Una novela de estado sólido (UAS) reactor anaeróbico de flujo ascendente se utilizó para la producción de biogás a partir de materia prima fibrosa. Lodos de digestión del reactor UAS se carboniza hidrotermal en HTC biochar en un reactor discontinuo a presión. La integración de los dos conceptos de bioenergía se aplicó en este estudio para aumentar la producción global de la bioenergía.
La biomasa lignocelulósica es uno de los más abundantes recursos de energía renovable aún subutilizadas. Tanto la digestión anaerobia (DA) y la carbonización hidrotermal (HTC) son prometedoras tecnologías para la producción de bioenergía a partir de biomasa en términos de biogás y biochar HTC, respectivamente. En este estudio, se propone la combinación de AD y HTC para aumentar la producción global de la bioenergía. La paja de trigo fue digerido anaeróbicamente en una novela de flujo ascendente del reactor anaeróbico de estado sólido (UAS) en ambos (55 ° C) condiciones mesófilas (37 ° C) y termófilas. Wet digerido de termófilo AD fue carbonizado hidrotérmicamente a 230 ° C durante 6 horas para la producción de biochar HTC. A temperatura termófila, el sistema UAS produce un promedio de 165 L de CH4 / kg VS (VS: sólidos volátiles) y 121 L de CH4 / kg SV en AD mesófila sobre el funcionamiento continuo de 200 días. Mientras tanto, 43,4 g de biochar HTC con 29.6 MJ / kg dry_biochar era obtained de HTC de 1 kg digestato (base seca) de AD mesófilos. La combinación de la EA y HTC, en este conjunto particular de experimento dió 13,2 MJ de energía por 1 kg de paja de trigo seco, que es al menos 20% más alta que HTC solo y 60,2% más alta que sólo AD.
Encontrar fuentes de energía renovables y sostenibles son las principales preocupaciones en el sector de la energía mundial. Recientemente, la ONU informó que hasta el 77% de la energía mundial en 2050 se espera que a partir de fuentes renovables 1. La biomasa lignocelulósica, como la paja, hierbas, cáscaras de arroz, mazorcas de maíz no tienen conflictos con la comida frente a problema de combustible. Por otra parte, la biomasa es, probablemente, la única fuente de energía renovable con el carbono estructural, en comparación con otras fuentes de energía renovables como la eólica, solar y agua 2. Sin embargo, las características de manejo, menor densidad aparente, contenido de ceniza de alta y un menor contenido de energía dificultan el uso de la biomasa lignocelulósica para la producción de energía 2.
La digestión anaeróbica (AD) es uno de los principales ejemplos de la producción de bioenergía a partir de biomasa de residuos. 3 En general, hay cuatro pasos de degradación involucrar en la digestión anaeróbica, como se muestra en la Figura 1 4 </sup>. En primera tres pasos consecutivos, los polisacáridos de la biomasa se convierten en ácidos orgánicos. En el paso final, los organismos metanogénicas producen biometano. AD tradicional es un proceso que consume energía y tiempo. La agitación continua reduce la economía general de la EA, sobre todo para la EA de la biomasa lignocelulósica. Una novela de flujo ascendente anaerobio de estado sólido (UAS) reactor tiene el potencial de superar las deficiencias indicadas (Figura 2) 4. Espontáneas separaciones sólido-líquido es una de las ventajas significativas de los UAS, ya que el diseñado facilita biogás burbujas para levantar residuos sólidos sin reaccionar hacia arriba 5. Esto elimina el uso de agitador y por lo tanto reduce el consumo de energía en el lugar. Por otra parte, la circulación de líquido asegura la distribución de los microorganismos y metabolitos todo el reactor, así 5. En comparación con los biocombustibles sólidos, biogás es más fácil de manejar, y deja poco o ningún residuo. De hecho, la densidad de energía específicade biogás es varias veces mayor biomasa en bruto 4. Sin embargo, AD favorece polisacáridos simples como almidón, ácidos grasos, y la hemicelulosa 1. Como resultado, la celulosa y lignina, mayor porción de la biomasa lignocelulósica fibrosos como paja de trigo, permanece como un digestato sólido después de AD 5. Aunque, la producción de biogás varía de la carga de alimentación, tipo de microorganismos, temperatura de reacción, y tiempo de reacción, se produce por lo general una gran cantidad de digestato.
Aunque biogás se utilizan para la energía, lodos (hasta 90% de agua) se almacenan normalmente en una fermentación residuo-depósito para recoger las emisiones de metano restantes. Posteriormente éstas se secan y se extienden sobre la tierra de cultivo para mejorar la fertilidad del suelo y la capacidad de retención de agua. Alto contenido inorgánico menudo dificultan digestato directamente como combustible, ya que grandes cantidades de escoria podrían corroer el equipo 6. La carbonización hidrotermal (HTC) es un proceso de tratamiento termoquímico especialmente diseñado para mojado. materia prima, donde la biomasa (con un 80-90% de agua) se calienta hasta 200-260 ° C a la presión de saturación de agua y mantener durante 0,5-6 h (Figura 3) 7,8 subcrítico de agua tiene el máximo producto iónico a 200 – 260 ° C, lo que significa agua en estas condiciones es reactivo y se comporta como un ácido suave y una base suave simultáneamente 9. La hemicelulosa, junto con otros extractivos, degrada alrededor de 180-200 ° C, mientras que la celulosa reacciona alrededor de 220-230 ° C, y lignina reacciona a temperatura relativamente más alta (> 250 º C), pero mucho más lento que la celulosa y la hemicelulosa 10. Debido a la deshidratación y descarboxilación significativa, los resultados de HTC llamado HTC producto sólido biochar, con rendimiento másico (HTC seco biochar / alimento seco) de 40 a 80%, el licor que contiene ácidos carboxílicos, derivados de furano, sustancias fenólicas, y monómeros de azúcar y 5 – 10% de CO 2 rica producto gaseoso 11. Durante HTC, de oxígeno que contiene sustancias volátiles son significativamentereducido y por lo tanto dejar un sólido rico en carbono. Biochar HTC también es estable, hidrofóbico, y friable en comparación con 12,13 materia prima húmeda crudo. Debido a sus características hidrofóbicas, dewateribility de HTC biochar incrementa varias veces en comparación con el digestato crudo o incluso la biomasa cruda. 14-18 Por otra parte, el biochar HTC tiene valores similares de combustible a carbón lignito 16,17. Sin embargo, la celulosa y la lignina se degradan parcialmente en el medio ambiente de HTC 18.
Ahora hemicelulosa y la celulosa de la biomasa contribuyen a biogás en AD, mientras que la celulosa y la lignina contribuyen mayormente a HTC biochar sólido 4,5. Por lo tanto, la combinación de Ad-HTC potencialmente puede aumentar el rendimiento global de la bioenergía. Hoffmann et al. Simularon una combinación similar pero utilizando AD y HTL (licuefacción hidrotérmica) en lugar de AD-HTC 19. HTL es un método común de la licuefacción de fracción de biomasa y producto líquido tiene un alto valor de combustible [43,1 MJ / kg]. Sin embargo, HTL requires muy alta presión (250 bar) en comparación con HTC (10-50 bar), lo que implica un alto costo de instalación y operación de HTC. Una vez más, la secuencia de combinación de AD y HTC puede ser cuestionada como Wirth et al. AD informó recientemente de líquido de proceso HTC 20. Sin embargo, un anuncio eficaz depende de la concentración de azúcar en las materias primas. Azúcares en líquido de proceso HTC, producidos durante la hidrólisis, a menudo se degradan rápidamente en agua subcrítica. Es por eso que antes de AD HTC es más favorable en términos de la bioenergía. Sin embargo, AD de líquido de proceso HTC puede producir bioenergía adicional, en cuyo caso, la secuencia de combinación sería AD-HTC-AD.
El objetivo del trabajo fue evaluar la integración de los procesos antidumping y HTC para la producción de bioenergía (Figura 3). El potencial de producción de biogás para la EA termófilas y mesófilas del reactor UAS se evaluó en una operación continua de más de 200 días. Posteriormente, la producción de biochar HTC fTambién se estudió el digestato rom. Se realizó el balance de masa y energía del AD-HTC en cascada hacia fuera y se compara con los procesos individuales.
Reactores UAS son capaces de mitigar las deficiencias discutidas en la introducción. Sin embargo, hay mucho margen de mejora. Sistema de alimentación y la retirada de digestato son todavía manual. El sistema de los UAS se enfrenta a problemas de manipulación de materias primas de más de 60 mm. El sistema funciona mejor con materias primas fibrosas ya que flotan a través del líquido, pero otras materias primas como el estiércol y lodos podría no favorecer el sistema UAS. El sistema de UAS está diseñado de tal manera que el licor de proceso circula desde el reactor a AF al reactor de nuevo. Sin embargo, incluso un 2-5% sólido en el líquido circulante fue demostrado ser problemático, ya que se depositan en el AF o bloquean la entrada de la tubería y dificultan la circulación de líquido. El análisis químico del líquido de proceso es importante, como la producción de ácidos grasos libres y de nitrógeno puede cambiar el sistema microbiana que resulta en la producción de biogás no característica. El sistema de los UAS es robusto, y se puede ejecutar más de 200 días sin mostrar ningún significant problemas. Los tubos de conexión de las bombas de los reactores a las aflatoxinas deben ser reemplazados cada mes alternativo. El nivel del agua en el baño de agua necesita ser comprobada de forma semanal y rellenar si es necesario.
HTC de digestato húmeda es muy eficaz para el tratamiento de residuos, así como la producción de biocombustibles sólidos. El dewateribility del producto sólido también se verá facilitado por el proceso HTC como se muestra en la Figura 7. Sin embargo, HTC del digestato se debe realizar lo antes posible, preferiblemente el mismo día en que se retira el digestato. De lo contrario, la digestión empieza degradar biológicamente, que no es favorable para HTC. Como HTC es una alta temperatura (200-260 ° C) y alta presión de proceso (20-50 bar), tomar las precauciones necesarias durante todo el procedimiento de HTC es muy importante. Todas las conexiones se comprueban al menos una vez al mes para asegurarse de que son los gases. Líquido de proceso HTC tiene una mayor concentración de furfural, 5-HMF, y co fenólicompounds, que están clasificados como tóxicos. Por lo tanto, se recomienda utilizar una máscara de cara y guantes durante la manipulación de líquido de proceso HTC, especialmente cuando licor de proceso HTC es drenado desde el recipiente del reactor a otro contenedor. Aunque HTC tiene muchas ventajas para el manejo de la materia prima en húmedo como digestato, todavía es un proceso por lotes. En una evaluación económica, el proceso por lotes HTC va a ser difícil de justificar. Más investigación es por lo tanto necesaria para facilitar la operación continua de HTC.
Análisis elemental es un método eficaz para sustratos sólidos homogéneos, pero no para sustratos heterogéneos. Como biocombustible sólido suele ser heterogénea y elemental analizador sólo permite 5-10 mg de tamaño de la muestra, se recomienda realizar al menos tres repeticiones y un uso promedio. Otra limitación de análisis elemental es la medición de sustratos sólidos con alto contenido de cenizas. Analizadores elementales sólo miden chons, y no hay otros compuestos inorgánicos. Así, el análisis elemental de sustratos sólidos alta de ceniza podría no reveal las concentraciones chons reales. Preparación de la muestra para el análisis elemental es vital, ya que la muestra tiene que ser envuelta, precisamente, de lo contrario, habrá una falta de coherencia en los análisis. Valor de combustible del combustible sólido puede estimarse a partir de chons, pero se recomienda utilizar un calorímetro de bomba para la determinación del valor preciso de combustible.
Acerca de 92-161 L de metano fue producido por kilogramo de sólidos volátiles en la alimentación. El total de sólidos o sólidos orgánicos volátiles de la paja de trigo seco fue 86,9%. Digestato seco tiene menor concentración de oxígeno y el hidrógeno atómico, que es otro indicio de degradación de polisacáridos y la degradación sencilla de azúcar durante la digestión anaerobia 22,23. Por otra parte, inferior H, y O concentraciones aumentan el HHV del digestato 24. HHV del digestato seco es 22% superior a la materia prima cruda seca. Los resultados similares se obtienen con un análisis estadístico detallado por Pohl et al 23.
De lodos procedentes de la digestión anaeróbica contiene un 80-90% de agua 6. Estos son hidrófilos y el agua está parcialmente consolidadas en las células microbianas o de plantas. Como resultado de deshidratación o secado de lodos ya es complicado y requiere mucha energía. Por ejemplo, 2 kg de digestato seco une 8 kg de agua (80% de humedad), lo que requiere 20,7 MJ de calor para secar digestato. Por otra parte, tiende a bio-degradan relativamente rápido en las condiciones ambientales, pierde nutrientes de las plantas, y libera de GEI (gases de efecto invernadero) tales como N 2 O y CH 4. Así, a pesar de un mayor potencial de energía, digestato fresco no se puede utilizar directamente como combustible sólido. Se tendría que ser secado después de la digestión 20.
De la Tabla 1, se puede demostrar que el digestato seco tiene un contenido de carbono atómico similar a la paja en bruto, y son visualmente similares antes y después de la digestión anaerobia (Figura 6). Esto sugiere que la lignina y la celulosa de la lignina con incrustacionesson en su mayoría sin reaccionar. Sin embargo, un rendimiento másico del 63% observada, es decir, la paja procesada es 37% más ligero que la paja cruda seca. Concentración de carbono elemental similares significa que no hay carbonización se produjo durante la digestión anaerobia 22. Como se muestra en la Figura 7, el biocarbón HTC de digestato (termófila) es muy estable y suave. Debido al aumento significativo en la hidrofobicidad, se puede sumergir literalmente en el agua durante meses sin su estructura física y química ser afectado 12,25. La hidrofobicidad también mejora la deshidratación de HTC biocarbón 14. Estructura de la paja no es discernible en el biocarbón HTC más, lo que significa que la celulosa se podría haber reaccionado. Un carbonización significativa se observa en biocarbón HTC junto con la reducción de oxígeno atómico. Esta es otra indicación de celulosa se hace reaccionar en lugar de lignina. Concentración de carbono Atómica en lignina es mucho mayor que la de la celulosa 24-29. Como resultado, HTC Biochar tiene un HHV de 29,6 MJ / kg, que son 61% más que la paja en bruto y el 32% más alto que el digestato seco, respectivamente.
HHV de paja de procesado HTC es 28,8 MJ / kg, que es también similar a la de HTC procesado digestato paja (29,6 MJ / kg). Sin embargo, la producción en masa es un 40,7% mayor en paja de HTC que la de digestato de HTC con la comparación de la materia prima en bruto. Como resultado, si 1 kg de paja en bruto (18,4 MJ) se carboniza hidrotérmicamente, biocarbón paja HTC tendrá el potencial de 11,0 MJ. De lo contrario, si es la misma cantidad se aplica a AD y HTC, un total de bioenergía 13,2 MJ, en las formas de biometano (5,2 MJ) y el biochar HTC de digestato (8,0 MJ), puede ser producida (Figura 8). Además, la fase líquida del proceso de UAS es un potencial fertilizante líquido. Por otra parte, HTC biochar podría tener un mayor potencial en el uso de materiales de alto valor o el uso como enmienda del suelo. Para el punto de vista de la captura de carbono o el ciclo del carbono, el uso de materiales de HTC biochar es más factible que la producción de energía. </ P>
La digestión anaerobia combinada con la carbonización hidrotermal puede rendir más de bioenergía de los procesos individuales. Sin embargo, se necesita un diseño en cascada para una mejor eficiencia. El balance energético global, seguido por una evaluación económica, se requiere para validar este proceso. La investigación futura debe incluir el uso de licor HTC y post-tratamiento (químico o biológico) de HTC biochar. Además, será necesaria la automatización de tanto los UAS y sistemas de HTC. Este estudio fue realizado en el uso de un UAS a escala de laboratorio y el reactor de HTC, pero escalado del proceso sería necesario si el proceso va a ser comercializado.
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 |