Evaluatie van de geïntegreerde anaërobe vergisting en Hydrothermal Carbonisatie voor bio-
15 juni 2014
Een roman Upflow Anaërobe Solid State (UAS) reactor werd gebruikt voor de productie van biogas uit vezelachtige grondstof. Digestaat van UASs reactor werd hydrothermisch verkoold in HTC biochar in een onder druk batchreactor. De integratie van de twee bio-energie concepten werd toegepast in dit onderzoek om de totale productie van bio-energie te verhogen.
Bij elke anaerobe vergisting zijn er vier degradatiestappen. Allereerst worden polysachariden gehydrolyseerd tot monomeren. De monomeren worden door acidogenese omgezet in vetzuurlactaten met een korte koolstofketen en alcoholen.
Bij ketogenese wordt het product van agenese omgezet in en format. De laatste stap is myogenese, waarbij metagenische micro-organismen methaan produceren uit het Aceto SSIS-product.
Traditionele anaerobe afbraak van vaste biomassa is een proces dat veel tijd en energie kost. Een innovatieve opwaartse aerobe reactor voor vaste stoffen heeft echter het potentieel om deze tekortkomingen te overwinnen. De belangrijkste voordelen van dit type reactor zijn de spontane scheiding van vaste stoffen en vloeistoffen.
Bovendien kan de vloeistofcirculatie de kostbare aansturing elimineren. Hydrothermische carbonisatie is een thermochemisch behandelingsproces waarbij afvalbiomassa wordt verhit tot 200 tot 260 °C bij waterverzadigingsdruk gedurende 4,5 tot 6 uur. Subkritisch water is onder deze omstandigheden zeer reactief. Hierdoor degraderen hemicellulose en andere extractstoffen rond 180 tot 200 °C, terwijl cellulose reageert rond 220 tot 230 °C en lignine ongewijzigd in de HTC-biokool blijft.
Het vaste product van HTC is zeer bros, hydrofoob en stabiel. Het heeft calorische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met bruinkool. Het doel van dit werk was om deze twee bio-energieproducerende processen met elkaar te combineren.
In deze video tonen we het werkingsprincipe en de werking van een innovatieve UASS-reactor voor biogasproductie. Vervolgens laten we de hydrothermale carbonisatie van digestaat zien voor de productie van biokool na een anaerobe vergisting. Er werd gebruikgemaakt van een UASS-reactor van 39 liter met een lengte van 5 tot 65 millimeter.
Er werden grove stukken rauwe tarwestro gevoed. Het gehalte aan organische droge stof van de grondstof was 85.9%, terwijl de ruwe vezelfractie 46.3% bedroeg. De UASS-reactoren waren gemaakt van roestvrij staal met een inspectievenster van acrylglas. Aan elke UASS-reactor van 39 liter was een anaerobe filter van 30 liter gekoppeld.
Elk anaeroob filter werd gevuld met 325 polyethyleen biofilmdragers. De biofilmdrager had een specifiek oppervlak van 305 meter vierkant per meter kubus. Een high dolf pompaandrijving 5 2 0 1 werd gebruikt voor zowel de mesofiele als de thermofiele condities. Voor de procesvloeistof werden de verwarmingsunits ingesteld op het gewenste reactortemperatuurniveau voor de dagelijkse voeding van de UASS-reactoren.
Er worden 120 gram houtstro gewogen. De voedingsbuis van de UASS wordt geopend en de stomp wordt verwijderd. Het houtstro wordt in de diagonale voedingsbuis gevuld en naar de bodem van de reactor geduwd.
Het plafondoppervlak is luchtdicht afgesloten en de toevoerbuis is gesloten. De pompen draaien continu en transporteren 1,2 liter per uur van het proceslekkage door het reactorsysteem. De samenstelling van het biogas wordt regelmatig gemeten met de industriële biogasanalyser.
Wekelijks wordt er ongeveer drie kilogram verteerd materiaal verwijderd. Monsters van het proces, de vloeistof en het verterde materiaal werden wekelijks geanalyseerd op hun chemische eigenschappen. Voor de HTC-experimenten werd een par 18 liter 4 5 5 5-serie gelaagde reactor met een par 4 8 4 8-controller gebruikt.
De softwarepakket Spec view 3 2 8 4 9 werd in deze studie gebruikt. Het verteerde stro werd gewogen. Dezelfde balans werd gebruikt om 10 kilogram water te meten.
Zowel het digeraat als water werden in het vat gegoten voordat het medisch werd gesloten. De inhoud van de reactor werd handmatig geroerd om blokkering van de propellerroerder te voorkomen. De reactor werd gesloten en met de kruislingse bevestiging vastgezet.
Draai de bout aan met een kracht van 50 Newton meter. De reactiecondities werden voor dit specifieke experiment vastgesteld. De temperatuur werd ingesteld op 230 degrees Celsius met een opwarmingssnelheid van twee degrees Celsius per minuut en deze temperatuur werd gedurende zes uur vastgehouden.
Na de koelfase werd de schakelaar uitgeschakeld en werd het gas opgevangen in een gaszak van 20 liter. De slurry werd afgevoerd via een hogedruk- en hoge-temperatuur kogelkraan. De vloeistof werd opgevangen en gefiltreerd.
De geproduceerde biochar werd versnipperd. De natte biochar wordt in een oven van 105 °C geplaatst. In dit werk werd een Vari EL three elementenanalysator gebruikt.
In een monsterpan werden 30 milligram wolfraam(VI)oxide afgewogen. Vijf tot 10 milligram van het droge monster werd in de monsterpan geplaatst. Meng dit en wikkel het in.
De monsterpan wordt in een vari EL autosampler geplaatst. De analyse wordt gestart en de gegevens worden opgeslagen op een computer. De maximale methaanopbrengst was 270,4 liter per kilogram voor thermofiele en 216,9 liter per kilogram voor mesofiele werking.
Het biogas bevatte tussen 41 en 61% methaan, en de rest bestond uit koolstofdioxide. Gedroogd digestaat ziet er vergelijkbaar uit met droog stro, alleen is de kleur iets donkerder. De vezelstructuur is vernietigd in de HTC-biochar.
Bij afwezigheid van een vezelstructuur wordt de HTC-biochar bros. Er is nauwelijks druk nodig om deze te vermalen. HTC-biochar is zeer hydrofoob.
Het kan gedurende een langere periode in contact blijven met water. Wanneer één kilogram ruw stro hydrothermisch wordt gecarboniseerd, heeft de HTC-biochar een potentieel van 11 megajoule. Maar met het combinatieproces kan in totaal 12,1 mega bio-energie worden opgeleverd.
Anaerobe vergisting heeft een energieopbrengst van 20 tot 25%, terwijl de energieopbrengst in combinatie met HTC kan oplopen tot 70%
Overzicht
Deze studie onderzoekt de integratie van een nieuwe Upflow Anaerobic Solid State (UASS) reactor voor biogasproductie met hydrothermische carbonisatie (HTC) van digestaat tot biochar. Het onderzoek heeft als doel de bioenergieproductie uit vezelige grondstoffen te verbeteren, waarbij het potentieel van de combinatie van deze twee bioenergieprocessen wordt aangetoond.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk gebied
- Bioenergieproductie
- Anaërobe vergisting
- Hydrothermische carbonisatie
Achtergrond
- Anaërobe vergisting omvat meerdere afbraakstappen van biomassa.
- Traditionele methoden zijn tijd- en energie-intensief.
- De UASS-reactor biedt voordelen zoals vast-vloeistofscheiding.
- HTC is een thermochemisch proces dat biomassa omzet in stabiele biochar.
Doel van de studie
- Om UASS- en HTC-processen te combineren voor een verbeterde bioenergieopbrengst.
- Om de efficiëntie van biogasproductie uit vezelrijke grondstoffen te evalueren.
- Om de eigenschappen van de geproduceerde biochar te analyseren.
Gebruikte methoden
- Gebruik van een UASS-reactor van 39 liter voor de productie van biogas.
- Hydrothermische carbonisatie van digestaat bij gecontroleerde temperaturen.
- Regelmatige meting van de biogassamenstelling met behulp van industriële analysatoren.
- Analyse van de chemische eigenschappen van het digestaat en de biochar.
Belangrijkste resultaten
- De maximale methaanopbrengst bereikte 270.4 liters per kilogram onder thermofiele omstandigheden.
- De samenstelling van het biogas varieerde tussen 41% en 61% methaan.
- HTC-biochar vertoonde een hoge calorische waarde en stabiliteit.
- Gecombineerde processen verhoogden de totale energieopbrengst naar 70%.
Conclusies
- De integratie van UASS en HTC verbetert de productie van bio-energie aanzienlijk.
- HTC-biochar heeft gunstige eigenschappen voor energie-toepassingen.
- Deze aanpak zou de efficiëntie van het beheer van biomassa-afval kunnen verbeteren.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie
Deze studie demonstreert een nieuwe integratie van anaerobe digestie en hydrothermale carbonisatie om de bio-energieopbrengst uit lignocellulosische biomassa te verhogen, wat een weg biedt om de opbrengst aan hernieuwbare energie uit landbouwresiduen te verbeteren. De gecombineerde aanpak verhoogt het energierecuperatie met meer dan 60% vergeleken met anaerobe digestie alleen, wat bijdraagt aan het verminderen van risico's bij biomassaconversietechnologieën in de vroege fase van biobrandstofontwikkeling. Dergelijke hybride thermochemisch-biologische platforms kunnen portfoliobeslissingen in duurzame energie-R&D informeren door het voorspellend vertrouwen in de valorisatie van grondstoffen te verbeteren.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek naar de recalcitrantie van biomassa en de efficiëntie van de voorbehandeling mogelijk via meetbare biogas- en biochar-opbrengsten.
- Operationele waarde: Biedt een gestandaardiseerd platform om de effecten van voorbehandelingen op de daaropvolgende energieopbrengst te vergelijken.
Screening & assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Levert kwantitatieve methaanopbrengst en calorische waarde van biochar als reproduceerbare eindpunten voor procesoptimalisatie.
- Operationele waarde: Ondersteunt de analysegereedheid door consistente productie van digestaat en HTC-conversie onder gedefinieerde omstandigheden.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Demonstreert de continuïteit van nat digestaat naar stabiele biochar, wat een risico-gecorrigeerde voortgang van biomassaconversieroutes mogelijk maakt.
- Operationele waarde: Biedt schaalbare vast-vloeistofscheiding via een UASS-ontwerp, waardoor de complexiteit van de behandeling bij continue processen wordt verminderd.
Integratie van Pijplijn & Workflow
De methode positioneert anaerobe vergisting als een stroomopwaartse stap voor biogasgeneratie en hydrothermische carbonisatie als een stroomafwaartse valorisatiestap voor het digestaat, waardoor een gekoppelde bioraffinage-workflow ontstaat die toepasbaar is voor de screening van lignocellulosische grondstoffen.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetesten over de prestaties van microbiële gemeenschappen en de toegankelijkheid van substraten onder mesofiele en thermofiele omstandigheden.
- Screening: Levert reproduceerbare metrieken voor de biogascompositie en methaanopbrengst om de effectiviteit van voorbehandelingen van grondstoffen te vergelijken.
- Analytiek: Levert gegevens over de volumetrische gasopbrengst en elementaire samenstelling om de procesefficiëntie en energiewinning te evalueren.
- Translationeel onderzoek: Verbindt het digestaat met thermochemische conversie, waardoor beoordeling van de koolstofstroom en energieverdeling mogelijk wordt.
- Industrieel hergebruik: Het ontwerp van de UASS-reactor maakt herhaalde voedingscycli en retentie van vaste stoffen mogelijk, wat langdurig platformgebruik over verschillende grondstofvarianten ondersteunt.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Vergroot het mechanistische begrip van koolstofafbuiging tussen methaan- en vaste biochar-routes.
- Operationele waarde: Verbetert de systeemstabiliteit door spontane vaste-vloeistofscheiding, waardoor de operationele kosten worden verlaagd.
- Strategische waarde: Verbetert de kapitaalefficiëntie door extra energie te winnen uit digestaat dat anders behandeld zou moeten worden.
- Impact op de portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van biomassa-conversieroutes mogelijk op basis van gecombineerde drempelwaarden voor energieopbrengst.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in anaerobe microbiologie en thermochemische procesbeheersing.
- Necessiteert instrumentatie voor biogasmonitoring, temperatuurgecontroleerde reactoren en HTC-vaten voor hoge druk.
- Vereist standaardisatie van de voorbereiding van de grondstof en de meting van vluchtige stoffen voor reproduceerbare resultaten.
- Omvat overwegingen voor aanpassing bij het opschalen van het UASS-ontwerp of het wijzigen van de HTC-verblijftijd voor verschillende biomassetypes.
- Bevat praktische beperkingen zoals variabiliteit in methaanopbrengst en de afhankelijkheid van biochar-kwaliteit van de samenstelling van het digestaat.
