Name: Ocena zintegrowanej fermentacji beztlenowej i karbonizacji hydrotermalnej w produkcji bioenergii (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-06-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 34 s
Description: Odkryj integrację fermentacji beztlenowej UASS i karbonizacji hydrotermalnej w produkcji bioenergii z włóknistego surowca. Ta metoda zwiększa wydajność energetyczną do 70% i poprawia gospodarkę odpadami biomasy.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

To badanie było wspierane przez niemieckie Federalne Ministerstwo Badań i Edukacji dla Project Management Julich (PtJ). Autorzy dziękują panu Ulfowi Lüderowi za wsparcie techniczne w laboratorium biowęgla. Autorzy są również wdzięczni Pani Marii Sanchez i Panu Jonasowi Nekatowi za ich działalność wolontariacką odpowiednio w laboratorium biogazowym i analitycznym. Marcel Schmidt i Antje Schmidt zostali również docenieni za ich cenny wkład w filmowanie i montaż.

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.
<ol>
	<li>Wypełnij każdy AF 325 nośnikami biofilmu polietylenowego w kształcie beczki. 
	Uwaga: Stosowane nośniki biofilmu mają powierzchnię 305 m2/m 3.</li>
	<li>Ustawić pompy wodne do cyrkulacji cieczy procesowej zarówno w reaktorach mezofilnych, jak i termofilnych na natężenie przepływu 1,15 l/h.</li>
	<li>Ustawić łaźnie grzewcze na żądany poziom temperatury reaktora, 37 °C dla reaktora mezofilnego i 55 °C dla reaktora termofilnego.</li>
	<li>W przypadku codziennego zasilania reaktorów UASS należy odważyć 120 gFM słomy pszennej (= 99,5 gVS) dla każdego reaktora, aby osiągnąć szybkość ładowania organicznego wynoszącą 2,5 gVS/L·dzień.</li>
	<li>Otwórz rurkę zasilającą UASS i usuń stempel.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Oczyść powierzchnię uszczelniającą, aby upewnić się, że jest gazoszczelna, a następnie zamknij rurkę zasilającą.</li>
	<li>Pompy będą pracować w sposób ciągły, transportując 1,2 l/h cieczy procesowej przez system reaktora (UASS i AF).</li>
	<li>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 iH2. 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.</li>
	<li>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).</li>
	<li>W celu sterowania procesem należy mierzyć pH i temperaturę online za pomocą zainstalowanego pH-metru i termometru.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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).</li>
</ol>
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.
<ol>
	<li>Za pomocą wagi o dokładności do 0,1 g odważyć 2,5 kg pofermentu ze słomy i przenieść do zbiornika reaktora.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Ustaw reakcję przez następujące wygrzewanie rampy:</li>
	<li>Osiągnąć temperaturę początkową 30 °C w ciągu 15 minut od temperatury pokojowej.
	<ol>
		<li>Ustaw czas nagrzewania dla temperatury reakcji 230 °C na 100 min.</li>
		<li>Utrzymać końcową temperaturę reakcji przez 6 godzin.</li>
		<li>Po 6 godzinach utrzymywania należy schłodzić reaktor po 15 godzinach z temperatury 230 °C do temperatury pokojowej.</li>
		<li>Mieszaj zawartość reaktora z prędkością 30 obr./min przez cały proces HTC.</li>
		<li>Po zakończeniu fazy schładzania wyłączyć mieszadło i usunąć gaz z worka gazowego o pojemności 20 l.</li>
		<li>Upewnij się, że gaz przechodzi przez syfon kondensatu oraz filtr z węglem aktywnym.</li>
		<li>Przechowywać gaz do dalszej analizy.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
	<li>Zbierz płyn i zmatowij wyprodukowany biowęgiel HTC, aby określić ilość zwęglenia wyprodukowanego przez HTC w porównaniu z surowcami.</li>
</ol>
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.
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Umieść próbki w automatycznym podajniku próbek. Zwróć uwagę na położenie każdej próbki i użyj kwasu sulfonowego w tej analizie pierwiastkowej jako odniesienia</li>
	<li>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.</li>
</ol>

<ol><li>Edenhofer, O., Pichs-Madruga, R., Sokona, Y., Seyboth, K., Arvizu, D., Bruckner, T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aEdenhofer%2C+O+%22IPCC+Special+Report+on+Renewable+Energy+Sources+and+Climate+Change+Mitigation-+Summary+for+Policy+Makers%22">IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation- Summary for Policy Makers</a>. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2011).</li>
<li>Karlsson, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sustainable+Bioenergy%3A+A+Framework+for+Decision+Maker%5BTitle%5D)+AND+%22UN-Energy+report%22%5BJournal%5D)">Sustainable Bioenergy: A Framework for Decision Maker.</a> UN-Energy report. , (2007).</li>
<li>Eastman, J. A., Ferguson, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solubilization+of+particulate+organic-carbon+during+the+acid+phase+of+anaerobic-digestion%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Water+Pollution+Control+Federation%22%5BJournal%5D)">Solubilization of particulate organic-carbon during the acid phase of anaerobic-digestion.</a> Journal of Water Pollution Control Federation. 53, 352-366 (1981).</li>
<li>Mumme, J., Linke, B., Toelle, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+upflow+anaerobic+solid+state+%28UASS%29+reactor%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresource+Technology%22%5BJournal%5D)">Novel upflow anaerobic solid state (UASS) reactor.</a> Bioresource Technology. 101, 592-599 (2010).</li>
<li>Pohl, M., Mumme, J., Heeg, K., Nettmann, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermo-+and+mesophilic+anaerobic+digestion+of+wheat+straw+by+the+upflow+anaerobic+solid-state+%28UASS%29+process%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresource+Technology%22%5BJournal%5D)">Thermo- and mesophilic anaerobic digestion of wheat straw by the upflow anaerobic solid-state (UASS) process.</a> Bioresource Technology. 124, 321-327 (2012).</li>
<li>J Mumme,, et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+carbonization+of+anaerobically+digested+maize+silage%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresource+Technology%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal carbonization of anaerobically digested maize silage.</a> Bioresource Technology. 102, 9255-9260 (2011).</li>
<li>Funke, A., Ziegler, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+carbonization+of+biomass%3A+A+summary+and+discussion+of+chemical+mechanisms+for+process+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Biofuels+Bioprod+Bioref%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal carbonization of biomass: A summary and discussion of chemical mechanisms for process engineering.</a> Biofuels Bioprod Bioref. 4, 160-177 (2010).</li>
<li>Yan, W., Hastings, J. T., Acharjee, T. C., Coronella, C. J., Vasquez, V. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mass+and+energy+balance+of+wet+torrefaction+of+lignocellulosic+biomass%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Fuels%22%5BJournal%5D)">Mass and energy balance of wet torrefaction of lignocellulosic biomass.</a> Energy Fuels. 24, 4738-4742 (2010).</li>
<li>Bandura, A., Lvov, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+ionization+constant+of+water+over+wide+range+of+temperature+and+density%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">The ionization constant of water over wide range of temperature and density.</a> Journal of Physical Chemistry. 35, 793-800 (2006).</li>
<li>Tal Reza, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reaction+kinetics+and+particle+size+effect+on+hydrothermal+carbonization+of+loblolly+pine%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresource+Technology%22%5BJournal%5D)">Reaction kinetics and particle size effect on hydrothermal carbonization of loblolly pine.</a> Bioresource Technology. , 139161-139169 (2013).</li>
<li>Reza, M. T., Uddin, M. H., Lynam, J. G., Hoekman, S. K., Coronella, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+Carbonization%3A+Reaction+chemistry+and+water+balance%5BTitle%5D)+AND+%22Biomass+Conv.+Bioref%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal Carbonization: Reaction chemistry and water balance.</a> Biomass Conv. Bioref. , (2013).</li>
<li>Reza, M. T., Lynam, J. G., Vasquez, V. R., Coronella, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pelletization+of+biochar+from+hydrothermally+carbonized+wood%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Progress+%26+Sustainable+Energy%22%5BJournal%5D)">Pelletization of biochar from hydrothermally carbonized wood.</a> Environmental Progress & Sustainable Energy. 31 (2), 225-234 (2012).</li>
<li>Acharjee, T. C., Coronella, C. J., Vasquez, V. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+thermal+pretreatment+on+equilibrium+moisture+content+of+lignocellulosic+biomass%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresource+Tech%22%5BJournal%5D)">Effect of thermal pretreatment on equilibrium moisture content of lignocellulosic biomass.</a> Bioresource Tech. 102, 4849-4854 (2011).</li>
<li>Escala, M., Zumbuhl, T., Koller, C. h, Junge, R., Krebs, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+carbonization+as+an+enegry-efficient+alternative+to+establish+drying+technologies+for+sewage+sludge%3A+A+feasibility+study+on+a+laboratory+scale%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Fuels%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal carbonization as an enegry-efficient alternative to establish drying technologies for sewage sludge: A feasibility study on a laboratory scale.</a> Energy Fuels. 27 (1), 454-460 (2012).</li>
<li>Berge, N., Ro, K., Mao, J., Flora, J., Chappell, M., Bae, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+Carbonization+of+Municipal+Waste+Streams%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal Carbonization of Municipal Waste Streams.</a> Environmental Science & Technology. 45 (13), 5696-5703 (2011).</li>
<li>Hoekman, S., Broch, A., Robbins, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+Carbonization+%28HTC%29+of+Lignocellulosic+Biomass%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Fuels%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal Carbonization (HTC) of Lignocellulosic Biomass.</a> Energy Fuels. 25, 1802-1810 (2011).</li>
<li>Reza, M. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+carbonization+for+energy+and+crop+production%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Bioenergy%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal carbonization for energy and crop production.</a> Applied Bioenergy. 1, 11-28 (2014).</li>
<li>Reza, M. T., Becker, W., Sachsenheimer, K., Mumme, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+Carbonization+%28HTC%29%3A+Near+Infrared+spectroscopy+and+Partial+Least-Squares+Regression+for+determination+of+Selective+Components+in+HTC+Solid+and+Liquid+Products+Derived+from+Maize+Silage%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresource+Technology%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal Carbonization (HTC): Near Infrared spectroscopy and Partial Least-Squares Regression for determination of Selective Components in HTC Solid and Liquid Products Derived from Maize Silage.</a> Bioresource Technology. 161, 91-101 (2014).</li>
<li>Hoffmann, J., Rudra, S., Toor, S. S., Nielsen, J. B. H., Rosendahl, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conceptual+design+of+an+integrated+hydrothermal+liquefaction+and+biogas+plant+for+sustainable+bioenergy+production%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresource+Technology%22%5BJournal%5D)">Conceptual design of an integrated hydrothermal liquefaction and biogas plant for sustainable bioenergy production.</a> Bioresource Technology. 129, 402-410 (2013).</li>
<li>Wirth, B., Mumme, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anaerobic+Digestion+of+Waste+Water+from+Hydrothermal+Carbonization+of+Corn+Silage%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Bioenergy%22%5BJournal%5D)">Anaerobic Digestion of Waste Water from Hydrothermal Carbonization of Corn Silage.</a> Applied Bioenergy. 1, 1-10 (2013).</li>
<li><a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((VDI+Department+of+Energy+Conversion+and+Application.+VDI+4630+Fermentation+of+organic+materials+-+Characterisation+of+the+substrate%2C+sampling%2C+collection+of+material+data%2C+fermentation+tests%5BTitle%5D)+AND+%22Verein+Deutscher+Ingenieure+%28VDI%29%2C+VDI-Society+Energy+and+Environment%22%5BJournal%5D)">VDI Department of Energy Conversion and Application. VDI 4630 Fermentation of organic materials - Characterisation of the substrate, sampling, collection of material data, fermentation tests.</a> Verein Deutscher Ingenieure (VDI), VDI-Society Energy and Environment. 56, Düsseldorf. (2006).</li>
<li>Rehl, T., Müller, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Life+cycle+assessment+of+biogas+digestate+processing+technologies%5BTitle%5D)+AND+%22Resources.+Conserv.+Recycling%22%5BJournal%5D)">Life cycle assessment of biogas digestate processing technologies.</a> Resources. Conserv. Recycling. 56, 92-104 (2011).</li>
<li>Pohl, M., Heeg, K., Mumme, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anaerobic+digestion+of+wheat+straw+-+performance+of+continuous+solid-state+digestion%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresource+Technology%22%5BJournal%5D)">Anaerobic digestion of wheat straw - performance of continuous solid-state digestion.</a> Bioresource Technology. 146, 408-415 (2013).</li>
<li>Funke, A., Mumme, J., Koon, M., Diakite, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cascaded+production+of+biogas+and+hydrochar+from+wheat+straw%3A+energetic+potential+and+recovery+of+carbon+and+plant+nutrients%5BTitle%5D)+AND+%22Biomass+Bioenergy%22%5BJournal%5D)">Cascaded production of biogas and hydrochar from wheat straw: energetic potential and recovery of carbon and plant nutrients.</a> Biomass Bioenergy. 58, 229-237 (2013).</li>
<li>Reza, M. T., Uddin, M. H., Lynam, J. G., Coronella, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineered+pellet+from+HTC+and+torrefied+biochar+blend%5BTitle%5D)+AND+%22Biomass+Bioenergy%22%5BJournal%5D)">Engineered pellet from HTC and torrefied biochar blend.</a> Biomass Bioenergy. 49, 86-94 (2013).</li>
<li>Funke, A., Ziegler, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+carbonization+of+biomass%3A+A+literature+survey+focusing+on+its+technical+application+and+prospects%5BTitle%5D)+AND+%2217th+European+Biomass+Conference+and+Exhibition%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal carbonization of biomass: A literature survey focusing on its technical application and prospects.</a> 17th European Biomass Conference and Exhibition. , Hamburg, Germany. (2009).</li>
<li>B Wirth,, et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+carbonization%3A+influence+of+plant+capacity%2C+feedstock+choice+and+location+on+product+cost%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+19th+European+Biomass+Conference+and+Exhibition%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal carbonization: influence of plant capacity, feedstock choice and location on product cost.</a> Proceedings of the 19th European Biomass Conference and Exhibition. , Berlin. (2011).</li>
<li>Peterson, A. A., Vogel, F., Lachance, R. P., Fröling, M., Antal, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermochemical+biofuel+production+in+hydrothermal+media%3A+A+review+of+sub-+and+supercritical+water+technologies%5BTitle%5D)+AND+%22Energ+Environ+Sci%22%5BJournal%5D)">Thermochemical biofuel production in hydrothermal media: A review of sub- and supercritical water technologies.</a> Energ Environ Sci. 1, 32-65 (2008).</li>
<li>Lynam, J. G., Reza, M. T., Vasquez, V. R., Coronella, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+salt+addition+on+hydrothermal+carbonization+of+lignocellulosic+biomass%5BTitle%5D)+AND+%22Fuel%22%5BJournal%5D)">Effect of salt addition on hydrothermal carbonization of lignocellulosic biomass.</a> Fuel. 99, 271-273 (2012).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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 beztlenowej22,23. 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 jakN2OiCH4. 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 chemiczną12,25. 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 celulozie24-29. 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.

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 stałychw 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 surowcem12,13. 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 brunatnego16,17. 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 HTC4,5. 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.

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

ocena zintegrowanej fermentacji beztlenowej i karbonizacji hydrotermalnej w produkcji bioenergii

Evaluation of Integrated Anaerobic Digestion and Hydrothermal Carbonization for Bioenergy Production

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 lCH4/kgVS (VS: lotne ciała stałe) i 121 L CH4/kgVS w mezofilnej AD przez nieprzerwaną pracę przez 200 dni. Tymczasem z HTC uzyskano 43,4 g biowęgla HTC ostężeniu 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.

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 LCH4/kgVS (VS: lotne seston), a podczas mezofilnej AD 121 LCH4/kgVS 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 LCH4/kgVS dla procesu termofilnego oraz 244,2 LCH4/kgVS 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 HTC16,17,28. 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.
<img alt="Schemat fermentacji beztlenowej przedstawiający 4-etapowy proces hydrolizy i metanizacji w produkcji biopaliw." fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig1highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 1"> 
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)
<img alt="Schemat systemu UASS; filtr anaerobowy, reaktor UASS, produkcja metanu, proces cyrkulacji cieczy." fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig2highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 2"> 
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.
<img alt="Schemat procesu karbonizacji hydrotermalnej i fermentacji beztlenowej w celu konwersji biomasy do biowęgla." fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig3highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 3"> 
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).
<img alt="Wykres wydajności metanu, UASS+AF, warunki termofilne i mezofilne, analiza dni pracy." fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig4highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 4"> 
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 (LCH4/kgVS) w stosunku do lotnych substancji organicznych (VS).
<img alt="Wykres frakcji metanu w funkcji dni dla stabilności operacyjnej UASS w warunkach termofilnych i mezofilnych." fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig5highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 5"> 
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.
<img alt="Proces transformacji biomasy, ze słomy na węgiel HTC, schemat porównawczy w słoikach szklanych." fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig6highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 6"> 
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.
<img alt="Analiza tekstury gleby; schemat przedstawiający glebę w wodzie, zwiniętą próbkę i formę rozdrobnioną." fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig7highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 7"> 
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.
<img alt="Schemat fermentacji beztlenowej: ze słomy pszennej do metanu i pofermentu; proces hydrotermalnego zwęglania." fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig8highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 8"> 
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.
<img alt="Tabela składu chemicznego słomy i biowęgli. Dane dotyczące C, H, N, O, popiołu, HHV i wydajności biomasy." fo:content-width="7in" src="/files/ftp_upload/51734/51734table1v2.jpg" width="700" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Tabela 1"> 
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 literaturą18,24. 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51734/51734table1.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej tabeli.</a>

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.

Ocena zintegrowanej fermentacji beztlenowej i karbonizacji hydrotermalnej w produkcji bioenergii

Lignocellulosic biomass is one of the most abundant yet underutilized renewable energy resources. Both anaerobic digestion (AD) and hydrothermal ...

W każdym procesie fermentacji beztlenowej występują cztery etapy degradacji. Po pierwsze, polisacharydy są hydrolizowane do monomerów. Monomery przekształcają się w niskowęglowe kwasy tłuszczowe, mleczany i alkohole w procesie acidogenezy.W procesie ketogenezy produkt z agenezy ulega przekształceniu w format. Ostatnim etapem jest myogeneza, w której mikroorganizmy metageniczne wytwarzają metan z produktu Aceto SSIS.Tradycyjne beztlenowe trawienie biomasy stałej jest procesem czasochłonnym i energochłonnym. Jednakże nowatorski reaktor tlenowy z przepływem wznoszącym do przetwarzania fazy stałej posiada pełny potencjał, aby wyeliminować te niedoskonałości. Znaczącą zaletą tego typu reaktora jest spontaniczna separacja fazy stałej od ciekłej.Ponadto cyrkulacja cieczy może wyeliminować kosztowne sterowanie. Hydrotermalne karbonizowanie jest procesem termochemicznego przetwarzania, w którym biomasa odpadowa jest podgrzewana w temperaturze od 200 do 260 °C przy ciśnieniu nasycenia wody przez okres od 4,5 do 6 godzin. W tych warunkach woda podkrytyczna jest bardzo reaktywna. W rezultacie hemiceluloza, wraz z innymi substancjami ekstrakcyjnymi, ulega degradacji w temperaturze około 180 do 200 °C, podczas gdy celuloza reaguje w temperaturze około 220 do 230 °C, a lignina pozostaje w otrzymanym biowęglu HTC.Produkt stały procesu HTC jest bardzo kruchy, hydrofobowy i stabilny. Posiada on właściwości kaloryczne zbliżone do węgla brunatnego. Celem niniejszej pracy było połączenie tych dwóch procesów wytwarzania bioenergii.W tym filmie przedstawimy zasadę działania i eksploatację nowatorskiego reaktora UASS do produkcji biogazu. Następnie zaprezentujemy karbonizację hydrotermalną odcieku z procesu trawienia w celu produkcji biowęgla dla procesu trawienia tlenowego. Wykorzystano reaktor UASS o pojemności 39 litrów z elementami o długości od 5 do 65 mm.Do reaktora podawano posiekaną słomę pszenną. Zawartość organicznej suchej masy w substracie wynosiła 85.9%, natomiast frakcja błonnika surowego stanowiła 46.3%. Reaktory UASS wykonano ze stali nierdzewnej z wizjerem z pleksiglasu. Z każdym reaktorem UASS o pojemności 39 litrów połączono filtr beztlenowy o pojemności 30 litrów.Każdy filtr beztlenowy wypełniono 325 nośnikami biofilmu z polietylenu. Nośnik biofilmu posiadał powierzchnię właściwą wynoszącą 305 m²/m³. W warunkach mezofilnych i termofilnych zastosowano pompę wysokociśnieniową dolf pump drive 5 2 0 1. W celu przygotowania cieczy procesowej, grzałki ustawiono na pożądanym poziomie temperatury reaktora, zapewniając codzienne zasilanie reaktorów UASS.Odważono 120 g słomy drzewnej. Otwarto rurę zasilającą UASS i usunięto korek. Słomę drzewną wsypano do skośnej rury zasilającej i przesunięto na dno reaktora.Powierzchnia górna została uszczelniona, aby zapewnić szczelność gazową, a rura doprowadzająca została zamknięta. Pompy pracują w sposób ciągły, transportując 1,2 litra na godzinę odcieku procesowego przez system reaktora. Skład biogazu jest regularnie mierzony przy użyciu przemysłowego analizatora biogazu.W razach w tygodniu usuwa się około trzech kilogramów przetrawionego osadu. Próbki procesu, cieczy i osadu były analizowane w cyklu tygodniowym pod kątem ich właściwości chemicznych. Do eksperymentów HTC wykorzystano kaskadowy reaktor Par 18 liter z serii 4 5 5 5 z kontrolerem Par 4 8 4 8.W badaniu wykorzystano pakiet oprogramowania Spec view 3 2 8 4 9. Zważono przetrawioną słomę. Do odważenia 10 kilogram wody użyto tej samej wagi.Zarówno trawionka, jak i woda zostały wprowadzone do naczynia przed jego medycznym zamknięciem przez NU. Zawartość reaktora była mieszana ręcznie, aby zapobiec zablokowaniu śmigła mieszadła. Reaktor został zamknięty i zabezpieczony na krzyż.Dokręcić śrubę z momentem obrotowym 50 Newton meter. W tym konkretnym eksperymencie ustalono następujące warunki reakcji. Temperaturę ustawiono na 230 degrees Celsius przy szybkości nagrzewania 2 degrees Celsius na minutę, a następnie utrzymano ją przez sześć godzin.Po fazie chłodzenia urządzenie zostało wyłączone, a gaz zebrano do 20 litrowego worka na gazy. Suspensję odprowadzono przez zawór kulowy przeznaczony do wysokich ciśnień i temperatur. Ciecz zebrano i przefiltrowano.Wytworzony biowęgiel został rozdrobniony. Mokry biowęgiel umieszczono w piecu nagrzanym do 105 °C. W pracy tej wykorzystano analizator pierwiastkowy Vari EL 3.Do tygla pomiarowego odważono 30 mg tlenku wolframu(VI). Do tygla wprowadzono od 5 do 10 mg suchej próbki. Następnie zawartość wymieszano i szczelnie owinięto.Kuwetkę z próbką umieszcza się w automatycznym próbniku vari EL. Analizę rozpoczyna się, a dane zapisuje w komputerze. Maksymalna wydajność metanu wyniosła 270,4 liter na kilogram dla pracy termofilowej oraz 216,9 liter na kilogram dla pracy mezofilowej.Biogaz zawierał od 41 do 61% metanu, a reszta stanowiła dwutlenek węgla. Przesuszony substrat po trawieniu wygląda podobnie do suchej słomy, tyle że ma nieco ciemniejszy kolor. W biowęglu otrzymanym w procesie HTC struktura włóknista ulega zniszczeniu.Wobec braku struktury włóknistej, biowęgiel HTC staje się kruchy. Do jego sproszkowania wymagana jest minimalna siła nacisku. Biowęgiel HTC wykazuje silne właściwości hydrofobowe.Może pozostawać w kontakcie z wodą przez dłuższy czas. Jeśli jeden kilogram surowej słomy zostanie poddany karbonizacji hydrotermalnej, biochar HTC będzie miał potencjał 11 megadżuli. Jednak dzięki zastosowaniu procesu kombinowanego można uzyskać łącznie 12,1 mega bioenergii.Fermentacja beztlenowa charakteryzuje się wydajnością energetyczną na poziomie od 20 do 25%, podczas gdy w połączeniu z HTC wydajność ta może osiągnąć nawet 70%

evaluation-integrated-anaerobic-digestion-hydrothermal-carbonization

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Ocena zintegrowanej anaerobowej fermentacji i karbonizacji hydrotermalnej w celu produkcji bioenergii

Laboratoryjne bioreaktory do fermentacji beztlenowej umożliwiają naukowcom badanie nowych metod optymalizacji istniejących zastosowań biotechnologii beztlenowej oraz ocenę potencjału produkcji metanu z różnych odpadów organicznych. Niniejszy artykuł przedstawia uogólniony model konstrukcji, zaszczepiania, eksploatacji i monitorowania laboratoryjnego bioreaktora beztlenowego z ciągłym mieszaniem.

Reaktor beztlenowego trawienia z ciągłym mieszaniem do konwersji odpadów organicznych w biogaz: konfiguracja systemu i podstawowa eksploatacja

Zacznij od beztlenowej komory fermentacyjnej, szczelnego, beztlenowego reaktora wysianego syntetycznym szlamem, który naśladuje osiadłe ciała stałe ze ścieków.Osad zawiera mezofilne mikroorganizmy beztlenowe, mieszaną zbiorowisko mikroorganizmów.Mikroorganizmy te rozwijają się w umiarkowanych temperaturach i napędzają trawienie materii organicznej osadu.Stale mieszaj osad, aby podtrzymać aktywność bakterii i wspomóc trawienie.Później dodaj do szlamu bioplastiki, które są polimerami...

Fermentacja beztlenowa biotworzyw do produkcji biogazu

Przedstawiono protokół niszczenia prekursorów emisji z biomasy niskiej jakości za pomocą niskotemperaturowej mikrofalowej karbonizacji hydrotermalnej. Protokół ten obejmuje parametry mikrofalowe oraz analizę produktu z biowęgla i wody technologicznej.

Redukcja emisji paliwa drzewnego wierzbowego poprzez niskotemperaturową karbonizację hydrotermalną wspomaganą mikrofalami

Przedstawiono protokół hydrotermalnej karbonizacji odpadów spożywczych roślinnych w autoklawie, z późniejszą suchą obróbką termiczną w temperaturze 275 °C w reaktorze o ciągłym przepływie, desorbującym lotne substancje organiczne. Celem jest wyprodukowanie materiału węglowego nadającego się jako produkt poprawiający glebę lub składnik podłoża.

Przekształcanie organicznych resztek z gospodarstw domowych w substytut torfu

Zanieczyszczenie powietrza wpływa na jakość życia wszystkich organizmów. W tym miejscu opisujemy zastosowanie biotechnologii mikroalg do oczyszczania biogazu (jednoczesne usuwanie dwutlenku węgla i siarkowodoru) oraz produkcji biometanu poprzez półprzemysłowe otwarte stawy glonów o wysokiej szybkości, a następnie analizę skuteczności oczyszczania, pH, rozpuszczonego tlenu i wzrostu mikroalg.

Oczyszczanie biogazu poprzez zastosowanie systemu mikroalgo-bakteryjnego w półprzemysłowych stawach z glonami o wysokiej zawartości

Ten protokół opisuje najlepszą praktykę określania produkcji metanu i parametrów kinetycznych mikroorganizmów za pomocą respirometrii dla mikrobioty beztlenowej, współtrawienia odpadów spożywczych i osadu aktywowanego odpadami.

Pomiar potencjału biometanowego odpadów spożywczych beztlenowo współtrawionych z osadem aktywowanym odpadami za pomocą respirometrii

Protokół ten przedstawia skalowalną metodę przekształcania odpadów spożywczych w biodegradowalne biotworzywa polihydroksyalkanianowe (PHA). Wykorzystuje zatrzymaną fermentację beztlenową do wstępnej obróbki odpadów spożywczych, halofilową fermentację mikrobiologiczną do biosyntezy PHA oraz wolny od chemikaliów proces dalszy do odzyskiwania PHA.

Skalowalne podejście krok po kroku do zrównoważonej produkcji bioplastiku z odpadów spożywczych

Biomasa roślinna stanowi źródło odnawialne dla wielu produktów, w tym paliwa, paszy, żywności i różnych materiałów. W artykule badamy właściwości drzewa tytoniowego (Nicotiana glauca) i topoli jako odpowiednich źródeł dla rurociągu biorafineryjnego.

Profilowanie transkryptu i metabolitów w celu oceny drzewa tytoniowego i topoli jako surowca dla przemysłu biotechnologicznego

Lizymetria terenowa i pobieranie próbek wody porowej pozwalają badaczom ocenić los substancji chemicznych stosowanych w glebach i ustalonej roślinności. Celem tego protokołu jest zademonstrowanie, w jaki sposób zainstalować wymagane oprzyrządowanie i pobrać próbki do analizy chemicznej podczas zintegrowanych eksperymentów z lizymetrią polową i pobieraniem próbek wody porowej.

Zintegrowana lizymetria polowa i pobieranie próbek wody porowej w celu oceny mobilności chemicznej w glebach i zastanej roślinności

Struktura ściany komórkowej roślin i cechy chemiczne są oceniane w celu zidentyfikowania idealnych surowców do produkcji biopaliw i biomateriałów. Standardowe metody mają ograniczenia, gdy są stosowane do dużych zestawów danych. Te wysokoprzepustowe metody obróbki wstępnej, scukrzania enzymatycznego i pirolizy ze spektrometrią mas wiązki molekularnej porównują dużą liczbę próbek biomasy przy skróconym czasie i kosztach eksperymentu.

Wysokoprzepustowe badania przesiewowe zmian oporności biomasy lignocelulozowej: lignina całkowita, monomery ligniny i enzymatyczne uwalnianie cukru

Odkryj integrację fermentacji beztlenowej UASS i karbonizacji hydrotermalnej w produkcji bioenergii z włóknistego surowca. Ta metoda zwiększa wydajność energetyczną do 70% i poprawia gospodarkę odpadami biomasy.

Ocena zintegrowanej fermentacji beztlenowej i karbonizacji hydrotermalnej w produkcji bioenergii

Przeglądaj więcej filmów