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フラットダイペレットミルで高水分トウモロコシ茎葉及びコーンスターチバインダーを使用した低電力消費で耐久性に優れたペレットを製造するための方法

Published: June 15, 2016 doi: 10.3791/54092
Automatic Translation
1, 1, 1
1Biofuels and Renewable Energy Technology Department, Idaho National Laboratory

Summary

本研究では、プロトコルが減少し、特定のエネルギー消費量試験、高水分トウモロコシ茎葉におけるフラットダイペレットミル及びデンプン系バインダーを使用して、良質のペレットを製造するために開発されました。結果は、トウモロコシデンプ​​ンバインダーを添加すること、ペレットの耐久性を向上パーセント微粉を減少させ、特定のエネルギー消費量を減少させたことを示しました。

Abstract

ペレットの製造における主要な課題は、30から10％（WB）水分含量にバイオマスを乾燥に関連する高コストです。アイダホ国立研究所で、高水分のペレット化プロセスは、乾燥コストを削減するために開発されました。このプロセスでは、バイオマスのペレットは、従来の方法よりも高い原料の水分含量で製造され、製造された高湿ペレットをさらにエネルギー効率の良い乾燥機で乾燥させます。この処理は、主に金型で開発摩擦熱に起因するペレット中に約5〜10％の原料の水分含有量を減少させるのに役立ちます。本研究の目的は、バインダー添加はフラットダイペレットミルにおける高水分のペレット化工程のペレットの品質とエネルギー消費量に与える影響を探ることでした。本研究では、生のコーンストーバーを33、36、及び39％（WB）0を添加することによって、2、4％の純粋なコーンスターチ水分でペレット化しました。生産、部分的に乾燥したペレットを、さらにアル中で乾燥させました3-4時間、70℃でaboratoryオーブンは9％未満（WB）にペレットの水分を低下させます。高水分および乾燥したペレットは、嵩密度や耐久性などのそれらの物理的特性を評価しました。結果は、4％改善されたペレットの耐久性結合剤の割合を増加させるとすると、無バインダーとペレットと比較して20〜40％によって、特定のエネルギー消費量を低減することを示しました。還元は、バインダーなしで、約7〜8％であったのに対し、高い結合剤の添加（4％）で、ペレット中の原料の水分の減少は、<4％でした。 4％のバインダーおよび33％（WB）原料の水分含量を有する、乾燥したペレットを観察し、嵩密度及び耐久性の値は、それぞれ、> 510 kg /日m 3で> 98％であり、パーセントの微粒子が生成する<3に減少しました％。

Introduction

バイオマスは、世界の主要なエネルギー資源の一つであり、カーボンニュートラル1であると考えられます。梱包とグランド農業バイオマスや欠け木質バイオマスの嵩密度が低くなります。梱包バイオマス（130〜160キロ/ m 3）で、地上バイオマス（60〜80キロ/ m 3）での低い嵩密度と（200〜250キロ/ m 3）で木質バイオマスを欠け2貯蔵、輸送、及び取り扱いの問題を作成し、 3。圧力と温度を使用して地上バイオマスを緻密化又は圧縮は、約5~7倍に嵩密度を増加させ、そして4輸送および貯蔵の制限を克服するのに役立ちます。ペレットミル、ブリケットプレス、スクリュー押出機は、一般的にバイオマス4に使用される高密度化システムです。 梱包、ペレット化バイオマス原料に損益分岐輸送距離分析は、ペレットは1.6倍遠くに同じコスト5のためのトラックを使用して俵よりも輸送することができることを示しました。交通EFFIそれは重量によって制限されているトラックに比べて体積が限定されているので、ペレットのcienciesは、鉄道などの交通機関の他のモードで増加します。現在、ヨーロッパでは木質バイオマスから製造されたペレットは、広範囲のバイオ発電のために使用されます。カナダと米国は、欧州6に木質ペレットの主要な生産者やサプライヤーです。木質系及び草本バイオマスの両方から製造されたペレットは、熱（共燃焼、ガス化、熱分解）および生化学的変換（エタノール）アプリケーション7-9の両方のために使用することができます。

ペレットの性質（密度、耐久性）およびペレット化プロセスの特定のエネルギー消費量は、例えば、ダイ直径とペレットミルプロセス変数に依存するような原料の含水率としてダイと原料変数の直径の比速度と長さをダイおよび組成物4。両方のペレットミルプロセス変数と原料変数影響ペレットの品質およびプロセスで使用される特定のエネルギー。ダイの寸法（ すなわち 、直径に対する長さの比）は、圧縮、押出圧力に影響を与える、ダイの回転速度は、ダイ内の材料の滞留時間を制御します。水分含量が原因金型に遭遇する高い温度および圧力にバイオマス組成物成分（ すなわち 、タンパク質、デンプン、およびリグニン）と相互作用することによって重要な役割を果たしている原料の変数です。水分の存在は、それによってバイオマス粒子10との間に引力を増大させる、ファンデルワールス力を増加させます。バイオマスの影響で一般的には、より高い水分直径と横膨張による圧縮された製品の嵩密度はペレットミルまたはブリケットプレスダイ10から出るように。 、圧力を受け結合挙動に影響を与える、デンプン、タンパク質、リグニン、および他の水溶性炭水化物としてバイオマス組成物緻密化装置11におけるND温度。原料の水分、ダイ温度、及び圧力の影響を受けている一般的な合成反応の一部は、デンプン糊化、タンパク質の変性、およびリグニンのガラス転移です。一般的に、100℃以上、30％を超えるの原料の水分含量の温度、食品および動物飼料中のデンプンを糊化されますと影響硬度12のようなテクスチャー特性で。一般的に、デンプン反応が糊化、貼り付け、および老化です。これらの反応の中で、糊化は、ペレットの特性13に最も大きな影響を与えています。澱粉は、多くの場合、バインダーとして食品と非食品用途に含まれています。例えば、医薬錠剤製剤デンプンフィラー4,14として使用されます。バイオマス中のタンパク質が変性を受け、緻密化工程11で経験する高い温度および圧力に起因する複雑な結合を形成します。一般的に、より高いAバイオマス中のタンパク質のマウントは、より耐久性のペレット15,16になります。例えば、タンパク質のより高い量を有するアルファルファは、より高い原料の水分含量で耐久性のあるペレットをもたらします。バイオマス中の脂肪は11,17をペレットやブリケットの間に摩擦力と押出エネルギーを低減します。リグノセルロース系バイオマスは、植物材料中のリグニンの存在は、任意の結合剤18を追加することなく、ペレットを形成するのに役立ちます。一般的に12から16までパーセントのリグニン4,19から構成さ草本系バイオマス、と比較した場合、木質バイオマスは、より高いリグニン含量（29から33パーセント）を有しています。約10〜12％と低い供給原料の水分含有量（WB）におけるリグニンのガラス転移温度を超える140℃で20です。一方、水分含量を増加させると、ガラス転移温度21を減少させます。 Lehtikangas 22 8〜15％であるリグニンのガラス転移温度に応じて（WB）の水分含有量は、約100から135°C、BUであります> 25％（WB）の含水量を増加さtが<90℃にガラス転移温度を低下させます。

草本系バイオマスは、収穫方法および収穫時間に応じて、より高い水分含有量で入手可能です。シングルパス採取法の場合収穫物は> 30％の水分含有量（WB）23を有します。バイオマスは、典型的には、好気的に安定にするために、および保管中の乾燥物質の損失を防ぐために、約10％（WB）水分含量まで乾燥されます。 Lamers ら 24は 30％の水分含量で前処理バイオマスに両方の研削（ステージ1＆2）および乾燥のための総コストが乾燥トンだけのバイオマスを乾燥させるためには約$ 43.60 /ドライトン、約$ 15.00 /であることを示しました。バイオマスを乾燥することにより、トータル前処理エネルギーの約65％を取得し、ペレット化は、約8から9% 24を取ります。ヤンシーら 25は、乾燥バイオマスpreproceにおける主要なエネルギー消費であるという事実を裏付けていますssing。実験データとテクノ・経済分析は、効率的な水分管理がバイオマス前処理コストを削減するために重要であることが示されました。乾燥コストを減少させ、より効率的に原料の水分を管理するための一つの方法は、低温の乾燥方法で結合された高湿ペレット化プロセスを使用することです。アイダホ国立研究所で開発された高水分のペレット化工程では、バイオマスは含水量を超える28％（WB）でペレット化されます。まだ湿気の高い製造部分的に乾燥したペレットは、例えば、穀物やベルトドライヤー21と、エネルギー効率の良い乾燥機で乾燥させることができます。高湿ペレットの1つの主な利点は、それが今度結果に減少総ペレット製造コストの乾燥コストを低減するのに役立つことです。テクノ経済分析は、エネルギー、製造コストが従来のペレット化法24,26に比べて、高水分のペレット化工程を用いて、約40〜50％低減されていることが示されました。 MAJまたは低減ペレットの製造コストが原因21、約80℃以下の低温で作動粒乾燥機で160〜180°Cの高温で作動する回転式乾燥機の交換である理由。ベルトや穀物乾燥機と回転式乾燥機の交換の他の利点は次のとおりです：1）効率化、2）火災の危険性を減少させ、3）高品質の熱を必要としない、4）揮発性有機化合物（VOC）排出量を削減し、5）減少微粒子の排出量、及び6）高粘土や粘着性のバイオマス27を凝集されません。典型的に水分を追加し、バイオマス成分の一部を活性化するために使用される従来のペレットのエネルギー集約型蒸気コンディショニング工程は、短い予熱ステップに置き換えられます。このステップでは、原料の水分含有量を減少させるだけでなく、リグニンなどのバイオマス成分を活性化するのに役立ちます。ペレットダイに開発された摩擦熱はまた、約5から8までパーセント（WB）21,28によって原料の水分含有量を減らすことができます。高メートルでoistureペレット化プロセスは、ペレットミルは、バイオマスを圧縮するだけでなく、圧縮および押し出し時の水分含有量を減少させるのに役立つだけでなく、。多くの研究者は、単一の、実験室を使用して、水分含有量の広い範囲（百分の7から45、WB）で生および化学的に前処理されたバイオマスのペレットについて実験を行っている、パイロットスケールリングが死ぬと商業連続ペレット化システム10,25,29-40、 （ 都市固形廃棄物のペース、D. 2015ペレット化し、アンモニア繊維爆発（AFEX）がパイロットスケールリングダイペレットミルでトウモロコシ茎葉を前処理した。バイオ燃料部門、チーフエンジニア、バイオマス国家ユーザー施設、アイダホ国立研究所（未発表データ）） 。これらの研究者らは、ペレットの品質属性の含水量の影響を理解するために、異なる所望のレベルにバイオマス原料含水率を調整しました。

ペレット品質属性、嵩密度と耐久性は、米国によると規範的仕様ですベースのペレット燃料研究所（PFI）。しかし、欧州標準化委員会（CEN）耐久性に応じて規範と嵩密度が有益仕様41です。 > 97.5％耐久値を持つペレットは最高級とペレットとして指定されているのに対し、耐久値> 96.5％と嵩密度> 640キロ/メートル3とペレットは、PFI規格に基づいて、スーパープレミアムペレットとして指定されています。両方CENとPFI規格は直径の異なるペレットをお勧めします。 CENは以下の4倍の直径41に等しい6〜25ミリメートル、ペレットの長さから範囲の直径をお勧めします、一方、例えば、PFIは、6.35〜7.25ミリメートルの範囲の直径をお勧めします。より小さな直径のペレット（6 mm）を、それらがより高い充填密度28を有し考慮長い距離を輸送するために好ましいです。従来のペレット化プロセスでは、それをdこれらの密度の仕様を満たすように、低水分含量でバイオマスをペレット化することをお勧めしますペレット長い距離41を輸送するためesirable。 CENとPFIの両方が追加のペレットグレード41を有しています。 Tumuluru 28とTumuluruとコナー40は、アイダホ国立研究所のヘルプで開発した高水分のペレット化プロセスは異なる輸送とロジスティクスのシナリオに適してい異なる品質属性（嵩密度と耐久性）と特定のエネルギー消費量とトウモロコシ茎葉や木質ペレットを生産することが示されました。

バイオマスのペレット化の研究のほとんどは、単一のペレット化システムを用いて行きました。実験室規模での連続システムを用いて、バイオマスのデータをペレット化することは制限されます。連続ペレット化システムに関する研究は、直径に対する長さの比、ダイの回転速度などのペレット化プロセス変数の影響を理解するのに有用であると品質特性と特定のエネルギー消費量に直径が死んでしまいます。連続系でペレット化データはさらに、SCに使用することができます操縦するためのプロセスおよび商業規模のシステムをアッ​​プエール。一般的に、フラットダイペレットミルは、実験室4に木質および草本系バイオマスにペレット化研究を行うために使用されています。実験室規模フラットダイ、パイロット、および商業規模リングダイペレットミルの動作原理は似ています。これらのペレット工場の全ては、2つまたは3つのローラーとあき硬鋼ダイを持っています。金型を回転させることにより、ローラは原料に力を発揮し、高密度化ペレット4を形成するためにダイの穴を介して強制します。

任意の結合剤を添加せずに28-38％に原料水分含量（WB）におけるトウモロコシ茎葉の高湿ペレット化に関する我々の以前の研究は、より高い原料の水分含量21,28に低い耐久性値をもたらしました。それが取り扱い中のペレット（ペレットの品質の損失）の崩壊を防止するのに役立つように冷却し、乾燥後に高水分ペレットの耐久性を向上させることは、STOが重要です怒りと輸送。ペレットの崩壊は、典型的には、ペレットの生産のための罰金の生成と収益の損失をもたらします。結合剤は、典型的にはペレットの品質、特に耐久性を向上させるために、特定のエネルギー消費量を低減するためにペレット化プロセスで使用されます。ペレット化工程で一般的に使用される天然の結合剤は、タンパク質およびデンプン4,28です。タンパク質は、熱、湿気、圧力の存在下で、変性を受ける一方、デンプンは、ゼラチン化を受けます。これらの反応の両方は、低消費電力で良好な結合、より耐久性のあるペレットをもたらします。この研究の全体的な目的は、以下で（冷却後）緑の耐久性の面で優れた品質のペレットと（乾燥後）硬化した耐久性を生成するために開発し、バインダーを添加したトウモロコシ茎葉を用いた高水分のペレット化工程を実証することでした特定のエネルギー消費。研究のための具体的な目的は、1）トウモロコシ番目の高水分のペレット化を実施していました以上の異なる原料の水分含有量（33、36、及び39％、WB）およびデンプンバインダー含量（0、2、4％）で、2）物理的特性（ペレットの含水率、ペレット直径、膨張比を評価し、嵩密度そして、耐久性（緑及び硬化耐久性）、および3）は、ペレット化工程の具体的なエネルギー消費量を評価します。

Protocol

注：トウモロコシ茎葉俵は米国アイオワ州の農業の農場からの俵の形で調達されました。調達ベールは、二段階で連続して粉砕しました。ステージ1では、トウモロコシ茎葉俵は50.8 mmのスクリーンを装着した粉砕機を用いて粉砕しました。段階2では、段階1からの粉砕された材料は、さらに、4.8 mmのスクリーンを装着ブリスハンマーミルを用いて粉砕しました。材料は、水分含有量及び嵩密度について試験し、さらにペレット化試験の気密容器に保存しました。純粋なコーンスターチは、ローカル市場から調達し、水分含量および嵩密度を測定しました。粉砕トウモロコシ茎葉及びトウモロコシデンプンバインダーの水分含量および嵩密度を表1に与えられています。

表1
表1.水分含量とグランドトウモロコシ茎葉及びコーンスターチバインダーの嵩密度。

1.ペレットミル</ P>

  1. （ 図1）21,28,38ペレット化試験を実施するための10のHPモータを搭載した実験室規模のフラットダイペレットミルを使用してください。

図1
アイダホ国立研究所の実験室規模のフラットダイペレットミルの図1の回路図は、フラットダイペレットミルは、とし、バインダーを添加せずに高水分トウモロコシ茎葉ペレット化試験を実施するために使用された（Tumuluru 21から適応）。 表示するには、こちらをクリックしてください。この図の拡大版。

  1. 次に、ホッパ、スクリューフィーダの表面に可撓性加熱テープを配置し、熱損失を防ぐために、グラスウールでそれらを絶縁します。鳴っで所望の温度にバイオマスを予熱するための温度制御装置に加熱テープを接続します30から130℃の電子。
  2. 可変周波数ドライブ（VFD）でペレットミルを装備。ペレットミルモータにペレットミルのVFDを接続します。給紙モータ制御装置は、ペレットミルに供給速度を変化させる直流モータ制御装置です。
  3. 消費電力を記録するためにペレットミルモーターに電力計を接続します。手動ペレットは2.6の直径（L / D）比に直径8mmの開口部と長さで死ぬ選択します。
  4. ペレットダイから出てくる温かいペレットを冷却するために、ペレットミルに水平ペレットクーラーを追加します。新鮮な空気を循環させる排気システムにクーラーを接続します。

2.原料の準備

  1. 4.8ミリメートルのスクリーンを使用して、トウモロコシ茎葉のグランド2-3キロ取ります。トウモロコシ茎葉の水分含量（ステップ4.1参照）、嵩密度を測定する（ステップ4.3参照）（ 表2参照）。
  2. 水分含量（ステップ4.1参照）、嵩密度を測定し、純粋な（100％）トウモロコシデンプ​​ンバインダー（ステップ4.3参照）地元の市場から調達。
  3. （参照粉砕トウモロコシ茎葉にコーンスターチバインダーを追加します。 ％の結合剤の添加については、 表2）
  4. 式1を使用して33にアーストウモロコシ茎葉及びコーンスターチバインダー混合物の水分レベルを調節するために添加する水の量は、36、および39％（WB）を計算します。
    式（1） = 式（2） （1）
    注：サンプル（WB）のパーセント最終水分含有量、及びM I：のパーセント初期水分含有水の重量（g）であるwの式（1）において、W Sは、バイオマス試料の重量（g）、m個のFであります試料（WB％）。
  5. トウモロコシ茎葉/コーンスターチバインダー混合物に計算された水を追加し、実験室規模のリボンブレンダーでブレンド。
  6. 密閉容器内の水分調整後のトウモロコシ茎葉/コーンスターチミックスを保存し、に設定され、冷蔵庫に入れてください水分が平衡化させるために4~5℃です。

3.高水分ペレット化工程

  1. 冷蔵庫から出しトウモロコシ茎葉/コーンスターチミックスを取り、室温にそれを持って来るために約1-2時間室温でそのままにしておきます。
  2. ペレットミルの供給ホッパーに材料をロードします。スピードダイ60ヘルツ（380 rpm）でペレットミルを実行します。
  3. 定常状態条件でペレットを製造するためにペレットミルの供給速度を調整することにより、均一ペレットミル飼料。水平ペレットクーラーにペレットを冷却します。
  4. 個別の罰金は、6.3ミリメートルのスクリーンを用いてペレット化工程で発生します。
    注：21を冷却した後、ペレットの含水率と耐久性を測定します。
  5. 9％未満（WB）にペレットの最終的な水分含有量を減少させるために3-4時間、70℃で実験室オーブン中で冷却した高水分ペレットを乾燥させます。
    注：ペレットの水分含有量を測定し、嵩密度、及び硬膜乾燥したペレット21の性。
  6. ペレット化工程中に、コンピュータに電力データをログに記録します。
    注：33、36および39％の含水率4％のトウモロコシデンプンバインダーの添加で製造されたペレットのためのペレット化試験条件については、 表2および図2を参照してください。

表1
本研究で使用される表2.実験試験条件。

図2
異なる原料水分含量で4％のコーンスターチバインダーを用いて製造トウモロコシ茎葉ペレットの図2.写真。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

4.ペレットプロパティと特定のエネルギー消費量

注：ASABE基準42は、生の 、ペレット化材料の水分含有量、密度、耐久性およびパーセント微粉を測定するために使用しました。

  1. オーブン24時間105℃に設定した実験室で、約25-50地上のグラム、ペレット化トウモロコシ茎葉サンプルを置きます。乾燥前後の試料の重量を量ります。三連で実験を行い、式2を用いて水分量を算出します。
    式3 （2）
  2. 単一のペレットを取り、グリットユーティリティクロス付き両端を平滑化します。ノギスを使用して、ペレットの直径を測定します。式（3）28を使用してペレットの膨張比を計算します。10ペレットの直径を測定します。
    膨張比= 式4 （3）
    注：式（3）において、Dは、ペレット押出さ（mm）の直径であり、dはダイの直径（mm）です。
  3. 155ミリメートルと120ミリメートルの直径の高さとプレキシガラスシリンダーを使用してください。それはストレートエッジと上面をオーバーフローレベルまで、シリンダ内にペレットを注ぎます。材料とシリンダーを秤量します。嵩密度を計算するために、シリンダの容積によってシリンダーの重量を割ります。実験を3回繰り返します。
  4. 手は6.3ミリメートルのスクリーンを使用してペレット化した材料をふるいです。スクリーンを通過した材料を計量。式4を使用して％の罰金を計算します。
    パーセントの微粉= 式（5） ×100（4）
  5. ペレットの耐久試験機の各区画に罰金なしにペレットの約500グラムを置きます。 10分間、50回転/分でペレットをタンブル。 6.3ミリメートルのスクリーンを使用してタンブリング材料をふるいにかけます。ペレットのパーセント耐久性を計算するための式5を使用してください。
    耐久性=tp_upload / 54092 / 54092eq6.jpg "/>×100（5）
    注：グリーン耐久性は、冷却後に測定したペレットの耐久性であり、硬化した耐久性を3時間70℃で、ペレットを乾燥させた後に測定した耐久性です。
  6. データロギングソフトウェアを使用してペレットミルの電力消費量を記録します。 60 Hzのダイ速度で空のペレットミルを実行することにより、ペレットミルの無負荷電力（キロワット）のデータを記録します。特定のエネルギー消費量（SEC）を計算するために式6を使用してください。
    式（7） （6）

Representative Results

ペレット含水率

バイオマスの水分含量は、ペレット化した後、約5〜8％（WB）減少しました。この減少は、主に金型で開発摩擦熱、予熱温度および高湿度ペレットの冷却に起因します。また、バインダーは、失われた水分の量に影響を与えました。 0％のバインダーでは、水分の損失は、我々の以前の研究21,28と一致して約7〜8％でした。一方、4％の結合剤に、ペレット中の原料の水分の損失が約3~5％（ 図3）でした。バイオマスに添加するバインダーは、潤滑剤として作用している可能性があります。これは、摩擦抵抗が減少し、水分損失の減少を引き起こし、ダイチャネル内の材料の滞留時間が減少していることができます。以前の研究では、赤外線を使用してペレット化した直後に測定した温度を死にますrmometer（フルーク、モデル561、フルーク・コーポレーション、エベレット、WA、USA）は、約100から110°Cの21に達しました。水分はしっかりとデンプン粒にバインドされている場合がありますようにバインダーの割合を増やすと、水分損失を減少させました。さらに3-4時間70℃で実験室オーブン内で乾燥させた高水分ペレットは、水分含量<9％（WB）を有し、これらのペレットは、ペレットの直径、膨張比、嵩密度のような他の物理的特性を測定するために使用されましたそして、耐久性。ペレットの水分含有量データの統計分析は、原料の水分含有量とペレットの水分含有量（ 表3）のバインダ添加のインタラクティブな効果があったことを示しました。無結合剤2％結合剤とペレットについては、原料の水分含有量の増加は、ペレットの含水率の増加（テューキーのp <0.05）を引き起こしたが、この傾向は、4％の結合剤で統計的に有意ではなかった（Tukeyのp≥0.05; 図3） 。


図3 冷却した後、ペレットの水分含有量の原料の水分含有量（FMC）およびデンプン結合剤の影響（±1SD平均; n = 3）を結合剤なしで行わペレット化試験はバインダーで行った試験と比較して、より高い原料水分損失をもたらしました。異なる文字が事後TukeyのHSD検定（p <0.05）を用いて有意差を示す。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

ペレット直径

し、結合剤を添加せずに33％含水率でのペレットの直径が（データは示していない）は、冷却後に8.4から8.7まで10mmの範囲にありました。フィードを増やします追加結合剤36及び39％（WB）にタック水分含量9.3 mmで最大値にペレット直径を増加した（データは示さず）。これらのペレットは、さらに約3~4時間、70℃で実験室オーブン内で乾燥させました。乾燥は、約0.3〜0.4ミリのペレット径の減少をもたらしました。乾燥後の直径の減少の主な理由は、ペレットの収縮によるものでした。 （ 表3）乾燥後のペレット径の原料の水分含量及びバインダーの添加の間の相互作用の統計的に有意な効果がありました。 33％の原料の水分含量に乾燥後のペレット径が36％または39％に原料の水分含有量を増加させるのに対し、約8.7ミリメートル（ 図4）にペレットの直径の増加、8.3〜8.5ミリメートルの範囲でした。何のバインダーがあるため、測定で高い偏差の（TukeyのP <0.05）、おそらく使用しなかった場合は、この増加はわずか33％と39％の間で統計的に有意でした。 図4
図4乾燥後、ペレット径の原料の水分含有量（FMC）およびトウモロコシデンプン結合剤の効果（平均±1SDであり; n = 10）原料の含水量およびデンプン添加の増加に伴って増加したペレットの直径。異なる文字が事後TukeyのHSD検定（p <0.05）を用いて有意差を示す。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

膨張比

膨張比は、ペレットの直径（式3）を用いて計算されます。膨張比の値は、乾燥後に比べ冷却した後、ペレットのために高かった（データは示さず）。なく、33％の水分含量で結合剤の添加は、冷却後の膨張率の値が1.16から1.20の範囲でした。さらに結合剤を添加せずに36および39％の水分含有量を増加させると、1.35に膨張比値を増加させました。乾燥したペレットは、主に両方の直径および横方向にペレットの収縮に起因した低い膨張率を、持っていました。 33％の原料の水分含量で有するとバインダーを添加せずに膨張比の値は1.11から1.07（ 図5）の範囲でした。 36および39％の原料の水分含有量を増加させることをさらに1.10から1.18（ 図5）に膨張比値を増加させ、しかしながら、これは、バインダー添加（; 表3 TukeyのP <0.05）で39％の水分含有量と比較して33％のみ統計的に有意でした。ペレットの直径と膨張比の場合には、デンプンベースの結合剤を添加して原料の水分含有量のすべてにこれらの値を増加したが、これらの差は統計的ではなかったです重要な（Tukeyのp≥0.05）。乾燥後の膨張率の結果が増加原料水分が膨張比を増加し、さらに嵩密度28値の減少以前の研究の結果を裏付けます。

図5
図5. 乾燥後のペレットの膨張比で原料水分含量（FMC）およびデンプンベースの結合剤の効果（N = 10）。ペレットの膨張率は、バインダーの添加なしとで原料の水分含有量の増加とともに増加しました。異なる文字が事後TukeyのHSD検定（p <0.05）を用いて有意差を示す。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

バルクデンsity

冷却後とし、結合剤なしの33％の原料の水分含量で製造し、測定されたペレットの嵩密度は四百六十四から五百十四kg /日M 3の範囲であった（データは示さず）。 36に39％原料の含水率バインダーなし、嵩密度の値が437-442 kg /日M 3の範囲でした。 <400キロ/メートル3に、嵩密度低減し、これらの原料の水分含量でバインダーを追加します。約3時間70℃で実験室オーブン中、高水分ペレットの乾燥は9％未満（WB）に、ペレットの水分含有量を減少させました。乾燥後約50キロ/ m 3のことで嵩密度値のわずかな増加がありました。乾燥後の嵩密度の増加は、近いあまり開いた構造を有する粒子を保持しているかもしれない少数の粒子間の液体ブリッジ、である可能性があります。 Oginni 44は、観察された地上テーダマツドの嵩密度水分含有量の増加に伴って折り目。し、結合剤を添加せず33％の原料の水分含量で作らペレットは、ペレットの嵩密度は、520-530 kg /日M 3（ 図6）の範囲でした。 36と39％の高い原料含水率（WB）では、乾燥したペレットの嵩密度は著しく、それぞれ、<434キロ/ m 3で<437キロ/ mの3に減少しました。原料の含水量及び嵩密度（ 表3）のバインダの添加の間の相互作用の統計的に有意な効果がありました。一般に、嵩密度は、原料の水分含量を開始の増加とともに減少しました。また、かさ密度は、デンプン含量が増加した （ 図6）で減少することをいくつかの兆候があります。

図6
図6. Efに乾燥後、ペレットの嵩密度の原料水分含量（FMC）およびデンプンバインダーのfectが（±1SD平均; n = 3）を33％（WB）及び無バインダーの低い原料の含水率が最も高い嵩密度をもたらしました。異なる原料の水分含量で2,4％のバインダーを添加すると、より低い嵩密度の値が得られました。異なる文字が事後TukeyのHSD検定（p <0.05）を用いて有意差を示す。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

耐久性（％）

冷却した後、

グリーン耐久性

図7は、冷却した後、ペレットの耐久性（グラムを示していますREEN強度）と3-4時間（硬化強度）を70℃のオーブン中で乾燥した後。それが原因で、せん断および衝撃抵抗に取扱い及び保管中に以下の破損につながるような高水分ペレットの高い耐久値が望ましいです。 ANOVAは、相互作用は、原料の水分含有量は、バインダーパーセント、乾燥した（ 表3）の間に有意でした。バインダーの含有量の増加に伴って増加し、冷却後にペレットの耐久性値（ 表3; TukeyのP <0.05）。 33％（WB）原料の水分含有量で、結合剤なしの耐久性値は約87.2％でした。 2及び4％のデンプン結合剤を添加して、耐久性値が93.2と96.1％（ 図7）に増加し、一方。傾向は、36および39％（WB）の他の原料の水分含量について同様でした。バインダーなしで耐久性の値は約80％でした。しかし、バイオマスにバインダーを添加して耐久値を増加させました。耐久INCRペレットを36％の原料の含水率4％のデンプン結合剤を用いて行われた場合、約90％まで緩和。 39％のさらに高い原料の水分含有量（WB）における傾向は同様であったが、全体的な耐久性の値は、他の原料の水分含量に比べ減少しました。

図7
図7.冷却した後、乾燥後の耐久性に原料の水分含有量（FMC）およびデンプン結合剤の影響（±1SDを意味し; n = 3）で 33、36および39％で製造された高水分トウモロコシ茎葉ペレットの耐久値（WB）。原料の含水量は、冷却した後、乾燥した後、両方のバインダーを添加して増加しました。異なる文字は事後TukeyのHSD検定（p <0.05）を用いて有意差を示す。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 </ P>

乾燥した後、

硬化耐久性

3-4時間、70℃の実験室オーブン中、高水分ペレットの乾燥により、ペレットの耐久性を増加させる、ペレットの硬化をもたらしました。 33、36および39％（WB）原料の水分含量で行わペレットの耐久性値（ 図7）> 92％に増加しました。 33％の原料の水分含量で耐久性の値は、（ 図7）を乾燥した後約98％に上昇しました。これらの結果は、以前の仕事21,28と密接に一致しています。結合剤を用いて作製ペレットの耐久性値（テューキーのp <0.05）を乾燥した後に増加しました。 33％の原料の含水率4％の結合剤で、観察された最終的な耐久性の値は約98％でした。傾向は、36と39％の原料で類似していました結合剤は、耐久性値にプラスの影響を有していた水分含有量、（TukeyのP <0.05）。 2及び4％の結合剤を添加した39％の原料の水分含量で、耐久性の値は、約94-95％に上昇しました。

パーセントの罰金

本研究では、ペレット化の際に生成されたパーセント微粉が33％（WB）原料の水分含有量と比較して36と39％（WB）で高かったです。バインダーを追加すると、ノーバインダー添加（ 図8）を用いた試験と比較した場合、すべての原料の水分含量で生成されたパーセントの罰金を下げることになりました。無結合剤を用いて実施ペレット化試験は、（WB）39％にて原料の水分含量を約11％の最高のパーセント微粉を示しました。トウモロコシ茎葉に2と4％のバインダーを加え、33％および36％ないバインダーが添加されていないペレットと比較して（WB）のためにペレット化の間に生成％の罰金を減少させました。 T本研究で観察された彼の最低パーセントの微粉を4％の結合剤を添加し、33％（WB）原料の水分含量（約10％）でした。

図8
ペレット化した材料から製造されたパーセントの罰金に原料の水分含量およびデンプンバインダーの 図8. 影響。33、36および39％（WB）バインダーの添加の原料水分含有量では、ペレット化材料のパーセントの罰金を削減しました。 こちらをクリックしてくださいこの図の拡大版を表示します。

エネルギー原単位

特定のエネルギー消費量は、バインダー添加（ 図9）の影響を受けていました。ノーバインダーと、特定のエン33、36、および39％、原料の水分含量でネルギーは118から126 kWhr /トンの間でした。 2％のバインダーを添加して約75から94 kWhr /トンに特定のエネルギー消費量を減少させました。さらに4％とバインダーの割合を増加させることをさらに試験したすべての原料の水分含有量を約68-75 kWhr /トンに特定のエネルギー消費量を減少させました。 2及び4％の結合剤を添加することは、約20〜40％によって、特定のエネルギー消費量を減少させました。

図9
高水分のペレット化プロセスの特定のエネルギー消費量の原料の水分含量およびデンプンバインダーの図9の効果。高水分トウモロコシ茎葉ペレット化処理の具体的なエネルギー消費は、2及び4％のデンプンを添加して約20〜40％減少しました系バインダー。 大きい版？を表示するには、こちらをクリックしてください。この図のn個。

統計分析

統計分析は、JMP 10 43で完了した。双方向ANOVAはペレットの水分含有量の原料の水分含有量（33、36、39％）およびトウモロコシデンプンバインダー（0、2、4％）の効果を決定するために使用した（nは= 3）、ペレットの直径（N = 10）、膨張比（N = 10）、および嵩密度（N = 3）。三方ANOVAは（n = 3の耐久性の（乾燥した後、乾燥前）の水分含有量（33、36、39％）、コーンスターチバインダー（0、2、4％）、および乾燥の効果を決定するために使用されました）。残差は正規性と分散の均一性のためにANOVAの仮定に会いました。これらの仮定を満たすために、ペレットの含水率は、4 乗にデータを上昇させることにより形質転換しました。 ANOVAにおいて試験因子はP <0.05で有意であった場合には、テューキーHSD検定を事後対比較のために使用しました。

1 ">：" =キープtogether.within-ページFO」10トン表3
表3分散分析（ANOVA）に基づいて、プロセス変数の統計的有意性。

Discussion

低い比エネルギー消費量で所望の耐久性でペレットを製造するために高水分のペレット化方法における重要なステップは次のとおりです。1）は、所望の水分レベル（33から39までパーセント、WBに高水分トウモロコシ茎葉を乾燥させる）、2）％のバインダー添加および3）ペレットミルに均一に高水分バイオマスを供給する。原料の水分およびパーセント結合剤は、ペレットの特性（冷却前と乾燥後のペレットの密度および耐久性）およびペレット化工程の具体的なエネルギー消費に影響を与えたプロセス変数です。ペレット化研究のために使用される前に、原料の水分含有量をテストすることが推奨されます。ペレットミルに33、36および39％で、高水分トウモロコシ茎葉の給餌（WB）均一の品質とエネルギー消費に影響を与えます。可変周波数ドライブとペレットミルフィーダを変更すると、ペレットミルに均一にバイオマスを供給することが不可欠でした。

からの結果本研究は、高水分トウモロコシ茎葉にバインダーを添加すると、わずかにペレットの嵩密度を減少させたことが示されたが、大幅に耐久性を改善しました。デンプンベースの結合剤を添加して圧縮し、押出後のペレット中の水分量を増加させ、その増加は、ほとんどすべての場合を検討中で、統計的に有意ではないことがわかりました。それは（WB、7〜8％）より高かったのに対し、ペレット中の水分の損失は、バインダーなし、4％の結合剤の添加で約3~4％でした。トウモロコシ茎葉にバインダーを加え1を持っているかもしれないが）金型に材料の滞留時間を減少させ、2）それによって、圧縮時に少ない水分損失をもたらした可能性があるダイ温度を低減、金型内に摩擦抵抗を減少させましたペレットダイで押し出し。

それはペレットダイから押し出し、（ 図4）で乾燥させた後、ペレットの直径の増加がありました。この増加は素晴らしかったです高い原料の水分含量で及びデンプン結合剤を添加した小胞体。ペレットの嵩密度は33％で、510〜530 kg /日M 3とし、バインダーなし（WB）原料の水分含有量の範囲でした。これまでの研究では、主に死ぬ21,28を介して、彼らの出口としてペレットの拡大に、低い嵩密度では約38％（WB）の結果の高い原料の水分含有量を示しました。高湿バイオマス材料は、圧力下で、ダイを通して押出されるとき、それは水分フラッシュオフ12,21が生じるのが一般的な現象です。水分フラッシュオフは、軸方向および径方向の両方において、ペレットの拡大への道を提供します。一般的に、拡径は、軸方向の膨張と比較してより顕著です。ペレットダイを通して圧縮し、押し出し後のバイオマスの膨張挙動のもう一つの理由は、バイオマス繊維が水分量の存在下でリラックスしている可能性があります。・ヌディエマ・ら 45とマニら 18は、圧縮されたバイオマスの緩和におけるダイ結果に適用される圧力の放出を示しました。緩和特性は、粒子サイズ、原料の水分含有量と印加圧力のような多くの要因に依存します。また、本研究では、原因近い粒子を維持し、あまり開放的な構造を生産しているかもしれない少数の粒子間の液体ブリッジになる可能性があり、乾燥した後、嵩密度が高くなることを観察しました。 Oginni 45は接地テーダマツ松の嵩密度が増加した水分量で減少することを観察しました。

ペレットの耐久性は、ペレットの強度を理解するために測定されました。一般的に、ペレットは貯蔵、輸送、および処理プロセス4,46の間に抵抗を剪断し、衝撃に対象となります。 Kaliyanとモーリー47が生産（グリーン強度）の直後に製造されたペレットの耐久性がデュよりも異なっていることが示唆されました生産（硬化強度）後数日間保存されたペレットのrability。下の耐久値を持つペレットが壊れると、このようなオフガスペレットメーカーの収益の損失を引き起こす可能性があり、自然発火などのストレージの問題のリスクを高めます。欧州標準化委員会（CEN）と米国ペレット燃料研究所（PFI）によると、耐久性の推奨値は、高品質、高級グレードのペレット31> 96.5％です。乾燥後に83-85％の範囲内で耐久性値を有していないバインダーで作られたペレットと比較して39％の水分含有量でデンプンバインダーをペレット化したときに、この研究では、耐久性の値は、約94-95％に増加しました。 33％（WB）原料の水分含量で製造されたペレットは、> 96.5％の耐久値を有しており、国際基準を満たしています。

間の1）固体架橋形成：湿気には、バイオマスペレット中に異なる機能を持っていますバイオマス粒子によるファンデルワールス力、2）のようなテクスチャー特性に強い影響を与えるゼラチン化及び変性などに基づく反応を、バイオマス中のタンパク質、デンプンおよびリグニンの存在のような天然の結合剤を活性化し、そして3）デンプンおよびタンパク質を促進します硬度4-12。 4リグノセルロース系バイオマスの場合、主結合剤は、リグニン（：百分の27から33まで、草本系バイオマス12から16%木質バイオマス）です。トウモロコシ茎葉中のリグニン含量は、文献情報源と原料のデータベース48を含む組成データの検討に基づいて、周りの16％を平均することにしました。高い含水量でも高い移動度を有する接着剤として作用し、より強力な結合をもたらすリグニン分子。しかし、非常に高いレベルで水分がより少ない結合が得られた潤滑剤のように動作します。本研究では、約39％と非常に高い水分含量で（WB）の水分がより潤滑油のように行動した可能性があり、耐久性が低い（a）で得られましたペレットの製造工程中のNdより微粉の生成。高い耐久性の値は、ダイ温度と原料の水分含有量の存在下での澱粉のゼラチン化が原因である可能性があり36及び39％（WB）の高い原料の水分含有量でバインダーを添加することによって観察しました。これらのゲル化反応は、他のバイオマス成分とデンプンの架橋の形成につながることができます。

ペレット化工程中に生成パーセントの罰金は、ペレットを形成する方法もバイオマスのための良好な指標です。ペレット化工程中の微粒子の生成は、ペレットの生産者に製品や収益の損失をもたらします。ペレット化工程中の過度の罰金世代はまた、密度や耐久性などの品質特性に影響を与える可能性があります。ペレットの製造工程中の微粉の生成は、バイオマス組成物（ すなわち 、デンプン、タンパク質、リグニン、及びワックス）、ペレットミルプロセス変数によって影響されます<EM>すなわち、直径比（L / D比）の長さ、回転速度、蒸気状態、予熱）のダイ、及び原料変数（ すなわち 、原料の水分含有量、粒子サイズ及び送り速度）4。本結果は、結合剤の添加は、生成された微粒子の割合を減少させるだけでなく、特定のエネルギー消費を低減しつつ、物理的特性を改善するのに役立つだけでなくことを示しています。生成された低いパーセントの罰金は、バイオマスが大きいpelletabilityを持っていることを示しています。

商品型産物へバイオマスを作るのに適した高密度化システム上でのレビューでTumuluru ら 4は、結合剤を添加すると、特定のエネルギー消費量を減少させることになる押出エネルギーを減少させるのに役立つことが示されました。典型的には、直径（L / D）比の長さは、ダイ内の材料の滞留時間を制御し、バイオマスの結​​合を助けます。また、L / D比は、押出エネルギーと特異制御を行いますFICのエネルギー消費。より高いL / D比は、ペレットの物性を向上させる滞留時間を増加させるが、押出しに必要なエネルギーを増加させます。バイオマスにバインダーを添加して低いL / D比でバイオマスに結合支援押出エネルギーを減少させることができます。本研究では、一定の長さ（2.6）の直径（L / D）の比を選択しました。今後の研究は、L / Dペレットダイの比、ペレット品質属性の原料水分との相互作用の影響を理解することを目的とします。

INLおよび関連テクノ・経済分析に位置バイオマスナショナル・ユーザー・ファシリティ（https://www.inl.gov/bfnuf/）から得られたバイオマスの前処理（研削、乾燥、ペレット化）に関する実験データから、バイオマスを乾燥させることが示されました30- （WB）10％は、大量のエネルギー（未発表データ）を消費します。 INLで開発された高水分ペレット化工程は、従来のペレットに比べてペレット製造コストを削減することができます製造方法24。本研究は、高水分のペレット化プロセスにデンプン系結合剤を添加すると36および39％（WB）の原料の水分含量で冷却した後に> 92％のペレットの耐久性を向上させることが示され、それはまた、特定のエネルギーを低減し約20から40パーセントによってペレット化工程の消費。彼らはコンベアによって効率的に処理することができ、より高い原料の水分で行われたペレットの大きい耐久値が重要です。典型的には、低耐久性ペレットは、ペレットの生産のための収益の損失をもたらす、取り扱いや保管の際に罰金に崩れます。また、処理で生成微粉は自然発火等とオフガス28,41安全上の問題をもたらすことができます。バインダーのコストを上回るバインダーを用いて、約20から40までパーセントによって特定のエネルギー削減。また、この研究に基づいて、我々は、食品加工産業からの副産物の一部は、バイオマスペレット化のために使用することができると結論付けることができますバイオエネルギーのアプリケーションに最適です。現在、高水分のペレット化プロセスは、実験室規模のフラットダイペレットミルを用いて実証されました。実験室規模のペレットミルのためにここで説明するプロトコルは、スケールアップモデルを開発するためのパイロット規模かつ商業規模のペレット工場でプロセスをテストするための基礎となります。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Flat die pellet mill Colorado Mill Equipment, Canon City, CO, USA ECO-10 pellet mill
Heating tapes BriskHeat, Columbus, OH, USA Silicon Rubber Heater, Etched foil elements
Thermocouples Watlow, Burnaby, BC, Canada J-type
Variable frequency drive Schneider Electric, Palatine, IL, USA Altivar 71
Pellet cooler Colorado Mill Equipment, Canon City, CO, USA CME ECO-HC6 
Data logging software National Instruments Corporation, Austin, TX, USA Labview software
Durability tester Seedburo Equipment Co., Des Plaines, IL, USA Pellet durability tester
Hammer mill  Bliss Industries  CME ECO-HC6 
Grinder Vermeer HG200
Horizontal mixer Colorado Mill Equipment, Canon City, CO, USA ECO-RB 500
Blue grit utilty cloth 3M Part No.05107-150J grade
Insulation materail McMaster Carr Flexible fiberglass insulation
Feeder controller KB Electornics, INC KBIC-DC-MTR direct current motor controller
Dust exhaust system Delta Model No: 50-763, Serial No: 2010 11OI1415
Vernier calipers VWR® Digital Calipers Part Number: 12777-830
Binder ACH Food Companies Inc., Memphis, TN, USA ARGO 100% pure corn starch
Corn stover Harvested in Iowa and procurred in bale form

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環境科学、問題112、トウモロコシ茎葉、高水分ペレット化、プロセス変数、澱粉バインダー、ペレットの特性、特定のエネルギー消費量
フラットダイペレットミルで高水分トウモロコシ茎葉及びコーンスターチバインダーを使用した低電力消費で耐久性に優れたペレットを製造するための方法
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Tumuluru, J. S., Conner, C. C.,… More

Tumuluru, J. S., Conner, C. C., Hoover, A. N. Method to Produce Durable Pellets at Lower Energy Consumption Using High Moisture Corn Stover and a Corn Starch Binder in a Flat Die Pellet Mill. J. Vis. Exp. (112), e54092, doi:10.3791/54092 (2016).

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