Valutazione della gestione integrata digestione anaerobica e carbonizzazione idrotermale per Bioenergy Production
15 giugno 2014
Un romanzo Upflow anaerobica Solid State (UAS) reattore è stato utilizzato per la produzione di biogas da materie prime fibrose. Digestato prodotto dal reattore UASs è stato idrotermicamente carbonizzato in HTC biochar in un reattore batch di pressione. L'integrazione dei due concetti bioenergetici è stato applicato in questo studio per aumentare la produzione globale di bioenergia.
Esistono quattro fasi di degradazione nella digestione anaerobica. In primo luogo, i polisaccaridi vengono idrolizzati in monomeri. I monomeri si trasformano in lattati e alcoli a catena corta mediante agenesi.
Nella chetogenesi, il prodotto derivante dall'agenesi viene convertito e formato. L'ultimo passaggio è la miogenesi, in cui i microrganismi metanogeni producono metano dal prodotto di Aceto SSIS.
La digestione anaerobica tradizionale della biomassa solida è un processo che richiede molto tempo e consumo energetico. Tuttavia, un nuovo reattore aerobico in stato solido con flusso ascendente ha un notevole potenziale per superare questi svantaggi. I vantaggi significativi di questo tipo di reattore includono la separazione spontanea tra solido e liquido.
Inoltre, la circolazione del liquido può eliminare la costosa necessità di agitazione. La carbonizzazione idrotermica è un processo di trattamento termochimico in cui la biomassa di scarto viene riscaldata da 200 a 260 gradi Celsius alla pressione di saturazione dell'acqua per 4,5 a sei ore. In queste condizioni, l'acqua subcritica è molto reattiva. Di conseguenza, l'emicellulosa, insieme ad altri estrattivi, si degrada tra 180 e 200 gradi Celsius, mentre la cellulosa reagisce tra 220 e 230 gradi Celsius e la lignina rimane nel biochar prodotto tramite HTC.
Il prodotto solido dell'HTC è molto friabile, idrofobo e stabile. Possiede caratteristiche calorifiche simili a quelle della lignite. L'obiettivo del lavoro era combinare insieme questi due processi di produzione di bioenergia.
In questo video, illustreremo il principio di funzionamento e il funzionamento di un reattore UASS innovativo per la produzione di biogas. Successivamente, mostreremo anche la carbonizzazione idrotermica del digestato per la produzione di biocombustibile solido per una digestione aerobica. È stato utilizzato un reattore UASS da 39 litri, lungo da cinque a 65 millimetri.
Viene fornito paglia di grano cruda tritata. Il contenuto di materia organica secca della biomassa era dell'85,9%, mentre la frazione di fibra grezza era del 46,3%. I reattori UASS erano costituiti da acciaio inossidabile con un'apertura di ispezione in vetro acrilico. A ciascun reattore UASS da 39 litri era abbinato un filtro anaerobico da 30 litri.
Ogni filtro anaerobico è stato riempito con 325 supporti polietilenici per biofilm. Il supporto per biofilm aveva un'area superficiale di 305 metri quadrati per metro cubo. Una pompa Dolf Pump Drive 5 2 0 1 è stata utilizzata sia in condizioni mesofile che termofile. Per il liquido di processo, i riscaldatori a immersione sono stati regolati alla temperatura desiderata del reattore per l'alimentazione giornaliera dei reattori UASS.
Si pesano 120 grammi di paglia di legno. Viene aperto il tubo di alimentazione UASS e viene rimosso il moncone. La paglia di legno viene inserita nel tubo di alimentazione diagonale e spinta fino al fondo del reattore.
La superficie del soffitto è sigillata in modo da essere stagna ai gas e il tubo di alimentazione è chiuso. Le pompe funzionano continuamente, convogliando 1,2 litri all'ora di processo attraverso il sistema del reattore. La composizione del biogas viene misurata regolarmente utilizzando l'analizzatore industriale di biogas.
Circa tre chilogrammi di digestato vengono rimossi una volta alla settimana. Campioni del processo, del liquido e del digestato sono stati analizzati su base settimanale per determinarne le proprietà chimiche. Per gli esperimenti di HTC è stato utilizzato un reattore a gradini della serie 18 litri 4 5 5 5 abbinato a un controllore par 4 8 4 8.
È stato utilizzato il pacchetto software Spec view 3 2 8 4 9. La paglia digerita è stata pesata. È stata utilizzata la stessa bilancia per misurare 10 chilogrammi di acqua.
Sia il digestato che l'acqua sono stati immessi nel reattore prima della chiusura medica NU. Il contenuto del reattore è stato agitato manualmente per evitare il blocco dell'elica di agitazione. Il reattore è stato chiuso e bloccato mediante il sistema trasversale.
Serrare il bullone con una forza di 50 Newton metro. Le condizioni di reazione sono state impostate in questo esperimento specifico. La temperatura è stata impostata a 230 gradi Celsius con una velocità di riscaldamento di due gradi Celsius al minuto, mantenendo la temperatura per sei ore.
Dopo la fase di raffreddamento, l'interruttore è stato spento e il gas è stato raccolto in un sacchetto per gas da 20 litri. La sospensione è stata scaricata attraverso una valvola sferica ad alta pressione e ad alta temperatura. Il liquido è stato raccolto e filtrato.
Il biochar prodotto è stato sbriciolato. Il biochar umido viene posto in un forno a 105 gradi celsius. In questo lavoro è stato utilizzato un analizzatore elementare Vari EL tre.
In un crogiolo, sono stati pesati 30 milligrammi di triossido di tungsteno. Da 5 a 10 milligrammi di campione secco sono stati inseriti nel crogiolo. Mescolare e avvolgere.
Il campione viene inserito in un campionatore automatico vari EL. L'analisi viene avviata e i dati vengono memorizzati in un computer. La resa massima di metano è stata di 270,4 litri per chilogrammo per l'operazione termofila e di 216,9 litri per chilogrammo per l'operazione mesofila.
Il biogas conteneva tra il 41 e il 61% di metano, il resto è anidride carbonica. Il digestato essiccato appare simile alla paglia secca, solo leggermente più scuro di colore. La struttura fibrosa viene distrutta nel biochar ottenuto tramite carbonizzazione idrotermica (HTC).
In assenza di struttura fibrosa, il biochar ottenuto tramite carbonizzazione idrotermica diventa friabile. Richiede appena una leggera pressione per essere polverizzato. Il biochar HTC è molto idrofobico.
Può rimanere a contatto con l'acqua per un periodo prolungato. Se un chilogrammo di paglia grezza viene sottoposto a carbonizzazione idrotermica, il biochar HTC avrà un potenziale di 11 megajoule. Tuttavia, con il processo combinato, si può ottenere un totale di 12,1 megajoule di bioenergia.
La digestione anaerobica ha un rendimento energetico del 20-25%, mentre con la combinazione di HTC il rendimento energetico può raggiungere fino al 70%.
Panoramica
Questo studio esplora l'integrazione di un nuovo reattore anaerobico a flusso ascendente in stato solido (UASS) per la produzione di biogas con la carbonizzazione idrotermica (HTC) del digestato in biochar. La ricerca ha lo scopo di potenziare la produzione di bioenergia da biomasse fibrose, dimostrando il potenziale derivante dalla combinazione di questi due processi di bioenergia.
Componenti Chiave dello Studio
Ambito Scientifico
- Produzione di bioenergia
- Digestione anaerobica
- Carbonizzazione idrotermica
Sfondo
- La digestione anaerobica comprende diversi passaggi di degradazione della biomassa.
- I metodi tradizionali richiedono molto tempo e energia.
- Il reattore UASS offre vantaggi come la separazione solido-liquido.
- La HTC è un processo termochimico che converte la biomassa in biochar stabile.
Scopo dello studio
- Combinare i processi UASS e HTC per migliorare il rendimento di bioenergia.
- Valutare l'efficienza della produzione di biogas da biomassa fibrosa.
- Analizzare le proprietà del biochar prodotto.
Metodi Utilizzati
- Utilizzo di un reattore UASS da 39 litri per la produzione di biogas.
- Carbonizzazione idrotermica del digestato a temperature controllate.
- Misurazione regolare della composizione del biogas mediante analizzatori industriali.
- Analisi delle proprietà chimiche del digestato e del biochar.
Risultati principali
- La resa massima di metano ha raggiunto 270,4 litri per chilogrammo in condizioni termofile.
- La composizione del biogas è variata tra il 41% e il 61% di metano.
- Il biochar ottenuto tramite HTC ha mostrato un elevato potere calorifico e stabilità.
- I processi combinati hanno aumentato la resa energetica complessiva fino al 70%.
Conclusioni
- L'integrazione di UASS e HTC migliora notevolmente la produzione di bioenergia.
- Il biochar ottenuto tramite HTC possiede proprietà favorevoli per applicazioni energetiche.
- Questo approccio potrebbe migliorare l'efficienza della gestione dei rifiuti di biomassa.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo studio dimostra una nuova integrazione tra digestione anaerobica e carbonizzazione idrotermica per aumentare la resa di bioenergia da biomassa lignocellulosica, offrendo un percorso per migliorare la produzione di energia rinnovabile a partire dai residui agricoli. L'approccio combinato aumenta il recupero energetico di oltre il 60% rispetto alla sola digestione anaerobica, contribuendo a ridurre i rischi delle tecnologie di conversione della biomassa nelle fasi iniziali dello sviluppo di biocarburanti. Tali piattaforme ibride termochimiche-biologiche potrebbero orientare le decisioni di portafoglio nella ricerca e sviluppo di energia sostenibile, migliorando la fiducia predittiva nella valorizzazione delle materie prime.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi della recalcitranza della biomassa e dell'efficienza del pretrattamento attraverso misurazioni degli output di biogas e biochar.
- Valore operativo: Fornisce una piattaforma standardizzata per confrontare l'impatto dei pretrattamenti sul rendimento energetico a valle.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera un rendimento quantitativo di metano e un valore calorifico della biochar come parametri riproducibili per l'ottimizzazione del processo.
- Valore operativo: Favorisce la prontezza del saggio attraverso la produzione costante di digestato e la conversione mediante carbonizzazione idrotermica in condizioni definite.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Dimostra la continuità dal digestato umido al biochar stabile, consentendo un avanzamento calibrato sui rischi dei percorsi di conversione della biomassa.
- Valore operativo: Offre una separazione solido-liquido scalabile mediante il design UASS, riducendo la complessità di gestione nelle operazioni continue.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo posiziona la digestione anaerobica come una fase a monte di produzione di biogas e la carbonizzazione idrotermica come una fase a valle di valorizzazione del digestato, creando un flusso di lavoro biorefineristico accoppiato applicabile alla selezione di biomasse lignocellulosiche.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi sulle prestazioni delle comunità microbiche e sull'accessibilità dei substrati in condizioni mesofile e termofile.
- Screening: Fornisce metriche riproducibili sulla composizione del biogas e sul rendimento di metano per confrontare l'efficacia del pretrattamento delle biomasse.
- Analisi: Fornisce dati sul volume di gas prodotto e sulla composizione elementare per valutare l'efficienza del processo e il recupero energetico.
- Ricerca traslazionale: Collega l'effluente della digestione alla conversione termochimica, consentendo la valutazione del flusso di carbonio e della ripartizione dell'energia.
- Riutilizzo aziendale: Il design del reattore UASS consente cicli ripetuti di alimentazione e ritenzione di solidi, supportando un uso prolungato della piattaforma con diverse tipologie di biomassa.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la comprensione meccanicistica del dirottamento del carbonio tra i percorsi di metano e di biochar solido.
- Valore operativo: Migliora la stabilità del sistema attraverso una separazione spontanea tra fase solida e liquida, riducendo i costi operativi.
- Valore strategico: Migliora l'efficienza del capitale estraendo ulteriore energia dal digestato, che altrimenti richiederebbe un trattamento.
- Impatto sul portafoglio: Consente una priorizzazione basata sul rischio delle diverse vie di conversione della biomassa, in base a soglie combinate di resa energetica.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in microbiologia anaerobica e controllo dei processi termochimici.
- Necessita di strumentazione per il monitoraggio del biogas, reattori a temperatura regolata e reattori HTC ad alta pressione.
- Richiede la standardizzazione della preparazione del materiale di partenza e della misurazione dei solidi volatili per ottenere risultati riproducibili.
- Comporta considerazioni di adattamento nella scala progettuale del sistema UASS o nella modifica del tempo di permanenza in HTC per diversi tipi di biomassa.
- Comprende limitazioni pratiche, come la variabilità del rendimento di metano e la qualità del biochar dipendente dalla composizione del digestato.
