Оценка комплексного анаэробного сбраживания и гидротермальной карбонизации для биоэнергетики производства
15 июня 2014 г.
Роман с восходящим потоком Анаэробные государства (БАС) реактор Твердое вещество используется для производства биогаза из волокнистого сырья. Дигестата от UASs реактора гидротермальной обугленные в HTC биоугля в реакторе под давлением. Интеграция двух биоэнергетических понятий был применен в данном исследовании для повышения общей производства биоэнергии.
Любой процесс анаэробного сбраживания включает четыре этапа разложения. Сначала полисахариды гидролизуются до мономеров. Затем мономеры преобразуются в лактаты и спирты — жирные кислоты с низким содержанием углерода — путем ацидогенеза.
В процессе кетогенеза продукт ацидогенеза преобразуется в ацетат и формат. Последним этапом является метогенез, при котором метогенные микроорганизмы вырабатывают метан из продуктов ацетогенеза.
Традиционное анаэробное сбраживание твердой биомассы — это процесс, требующий больших временных и энергетических затрат. Однако новый реактор с восходящим потоком для аэробной переработки твердых субстратов обладает всем потенциалом для преодоления этих недостатков. Значительным преимуществом реактора такого типа является спонтанное разделение твердой и жидкой фаз.
Кроме того, циркуляция жидкости позволяет исключить дорогостоящее управление. Гидротермальная карбонизация представляет собой процесс термохимической обработки, при котором биомасса отходов нагревается при температуре от 200 до 260 °C под давлением насыщения воды в течение 4,5–6 часов. Субкритическая вода в этих условиях обладает высокой реакционной способностью. В результате гемицеллюлоза вместе с другими экстрактивными веществами разлагается при температуре около 180–200 °C, в то время как целлюлоза вступает в реакцию при температуре около 220–230 °C, а лигнин остается в составе биоугля, полученного методом HTC.
Твердый продукт гидротермальной карбонизации (HTC) очень хрупкий, гидрофобный и стабильный. Он обладает теплотворными характеристиками, схожими с характеристиками бурого угля. Целью данной работы было объединить эти два процесса производства биоэнергии.
В данном видео мы продемонстрируем принцип работы и эксплуатацию инновационного реактора UASS для производства биогаза. Далее мы также покажем процесс гидротермальной карбонизации переработанного субстрата для получения биоядра в условиях аэробного сбраживания. Был использован 39-литровый реактор UASS с элементами длиной от 5 до 65 мм.
В качестве сырья использовалась измельченная пшеничная солома. Содержание органического сухого вещества в сырье составляло 85.9%, а доля сырой клетчатки — 46.3%. Реакторы UASS были изготовлены из нержавеющей стали и оснащены смотровым окном из акрилового стекла. Каждый 39-литровый реактор UASS был соединен с 30-литровым анаэробным фильтром.
Каждый анаэробный фильтр был заполнен 325 полиэтиленовыми носителями биопленки. Носители биопленки имели площадь поверхности 305 м²/м³. В мезофильных и термофильных условиях использовался привод насоса high dolf pump drive 5 2 0 1. Для технологической жидкости нагревательные элементы были установлены на требуемый температурный уровень реактора для ежедневной подачи питания в реакторы UASS.
Взвешивают 120 grams древесной соломы. Открывают трубку подачи UASS и удаляют заглушку. Древесную солому засыпают в диагональную трубку подачи и проталкивают в нижнюю часть реактора.
Верхняя поверхность герметизируется для обеспечения газонепроницаемости, а подающая трубка перекрывается. Насосы работают непрерывно, перекачивая 1,2 литра в час технологического потока через систему реактора. Состав биогаза регулярно измеряется с помощью промышленного анализатора биогаза.
Приблизительно три килограмма переварившегося осадка удаляют один раз в неделю. Образцы в процессе переработки, жидкость и переварившийся осадок анализировали еженедельно на предмет их химических свойств. Для экспериментов по гидротермальному карбонизированию (HTC) использовали многоярусный реактор серии PAR 18 л 4 5 5 5 с контроллером PAR 4 8 4 8.
В данном исследовании использовался программный пакет Spec view 3 2 8 4 9. Был измерен вес переварившейся соломы. Для измерения 10 kilogram воды использовались те же весы.
Перед герметичным закрытием NU в сосуд залили дигестат и воду. Содержимое реактора перемешивали вручную, чтобы предотвратить блокировку лопастей мешалки. Реактор закрыли и зафиксировали с помощью перекрестных зажимов.
Затяните болт с усилием 50 Newton meter. В данном эксперименте были установлены следующие условия реакции. Температуру установили на 230 °C при скорости нагрева 2 °C в минуту с выдержкой при данной температуре в течение шести часов.
После фазы охлаждения подачу прекратили, и газ собрали в газовый пакет объемом 20 литров. Суспензию слили через термостойкий шаровой клапан высокого давления. Жидкость собрали и профильтровали.
Полученный биоуголь измельчали. Влажный биоуголь помещали в печь при температуре 105 °C. В данной работе использовали трехэлементный анализатор vari EL three.
В тигель для образца навесили 30 mg оксида вольфрама(VI). В тигель поместили от 5 до 10 mg сухого образца. Перемешали и герметизировали.
Кювета с образцом помещается в автосамплер vari EL. Анализ запускается, и данные сохраняются на компьютере. Максимальный выход метана составил 270.4 liter per kilogram при термофильном режиме и 216.9 liter per kilogram при мезофильном режиме.
Биогаз содержал от 41 до 61% метана, остальное приходилось на диоксид углерода. Сухой остаток переваривания выглядит аналогично сухой соломе, только имеет чуть более темный цвет. В биоугле, полученном методом HTC, волокнистая структура разрушена.
В отсутствие волокнистой структуры биоуголь, полученный методом HTC, становится хрупким. Для его измельчения практически не требуется никакого давления. Биоуголь HTC обладает выраженной гидрофобностью.
Оно может длительное время находиться в контакте с водой. При гидротермальной карбонизации одного килограмма сырой соломы потенциал полученного биоугля HTC составит 11 МДж. Однако при использовании комбинированного процесса общий выход биоэнергии может достичь 12,1 МДж.
Энергетический выход при анаэробном сбраживании составляет от 20 до 25%, тогда как в сочетании с гидротермальным карбонизированием (HTC) он может достигать 70%
Обзор
В данном исследовании рассматривается интеграция инновационного реактора с восходящим потоком для анаэробного твердофазного сбраживания (UASS), предназначенного для производства биогаза, с процессом гидротермальной карбонизации (HTC) дигестата в биоуголь. Целью работы является повышение эффективности производства биоэнергии из волокнистого сырья, что демонстрирует потенциал комбинирования этих двух биоэнергетических процессов.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Производство биоэнергии
- Анаэробное сбраживание
- Гидротермальная карбонизация
Теоретическая часть
- Анаэробное сбраживание включает в себя несколько этапов разложения биомассы.
- Традиционные методы требуют больших затрат времени и энергии.
- Реактор UASS обладает такими преимуществами, как разделение твердой и жидкой фаз.
- ГТК — это термохимический процесс, который превращает биомассу в стабильный биоуголь.
Цель исследования
- Объединить процессы UASS и HTC для повышения выхода биоэнергии.
- Оценить эффективность производства биогаза из волокнистого сырья.
- Проанализировать свойства полученного биоугля.
Используемые методы
- Использование 39-литрового реактора UASS для производства биогаза.
- Гидротермальная карбонизация дигестата при контролируемых температурах.
- Регулярное измерение состава биогаза с помощью промышленных анализаторов.
- Анализ химических свойств дигестата и биоугля.
Основные результаты
- Максимальный выход метана при термофильных условиях достиг 270.4 литров на килограмм.
- Содержание метана в составе биогаза варьировалось от 41% до 61%.
- Биоуголь, полученный методом HTC, продемонстрировал высокую теплоту сгорания и стабильность.
- Комбинированные процессы увеличили общий выход энергии до 70%.
Выводы
- Интеграция UASS и HTC значительно увеличивает производство биоэнергии.
- Биоуголь, полученный методом HTC, обладает благоприятными свойствами для энергетического применения.
- Данный подход может повысить эффективность управления биомассовыми отходами.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
В данном исследовании продемонстрирована новая интеграция анаэробного сбраживания и гидротермальной карбонизации для повышения выхода биоэнергии из лигноцеллюлозной биомассы, что открывает путь к увеличению выработки возобновляемой энергии из сельскохозяйственных отходов. Комбинированный подход увеличивает рекуперацию энергии более чем на 60% по сравнению с одним лишь анаэробным сбраживанием, что способствует снижению рисков при внедрении технологий конверсии биомассы на ранних этапах разработки биотоплива. Такие гибридные термохимические и биологические платформы могут лечь в основу принятия решений по формированию портфеля в области НИОКР по устойчивой энергетике за счет повышения точности прогнозирования эффективности переработки сырья.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет оценивать устойчивость биомассы к разложению и эффективность предварительной обработки на основе измеряемых выходов биогаза и биоугля.
- Практическая ценность: предоставляет стандартизированную платформу для сравнения влияния предварительной обработки на последующий выход энергии.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: позволяет получить количественные данные о выходе метана и теплотворной способности биоугля в качестве воспроизводимых конечных точек для оптимизации процесса.
- Практическая ценность: обеспечивает готовность к анализу за счет стабильного производства дигестата и конверсии методом HTC в заданных условиях.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: демонстрирует непрерывность процесса перехода от влажного дигестата к стабильному биоуглю, что позволяет оптимизировать пути конверсии биомассы с учетом возможных рисков.
- Практическая ценность: предлагает масштабируемый метод разделения твердой и жидкой фаз с помощью конструкции UASS, что снижает сложность манипуляций при непрерывном режиме работы.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод представляет анаэробное сбраживание в качестве начального этапа получения биогаза, а гидротермальную карбонизацию — в качестве последующего этапа переработки дигестата, создавая тем самым сопряженный рабочий процесс биопереработки, применимый для скрининга лигноцеллюлозного сырья.
- Открывательная биология: Обеспечивает проверку гипотез о функционировании микробных сообществ и доступности субстрата в мезофильных и термофильных условиях.
- Скрининг: Предоставляет воспроизводимые показатели состава биогаза и выхода метана для сравнения эффективности предварительной обработки сырья.
- Аналитика: Обеспечивает данные об объемном выходе газа и элементном составе для оценки эффективности процесса и рекуперации энергии.
- Трансляционные исследования: Связывает эффлюент переваривания с термохимической конверсией, позволяя оценивать поток углерода и распределение энергии.
- Повторное промышленное использование: Конструкция реактора UASS позволяет проводить многократные циклы подачи сырья и удерживать твердые вещества, что обеспечивает долгосрочное использование платформы для различных вариантов сырья.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: расширяет механистическое понимание распределения углерода между путями образования метана и твердого биоугля.
- Эксплуатационная ценность: повышает стабильность системы за счет спонтанного разделения твердой и жидкой фаз, что снижает эксплуатационные расходы.
- Стратегическая ценность: повышает эффективность использования капитала за счет извлечения дополнительной энергии из дигестата, который в противном случае потребовал бы очистки.
- Влияние на портфель: позволяет проводить приоритезацию путей конверсии биомассы с учетом рисков на основе пороговых значений суммарного энерговыхода.
Особенности реализации
- Требуется опыт работы в области анаэробной микробиологии и контроля термохимических процессов.
- Необходимо наличие оборудования для мониторинга биогаза, реакторов с регулируемой температурой и сосудов для гидротермального карбонизирования (HTC) высокого давления.
- Для получения воспроизводимых результатов требуется стандартизация подготовки сырья и измерения содержания летучих твердых веществ.
- При масштабировании конструкции систем анаэробного сбраживания в несколько стадий (UASS) или изменении времени пребывания при HTC для различных типов биомассы необходимо учитывать особенности адаптации.
- Существуют практические ограничения, такие как вариабельность выхода метана и зависимость качества биоугля от состава дигестата.
