le logiciel Spec view 3 2 8 4 9 a été utilisé dans cette étude. La paille digérée a été pesée. La même balance a servi à mesurer 10 kilogrammes d'eau.
Le digestat et l'eau ont été introduits dans le récipient avant la fermeture médicale de NU. Le contenu du réacteur a été agité manuellement afin d'éviter le blocage de l'agitateur à pale. Le réacteur a été fermé et sécurisé à l'aide du dispositif transversal.
Serrer le boulon avec une force de 50 newtons-mètres. Les conditions de réaction ont été fixées dans cette expérience particulière. La température a été réglée à 230 degrés Celsius avec une vitesse de chauffage de deux degrés Celsius par minute, puis maintenue à cette température pendant six heures.
Après la phase de refroidissement, l'appareil a été éteint et le gaz a été recueilli dans un sac de 20 litres. La suspension a été évacuée à travers une vanne sphérique haute pression et haute température. Le liquide a été récupéré puis filtré.
Le biochar produit a été déchiré. Le biochar humide est placé dans un four à 105 degrés Celsius. Un analyseur élémentaire Vari EL III a été utilisé dans ce travail.
Dans un creuset, 30 milligrammes de trioxide de tungstène ont été pesés. Entre 5 et 10 milligrammes d'échantillon sec ont été introduits dans le creuset. Mélangez et enveloppez.
L'échantillon de panneau est placé dans un échantillonneur automatique vari EL. L'analyse est lancée et les données sont stockées sur un ordinateur. Le rendement maximal de méthane était de 270,4 litre par kilogramme pour une opération thermophile et de 216,9 litre par kilogramme pour une opération mésophile.
Le biogaz contenait entre 41 et 61 % de méthane, le reste étant du dioxyde de carbone. Le digestat sec ressemble à de la paille sèche, seulement un peu plus foncé en couleur. La structure fibreuse est détruite dans le biochar issu de la carbonisation hydrothermale (HTC).
En l'absence de structure fibreuse, le biocharbon HTC devient friable. Il suffit de très peu de pression pour le pulvériser. Le biocharbon HTC est très hydrophobe.
Il peut rester en contact avec l'eau pendant une période prolongée. Si un kilogramme de paille brute est carbonisé par voie hydrothermale, le biochar produit aura un potentiel de 11 mégajoules. Toutefois, avec le procédé combiné, un total de 12,1 mégajoules d'énergie bio peut être obtenu.
La digestion anaérobie a un rendement énergétique de 20 à 25 %, tandis qu'avec la combinaison de la CHT, le rendement énergétique peut atteindre jusqu'à 70 %.
Aperçu
Cette étude explore l'intégration d'un nouveau réacteur anaérobie à flux ascendant en état solide (UASS) pour la production de biogaz avec la carbonisation hydrothermale (HTC) du digestat en biochar. La recherche vise à améliorer la production d'énergie biomasse à partir de matières premières fibreuses, démontrant le potentiel de combinaison de ces deux procédés de production d'énergie biomasse.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Production d'énergie bio
- Digestion anaérobie
- Carbonisation hydrothermale
Contexte
- La digestion anaérobie implique plusieurs étapes de dégradation de la biomasse.
- Les méthodes traditionnelles sont longues et énergivores.
- Le réacteur UASS présente des avantages tels que la séparation solide-liquide.
- La CTH est un procédé thermochimique qui convertit la biomasse en biocharbon stable.
Objectif de l'étude
- Combiner les procédés UASS et HTC afin d'améliorer le rendement en bioénergie.
- Évaluer l'efficacité de la production de biogaz à partir de matières premières fibreuses.
- Analyser les propriétés du biochar produit.
Méthodes utilisées
- Utilisation d'un réacteur UASS de 39 litres pour la production de biogaz.
- Carbonisation hydrothermale du digestat à des températures contrôlées.
- Mesure régulière de la composition du biogaz à l'aide d'analyseurs industriels.
- Analyse des propriétés chimiques du digestat et du biochar.
Résultats principaux
- Le rendement maximal de méthane a atteint 270,4 litres par kilogramme dans des conditions thermophiles.
- La composition du biogaz variait entre 41 % et 61 % de méthane.
- Le biochar issu de la CTH présentait une valeur calorifique élevée et une grande stabilité.
- Les procédés combinés ont augmenté le rendement énergétique global à 70 %.
Conclusions
- L'intégration des SUSA et de la CTH améliore considérablement la production de bioénergie.
- Le biochar issu de la CTH présente des propriétés favorables pour les applications énergétiques.
- Cette approche pourrait améliorer l'efficacité de la gestion des déchets de biomasse.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
Cette étude démontre une nouvelle intégration de la digestion anaérobie et de la carbonisation hydrothermale afin d'améliorer le rendement énergétique à partir de biomasse lignocellulosique, offrant une voie pour augmenter la production d'énergie renouvelable à partir de résidus agricoles. L'approche combinée augmente la récupération d'énergie de plus de 60 % par rapport à la digestion anaérobie seule, contribuant ainsi à réduire les risques associés aux technologies de conversion de la biomasse dans les premières étapes du développement des biocarburants. De telles plateformes hybrides thermo-chimiques et biologiques pourraient éclairer les décisions stratégiques en matière de recherche et développement énergétique durable en améliorant la confiance prédictive dans la valorisation des matières premières.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Valeur scientifique : Permet d'étudier la recalcitrance de la biomasse et l'efficacité du prétraitement grâce à des rendements mesurables en biogaz et en biochar.
- Valeur opérationnelle : Fournit une plateforme normalisée pour comparer les effets des prétraitements sur le rendement énergétique en aval.
Développement de criblages et de tests
- Valeur scientifique : Génère un rendement quantitatif en méthane et une valeur calorifique de biochar comme paramètres reproductibles pour l'optimisation du procédé.
- Valeur opérationnelle : Permet la préparation des essais grâce à une production constante de digestat et à une conversion par HTC dans des conditions définies.
Recherche translationnelle et préclinique
- Valeur scientifique : Démontre la continuité entre le digestat humide et le biochar stable, permettant une avancée ajustée aux risques dans les voies de conversion de la biomasse.
- Valeur opérationnelle : Propose une séparation solide-liquide évolutive grâce au design UASS, réduisant la complexité de manipulation lors d'opérations continues.
Intégration des pipelines et des flux de travail
La méthode positionne la digestion anaérobie comme une étape en amont de production de biogaz et la carbonisation hydrothermale comme une étape en aval de valorisation du digestat, créant ainsi un flux de bioraffinerie couplé applicable à l'analyse de matières premières lignocellulosiques.
- Biologie de la découverte : Permet la vérification d'hypothèses concernant la performance des communautés microbiennes et l'accessibilité des substrats dans des conditions mésophiles et thermophiles.
- Essais de criblage : Fournit des mesures reproductibles de la composition du biogaz et du rendement en méthane pour comparer l'efficacité du prétraitement des matières premières.
- Analytique : Fournit des données sur le débit volumétrique de gaz et la composition élémentaire afin d'évaluer l'efficacité du procédé et la récupération d'énergie.
- Recherche translationnelle : Relie l'effluent de digestion à la conversion thermochimique, permettant d'évaluer le flux de carbone et la répartition de l'énergie.
- Réutilisation en milieu professionnel : La conception du réacteur UASS permet des cycles d'alimentation répétés et la rétention de matières solides, soutenant une utilisation prolongée de la plateforme avec divers types de matières premières.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la compréhension mécanistique du détournement du carbone entre les voies de production de méthane et de biochar solide.
- Valeur opérationnelle : Améliore la stabilité du système grâce à une séparation spontanée solide-liquide, réduisant ainsi les coûts opérationnels.
- Valeur stratégique : Améliore l'efficacité du capital en extrayant une énergie supplémentaire du digestat, qui sinon nécessiterait un traitement.
- Impact sur le portefeuille : Permet une priorisation ajustée au risque des voies de conversion de la biomasse en fonction de seuils combinés de rendement énergétique.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en microbiologie anaérobie et en contrôle des procédés thermochimiques.
- Requiert un équipement d'instrumentation pour la surveillance du biogaz, des réacteurs à température régulée et des récipients haute pression pour la carbonisation hydrothermale (HTC).
- Exige une standardisation de la préparation des matières premières et de la mesure des matières sèches volatiles afin d'obtenir des résultats reproductibles.
- Implique des ajustements à prévoir lors du changement d'échelle du design UASS ou de la modification du temps de séjour en HTC pour différents types de biomasse.
- Comprend des limites pratiques telles que la variabilité du rendement en méthane et la qualité du biochar, dépendante de la composition du digestat.
