En roman Upflow Anaerob Solid State (UAS) reaktor användes för biogasproduktion från fibrösa råmaterial. Rötrest från UASs Reaktorn hydrotermalt karboniseras i HTC biochar i en trycksatt satsreaktor. Integrationen av de två bioenergi koncept tillämpades i denna studie för att öka den totala produktionen av bioenergi.
Lignocellulosa är en av de vanligast förekommande men underutnyttjade förnybara energikällor. Både rötning (AD) och hydrotermisk förkolning (HTC) är lovande teknik för produktion av bioenergi från biomassa i form av biogas och HTC biochar, respektive. I denna studie, är en kombination av AD och HTC föreslås för att öka den totala produktionen av bioenergi. Vete halm var anaerobt rötas i en roman uppåtflöde anaerob halvledarreaktor (UAS) i både mesofil (37 ° C) och termofil (55 ° C) förhållanden. Våt spjälkades från termofil AD hydrotermalt karboniseras vid 230 ° C under 6 h till HTC biochar produktion. Vid termofil temperatur, ger den UASs systemet i genomsnitt 165 L CH4 / kg VS (VS: VS) och 121 L CH4 / kg VS vid mesofil AD under kontinuerlig drift på 200 dagar. Samtidigt, 43,4 g HTC biochar med 29,6 MJ / kg dry_biochar var obtained från HTC på 1 kg rötrest (torrsubstans) från mesofil AD. Kombinationen av AD och HTC, i detta speciella uppsättning av experiment ger 13,2 MJ energi per 1 kg torr vetehalm, som är minst 20% högre än enbart HTC och 60,2% högre än endast AD.
Att hitta förnybara och hållbara energikällor är viktiga frågor i världen energisektor. Nyligen rapporterade FN att upp till 77% av världens energi år 2050 kommer att förväntas från förnybara källor 1. Lignocellulosa såsom halm, gräs, risskal, majskolvar har inga konflikter med maten kontra bränslefrågan. Dessutom är biomassa förmodligen den enda förnybara energikälla med strukturell kol, jämfört med andra förnybara energikällor som vind, sol och vatten 2. Men hanteringsegenskaper, lägre bulkdensitet, hög askhalt och lägre energiinnehåll hindrar användning av lignocellulosa för energiproduktion 2.
Rötning (AD) är en av de främsta exemplen på att producera bioenergi från avfall biomassa. 3 I allmänhet finns det fyra nedbrytningssteg involverar i anaerob nedbrytning som visas i figur 1 4 </sup>. I första tre på varandra följande steg, är polysackarider av biomassan omvandlas till organiska syror. I det sista steget, metan organismer producerar biometan. Traditionell AD är en tid och energi krävande process. Den kontinuerlig omrörning minskar totalekonomi AD, speciellt för AD av lignocellulosa. En roman uppåtflöde anaerob solid-state (UAS) reaktor har potential att lösa de angivna bristerna (Figur 2) 4. Spontana fast-vätske-separationer är en av de betydande fördelarna med UAS, eftersom den utformade underlättar biogasen bubblar lyfta oreagerade fasta rester uppåt 5. Detta eliminera användningen av omröraren och minskar förbrukningen av makten på plats därför. Dessutom säkerställer vätskecirkulation distribution av mikroorganismer och metaboliter hela reaktorn samt 5. Jämfört med fasta biobränslen är biogas lättare att hantera, och lämnar lite eller inga rester. I själva verket är den specifika energitäthetenav biogas är flera gånger högre rå biomassa 4. Men AD gynnar enkla polysackarider som stärkelse, fettsyror, och hemicellulosa 1. Som ett resultat, cellulosa och lignin, huvuddel av fibrösa lignocellulosa såsom vetehalm, kvarstår som ett fast biogödsel efter AD 5. Även om produktionen av biogas varierar från råvara, typ av mikroorganismer, reaktionstemperatur och reaktionstid, är en enorm mängd biogödsel vanligtvis produceras.
Medan biogas används till energi, är rötrester (upp till 90% vatten) oftast lagras i en jäsningsrester-depå för att samla in återstående metanutsläpp. Efteråt dessa torkas och sprids på åkermark för att förbättra markens bördighet och vattenhållande förmåga. Hög oorganiskt innehåll hindrar ofta biogödsel direkt som bränsle, eftersom stora mängder slagg kan korrodera utrustningen 6. Hydrotermisk förkolning (HTC) är en termokemisk behandlingsprocess speciellt utformad för våta. råmaterial, där biomassa (med 80-90% vatten) värms upp till 200-260 ° C vid vattenmättnad tryck och håll i 0,5-6 h (Figur 3) 7,8 Underkritiskt vatten har den högsta joniska produkten vid 200 – 260 ° C, vilket innebär att vatten under dessa förhållanden är reaktivt och beter sig som en mild syra och en mild bas samtidigt 9. Hemicellulosa, tillsammans med andra extraktivämnen, försämra runt 180 till 200 ° C, medan cellulosa reagerar omkring 220-230 ° C, och lignin reagerar vid relativt högre temperatur (> 250 ° C), men mycket långsammare än cellulosa och hemicellulosa 10. På grund av betydande uttorkning och dekarboxylering, HTC resultat fast produkt som heter HTC biochar, med mass avkastning (torr HTC biochar / torrfoder) på 40-80%, sprit innehåller karboxylsyror, furanderivat, fenoliska ämnen och socker monomerer, och 5 – 10% CO2 rik gasformig produkt 11. Under HTC, syre innehåller flyktiga ämnen är betydligtreduceras och därmed lämna en kolrika fast. HTC biochar är också stabil, hydrofoba, och spröda jämför med rå fuktig råvara 12,13. På grund av dess hydrofoba egenskaper, ökar dewateribility av HTC biochar flera gånger jämfört med obehandlad rötrest eller rå biomassa. 14-18 Dessutom har HTC biochar bränslevärden som liknar brunkol 16,17. Men cellulosa och lignin delvis brytas ned i HTC miljö 18.
Nu hemicellulosa och cellulosa i biomassa bidra till biogas under AD, medan cellulosa och lignin främst bidra till fast HTC biochar 4,5. Således kan en kombination av AD-HTC potentiellt öka den totala bioenergi avkastning. Hoffmann et al. Simulerade en liknande kombination, men med hjälp av AD-och HTL (hydrotermisk kondensering) i stället för AD-HTC 19. HTL är en vanlig metod för kondensering biomassafraktion och flytande produkt har högt bränslevärde [43,1 MJ / kg]. Emellertid HTL requIRES mycket högt tryck (250 bar) jämfört med HTC (10-50 bar), vilket innebär en hög installations-och driftskostnader än HTC. Återigen, kan kombinationen sekvens av AD och HTC ifrågasättas som Wirth et al. Rapporterade nyligen AD av HTC processvätska 20. Men en effektiv AD beroende av sockerkoncentrationen i råvaror. Socker i HTC processvätska, som produceras under hydrolys, ofta bryts ned snabbt i underkritiskt vatten. Därför AD innan HTC är mer gynnsam när det gäller bioenergi. Däremot kan AD av HTC processvätska producera ytterligare bioenergi, i vilket fall skulle kombinationen sekvensen vara AD-HTC-AD.
Syftet med arbetet var att utvärdera integreringen av AD och HTC processer för bioenergiproduktion (Figur 3). Biogasproduktionspotential för termofila och mesofila AD från UAS reaktor utvärderades vid en kontinuerlig drift av mer än 200 dagar. Därefter HTC biochar produktion from rötrester studerades också. Massan och energibalansen i kaskad AD-HTC fördes och jämfördes med de enskilda processerna.
UAS reaktorer är kapabla att mildra de brister som tas upp i inledningen. Men det finns mycket utrymme för förbättringar. Matningssystem och rötrester återkallande fortfarande manuellt. Det UAS-system står inför problem som hanterar råvaror som är större än 60 mm. Systemet fungerar bättre med fibrösa råvaror eftersom de flyter över vätskan, men andra råvaror såsom stallgödsel och slam kanske inte gynnar UAS-system. Den UASs systemet är utformat på ett sådant sätt att processvätskan cirkulerar från reaktor till AF till reaktorn igen. Emellertid var även 2-5% fast material i den cirkulerande vätskan visat sig vara problematiskt, eftersom de sätter in i AF eller blockera röret ingång och hindrar vätskecirkulationen. Kemisk analys av processvätskan är viktig, eftersom produktionen av fria fettsyror och kväve kan förändra den mikrobiella systemet resulterar i otypiskt biogasproduktion. Det UASs Systemet är robust, och kan köra mer än 200 dagar utan att visa någon significant problem. Rören som ansluter från pumpar till reaktorer AFS behöver bytas varje alternativ månad. Vattennivån i vattenbadet måste kontrolleras en gång i veckan och fyllas på vid behov.
HTC våt biogödsel är mycket effektiv för avfallsbehandling samt producera fasta biobränslen. Den dewateribility av den fasta produkten kommer också att underlättas av HTC processen som visas i Figur 7. Behöver emellertid HTC rötrestkreditering som skall utföras så snart som möjligt, helst samma dag som rötrester avlägsnas. Annars startar den biogödsel förnedrande biologiskt, vilket inte är gynnsamt för HTC. Eftersom HTC är en hög temperatur (200-260 ° C) och högt tryck (20-50 bar) processen, vidta nödvändiga försiktighetsåtgärder under hela HTC förfarandet är mycket viktig. Alla anslutningar kontrolleras minst en gång i månaden för att se till att de är gastät. HTC processvätskan har en högre koncentration av furfural, 5-HMF och fenol compounds, som är klassificerade som toxiska ämnen. Så, är det rekommenderat att använda en ansiktsmask och handskar vid hantering HTC processvätska, speciellt när HTC processvätskan dräneras från reaktortanken till en annan behållare. Även HTC har många fördelar för hantering av våt råvara som biogödsel, är det fortfarande en satsvis process. I en ekonomisk utvärdering, kommer HTC satsvis process vara svårt att motivera. Mer forskning krävs alltså för att underlätta kontinuerlig drift av HTC.
Elementaranalys är en effektiv metod för homogena fasta substrat, men inte för heterogena substrat. Som fasta biobränslen är oftast heterogena och elementaranalysatorn bara tillåter 5-10 mg av provstorlek, rekommenderas att utföra minst tre replikat och användning genomsnitt. En annan begränsning hos elementaranalys mäter fasta substrat med hög askhalt. Elementaranalysator bara mäta Chons, och inga andra oorganiska ämnen. Så, elementaranalys av hög aska fasta substrat kanske inte reveal de faktiska Chons koncentrationer. Provberedning i grundämnesanalys är avgörande och provet måste slås in exakt, annars kommer det att finnas en inkonsekvens i analyser. Bränslevärdet av det fasta bränslet kan uppskattas från Chons, men det rekommenderas att använda en bombkalorimeter för exakt bränslevärde beslutsamhet.
Om 92 till 161 L av metan har producerats per kilogram av flyktig fast substans i fodret. Den flyktiga fasta eller organisk totalt fast i den torra vetehalm var 86,9%. Torr biogödsel har lägre atomärt syre och väte koncentration, vilket är ytterligare ett tecken på nedbrytning av polysackarider och enkel nedbrytning socker under rötning 22,23. Dessutom lägre H och O koncentrationerna ökar HHV av rötrest 24. HHV torr biogödsel är 22% högre än torr rå råvara. De likartade resultat uppnås med en detaljerad statistisk analys av Pohl et al 23.
Rötrester från rötning innehåller 80-90% vatten 6. Dessa är hydrofila och vatten är delvis bunden i mikrobiella eller växtceller. Som ett resultat av avvattning eller torkning av rötrester är besvärligt och mycket energikrävande. Till exempel 2 kg torrt rötrester binder 8 kg vatten (80% våt), som kräver 20,7 MJ av värme för att torka rötrester. Dessutom tenderar det att biologiskt försämra relativt snabbt under omgivande förhållanden, förlorar växtnäringsämnen, och släpper av växthusgaser (växthusgaser) utsläpp såsom N 2 O och CH 4. Så trots högre potentiell energi, färska rötrester kan inte användas direkt som ett fast bränsle. Det skulle behöva torkas direkt efter uppslutningen 20.
Av tabell 1, kan man visa att den torra biogödsel har en liknande atom kolhalt som rå strå, och de är visuellt lika före och efter rötning (Figur 6). Detta tyder på att lignin och lignin-krönta cellulosamestadels oreagerade. Men en massa avkastning på 63% observerades, vilket innebär bearbetat halm är 37% lättare än torr rå halm. Liknande koncentration elementärt kol innebär ingen förkolning inträffade under rötning 22. Såsom visas i figur 7, är HTC biochar från rötrester (termofil) mycket stabil och mjuk. På grund av den betydande ökningen av hydrofoba, kan det bokstavligen dränka i vatten i månader utan att dess fysiska och kemiska struktur påverkas 12,25. Hydrofobiciteten förbättrar också avvattning av HTC biochar 14. Uppbyggnad av halm är inte urskiljbara i HTC biochar längre, vilket innebär att cellulosa kan ha reagerat. En betydande förkolning observeras i HTC biochar tillsammans med minskningen av atomärt syre. Detta är ytterligare ett tecken på cellulosa som reagerade istället lignin. Atomärt kol koncentrationen i lignin är mycket högre än för cellulosa 24-29. Som ett resultat av HTC Biochar har en HHV av 29,6 MJ / kg, vilket är 61% högre än rå halm och 32% högre än torr rötrester, respektive.
HHV av HTC stråberedning är 28,8 MJ / kg, vilket är också liknande den för HTC stråberedning rötrester (29,6 MJ / kg). Dock är mass avkastningen 40,7% högre i HTC halm än för HTC rötrest med jämförelse med rå råvara. Som ett resultat om 1 kg rå halm (18,4 MJ) är hydroterm förkolnade, kommer HTC halm biochar har potential på 11,0 MJ. Annars, om samma belopp tillämpas på AD och HTC, totalt 13,2 MJ bioenergi, i form av biometan (5,2 MJ) och HTC biochar från rötrester (8,0 MJ), kan produceras (Figur 8). Dessutom är flytande fasen i UASs processen en potentiell flytande gödning. Dessutom kan HTC biochar har högre potential på högt värde material användning eller användning som jordförbättring. För kolbindning eller kolcykel synvinkel, är mer realistiskt material användning av HTC biochar att energiproduktionen. </ P>
Rötning i kombination med hydrotermiska förkolning kan ge mer bioenergi än de enskilda processerna. Det behövs dock en kaskad design för bättre effektivitet. Den totala energibalansen, följt av en ekonomisk utvärdering, krävs för att bekräfta denna process. Framtida forskning bör omfatta användning av HTC sprit och efterbehandling (kemisk eller biologisk) i HTC biokol. Dessutom behövs automatisering av både UAS och HTC system. Denna studie genomfördes på att använda ett lab-skala UAS och HTC reaktor, men uppskalning av processen skulle vara nödvändigt om processen ska kommersialiseras.
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 |