Avaliação Integrada Digestão Anaeróbia e carbonização hidrotérmica para Bioenergy Production
15 de junho de 2014
A Solid State (UASS) Reator Anaeróbio romance foi utilizado para a produção de biogás a partir de matéria-prima fibrosa. Digestores de UASS reator foi hidrotermal carbonizada em HTC biochar em um reator de batelada pressurizado. A integração dos dois conceitos de bioenergia foi aplicado neste estudo para aumentar a produção global de bioenergia.
Existem quatro etapas de degradação em qualquer digestão anaeróbia. Primeiro, os polissacarídeos são hidrolisados em monômeros. Os monômeros se convertem em lactatos e álcoois de ácidos graxos de baixo carbono por agênese.
Na cetogênese. O produto proveniente da agênese é convertido e formatado. O último passo é a miogênese, onde microrganismos metagênicos produzem metano a partir do produto Aceto SSIS.
A digestão anaeróbica tradicional de biomassa sólida é um processo que consome muito tempo e energia. No entanto, um novo reator em estado sólido com fluxo ascendente e aeróbio tem todo o potencial para superar essas limitações. A principal vantagem desse tipo de reator é a separação espontânea entre sólidos e líquidos.
Além disso, a circulação do líquido pode eliminar a necessidade do dispendioso direcionamento. A hidrocarbonização hidrotérmica é um processo de tratamento termoquímico no qual a biomassa residual é aquecida entre 200 e 260 graus Celsius sob pressão de saturação da água por 4,5 a seis horas. Nessa condição, a água subcrítica é altamente reativa. Como resultado, a hemicelulose, juntamente com outros extrativos, degrada entre 180 e 200 graus Celsius, enquanto a celulose reage entre 220 e 230 graus Celsius e a lignina permanece no biocarvão da HTC.
O produto sólido da conversão hidrotérmica é altamente quebradiço, hidrofóbico e estável. Apresenta características caloríficas semelhantes às do carvão betuminoso. O objetivo do trabalho foi combinar esses dois processos produtores de bioenergia em conjunto.
Neste vídeo, mostraremos o princípio de funcionamento e a operação de um reator UASS inovador para produção de biogás. Posteriormente, também mostraremos a carbonização hidrotérmica de digestato para produção de biocombustível para uma digestão aeróbica. Um reator UASS de 39 litros foi utilizado, com comprimento de cinco a 65 milímetros.
Colmos crus de palha de trigo são alimentados. O teor de matéria orgânica seca da biomassa foi de 85,9%, enquanto a fração de fibra bruta foi de 46,3%. Os reatores UASS foram fabricados em aço inoxidável com uma janela de inspeção feita de vidro acrílico. Um filtro anaeróbio de 30 litros foi combinado com cada reator UASS de 39 litros.
Cada filtro anaeróbio foi preenchido com 325 portadores de biofilme de polietileno. O portador de biofilme tinha uma área superficial de 305 metros quadrados por metro cúbico. A bomba dolf modelo 5 2 0 1 foi utilizada tanto em condições mesofílicas quanto termofílicas. Para o líquido do processo, as resistências de aquecimento foram ajustadas ao nível de temperatura desejado do reator para a alimentação diária dos reatores UASS.
120 gramas de palha de madeira são pesadas. O tubo de alimentação do UASS é aberto e o toco é removido. A palha de madeira é colocada no tubo de alimentação diagonal e empurrada até o fundo do reator.
A superfície do teto é vedada para garantir estanqueidade ao gás e o tubo de alimentação é fechado. As bombas funcionam continuamente, transportando 1,2 litros por hora de processo que vazou pelo sistema do reator. A composição do biogás é medida regularmente utilizando o analisador industrial de biogás.
Aproximadamente três quilogramas de digestato são removidos uma vez por semana. Amostras do processo, do líquido e do digestato foram analisadas semanalmente quanto às suas propriedades químicas. Um reator em série paralelo de 18 litros 4 5 5 5 com um controlador par 4 8 4 8 foi utilizado para os experimentos de CTH.
O pacote de software Spec view 3 2 8 4 9 foi utilizado neste estudo. A palha digerida foi pesada. A mesma balança foi usada para medir 10 kilogramas de água.
Tanto o digestato quanto a água foram introduzidos no vaso antes do fechamento médico do NU. O conteúdo do reator foi agitado manualmente para evitar o bloqueio do agitador de hélice. O reator foi fechado e fixado por meio do fechamento transversal.
Ajuste o parafuso com uma força de 50 newton metro. As condições da reação foram estabelecidas neste experimento específico. A temperatura foi ajustada para 230 graus Celsius com uma taxa de aquecimento de dois graus Celsius por minuto e mantida por seis horas.
Após a fase de resfriamento, o interruptor foi desligado e o gás foi coletado em uma bolsa de gás de 20 litros. A suspensão foi drenada por meio de uma válvula esférica de alta pressão e alta temperatura. O fluido foi coletado e filtrado.
O biochar produzido foi triturado. O biochar úmido é colocado em uma estufa a 105 graus celsius. Um analisador elementar Vari EL III foi utilizado neste trabalho.
Em um cadinho de amostra, pesou-se 30 miligramas de óxido de tungstênio VI. De 5 a 10 miligramas de amostra seca foram colocados no cadinho. Misture e embrulhe.
A panela da amostra é colocada em um amostrador automático vari EL. A análise é iniciada e os dados são armazenados em um computador. O rendimento máximo de metano foi de 270,4 litro por quilograma para operação termofílica e 216,9 litro por quilograma para operação mesofílica.
O biogás continha entre 41 a 61% de metano, e o restante é dióxido de carbono. O digestato seco parece com palha seca, apenas um pouco mais escuro na cor. A estrutura fibrosa é destruída na biochar da HTC.
Na ausência de estrutura fibrosa, o biocarvão obtido por carbonização hidrotérmica (HTC) torna-se frágil. Praticamente não requer nenhuma pressão para ser pulverizado. O biocarvão HTC é altamente hidrofóbico.
Pode permanecer em contato com a água por um tempo prolongado. Se um quilograma de palha bruta for submetido à carbonização hidrotérmica, o biocarvão HTC terá um potencial de 11 megajoules. Porém, com o processo combinado, pode-se obter um total de 12,1 megajoules de bioenergia.
A digestão anaeróbia tem um rendimento energético de 20 a 25%; enquanto com a combinação da HTC, o rendimento energético pode alcançar até 70%.
Visão Geral
Este estudo explora a integração de um novo reator anaeróbio de estado sólido com fluxo ascendente (UASS) para produção de biogás com a carbonização hidrotérmica (HTC) do digestato em biocarvão. A pesquisa tem como objetivo aumentar a produção de bioenergia a partir de substratos fibrosos, demonstrando o potencial da combinação desses dois processos de bioenergia.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Produção de bioenergia
- Digestão anaeróbia
- Carbonização hidrotérmica
Antecedentes
- A digestão anaeróbia envolve múltiplas etapas de degradação da biomassa.
- Os métodos tradicionais são intensivos em tempo e energia.
- O reator UASS oferece vantagens como a separação sólido-líquido.
- HTC é um processo termoquímico que converte biomassa em biocarvão estável.
Objetivo do Estudo
- Combinar os processos UASS e HTC para melhorar o rendimento de bioenergia.
- Avaliar a eficiência da produção de biogás a partir de matéria-prima fibrosa.
- Analisar as propriedades do biocarvão produzido.
Métodos Utilizados
- Utilização de um reator UASS de 39 litros para produção de biogás.
- Carbonização hidrotérmica de digestato em temperaturas controladas.
- Medição regular da composição do biogás utilizando analisadores industriais.
- Análise das propriedades químicas do digestato e do biocarvão.
Resultados Principais
- O rendimento máximo de metano atingiu 270,4 litros por quilograma em condições termofílicas.
- A composição do biogás variou entre 41% e 61% de metano.
- O biocarvão de HTC exibiu alto valor calórico e estabilidade.
- Os processos combinados aumentaram o rendimento energético total para 70%.
Conclusões
- A integração de UASS e HTC aumenta significativamente a produção de bioenergia.
- O biocarvão de HTC possui propriedades favoráveis para aplicações energéticas.
- Essa abordagem poderia melhorar a eficiência do gerenciamento de resíduos de biomassa.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este estudo demonstra uma nova integração entre digestão anaeróbia e carbonização hidrotérmica para aumentar o rendimento de bioenergia a partir de biomassa lignocelulósica, oferecendo uma via para melhorar a produção de energia renovável a partir de resíduos agrícolas. A abordagem combinada aumenta a recuperação de energia em mais de 60% em comparação com a digestão anaeróbia isolada, contribuindo para a redução de riscos nas tecnologias de conversão de biomassa no estágio inicial do desenvolvimento de biocombustíveis. Tais plataformas híbridas termoquímico-biológicas podem orientar decisões de portfólio em pesquisa e desenvolvimento de energia sustentável, ao melhorar a confiança preditiva na valorização de matérias-primas.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia e Farmacêuticos
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação da recalcitrância da biomassa e da eficiência do pré-tratamento por meio de saídas mensuráveis de biogás e biochar.
- Valor Operacional: Fornece uma plataforma padronizada para comparar os impactos do pré-tratamento no rendimento energético posterior.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaio
- Valor Científico: Gera rendimento quantitativo de metano e valor calórico do biocarvão como pontos finais reprodutíveis para otimização do processo.
- Valor Operacional: Apoia a prontidão do ensaio por meio da produção consistente de digestato e conversão por HTC sob condições definidas.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Demonstra a continuidade do digestato úmido até o biochar estável, permitindo o avanço ajustado ao risco das rotas de conversão de biomassa.
- Valor Operacional: Oferece separação sólido-líquido escalonável por meio do design UASS, reduzindo a complexidade de manuseio em operações contínuas.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método posiciona a digestão anaeróbia como uma etapa a montante de geração de biogás e a carbonização hidrotérmica como uma etapa a jusante de valorização do digestato, criando um fluxo de trabalho de biorrefinaria acoplado aplicável à triagem de matérias-primas lignocelulósicas.
- Biologia da Descoberta: Apoia testes de hipóteses sobre o desempenho da comunidade microbiana e a acessibilidade de substratos sob condições mesofílicas e termofílicas.
- Triagem: Fornece métricas reprodutíveis de composição do biogás e produtividade de metano para comparar a eficácia do pré-tratamento de biomassa.
- Análises: Fornece dados de produção volumétrica de gás e composição elementar para avaliar a eficiência do processo e a recuperação de energia.
- Pesquisa Translacional: Relaciona o efluente da digestão com a conversão termoquímica, permitindo a avaliação do fluxo de carbono e da partição de energia.
- Reutilização Empresarial: O design do reator UASS permite ciclos repetidos de alimentação e retenção de sólidos, apoiando o uso prolongado da plataforma com diferentes variantes de biomassa.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a compreensão mecanicista da desviação do carbono entre os caminhos do metano e do biocarvão sólido.
- Valor Operacional: Melhora a estabilidade do sistema por meio da separação espontânea entre sólidos e líquidos, reduzindo os custos operacionais.
- Valor Estratégico: Melhora a eficiência do capital ao extrair energia adicional do digestato, que de outra forma exigiria tratamento.
- Impacto no Portfólio: Permite a priorização ajustada ao risco das rotas de conversão da biomassa com base em limiares combinados de rendimento energético.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em microbiologia anaeróbia e controle de processos termoquímicos.
- Necessita de instrumentação para monitoramento de biogás, reatores com regulação de temperatura e vasos de CTH de alta pressão.
- Exige padronização na preparação da matéria-prima e na medição de sólidos voláteis para resultados reprodutíveis.
- Envolve considerações de adaptação ao escalar o design de UASS ou modificar o tempo de residência na CTH para diferentes tipos de biomassa.
- Inclui limitações práticas, como a variabilidade no rendimento de metano e a qualidade do biocarvão dependente da composição do digestato.
