Ocena zintegrowanej fermentacji beztlenowej i karbonizacji hydrotermalnej w produkcji bioenergii
15 czerwca 2014
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.
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%
Przegląd
Niniejsze badanie analizuje integrację nowatorskiego reaktora beztlenowego z przepływem wznoszącym dla podłoży stałych (UASS) do produkcji biogazu z hydrotermalną karbonizacją (HTC) pofermentu w celu otrzymania biowęgla. Celem badań jest zwiększenie produkcji bioenergii z włóknistych surowców, co wykazuje potencjał łączenia tych dwóch procesów bioenergetycznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Produkcja bioenergii
- Fermentacja beztlenowa
- Karbonizacja hydrotermalna
Wstęp
- Trawienie beztlenowe obejmuje wiele etapów degradacji biomasy.
- Tradycyjne metody są czasochłonne i energochłonne.
- Reaktor UASS oferuje takie zalety jak separacja fazy stałej od ciekłej.
- HTC to proces termochemiczny, który przekształca biomasę w stabilny biowęgiel.
Cel badania
- Połączenie procesów UASS i HTC w celu zwiększenia uzysku bioenergii.
- Ocena wydajności produkcji biogazu z włóknistego surowca.
- Analiza właściwości otrzymanego biowęgla.
Zastosowane Metody
- Wykorzystanie reaktora UASS o pojemności 39 litrów do produkcji biogazu.
- Hydrotermalna karbonizacja pofermentu w kontrolowanych temperaturach.
- Regularny pomiar składu biogazu przy użyciu analizatorów przemysłowych.
- Analiza właściwości chemicznych pofermentu i biowęgla.
Główne wyniki
- Maksymalna wydajność metanu w warunkach termofilnych osiągnęła 270,4 litrów na kilogram.
- Skład biogazu wahał się od 41% do 61% metanu.
- Biowęgiel otrzymany metodą HTC wykazywał wysoką wartość opałową i stabilność.
- Połączenie procesów zwiększyło całkowitą wydajność energetyczną do 70%.
Wnioski
- Integracja UASS i HTC znacząco zwiększa produkcję bioenergii.
- Biowęgiel otrzymany w procesie HTC posiada właściwości korzystne dla zastosowań energetycznych.
- To podejście może poprawić efektywność gospodarki odpadami biomasowymi.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niniejsze badanie demonstruje nowatorską integrację fermentacji anaerobowej i karbonizacji hydrotermalnej w celu zwiększenia uzysku bioenergii z biomasy lignocelulozowej, oferując sposób na poprawę wydajności odnawialnej energii z pozostałości rolniczych. Podejście łączone zwiększa odzysk energii o ponad 60% w porównaniu do samej fermentacji anaerobowej, co wspiera ograniczanie ryzyka w technologiach konwersji biomasy na wczesnym etapie rozwoju biopaliw. Takie hybrydowe platformy termochemiczno-biologiczne mogą stanowić podstawę decyzji portfelowych w badaniach i rozwoju zrównoważonej energii poprzez zwiększenie pewności prognostycznej w zakresie waloryzacji surowców.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie odporności biomasy oraz wydajności obróbki wstępnej poprzez pomiar ilości uzyskanego biogazu i biowęgla.
- Wartość operacyjna: Zapewnia zestandaryzowaną platformę do porównywania wpływu obróbki wstępnej na końcową wydajność energetyczną.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Pozwala na wyznaczenie ilościowej wydajności metanu oraz wartości opałowej biowęgla jako powtarzalnych punktów końcowych w celu optymalizacji procesu.
- Wartość operacyjna: Zapewnia gotowość do analiz poprzez spójną produkcję substratu pofermentacyjnego i konwersję metodą HTC w zdefiniowanych warunkach.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wykazuje ciągłość przejścia od mokrego pofermentu do stabilnego biowęgla, co umożliwia dostosowanie do ryzyka rozwoju ścieżek konwersji biomasy.
- Wartość operacyjna: Oferuje skalowalną separację fazy stałej i ciekłej dzięki konstrukcji UASS, co zmniejsza złożoność obsługi w procesach ciągłych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Opisana metoda pozycjonuje fermentację anaerobową jako wstępny etap wytwarzania biogazu, a karbonizację hydrotermalną jako końcowy etap waloryzacji pofermentu, tworząc sprzężony schemat biorafinerii możliwy do zastosowania w badaniach przesiewowych surowców lignocelulozowych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących wydajności społeczności mikrobiologicznych i dostępności substratu w warunkach mezofilnych i termofilnych.
- Przesiewanie: Dostarcza powtarzalnych parametrów składu biogazu i uzysku metanu w celu porównania skuteczności wstępnej obróbki surowców.
- Analityka: Zapewnia dane o objętościowym wydatku gazu i składzie pierwiastkowym w celu oceny wydajności procesu i odzysku energii.
- Badania translacyjne: Łączy odcieki z procesu trawienia z konwersją termochemiczną, umożliwiając ocenę przepływu węgla i podziału energii.
- Ponowne wykorzystanie w przemyśle: Konstrukcja reaktora UASS umożliwia wielokrotne cykle zasilania i retencję ciał stałych, co wspiera długoterminowe wykorzystanie platformy dla różnych wariantów surowców.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa zrozumienie mechanizmów przekierowania węgla między ścieżką produkcji metanu a ścieżką powstawania stałego biowęgla.
- Wartość operacyjna: Zwiększa stabilność systemu dzięki spontanicznemu oddzieleniu fazy stałej od ciekłej, co redukuje koszty operacyjne.
- Wartość strategiczna: Poprawia efektywność kapitałową poprzez odzyskiwanie dodatkowej energii z pofermentu, który w przeciwnym razie wymagałby utylizacji.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację dróg konwersji biomasy z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o progi łącznej wydajności energetycznej.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna z zakresu mikrobiologii beztlenowej oraz sterowania procesami termochemicznymi.
- Niezbędna jest aparatura do monitorowania biogazu, reaktory z regulacją temperatury oraz wysokociśnieniowe naczynia do procesu HTC.
- W celu uzyskania powtarzalnych wyników wymagana jest standaryzacja przygotowania substratu oraz pomiaru zawartości substancji organicznych lotnych.
- Wymaga to uwzględnienia kwestii adaptacyjnych podczas skalowania konstrukcji UASS lub modyfikowania czasu przebywania w procesie HTC dla różnych rodzajów biomasy.
- Obejmuje ograniczenia praktyczne, takie jak zmienność wydajności metanu oraz zależność jakości biowęgla od składu pofermentu.
