En roman opstrømning Anaerob Solid State (UAS) reaktor blev anvendt til biogasproduktion fra fiberholdigt råvare. Fermentat fra UAS reaktor hydrotermisk forkullede i HTC biochar i en trykbeholder batch reaktor. Integrationen af de to bioenergi begreber blev anvendt i denne undersøgelse for at øge den samlede produktion af bioenergi.
Lignocelluloseholdige biomasse er en af de mest udbredte endnu underudnyttede vedvarende energikilder. Begge anaerob nedbrydning (AD) og hydrotermisk forkoksning (HTC) er lovende teknologier til produktion af bioenergi fra biomasse i form af biogas og HTC biochar, hhv. I denne undersøgelse er det kombinationen af AD og HTC foreslået at øge den samlede produktion af bioenergi. Hvedehalm blev anaerobt fordøjet i en roman opstrømning anaerob solid state reaktor (UAS) i både mesofile (37 ° C) og termofile (55 ° C) betingelser. Våd fordøjet fra termofile AD hydrotermisk forkullede ved 230 ° C i 6 timer til HTC biochar produktion. Ved termofil temperatur, UAS-systemet giver et gennemsnit på 165 L CH4 / kg VS (VS: flygtige faste stoffer) og 121 L CH4 / kg VS ved mesofile AD over kontinuerlig drift på 200 dage. I mellemtiden, 43,4 g HTC biochar med 29,6 MJ / kg dry_biochar var OBTained fra HTC på 1 kg fermentat (tør basis) fra mesofile AD. Kombinationen af AD og HTC i dette særlige sæt eksperiment giver 13,2 MJ energi pr 1 kg halm tør hvede, som er mindst 20% højere end HTC alene og 60,2% højere end kun AD.
Finde vedvarende og bæredygtige energikilder er store bekymringer i verden energisektor. For nylig FN rapporterede, at op til 77% af verdens energi i 2050 forventes fra vedvarende energikilder 1. Lignocellulose biomasse såsom halm, græs, risskaller, majskolber har ingen konflikter med fødevarer versus spørgsmålet brændstof. Desuden biomasse er sandsynligvis den eneste vedvarende energikilde med strukturel carbon, sammenlignet med andre vedvarende energikilder som vind, sol og vand 2. Men køreegenskaber, lavere rumvægt, højt askeindhold, og lavere energiindhold hindre brugen af lignocellulose biomasse til energiproduktion 2.
Anaerob nedbrydning (AD) er en af de vigtigste eksempler på at producere bioenergi fra affald biomasse. 3. Generelt er der fire nedbrydningsprodukter trin involverer i bioforgasning som vist i figur 1 4 </sup>. I første tre på hinanden følgende trin, er polysaccharider biomassen omdannes til organiske syrer. I det sidste trin, methanogene organismer producere biogas. Traditionel AD er en tid og energikrævende proces. Den kontinuerlige omrøring reducerer samlede økonomi i AD, især for AD af lignocellulose biomasse. En ny opstrøms anaerob solid-state (UAS) reaktor har potentiale til at afhjælpe de anførte mangler (fig. 2) 4. Spontane solid-væskeseparationer er en af de væsentlige fordele ved UAS, da designet letter biogas bobler til at løfte reagerede faste restprodukter opad 5. Denne eliminere brugen af omrører og derfor reducerer forbruget af on-site magt. Desuden væskecirkulationsanordning sikrer distribution af mikroorganismer og metabolitter i hele reaktoren samt 5. Sammenlignet med faste biobrændstoffer, biogas er lettere at håndtere, og efterlader lidt eller ingen rester. Faktisk specifik energitæthedaf biogas er flere gange højere rå biomasse 4. Men AD favoriserer enkle polysaccharider som stivelse, fedtsyrer og hemicellulose 1.. Som et resultat, cellulose og lignin, større del af fibrøse lignocelluloseholdige biomasse som halm, forbliver som et faststof fermenteret efter AD5. Selv biogasproduktionen varierer fra råmaterialet, type af mikroorganismer, reaktionstemperatur og reaktionstid er en enorm mængde af fermentat produceres normalt.
Mens biogassen anvendes til energi, er digestates (op til 90% vand) som regel gemt i en gæring rest-depot til at indsamle de resterende metanudslip. Bagefter disse er tørret og spredes på dyrkede arealer til at forbedre jordens frugtbarhed og vandbindingsevne. Højt askebestanddelen ofte hindre fermentat direkte til brændsel, da store mængder af slagger kan ætse udstyret 6.. Hydrotermisk forkoksning (HTC) er en termokemisk behandlingsproces specielt designet til våd. råmateriale, hvor biomasse (med 80-90% vand) opvarmes til 200-260 ° C ved vand mætningstrykket og hold i 0,5-6 timer (Figur 3) 7,8 subkritisk vand har den maksimale ioniske produkt på 200 – 260 ° C, hvilket betyder vand under disse betingelser er reaktiv og opfører sig som en mild syre og en mild base samtidigt 9. Hemicellulose, sammen med andre ekstraktiver nedbrydes omkring 180-200 ° C, medens cellulose reagerer omkring 220-230 ° C, og lignin reagerer ved relativt højere temperatur (> 250 ° C), men meget langsommere end cellulose og hemicellulose 10. På grund af kraftig dehydrering og decarboxylering, HTC resultater solidt produkt med navnet HTC biochar, med masse udbytte (tør HTC biochar / tørfoder) på 40-80%, spiritus indeholder carboxylsyrer samt furanderivater, phenolforbindelser stoffer og sukker monomerer, og 5 – 10% af CO 2 rig gasformigt produkt 11. Under HTC, er oxygenholdige flygtige stoffer betydeligtreduceres, og dermed efterlade en carbon-rig faststof. HTC biochar er også stabil, hydrofobe, og smuldres sammenligne med rå fugtig råvare 12,13. På grund af sin hydrofobe egenskaber, dewateribility af HTC biochar øger adskillige gange i forhold til rå fermenterede eller endda rå biomasse. 14-18 øvrigt HTC biochar har brændstof værdier svarende til brunkul kul 16,17. Men cellulose og lignin delvist nedbrydes i HTC miljø 18.
Nu hemicellulose og cellulose i biomasse bidrager til biogas under AD, mens cellulose og lignin meste bidrage til solid HTC biochar 4,5. Således kan kombinationen af AD-HTC potentielt øge den samlede bioenergi udbytte. Simuleret Hoffmann et al. En lignende kombination, men ved hjælp e.Kr. og HTL (hydrotermiske fortætning) snarere end AD-HTC 19. HTL er en fælles metode til fremstilling af flydende fraktion biomasse og flydende produkt har en høj brændværdi [43,1 MJ / kg]. Men HTL requIRES meget højt tryk (250 bar) sammenligne til HTC (10-50 bar), hvilket indebærer en høj installation og driftsomkostninger end HTC. Igen, kan kombinationen sekvens af AD og HTC blive afhørt som Wirth et al. Nylig rapporteret AD HTC proces væske 20. Men en effektiv AD afhænger koncentrationen af sukker i råmaterialer. Sukker i HTC proces væske, der produceres under hydrolyse, ofte nedbrydes hurtigt under subkritisk vand. Det er derfor, AD før HTC er mere gunstige i form af bioenergi. Dog kan AD HTC proces væske producere ekstra bioenergi, i hvilket tilfælde ville kombinationen sekvens være AD-HTC-AD.
Formålet med arbejdet var at evaluere integrationen af AD og HTC processer til produktion af bioenergi (Figur 3). Produktionen potentielle biogas til termofile og mesofile AD fra UAS reaktor blev evalueret på en kontinuerlig drift på mere end 200 dage. Efterfølgende HTC biochar produktion from af fermenteret blev også undersøgt. Masse-og energibalance kaskader AD-HTC blev gennemført, og sammenlignet med de enkelte processer.
UAS reaktorer er i stand til at afbøde de mangler, der diskuteres i introduktion. Imidlertid er der meget plads til forbedring. Fodringsanlæg og fermentat tilbagetrækning er stadig manual. Det UAS systemet står over for problemer med at håndtere råmaterialer større end 60 mm. Systemet fungerer bedre med fiberholdige råmaterialer som de flyder over væsken, men andre råvarer som husdyrgødning og slam måske ikke favorisere UAS systemet. Den UAS systemet er designet på en sådan måde, at processen væske cirkulerer fra reaktoren til AF til reaktoren igen. Imidlertid var selv 2-5% faststof i den cirkulerende væske vist sig at være problematisk, da de sætter i AF eller blokere rørets indgang og hindre væskecirkulation. Kemisk analyse af procesvæsken er vigtigt, da produktionen af frie fedtsyrer og kvælstof kan ændre det mikrobielle system, hvilket resulterer i usædvanlig biogas. Det UAS systemet er robust, og kan køre mere end 200 dage uden at vise nogen significant problemer. Rørene forbinder fra pumper til reaktorer AFS skal udskiftes hver anden måned. Vandstanden i vandbad skal kontrolleres på en ugentlig basis, og efterfyldes om nødvendigt.
HTC våd fermentatet er meget effektiv til behandling af affald samt producere fast biobrændsel. Den dewateribility af det faste produkt vil også blive fremmet af HTC proces som vist i fig. 7. HTC af fermentatet imidlertid behov, som skal udføres så hurtigt som muligt, helst samme dag, som det fermenterede fjernes. Ellers fermenterede begynder at nedbryde biologisk, hvilket ikke er gunstigt for HTC. Da HTC er en høj temperatur (200-260 ° C) og højt tryk (20-50 bar) proces, der tager de nødvendige forholdsregler i hele HTC procedure er meget vigtigt. Alle tilslutninger kontrolleres mindst en gang om måneden for at sikre, at de er gastæt. HTC proces væsken har en højere koncentration af furfural, 5-HMF og phenolisk compounds, der er vurderet som giftstoffer. Så er det anbefales at bruge et ansigt maske og handsker ved håndtering af HTC proces væske, især når HTC proces spiritus er drænet fra reaktor beholder til en anden beholder. Selvom HTC har mange fordele for håndtering af våd råmateriale ligesom fermentatet, er det stadig en batch proces. I en økonomisk evaluering, vil HTC batchproces være svært at retfærdiggøre. Mere forskning er således forpligtet til at sikre en fortsat drift af HTC.
Grundstofanalyse er en effektiv metode til homogene faste substrater, men ikke for heterogene substrater. Som fast biobrændsel er normalt heterogen og grundstofanalysator tillader kun 5-10 mg prøve størrelse, anbefales det at udføre mindst tre gentagelser og brug gennemsnit. En anden begrænsning ved grundstofanalyse måler faste substrater med højt askeindhold. Elemental analysatorer måler kun Chons, og ingen andre uorganiske stoffer. Så elementaranalyse høj aske faste substrater måske ikke reveal de faktiske Chons koncentrationer. Prøveforberedelse i grundstofanalyse er af afgørende betydning, da prøven skal indpakkes præcist, ellers vil der være en uoverensstemmelse i analyser. Brændstof værdien af fast brændsel kan estimeres ud fra Chons, men det anbefales at bruge en bombe kalorimeter til præcis varmeværdi beslutsomhed.
Om 92-161 L methan produceres per kilogram flygtigt faststof i foderet. Den flygtige fast eller organisk total fast af halmen tør hvede var 86,9%. Tør af fermenteret har lavere atomart ilt og brint koncentration, som er en anden indikation af nedbrydning af polysaccharider og simpelt sukker nedbrydning under anaerob nedbrydning 22,23. Desuden lavere H, og O-koncentrationer øger HHV af fermentatet 24.. HHV tør fermenteret 22% højere end tør rå råvare. De tilsvarende resultater opnås med en detaljeret statistisk analyse af Pohl et al 23.
Digestates fra anaerob nedbrydning indeholder 80-90% vand 6. Disse er hydrofile og vand er delvis bundet i mikrobielle eller planteceller. Som et resultat afvanding eller tørring af digestates er besværligt og meget energikrævende. For eksempel 2 kg tørt fermenteret binder 8 kg vand (80% våd), hvorefter 20,7 MJ varme til at tørre fermenteret. Desuden er det en tendens til bio-nedbrydes relativt hurtigt i de omgivende forhold, mister plantenæringsstoffer, og frigiver drivhusgasser (drivhusgas) emissioner såsom N 2 O og CH 4. Så på trods af en højere potentiel energi, frisk fermenteret materiale kan ikke anvendes direkte som et fast brændsel. Det vil være nødvendigt at være tørret lige efter fordøjelsen 20.
Fra tabel 1, kan det påvises, at det tørre fermenterede har en lignende atomart kulstofindhold som rå halm, og de ligner hinanden visuelt før og efter anaerob udrådning (figur 6). Dette antyder, at lignin og lignin-indlagte celluloseer for det meste uomsat. , En masse udbytte på 63% bemærkede dog, hvilket betyder forarbejdede strå er 37% lettere end tør rå halm. Lignende elementært kulstof koncentration betyder ingen forkulning opstået under bioforgasning 22. Som vist i figur 7, HTC biotrækul fra fermenteret (termofile) er meget stabil og blød. På grund af den betydelige stigning i hydrofobicitet, kan det bogstaveligt talt dykke i vand i månedsvis uden dens fysiske og kemiske struktur påvirkes 12,25. Hydrofobiciteten øger også afvanding af HTC biochar 14. Struktur af halmen er ikke mærkbar i HTC biochar længere, hvilket betyder, at cellulose kan være blevet omsat. Der konstateres en væsentlig forkulning i HTC biochar sammen med nedsættelsen af atomare ilt. Dette er en anden indikation af cellulose bliver reageret snarere end lignin. Atomart carbon koncentration i lignin er meget højere end for cellulose 24-29. Som et resultat, HTC Biochar har en HHV på 29,6 MJ / kg, hvilket er 61% højere end rå halm og 32% højere end tør fermentat hhv.
HHV HTC forarbejdede strå er 28,8 MJ / kg, hvilket også svarer til HTC forarbejdede strå fermenteret (29,6 MJ / kg). , Masseudbytte er dog 40,7% højere i HTC halm end HTC fermentat med at sammenligne med rå råvare. Som et resultat, hvis 1 kg rå halm (18,4 MJ) er hydrothermally forkullede, vil HTC halm biochar har potentiale på 11,0 MJ. Ellers, hvis der anvendes samme beløb til AD og HTC, i alt 13,2 MJ bioenergi i form af biogas (5,2 MJ) og HTC biotrækul fra fermenteret (8,0 MJ), kan fremstilles (figur 8). Også flydende fase af UAS-processen er en potentiel flydende gødning. Desuden kan HTC biochar har større potentiale på høj værdi materiale brug eller bruge som jord ændringsforslag. For kulstofbinding eller kulstofkredsløbet synspunkt materialeforbrug af HTC biochar er mere realistisk, at energiproduktion. </ P>
Anaerob nedbrydning kombineret med hydrotermisk forkulning kan give mere bioenergi end de enkelte processer. Men en kaskade design for en bedre effektivitet. Den samlede energibalance, efterfulgt af en økonomisk vurdering, er forpligtet til at validere denne proces. Fremtidig forskning bør omfatte brug af HTC spiritus og post-behandling (kemisk eller biologisk) HTC biochar. Desuden vil der være behov automatisering af både UAS og HTC-systemer. Denne undersøgelse blev udført på ved hjælp af en lab-skala UAS og HTC reaktor, men ville være nødvendigt opskalering af processen, hvis processen er at blive kommercialiseret.
The authors have nothing to disclose.
This research was supported by the German Federal Ministry of Research and Education to Project Management Julich (PtJ). The authors thank Mr. Ulf Lüder, for technical support in the biochar laboratory. The authors are also thankful to Ms. Maria Sanchez, and Mr. Jonas Nekat for their volunteer activities in the biogas, and analytical laboratory, respectively. Marcel Schmidt and Antje Schmidt are also acknowledged for their valuable efforts on videography and editing.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
UASS reactor | Patented design | ||
Weighing machine | KERN | 440-55N | 0.2 g precision |
Biofilm carrier | RVT Process Equipment GmbH, Germany | Bioflow 40 | Establish 305 m2/m3 |
Heating bath | Lauda-Konigshofen, Germany | Lauda Ecoline 011 | Ensure mesophilic and thermophilic temperature |
Recirculation pump | Heidolph pumpdrive | 5201 | |
Wheat straw | Dittmannsdorfer Milch GmbH, Germany | 5-65 mm length | |
Biogas analyzer | Pronova, Germany | SSM 6000 | |
Gas meter | Ritter, Germany | Drum type | |
Process parameters | Mettler, Toledo, USA | InPro 4260 | Online |
HTC reactor | Parr instrument, Moline, IL, USA | Parr 4555 | 5 gallon volume |
HTC Temperature controller | Parr instrument, IL, USA | 4848 | K type thermocouple |
Weighing machine | KERN FKB | 0.1g precision | |
Heating system | Parr | A1600EEE | Band heater, 2 °C min-1 |
Software | SpecView | 32849 | Digital monitoring and programming interface |
Catalyst | Tungsten (VI) oxide | Elemental analyzer | |
Weighing machine | Mettler Toledo | SN-1128123281 | Precision 1 µg |
Sample pan | Elemental Analyssystem GmbH | Tin (Sn) 6x6x12 mm pan | Elemental analysis |
Drying oven | Binder GmbH, Germany | FP 115 | 105 oC oven |
Elemental analyzer | Vario | EL III | CHNS analyzer |