Ocena zintegrowanej fermentacji beztlenowej i karbonizacji hydrotermalnej w produkcji bioenergii

Podsumowanie

Nowatorski reaktor beztlenowy z przepływem stałym (UASS) został wykorzystany do produkcji biogazu z włóknistego surowca. Poferment z reaktora UASS został hydrotermalnie zwęglony do biowęgla HTC w ciśnieniowym reaktorze wsadowym. W tym badaniu zastosowano integrację dwóch koncepcji bioenergii w celu zwiększenia ogólnej produkcji bioenergii.

Streszczenie

Biomasa lignocelulozowa jest jednym z najobfitszych, ale niewykorzystanych zasobów energii odnawialnej. Zarówno fermentacja beztlenowa (AD), jak i karbonizacja hydrotermalna (HTC) są obiecującymi technologiami produkcji bioenergii z biomasy, odpowiednio pod względem biogazu i biowęgla HTC. W tym badaniu zaproponowano połączenie AD i HTC w celu zwiększenia ogólnej produkcji bioenergii. Słoma pszenna została poddana fermentacji beztlenowej w nowym beztlenowym reaktorze półprzewodnikowym z przepływem wznoszącym (UASS) zarówno w warunkach mezofilnych (37 °C), jak i termofilnych (55 °C). Trawienie na mokro z termofilnego AD poddano hydrotermalnemu karbonizacji w temperaturze 230 °C przez 6 godzin w celu produkcji biowęgla HTC. W temperaturze termofilnej system UASS daje średnio 165 l_CH4/kg_VS (VS: lotne ciała stałe) i 121 L _CH4/kg_VS w mezofilnej AD przez nieprzerwaną pracę przez 200 dni. Tymczasem z HTC uzyskano 43,4 g biowęgla HTC o_stężeniu 29,6 MJ/kg dry_biochar z 1 kg pofermentu (w suchej masie) z mezofilnej choroby Alzheimera. Połączenie AD i HTC, w tym konkretnym zestawie eksperymentów, daje 13,2 MJ energii na 1 kg suchej słomy pszennej, co jest co najmniej o 20% wyższe niż w samym HTC i o 60,2% wyższe niż tylko AD.

Wprowadzenie

Znalezienie odnawialnych i zrównoważonych źródeł energii to główne problemy w światowym sektorze energetycznym. Organizacja Narodów Zjednoczonych poinformowała niedawno, że w 2050 r. nawet 77% światowej energii będzie pochodzić ze źródeł odnawialnych¹. Biomasa lignocelulozowa, taka jak słoma, trawy, łuski ryżowe, kolby kukurydzy, nie koliduje z kwestią żywność kontra paliwo. Co więcej, biomasa jest prawdopodobnie jedynym odnawialnym źródłem energii o strukturalnym węglu w porównaniu z innymi odnawialnymi źródłami energii, takimi jak wiatr, słońce i woda². Jednak właściwości manipulacyjne, mniejsza gęstość nasypowa, wysoka zawartość popiołu i niższa wartość energetyczna utrudniają wykorzystanie biomasy lignocelulozowej do produkcji energii².

Fermentacja beztlenowa (AD) jest jednym z najlepszych przykładów produkcji bioenergii z biomasy odpadowej. ³ Ogólnie rzecz biorąc, w fermentacji beztlenowej występują cztery etapy degradacji, jak pokazano na rysunku 1⁴. W pierwszych trzech kolejnych etapach polisacharydy biomasy są przekształcane w kwasy organiczne. W końcowym etapie organizmy metanogenne wytwarzają biometan. Tradycyjna choroba Alzheimera to proces czasochłonny i energochłonny. Ciągłe mieszanie zmniejsza ogólną ekonomikę AD, szczególnie w przypadku AD biomasy lignocelulozowej. Nowatorski beztlenowy reaktor półprzewodnikowy z przepływem wznoszącym (UASS) ma potencjał, aby przezwyciężyć stwierdzone niedociągnięcia (rys. 2)⁴. Spontaniczne oddzielanie ciał stałych od cieczy jest jedną z istotnych zalet UASS, ponieważ zaprojektowane urządzenie ułatwia pęcherzykom biogazu unoszenie nieprzereagowanych pozostałości stałych^{w górę 5}. Eliminuje to konieczność stosowania mieszadła, a tym samym zmniejsza zużycie energii elektrycznej na miejscu. Ponadto cyrkulacja cieczy zapewnia dystrybucję mikroorganizmów i metabolitów w całym reaktorze⁵. W porównaniu z biopaliwami stałymi, biogaz jest łatwiejszy w obsłudze i pozostawia niewiele pozostałości lub nie pozostawia ich wcale. W rzeczywistości gęstość właściwa biogazu jest kilkakrotnie wyższa niż w przypadku biomasy surowej⁴. Jednak AD faworyzuje proste polisacharydy, takie jak skrobia, kwasy tłuszczowe i hemiceluloza¹. W rezultacie, celuloza i lignina, główna część włóknistej biomasy lignocelulozowej, takiej jak słoma pszenna, pozostaje jako stały produkt pofermentacyjny po⁵ r. n.e. Chociaż produkcja biogazu różni się w zależności od surowca, rodzaju mikroorganizmów, temperatury reakcji i czasu reakcji, zwykle wytwarza się ogromne ilości pofermentu.

Podczas gdy biogaz jest wykorzystywany do produkcji energii, produkty pofermentacyjne (do 90% wody) są zazwyczaj przechowywane w magazynie pozostałości fermentacyjnych w celu zebrania pozostałych emisji metanu. Następnie są one suszone i rozprowadzane na polach uprawnych, aby poprawić żyzność gleby i zdolność zatrzymywania wody. Wysoka zawartość substancji nieorganicznych często utrudnia wytwarzanie pofermentu bezpośrednio na paliwo, ponieważ duże ilości żużla mogą powodować korozję sprzętu⁶. Karbonizacja hydrotermalna (HTC) to proces obróbki termochemicznej zaprojektowany specjalnie dla mokrych surowców, w którym biomasa (zawierająca 80-90% wody) jest podgrzewana do temperatury 200-260 °C pod ciśnieniem nasycenia wodą i utrzymywana przez 0,5-6 godzin (rysunek 3)^7,8. Woda podkrytyczna ma maksymalny produkt jonowy w temperaturze 200-260 °C, co oznacza, że woda w tych warunkach jest reaktywna i zachowuje się jednocześnie jak łagodny kwas i łagodna zasada⁹. Hemiceluloza wraz z innymi ekstraktami ulega degradacji około 180-200 °C, podczas gdy celuloza reaguje około 220-230 °C, a lignina reaguje w stosunkowo wyższej temperaturze (>250 ^oC), ale znacznie wolniej niż celuloza i hemiceluloza¹⁰. Ze względu na znaczne odwodnienie i dekarboksylację, HTC otrzymuje produkt stały o nazwie biowęgiel HTC, o wydajności masowej (suchy biowęgiel HTC / sucha pasza) 40-80%, alkohol zawierający kwasy karboksylowe, pochodne furanu, substancje fenolowe i monomery cukru oraz 5-10% produkt gazowy bogaty w CO₂ ¹¹. Podczas HTC substancje lotne zawierające tlen są znacznie redukowane, a tym samym pozostawiają ciało stałe bogate w węgiel. Biowęgiel HTC jest również stabilny, hydrofobowy i kruchy w porównaniu z surowym wilgotnym surowcem^12,13. Ze względu na swoje właściwości hydrofobowe odwadnialność biowęgla HTC wzrasta kilkakrotnie w porównaniu z surowym pofermentem, a nawet surową biomasą. ^14-18 Ponadto biowęgiel HTC ma wartości paliwowe podobne do węgla brunatnego^16,17. Jednak celuloza i lignina częściowo ulegają degradacji w środowisku HTC¹⁸.

Teraz hemiceluloza i celuloza w biomasie przyczyniają się do produkcji biogazu podczas AD, podczas gdy celuloza i lignina głównie przyczyniają się do stałego biowęgla HTC^4,5. W związku z tym połączenie AD-HTC może potencjalnie zwiększyć ogólną wydajność bioenergii. Hoffmann i wsp. symulowali podobną kombinację, ale przy użyciu AD i HTL (skraplanie hydrotermalne), a nie AD-HTC¹⁹. HTL jest powszechną metodą skraplania frakcji biomasy, a produkt płynny ma wysoką wartość opałową [43,1 MJ/kg]. Jednak HTL wymaga bardzo wysokiego ciśnienia (250 barów) w porównaniu do HTC (10-50 bar), co oznacza wyższe koszty instalacji i eksploatacji niż HTC. Ponownie, sekwencja kombinacji AD i HTC może być kwestionowana, ponieważ Wirth i wsp. niedawno zgłosili AD cieczy procesowej HTC²⁰. Jednak skuteczna AD zależy od stężenia cukru w surowcach. Cukry w cieczy procesowej HTC, wytwarzane podczas hydrolizy, często szybko rozkładają się pod wpływem wody podkrytycznej. Dlatego AD przed HTC jest korzystniejsza pod względem bioenergii. Jednak AD cieczy procesowej HTC może wytwarzać dodatkową bioenergię, w takim przypadku sekwencja kombinacji to AD-HTC-AD.

Celem pracy była ocena integracji procesów AD i HTC do produkcji bioenergii (Rysunek 3). Potencjał produkcji biogazu dla ciepłolubnego i mezofilnego AD z reaktora UASS oceniono przy ciągłej pracy przez ponad 200 dni. Następnie badano również produkcję biowęgla HTC z pofermentu. Przeprowadzono bilans masy i energii kaskadowego AD-HTC i porównano go z poszczególnymi procesami.

Protokół

1. Fermentacja beztlenowa słomy pszennej

Uwaga: Do fermentacji beztlenowej w reaktorach UASS o pojemności 39 litrów, użyj jako paszy surowych kotletów ze słomy pszennej o długości 5-65 mm. Zawartość suchej masy organicznej w surowcu w tym konkretnym doświadczeniu wyniosła 85,9%, a frakcji włókna surowego 46,3%. Reaktory UASS wykonane są ze stali nierdzewnej z okienkiem inspekcyjnym wykonanym ze szkła akrylowego. Dwa 30-litrowe filtry anaerobowe (AF) są połączone z każdym 39-litrowym reaktorem UASS. AF zbudowane są z przezroczystego szkła akrylowego. Schemat systemów reaktora pokazano na rysunku 2, a projekt architektoniczny opisano w innym miejscu⁴. Szczegółowe informacje na temat zaszczepiania i uruchamiania reaktorów znajdują się w innym miejscu⁵.

1. Wypełnij każdy AF 325 nośnikami biofilmu polietylenowego w kształcie beczki.
   Uwaga: Stosowane nośniki biofilmu mają powierzchnię 305 m²/^{m 3}.
2. Ustawić pompy wodne do cyrkulacji cieczy procesowej zarówno w reaktorach mezofilnych, jak i termofilnych na natężenie przepływu 1,15 l/h.
3. Ustawić łaźnie grzewcze na żądany poziom temperatury reaktora, 37 °C dla reaktora mezofilnego i 55 °C dla reaktora termofilnego.
4. W przypadku codziennego zasilania reaktorów UASS należy odważyć 120 g_FM słomy pszennej (= 99,5 g_VS) dla każdego reaktora, aby osiągnąć szybkość ładowania organicznego wynoszącą 2,5 g_VS/L·dzień.
5. Otwórz rurkę zasilającą UASS i usuń stempel.
6. Wlej słomę pszenną do ukośnej rurki zasilającej i wepchnij ją na dno reaktora za pomocą stempla podającego. Od tego momentu słoma będzie unosić się na sicie i tworzyć złoże półprzewodnikowe.
7. Oczyść powierzchnię uszczelniającą, aby upewnić się, że jest gazoszczelna, a następnie zamknij rurkę zasilającą.
8. Pompy będą pracować w sposób ciągły, transportując 1,2 l/h cieczy procesowej przez system reaktora (UASS i AF).
9. Pomiar przepływu biogazu w sposób ciągły za pomocą gazomierzy bębnowych i przechowywanie w worku gazowym o pojemności 20 l.
   Uwaga: Wykonać wyjście z worka z gazem do analizatora biogazu. W analizatorze biogazu mierzy się CH₄, H₂S, O₂, CO₂ i_H2. Najpierw biogaz musi przejść przez 3 różne filtry, aby usunąć wilgoć i inne toksyczne związki, które są szkodliwe dla detektora. Analizator należy kalibrować raz w tygodniu, aby uzyskać dokładny skład biogazu.
10. Regularnie mierz skład biogazu za pomocą przemysłowego analizatora biogazu. Uwaga: Analizator biogazu może mierzyć biogaz tylko wtedy, gdy worek na biogaz jest wypełniony co najmniej do połowy. W celu pomiaru składu biogazu należy otworzyć zawór przy worku z gazem i poczekać na stały skład biogazu (trwa to około 20-30 sekund).
11. W celu sterowania procesem należy mierzyć pH i temperaturę online za pomocą zainstalowanego pH-metru i termometru.
12. Raz w tygodniu usuwa się około 3 kg pofermentu (80-90% mokrego), co daje czas zatrzymywania ciał stałych (SRT) wynoszący 2-3 tygodnie. Użyj tego produktu pofermentacyjnego jako paszy dla procesu HTC. Powstały w ten sposób biogaz jest wystarczający do wytłoczenia powietrza i stworzenia warunków beztlenowych w ciągu kilku godzin.
13. Analizuj płyn procesowy i poferment co tydzień pod kątem ich właściwości chemicznych (pH, EC, TS, VS, kwasy tłuszczowe, CHNS, amoniak, pierwiastki śladowe i włókno surowe).

2. Hydrotermalna karbonizacja pofermentu ze słomy pszennej

Uwaga: Do hydrotermalnej karbonizacji pofermentu z kroku 1 używany jest 18-litrowy reaktor z mieszaniem wsadowym. Sterowanie i czas procesu odbywa się za pomocą sterownika reaktora 4848 i oprogramowania SpecView 32 849, uruchomionego na komputerze. W programie można pokazać temperaturę reaktora, temperaturę płaszcza grzewczego, ciśnienie i szybkość mieszania. Co więcej, program dla parametrów procesu (temperatura początkowa, temperatura zadana, szybkość nagrzewania, szybkość mieszania) można ustawić dla każdego eksperymentu HTC.

1. Za pomocą wagi o dokładności do 0,1 g odważyć 2,5 kg pofermentu ze słomy i przenieść do zbiornika reaktora.
2. Użyj tej samej wagi do odmierzenia 10 kg wody uzupełniającej i wlej ją również do naczynia reaktora. Pozwoli to utrzymać poferment w stosunku wody 1:4.
3. Przed pneumatycznym zamknięciem należy ręcznie wymieszać zawartość reaktora, aby zapobiec zablokowaniu mieszadła śmigłowego. Zamknąć reaktor i zabezpieczyć go, dokręcając na krzyż z siłą 50 Nm.
4. Ustaw reakcję przez następujące wygrzewanie rampy:
5. Osiągnąć temperaturę początkową 30 °C w ciągu 15 minut od temperatury pokojowej.
   1. Ustaw czas nagrzewania dla temperatury reakcji 230 °C na 100 min.
   2. Utrzymać końcową temperaturę reakcji przez 6 godzin.
   3. Po 6 godzinach utrzymywania należy schłodzić reaktor po 15 godzinach z temperatury 230 °C do temperatury pokojowej.
   4. Mieszaj zawartość reaktora z prędkością 30 obr./min przez cały proces HTC.
   5. Po zakończeniu fazy schładzania wyłączyć mieszadło i usunąć gaz z worka gazowego o pojemności 20 l.
   6. Upewnij się, że gaz przechodzi przez syfon kondensatu oraz filtr z węglem aktywnym.
   7. Przechowywać gaz do dalszej analizy.
6. Po pobraniu próbek gazu należy spuścić gnojowicę ze zbiornika do pojemnika przez wysokotemperaturowy zawór kulowy wysokiego ciśnienia, a następnie przefiltrować ją przez siatkę o wielkości porów około 0,5 mm.
7. Zbierz płyn i zmatowij wyprodukowany biowęgiel HTC, aby określić ilość zwęglenia wyprodukowanego przez HTC w porównaniu z surowcami.

3. Analiza pierwiastkowa surowca, pofermentu i biowęgla HTC ze słomy pszennej

Uwaga: Do analizy paliwa stałego, często używany jest analizator elementarny lub analizator CHONS. Na podstawie tej analizy można uzyskać skład pierwiastkowy węgla atomowego, wodoru, tlenu, azotu i siarki. Na podstawie CHONS można oszacować wyższą wartość opałową lub wartość energetyczną paliwa. Co więcej, zawartość siarki atomowej będzie również wskazywać na jakość paliwa. W tym badaniu analizator elementarny zostanie wykorzystany do określenia wartości paliwowej biowęgla HTC, surowej słomy pszennej i pofermentu. Ponieważ analizator dopuszcza tylko bardzo mały rozmiar próbki, każdą próbkę należy przeanalizować co najmniej trzy razy, aby uzyskać lepszą odtwarzalność.

1. W szalce na próbkę (cyna, 6 x 6 x 12 mm) odważyć 30 mg tlenku wolframu(VI), stosując odpowiednią równowagę w opakowaniu pierwiastkowym. Uwaga: Precyzja takiej wagi wynosi zwykle 1 μg. Tlenek wolframu(VI) działa jako katalizator w analizatorze elementarnym.
2. Zważyć 5-10 mg suchej próbki i umieścić w tej samej szalce na próbkę, wymieszać i zawinąć. Rozmiar owiniętej szalki na próbkę powinien wynosić około 2 x 2 x 5 mm³.
3. Umieść próbki w automatycznym podajniku próbek. Zwróć uwagę na położenie każdej próbki i użyj kwasu sulfonowego w tej analizie pierwiastkowej jako odniesienia
4. Uruchom oprogramowanie Vario w komputerze podłączonym do analizatora elementarnego, zdefiniuj warunki, przepływ gazu w próbkach, temperatury 2 pieców (2 piece mają odpowiednio 1 150 i 850 °C). Następnie zdefiniuj nazwy próbek zgodnie z pozycjami automatycznego próbkowania. Uruchom program. Maszyna działa automatycznie, wykonuje analizę i zapisuje wyniki w komputerze.
   Uwaga: Elemental CHNS są danymi wyjściowymi analizatora elementarnego i zwykle są raportowane bezpośrednio na ekranie komputera.

Wyniki

Fermentacja beztlenowa

Badania nad biogazem wykazały, że system UASS jest w stanie wykorzystać odpowiednio 38% i 50% potencjału metanogennego przy pracy w warunkach mezofilnych (37 °C) i termofilnych (55 °C). Podczas termofilnej AD system UASS generuje średnio 165 L_CH4/kg_VS (VS: lotne seston), a podczas mezofilnej AD 121 L_CH4/kg_VS w ciągu 200 dni ciągłej pracy (Rysunek 4). Wartości wydajności te obliczono na podstawie ilościowej i jakościowej analizy biogazu w odniesieniu do suchej masy substratu.

Potencjał biometanowy dla słomy pszennej został określony (zgodnie z wytyczną VDI 4630) na odpowiednio 304,3 L_CH4/kg_VS dla procesu termofilnego oraz 244,2 L_CH4/kg_VS dla procesu mezofilnego i przedstawiono go na Rysunku 5²¹. Pod względem jakości, biogaz produkowany przez UASS zawierał od 41% do 61% metanu (Rysunek 5).

HTC pofermentu

Rysunek 6 przedstawia suchą słomę, suchy poferment otrzymany ze słomy w procesie AD oraz biowęgiel HTC otrzymany z suchego pofermentu w procesie HTC. Suchy poferment wygląda podobnie do suchej słomy, będąc jedynie nieco ciemniejszy. W niniejszej pracy do procesu HTC wykorzystano poferment z warunków termofilnych. Jak pokazano w Tabeli 1, w pofermencie pozostaje 63% całkowitej masy (Tabela 1). Suchy biowęgiel HTC jest jaśniejszy niż sucha surowa słoma, co prawdopodobnie wynika z degradacji monomerów i prostych polimerów przez mikroorganizmy termofilne podczas AD.

Rysunek 7 przedstawia hydrofobowe zachowanie oraz miękkość biowęgla HTC. Podczas procesu HTC włókniste struktury krystaliczne ulegają zniszczeniu, w wyniku czego powstaje miękki, amorficzny, bogaty w węgiel biowęgiel HTC^16,17,28. Z Tabeli 1 wynika, że wydajność masowa biowęgla HTC otrzymanego z pofermentu i surowej słomy wynosi odpowiednio 43,4% i 38,3%. Produkt stały, biowęgiel HTC, jest silnie hydrofobowy¹²; może on pozostawać w kontakcie z wodą przez dłuższy czas¹³. Jest on również bardzo miękki, ponieważ do jego sproszkowania wymagany jest minimalny nacisk. W przemyśle energetyki węglowej utrzymanie miękkości surowca jest bardzo istotne, ponieważ może to wyeliminować kosztowne etapy rozdrabniania.

Analiza pierwiastkowa

Z składów pierwiastkowych przedstawionych w Tabeli 1 wynika, że zawartość pierwiastkowego węgla i wodoru w fazie stałej pozostaje niezmieniona podczas całego procesu fermentacji beztlenowej. Zawartość pierwiastkowego węgla wzrasta, a wodoru maleje podczas HTC. Większość pierwiastkowego azotu pozostaje w fazie stałej, ponieważ zawartość pierwiastkowego azotu zwiększa się zarówno podczas fermentacji, jak i procesów HTC. Ze względu na śladową ilość siarki w słomie pszennej, stężenie pierwiastkowej siarki nie zostało przedstawione w wynikach. Zawartość pierwiastkowego tlenu obliczono poprzez odjęcie C, H i N od 100% i przedstawiono ją również w Tabeli 1, przyjmując, że surowiec składa się wyłącznie z CHONS. Stężenie tlenu gwałtownie spadło podczas HTC, podczas gdy podczas fermentacji pozostało na podobnym poziomie.

Rysunek 1. Podstawowa koncepcja i etapy fermentacji beztlenowej. Rysunek ten opisuje podstawowe założenia fermentacji beztlenowej. Przedstawiono na nim cztery ogólne etapy fermentacji beztlenowej (hydrolizę, acidogenezę, acetogenezę i metanogenezę)

Rysunek 2: Schemat laboratoryjnego reaktora UASS do fermentacji anaerobowej. Jest to schemat systemu reaktora UASS. Przedstawiono w nim reaktor UASS oraz filtr anaerobowy (AF) połączone strumieniem cieczy, w którym kwasy tłuszczowe wytwarzane w reaktorze UASS trafiają do AF, gdzie zachodzi produkcja metanu. Z dołu AF pobierany jest kolejny strumień cieczy kierowany do UASS, za pomocą którego mikroorganizmy przedostają się z AF do reaktora UASS.

Rycina 3. (góra) Koncepcja HTC biomasy lignocelulozowej, (dół) koncepcja integracji fermentacji beztlenowej i HTC *celuloza ulegnie częściowej reakcji²⁴. Na tym schemacie blokowym widać, że różne składniki włókien wchodzą w kontakt z wodą podkrytyczną i są przekształcane w biowęgiel HTC (typu węglowego).

Rysunek 4. Produkcja metanu w reaktorze UASS w warunkach termofilnych i mezofilnych z zastosowaniem filtra beztlenowego. Przedstawione są wyniki eksperymentalne z reaktora UASS dla 210 dni pracy w warunkach termofilnych i mezofilnych. Oś X oznacza dni pracy, natomiast oś Y oznacza wydajność metanu (L_CH4/kg_VS) w stosunku do lotnych substancji organicznych (VS).

Rycina 5. Frakcja metanu w biogazie z reaktora UASS w warunkach termofilnych i mezofilnych. Przedstawione wyniki eksperymentalne dla reaktora UASS obejmują 210 dni pracy w warunkach termofilnych i mezofilnych. Oś X reprezentuje dni pracy, natomiast oś Y frakcję metanu (%) w biogazie. Podane wartości są średnimi z pomiarów powtórzonych.

Rycina 6. (Od lewej do prawej) Sucha słoma pszeniczna, suchy poferment ze słomy pszenicznej oraz biowęgiel HTC z pofermentu ze słomy pszenicznej. Jest to obraz przedstawiający rzeczywiste stany słomy pszenicznej. Na tej rycinie widoczny jest efekt fermentacji anaerobowej (AD) oraz karbonizacji hydrotermalnej (HTC). Struktura włókien jest nadal widoczna w pofermencie, natomiast po procesie HTC materiał staje się proszkowaty.

Rycina 7. Hydrofobowość biowęgla HTC (lewo), kruchość biowęgla HTC (prawo). Przedstawione są obrazy w czasie rzeczywistym ukazujące hydrofobowość i kruchość biowęgla HTC. Na pierwszym obrazie biowęgiel HTC zatapia się w wodzie, natomiast dwa kolejne obrazy pokazują stan biowęgla przed i po silnym rozdrobnieniu.

Rycina 8. (góra) Potencjał bioenergetyczny w procesie fermentacji beztlenowej (AD) z 1 kg surowej słomy pszennej oraz (dół) potencjał bioenergetyczny przy zintegrowanym systemie AD-HTC z 1 kg suchej słomy pszennej. Rycina ta służy do oceny zasadności stosowania koncepcji łączonych. Schemat blokowy przedstawia ilość energii odzyskiwanej z surowca za pomocą AD i HTC.

Tabela 1. Analiza pierwiastkowa, HHV, wydajność masowa i analiza włókien surowej słomy pszennej, pofermentu (termofilnego) oraz odpowiadającego im biowęgla HTC. HHV obliczono na podstawie składu CHNS zgodnie z literaturą^18,24. Tabela 1 przedstawia wyniki eksperymentalne analizy pierwiastkowej oraz wydajności masowej po AD i HTC. Zawartość ligniny, celulozy i hemicelulozy zmierzono za pomocą analizy włókien van Soesta [12]. Uwaga: n.a oznacza braku analizy. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej tabeli.

Dyskusja

Reaktory bezzałogowych statków powietrznych są w stanie złagodzić niedociągnięcia omówione we wprowadzeniu. Jest jednak wiele miejsca na poprawę. System żywienia i pobieranie pofermentu są nadal ręczne. System UASS napotyka problemy z obsługą surowców większych niż 60 mm. System działa lepiej w przypadku surowców włóknistych, ponieważ unoszą się one w cieczy, ale inne surowce, takie jak obornik zwierzęcy i szlam, mogą nie faworyzować systemu UASS. System UASS został zaprojektowany w taki sposób, że ciecz procesowa krąży z reaktora do AF do reaktora. Okazało się jednak, że nawet 2-5% substancji stałych w krążącej cieczy jest problematyczne, ponieważ osadzają się one w AF lub blokują wejście do rury i utrudniają cyrkulację cieczy. Analiza chemiczna cieczy procesowej jest ważna, ponieważ produkcja wolnych kwasów tłuszczowych i azotu może zmienić układ mikrobiologiczny, powodując nietypową produkcję biogazu. System UASS jest solidny i może działać przez ponad 200 dni bez żadnych istotnych problemów. Rurki łączące pompy z reaktorami i AF muszą być wymieniane co drugi miesiąc. Poziom wody w łaźni wodnej należy sprawdzać co tydzień i w razie potrzeby uzupełniać.

HTC z mokrego pofermentu jest bardzo skuteczny w przetwarzaniu odpadów, a także w produkcji biopaliwa stałego. Proces HTC ułatwi również odwadnianie produktu stałego, jak pokazano na rysunku 7. Jednak HTC produktu pofermentacyjnego należy wykonać tak szybko, jak to możliwe, najlepiej tego samego dnia, w którym produkt pofermentacyjny jest usuwany. W przeciwnym razie poferment zaczyna ulegać biologicznej degradacji, co nie jest korzystne dla HTC. Ze względu na to, że HTC jest procesem wysokotemperaturowym (200-260 °C) i wysokociśnieniowym (20-50 barów), bardzo ważne jest podjęcie niezbędnych środków ostrożności podczas całej procedury HTC. Wszystkie połączenia są sprawdzane co najmniej raz w miesiącu, aby upewnić się, że są gazoszczelne. Ciecz procesowa HTC ma wyższe stężenie furfuralu, 5-HMF i związków fenolowych, które są oceniane jako toksyczne. Dlatego zaleca się używanie maski na twarz i rękawiczek podczas pracy z cieczą procesową HTC, zwłaszcza gdy płyn procesowy HTC jest spuszczany ze zbiornika reaktora do innego pojemnika. Chociaż HTC ma wiele zalet w zakresie obsługi mokrych surowców, takich jak poferment, nadal jest to proces wsadowy. W ocenie ekonomicznej proces wsadowy HTC będzie trudny do uzasadnienia. W związku z tym potrzebne są dalsze badania, aby ułatwić ciągłą pracę HTC.

Analiza elementarna jest skuteczną metodą w przypadku jednorodnych substratów stałych, ale nie w przypadku substratów niejednorodnych. Ponieważ biopaliwo stałe jest zwykle niejednorodne, a analizator elementarny pozwala na pobranie tylko 5-10 mg próbki, zaleca się wykonanie co najmniej trzech powtórzeń i użycie średniej. Kolejnym ograniczeniem analizy elementarnej jest pomiar podłoży stałych o wysokiej zawartości popiołu. Analizatory elementarne mierzą tylko CHONS, a nie inne substancje nieorganiczne. Tak więc analiza pierwiastkowa substratów stałych o wysokiej zawartości popiołu może nie ujawnić rzeczywistych stężeń CHONS. Przygotowanie próbki w analizie elementarnej jest niezbędne, ponieważ próbka musi być precyzyjnie owinięta, w przeciwnym razie wystąpi niespójność w analizach. Wartość paliwa stałego można oszacować na podstawie CHONS, ale do precyzyjnego określenia wartości paliwa zaleca się użycie kalorymetru bombowego.

Na kilogram lotnych ciał stałych w paszy wyprodukowano około 92-161 l metanu. Lotna zawartość substancji stałych lub organicznych w suchej słomie pszennej wynosiła 86,9%. Suchy produkt pofermentacyjny ma niższe stężenie tlenu atomowego i wodoru, co jest kolejnym wskaźnikiem degradacji polisacharydów i degradacji cukrów prostych podczas fermentacji beztlenowej^22,23. Ponadto niższe stężenia H i O zwiększają HHV w produkcie pofermentacyjnym²⁴. HHV suchego produktu pofermentacyjnego jest o 22% wyższy niż suchego surowca. Podobne wyniki uzyskano dzięki szczegółowej analizie statystycznej przeprowadzonej przez Pohla i wsp. ²³.

Produkty pofermentacyjne z fermentacji beztlenowej zawierają 80-90% wody⁶. Są one hydrofilowe, a woda jest częściowo związana w komórkach drobnoustrojów lub roślinnych. W rezultacie odwadnianie lub suszenie produktów pofermentacyjnych jest uciążliwe i bardzo energochłonne. Na przykład 2 kg suchego produktu pofermentacyjnego wiąże 8 kg wody (80% mokrej), co wymaga 20,7 MJ ciepła do wysuszenia produktu pofermentacyjnego. Co więcej, ma tendencję do stosunkowo szybkiej biodegradacji w warunkach otoczenia, traci składniki odżywcze roślin i uwalnia emisje gazów cieplarnianych (GhG), takich jak_N2Oi_CH4. Tak więc, pomimo wyższego potencjału energetycznego, świeży poferment nie może być wykorzystany bezpośrednio jako paliwo stałe. Musiałby zostać wysuszony zaraz po strawieniu²⁰.

Z tabeli 1 można wykazać, że suchy produkt pofermentacyjny ma podobną zawartość węgla atomowego jak słoma surowa i są one wizualnie podobne przed i po fermentacji beztlenowej (rysunek 6). Sugeruje to, że lignina i celuloza inkrustowana ligniną są w większości niereagowane. Zaobserwowano jednak uzysk masy na poziomie 63%, co oznacza, że przetworzona słoma jest o 37% lżejsza niż sucha surowa słoma. Podobne stężenie węgla pierwiastkowego oznacza, że podczas fermentacji beztlenowej nie doszło do karbonizacji²². Jak pokazano na rysunku 7, biowęgiel HTC z pofermentu (termofilny) jest bardzo stabilny i miękki. Ze względu na znaczny wzrost hydrofobowości może dosłownie zanurzyć się w wodzie na wiele miesięcy bez wpływu na jego strukturę fizyczną i chemiczną^12,25. Hydrofobowość wspomaga również odwadnianie biowęgla HTC¹⁴. Struktura słomki nie jest już dostrzegalna w biowęglu HTC, co oznacza, że celuloza mogła ulec reakcji. W biowęglu HTC obserwuje się znaczną karbonizację wraz z redukcją tlenu atomowego. Jest to kolejny dowód na to, że celuloza reaguje, a nie lignina. Stężenie węgla atomowego w ligninie jest znacznie wyższe niż w celulozie^24-29. W rezultacie biowęgiel HTC ma HHV wynoszący 29,6 MJ/kg, który jest odpowiednio o 61% wyższy niż surowa słoma i o 32% wyższy niż suchy poferment.

Wilgotność słomy przetworzonej HTC wynosi 28,8 MJ/kg, co jest również podobne do wartości pofermentu ze słomy przetworzonej HTC (29,6 MJ/kg). Jednak wydajność masowa słomy HTC jest o 40,7% wyższa niż w przypadku produktu pofermentacyjnego HTC w porównaniu z surowym surowcem. W rezultacie, jeśli 1 kg surowej słomy (18,4 MJ) zostanie hydrotermalnie zwęglony, biowęgiel słomkowy HTC będzie miał potencjał 11,0 MJ. W przeciwnym razie, jeśli ta sama ilość zostanie zastosowana do AD i HTC, można wyprodukować łącznie 13,2 MJ bioenergii w postaci biometanu (5,2 MJ) i biowęgla HTC z pofermentu (8,0 MJ) (rysunek 8). Również faza ciekła procesu UASS jest potencjalnym nawozem płynnym. Co więcej, biowęgiel HTC może mieć większy potencjał w przypadku wykorzystania materiałów o wysokiej wartości lub wykorzystania jako dodatek do gleby. Z punktu widzenia sekwestracji dwutlenku węgla lub cyklu węglowego, materialne wykorzystanie biowęgla HTC jest bardziej wykonalne niż produkcja energii.

Fermentacja beztlenowa w połączeniu z karbonizacją hydrotermalną może przynieść więcej bioenergii niż poszczególne procesy. Jednak dla lepszej wydajności potrzebna jest konstrukcja kaskadowa. Do walidacji tego procesu wymagany jest ogólny bilans energetyczny, po którym następuje ocena ekonomiczna. Przyszłe badania powinny obejmować stosowanie alkoholu HTC i obróbkę końcową (chemiczną lub biologiczną) biowęgla HTC. Potrzebna będzie również automatyzacja zarówno systemów UASS, jak i HTC. Badanie to zostało przeprowadzone przy użyciu UASS w skali laboratoryjnej i reaktora HTC, ale zwiększenie skali procesu byłoby konieczne, jeśli proces ma zostać skomercjalizowany.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Reaktor			Opatentowana konstrukcja
Balance	KERN	440-55N	0,2 g precyzyjny
nośnik biofilmu	RVT Process Equipment GmbH, Niemcy	Bioflow 40	Ustanowienie 305 m2/m3
Kąpiel grzewcza	Lauda-Königshofen, Niemcy	Lauda Ecoline 011	Zapewnij temperaturę mezofilną i termofilną
Pompa recyrkulacyjna	Heidolph pumpdrive	5201
Słoma pszenna	Dittmannsdorfer Milch GmbH, Niemcy		długości 5-65 mm
	Pronova, Niemcy	Gazomierz SSM 6000
	Ritter, Niemcy		Reaktor HTC typu bębnowego
	Przyrząd Parr, Moline, IL USA	Parr 4555	Objętość 5 galonów
HTC Regulator temperatury	Przyrząd Parr, Moline, IL USA	4848	Termopara typu
K Balance		KERN FKB	0,1 g precyzyjna
System grzewczy	Parr	A1600EEE	Grzałka taśmowa, 2 & C/min
Oprogramowanie	SpecView	32849	Cyfrowy interfejs monitorowania i programowania
Katalizator		Tlenek wolframu(VI)	Analizator elementarny
Waga	Mettler Toledo	SN-1128123281	1 µ g precyzja
Szalka na próbki	Elemental Analyssystem GmbH	Cyna 6 x 6 x 12 mm Analiza	elementarna
Piec suszący	Binder GmbH, Niemcy	FP 115	105 ° Piec C
Analizator elementarny	Vario	EL III	Analizator CHNS