Een roman Upflow Anaërobe Solid State (UAS) reactor werd gebruikt voor de productie van biogas uit vezelachtige grondstof. Digestaat van UASs reactor werd hydrothermisch verkoold in HTC biochar in een onder druk batchreactor. De integratie van de twee bio-energie concepten werd toegepast in dit onderzoek om de totale productie van bio-energie te verhogen.
Lignocellulosebiomassa is een van de meest voorkomende nog onderbenutte hernieuwbare energiebronnen. Beide anaerobe vergisting (AD) en hydrothermale carbonisatie (HTC) zijn veelbelovende technologieën voor bio-energie uit biomassa op het gebied van biogas en HTC biochar, respectievelijk. In deze studie wordt de combinatie van AD en HTC voorgesteld totale productie bio verhogen. Tarwestro werd anaëroob verteerd in een nieuwe opwaartse stroming anaërobe solid state reactor (UAS) in zowel mesofiele (37 ° C) en thermofiele (55 ° C) omstandigheden. Natte verteerd uit thermofiele AD werd hydrothermisch verkoold bij 230 ° C gedurende 6 uur voor HTC biochar productie. Bij thermofiele temperatuur, levert de UASs systeem gemiddeld 165 L CH4 / kg VS (VS: organische stof) en 121 L CH4 / kg OS bij mesofiele AD over de continue werking van 200 dagen. Ondertussen, 43,4 g HTC biochar met 29,6 MJ / kg dry_biochar was OBTained van HTC van 1 kg digestaat (droge basis) van mesofiele AD. De combinatie van AD en HTC, in deze specifieke reeks experimenten leveren 13,2 MJ per 1 kg droge tarwe stro, die ten minste 20% hoger dan HTC staan 60,2% hoger dan alleen AD.
Het vinden van hernieuwbare en duurzame energiebronnen zijn belangrijke zorgen in de energiesector van de wereld. Onlangs heeft de Verenigde Naties gemeld dat tot 77% van de energie in de wereld in 2050 wordt verwacht uit hernieuwbare bronnen 1. Lignocellulosebiomassa zoals stro, grassen, rijst rompen, maïskolven er geen conflicten zijn met het voedsel versus brandstof probleem. Bovendien is biomassa is waarschijnlijk de enige bron van hernieuwbare energie met structurele koolstof, in vergelijking met andere hernieuwbare energiebronnen zoals wind, zon en water 2. Echter, rijgedrag, een lagere dichtheid, hoge asgehalte, en lagere energie-inhoud belemmeren het gebruik van lignocellulose biomassa voor energieproductie 2.
Anaerobe vergisting (AD) is een van de belangrijkste voorbeelden van de productie van bio-energie uit biomassa-afval. 3 In het algemeen zijn er vier stappen degradatie te betrekken bij anaërobe afbraak zoals weergegeven in figuur 1 4 </sup>. In de eerste drie opeenvolgende stappen worden de polysacchariden van de biomassa omgezet in organische zuren. In de laatste stap, methanogene organismen biomethaan. Traditionele AD is een tijd en energie in beslag. De voortdurend roeren vermindert de totale economie van AD, vooral voor AD van lignocellulose. Een nieuwe opwaartse stroming anaerobe solid-state (UAS) reactor heeft het potentieel om de genoemde tekortkomingen (figuur 2) 4 overwinnen. Spontane vaste stof-vloeistof scheiding is een van de belangrijke voordelen van UAS, omdat het ontworpen vergemakkelijkt biogas bellen naar gereageerde vaste residuen boven 5 tillen. Deze elimineren het gebruik van roerder en daardoor vermindert het verbruik van de elektriciteitscentrales op de locatie. Bovendien vloeistof circulatie zorgt voor verspreiding van micro-organismen en metabolieten in de hele reactor ook 5. In vergelijking met vaste biobrandstoffen, biogas is gemakkelijker te hanteren, en laat weinig of geen residu achter. In feite, de specifieke energiedichtheidvan biogas is vele malen hoger ruwe biomassa 4. Echter, AD gunsten eenvoudige polysacchariden zoals zetmeel, vetzuren, en hemicellulose 1. Dientengevolge, cellulose en lignine, belangrijk deel van vezelig lignocellulose zoals tarwestro, blijft een vaste digestaat na AD 5. Hoewel de productie van biogas varieert van de grondstof, het type van micro-organismen, de reactie temperatuur en reactietijd, wordt een enorme hoeveelheid digestaat meestal geproduceerd.
Terwijl biogas wordt gebruikt voor energie, zijn digestaat (tot 90% water) meestal opgeslagen in een fermentatie residu-depot om de resterende uitstoot van methaan te verzamelen. Daarna worden deze gedroogd en verspreid over het akkerland om bodemvruchtbaarheid en waterhoudend vermogen verbeteren. Hoog gehalte aan anorganische stoffen vaak digestaat direct belemmeren voor brandstof, als grote hoeveelheden slakken de apparatuur 6 zou aantasten. Hydrothermale carbonisatie (HTC) is een thermochemische behandelingsproces speciaal ontworpen voor natte. grondstof, waarbij biomassa (met 80-90% water) wordt verwarmd tot 200-260 ° C bij waterverzadiging druk en te houden voor 0,5-6 uur (Figuur 3) 7,8 Subkritisch water heeft het maximale ionische product bij 200 – 260 ° C, waarbij het water betekent onder deze omstandigheden reactief en gedraagt zich als een zwak zuur en een milde base gelijktijdig 9. Hemicellulose, samen met andere geëxtraheerde stoffen, afgebroken ongeveer 180-200 ° C, terwijl cellulose reageert ongeveer 220-230 ° C en lignine reageert bij relatief hogere temperaturen (> 250 ° C), maar veel langzamer dan cellulose en hemicellulose 10. Als gevolg van aanzienlijke uitdroging en decarboxylation, HTC resultaten solide product met de naam HTC biochar, met massa opbrengst (droge HTC biochar / droogvoer) van 40-80%, drank bestaat uit carbonzuren, furaanderivaten, fenolen en suiker monomeren, en 5 – 10% CO 2-rijke gasvormige product 11. Tijdens HTC, zuurstof bevattende vluchtige stoffen aanzienlijkverminderd en laten derhalve een koolstofrijke solide. HTC biochar is ook stabiel, hydrofoob, en brokkelig te vergelijken met ruwe vochtige grondstof 12,13. Door zijn hydrofobe eigenschappen, dewateribility van HTC biochar verhoogt meerdere malen vergeleken met ruwe digestaat of zelfs ruwe biomassa. 14-18 Bovendien HTC biochar heeft brandstof waarden vergelijkbaar met kolen 16,17 bruinkool. Echter, cellulose en lignine gedeeltelijk afgebroken in het HTC milieu 18.
Nu hemicellulose en cellulose in de biomassa bij te dragen tot biogas tijdens AD, terwijl cellulose en lignine vooral bijdragen aan solide HTC biochar 4,5. Zo kan de combinatie van AD-HTC potentieel verhoging van de totale bio-energie opbrengst. Hoffmann et al.. Gesimuleerd een gelijkaardige combinatie, maar met behulp van AD en HTL (hydrothermale liquefactie) in plaats van AD-HTC 19. HTL is een gangbare methode van het vloeibaar maken van biomassa fractie en vloeibare product heeft een hoge brandstof-waarde [43,1 MJ / kg]. Echter, HTL requIRES zeer hoge druk (250 bar) te vergelijken HTC (10-50 bar), die een hoge installatie-en bedrijfskosten dan HTC inhoudt. Nogmaals, kan de combinatie volgorde van AD en HTC worden ondervraagd als Wirth et al.. Meldde onlangs AD van HTC proces vloeistof 20. Echter, een effectieve AD afhankelijk van de suikerconcentratie in de voedingen. Suikers in HTC proces vloeistof, geproduceerd tijdens de hydrolyse, vaak degraderen snel onder subkritische water. Daarom AD voordat HTC gunstiger is in termen van bio-energie. Echter, AD van HTC proces vloeistof extra bio produceren, in dat geval, zou de combinatie sequentie AD-HTC-AD zijn.
Het doel van het werk was om de integratie van AD en HTC werkwijzen voor bio (figuur 3) te evalueren. De biogasproductie mogelijkheden voor thermofiele en mesofiele AD van UASs reactor werd geëvalueerd bij een continue werking van meer dan 200 dagen. Vervolgens HTC biochar productie from digestaat werd ook bestudeerd. De massa-en energiebalans van de cascade AD-HTC werd uitgevoerd en vergeleken met de individuele processen.
UAS reactoren kunnen de tekortkomingen besproken inleiding beperken. Echter, er is veel ruimte voor verbetering. Voersysteem en digestaat intrekking nog handmatig. De UASs systeem gezichten problemen omgaan grondstoffen groter dan 60 mm. Het systeem werkt beter met vezelachtige grondstoffen als ze zweven in de vloeistof, maar ook andere grondstoffen zoals dierlijke mest en slib kan het UASs systeem niet bevoordelen. Het UAS systeem is zodanig dat het proces-vloeistof circuleert uit reactor weer AF naar de reactor. Maar zelfs 2-5% vaste stof in de circulerende vloeistof werd bewezen problematisch te zijn, omdat ze deponeren in de AF of de pijp ingang te blokkeren en belemmeren vloeistof circulatie. Chemische analyse van de procesvloeistof is belangrijk, omdat de productie van vrije vetzuren en stikstof de microbiële systeem waardoor atypische biogas kan veranderen. Het UASs systeem is robuust en kan meer dan 200 dagen draaien zonder enige significant problemen. De buizen aansluiten van pompen om de reactoren te AF's moeten worden vervangen elk alternatief maand. Het waterniveau in het waterbad moet worden gecontroleerd wekelijks en bijgevuld indien nodig.
HTC natte digestaat is zeer effectief voor de behandeling van afval alsmede het produceren van vaste biobrandstof. De dewateribility van het vaste product wordt ook vergemakkelijkt door de HTC werkwijze zoals in de figuur 7. Echter HTC digestaat moet zo snel mogelijk worden uitgevoerd, bij voorkeur op dezelfde dag dat de digestaat verwijderd. Anders start de digestaat biologisch afbrekende, die niet gunstig is voor HTC. Als HTC is een hoge temperatuur (200-260 ° C) en hoge druk (20-50 bar) proces, waarbij de nodige voorzorgsmaatregelen gedurende de HTC procedure is zeer belangrijk. Alle verbindingen worden ten minste eenmaal per maand gecontroleerd om ervoor te zorgen dat ze gasdicht. HTC werkwijze vloeistof een hogere concentratie van furfural, 5-HMF en fenolische compounds, die geclassificeerd zijn als toxische stoffen. Dus, is het raadzaam om een masker en handschoenen tijdens het hanteren van HTC proces vloeistof, vooral wanneer HTC proces-vloeistof wordt afgetapt uit reactorvat naar een andere container. Hoewel HTC heeft vele voordelen voor de afhandeling van natte grondstof zoals digestaat, het is nog steeds een batch proces. In een economische evaluatie, zal HTC batch proces moeilijk te rechtvaardigen zijn. Meer onderzoek is dus nodig om een continue werking van de HTC vergemakkelijken.
Elementanalyse is een effectieve methode voor homogene vaste substraten, maar niet voor heterogene substraten. Als vaste biobrandstof meestal heterogeen en elementaire analyser staat slechts 5-10 mg van steekproefgrootte, is het raadzaam om ten minste drie herhalingen en het gebruik gemiddeld presteren. Een andere beperking van elementaire analyse is het meten van vaste substraten met een hoog asgehalte. Elementaire analyser alleen meten Chons, en geen andere anorganische stoffen. Dus, elementaire analyse van hoge as vaste substraten misschien niet reveal de werkelijke Chons concentraties. Monstervoorbereiding in elementaire analyse is van vitaal belang, als monster moet nauwkeurig worden gewikkeld, anders zal er een inconsistentie in analyses zijn. Brandstof waarde van de vaste brandstoffen kan worden geschat uit Chons, maar het wordt aanbevolen om een bom calorimeter voor nauwkeurige brandstof-waarde-bepaling.
Ongeveer 92-161 L methaan geproduceerd per kilogram vluchtige vaste stof in de voeding. De vluchtige vaste of organische totale solide van de droge tarwe stro was 86.9%. Droog digestaat heeft een lagere atomaire zuurstof en waterstof concentratie, dat is een andere indicatie van afbraak van polysacchariden en eenvoudige suiker afbraak tijdens de anaerobe vergisting 22,23. Bovendien, lagere H en O-concentraties verhogen de HHV van het digestaat 24. HHV droge digestaat is 22% hoger dan droge ruwe grondstof. De vergelijkbare resultaten worden verkregen met een uitgebreide statistische analyse van Pohl et al. 23.
Digestaat van de anaërobe vergisting bevat 80-90% water 6. Dit zijn hydrofiele en water wordt gedeeltelijk in microbiële of plantencellen gebonden. Hierdoor ontwatering of drogen van digestaten is omslachtig en zeer energie-intensief. Bijvoorbeeld 2 kg droge digestaat bindt 8 kg water (80% nat), waarvan 20,7 MJ vereist van warmte om te drogen digestaat. Bovendien heeft het de neiging om bio-degraderen relatief snel in omgevingscondities, verliest voedingsstoffen voor planten, en releases broeikasgassen (broeikasgas) emissies zoals N 2 O en CH 4. Dus, ondanks hogere energiepotentieel, vers digestaat niet direct worden gebruikt als brandstof. Het zou moeten worden gedroogd direct na de vertering 20.
Uit tabel 1 kan worden aangetoond dat de droge digestaat een soortgelijk atoom koolstofgehalte als grondstof stro en ze visueel vergelijkbaar voor en na anaerobe vergisting (figuur 6). Dit suggereert dat lignine en lignine cellulose encrustedmeestal ongereageerd. Echter, een massa opbrengst van 63% waargenomen, wat betekent dat het verwerkte stro is 37% lichter dan droge ruwe stro. Vergelijkbare elementaire koolstof concentratie betekent geen carbonisatie opgetreden tijdens anaërobe afbraak 22. Zoals getoond in figuur 7, HTC biochar van digestaat (thermofiele) is zeer stabiel en zacht. Vanwege de aanzienlijke stijging van de hydrofobiciteit, kan het letterlijk onderdompelen in water voor maanden zonder de fysische en chemische structuur wordt aangetast 12,25. De hydrofobe verbetert ook ontwatering van HTC biochar 14. Structuur van het stro is niet waarneembaar in de HTC biochar meer, wat betekent dat cellulose had kunnen hebben gereageerd. Een belangrijke carbonisering wordt waargenomen in HTC biochar samen met geringere atomaire zuurstof. Dit is een andere indicatie van cellulose wordt gereageerd in plaats van lignine. Atomic koolstofconcentratie in lignine is veel hoger dan die van cellulose 24-29. Hierdoor HTC Biochar heeft een HHV van 29,6 MJ / kg, die zijn 61% hoger dan die van ruwe stro en 32% hoger dan droog digestaat, respectievelijk.
HHV HTC verwerkte stro 28,8 MJ / kg, die ook vergelijkbaar met die van HTC verwerkte stro digestaat (29,6 MJ / kg). Echter, massa opbrengst is in HTC stro 40,7% hoger dan die van de HTC digestaat met het vergelijken van ruwe grondstof. Als resultaat, als 1 kg ruwe stro (18,4 MJ) wordt hydrothermisch verkoold, HTC stro biochar het potentieel van 11,0 MJ. Anders, als hetzelfde is van toepassing op AD en HTC, totaal 13,2 MJ bio, in vormen biomethaan (5.2 MJ) en HTC biochar van digestaat (8.0 MJ), kan worden geproduceerd (figuur 8). Ook vloeibare fase van het UAS taak is een potentiële vloeibare meststof. Bovendien zou HTC biochar hoger potentieel hebben voor een hoge waarde materiaal gebruik of gebruiken als grondverbeteraar. Voor de koolstofvastlegging of koolstofcyclus oogpunt, materiaalgebruik van HTC biochar is meer haalbaar is dat de productie van energie. </ P>
Anaerobe vergisting in combinatie met hydrothermale carbonisatie kan meer bio-energie dan de individuele processen opleveren. Er is echter een cascade ontwerp nodig voor een betere efficiëntie. De totale energiebalans, gevolgd door een evaluatie, nodig om dit te valideren. Toekomstig onderzoek moet onder meer gebruik van de HTC drank en na de behandeling (chemische of biologische) van HTC biochar. Ook zal automatisering van zowel UAS en HTC systemen nodig. Deze studie werd uitgevoerd voor het dragen laboratoriumschaal UAS en HTC reactor, maar opschaling van de werkwijze zou noodzakelijk zijn indien het proces wordt gecommercialiseerd.
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 |