Un romanzo Upflow anaerobica Solid State (UAS) reattore è stato utilizzato per la produzione di biogas da materie prime fibrose. Digestato prodotto dal reattore UASs è stato idrotermicamente carbonizzato in HTC biochar in un reattore batch di pressione. L'integrazione dei due concetti bioenergetici è stato applicato in questo studio per aumentare la produzione globale di bioenergia.
Biomassa lignocellulosica è una delle risorse energetiche rinnovabili più abbondanti ancora sottoutilizzate. Entrambi digestione anaerobica (AD) e di carbonizzazione idrotermale (HTC) sono promettenti tecnologie per la produzione di bioenergia da biomassa in termini di biogas e biochar HTC, rispettivamente. In questo studio, si propone la combinazione di AD e HTC per aumentare la produzione globale di bioenergia. Paglia di grano è stato digerito anaerobicamente in un romanzo Upflow reattore a stato solido anaerobico (UAS) in entrambi (55 ° C) condizioni mesofile (37 ° C) e termofili. Wet digerito da termofili dC fu idrotermicamente carbonizzato a 230 ° C per 6 ore per la produzione di HTC biochar. A temperatura termofila, il sistema UASs produce una media di 165 L CH4 / kg VS (VS: solidi volatili) e 121 L CH4 / kg VS a mesofila DC nel funzionamento continuo di 200 giorni. Nel frattempo, 43,4 g di HTC biochar con 29,6 MJ / kg dry_biochar era obtained da HTC di 1 kg di digestato (secco) dal mesofilo AD. La combinazione di AD e HTC, in questo particolare set di esperimenti resa 13,2 MJ di energia per 1 kg di secca paglia di grano, che è almeno del 20% superiore rispetto al solo HTC e il 60,2% in più rispetto solo AD.
Trovare fonti di energia rinnovabili e sostenibili sono i principali problemi del settore energetico del mondo. Recentemente, le Nazioni Unite ha riferito che fino al 77% dell'energia mondiale nel 2050 ci si aspetta da fonti rinnovabili 1. Biomasse lignocellulosiche come la paglia, erba, bucce di riso, pannocchie di mais non hanno conflitti con il cibo rispetto problema di carburante. Inoltre, la biomassa è probabilmente l'unica fonte di energia rinnovabile con carbonio strutturale, rispetto ad altre fonti energetiche rinnovabili come eolico, solare e acqua 2. Tuttavia, la manovrabilità, minore densità di massa, ad alto contenuto di ceneri, e il contenuto energetico inferiore ostacolano l'uso della biomassa lignocellulosica per la produzione di energia 2.
La digestione anaerobica (AD) è uno dei primi esempi di produzione di bioenergia da biomasse di scarto. 3 In generale, ci sono quattro passaggi di degradazione coinvolgere nella digestione anaerobica, come mostrato in Figura 1 4 </sup>. Nei primi tre passi consecutivi, i polisaccaridi della biomassa sono convertiti in acidi organici. Nella fase finale, gli organismi metanogeni producono biometano. AD tradizionale è un tempo e di processo che richiede energia. L'agitazione continua riduce economia complessivi di AD, in particolare per l'AD di biomassa lignocellulosica. Un romanzo Upflow anaerobico a stato solido (UAS) reattore ha il potenziale per risolvere gli inconvenienti indicati (Figura 2) 4. Spontanee separazioni solido-liquido è uno dei vantaggi significativi di UASs, poiché la creazione facilita biogas bolle di sollevare reagiti residui solidi verso l'alto 5. Questo elimina l'utilizzo di agitatore e quindi riduce il consumo di energia in loco. Inoltre, la circolazione del liquido assicura una distribuzione dei microrganismi e metaboliti in tutto il reattore e 5. Rispetto ai biocombustibili solidi, biogas è più facile da gestire, e lascia poco o nessun residuo. Infatti, la densità di energia specificadel biogas è parecchie volte superiore biomassa grezza 4. Tuttavia, AD favorisce polisaccaridi semplici come l'amido, acidi grassi, ed emicellulosa 1. Come risultato, cellulosa e lignina, maggiore porzione di biomassa lignocellulosica fibrosi come la paglia, rimane come solido digestato dopo AD 5. Sebbene la produzione di biogas varia da materia prima, tipo di microrganismi, temperatura di reazione, e il tempo di reazione, una quantità enorme di digestato è solitamente prodotto.
Mentre biogas sono utilizzati per l'energia, digestato (fino al 90% di acqua) vengono generalmente memorizzati in una fermentazione residuo deposito per raccogliere rimanenti emissioni di metano. Successivamente questi vengono essiccate e distribuite sul terreno agricolo per migliorare la fertilità del suolo e la capacità di ritenzione idrica. Alto contenuto inorganico spesso ostacola digestato direttamente per il carburante, come elevate quantità di scorie potrebbero corrodere le attrezzature 6. Idrotermale di carbonizzazione (HTC) è un processo di trattamento termochimico appositamente per bagnato. feedstock, dove biomassa (con 80-90% di acqua) viene riscaldata a 200-260 ° C a pressione di saturazione dell'acqua premuto per 0,5-6 h (Figura 3) 7,8 cri acqua ha prodotto ionico massimo a 200 – 260 ° C, che significa acqua in queste condizioni è reattivo e si comporta come un acido debole e una base mite simultaneamente 9. Emicellulosa, insieme ad altri estrattivi, degrada circa 180-200 ° C, mentre cellulosa reagisce circa 220-230 ° C, e lignina reagisce a temperatura relativamente elevata (> 250 ° C), ma molto più lento di cellulosa ed emicellulosa 10. A causa di disidratazione significativa e decarbossilazione, risultati HTC prodotto solido chiamato HTC biochar, con resa di massa (HTC secca biochar alimentazione / secco) del 40-80%, liquore contenenti acidi carbossilici, derivati del furano, sostanze fenoliche, e monomeri zucchero, e 5 – 10% CO 2 gassosa ricca di prodotto 11. Durante HTC, ossigeno contenenti sostanze volatili sono significativamenteridotto e quindi lasciare un solido ricco di carbonio. Biochar HTC è anche stabile, idrorepellente, e friabile confrontare crudo materia prima umida 12,13. Grazie alle sue caratteristiche idrofobiche, dewateribility di HTC biochar aumenta più volte rispetto al digestato crudo o addirittura biomassa grezza. 14-18 Inoltre, biochar HTC ha valori simili a combustibile lignite carbone 16,17. Tuttavia, cellulosa e lignina parzialmente degradano nell'ambiente HTC 18.
Ora, emicellulosa e cellulosa nella biomassa contribuiscono a biogas durante dC, mentre la cellulosa e la lignina contribuiscono soprattutto alla solida HTC biochar 4,5. Pertanto, la combinazione di AD-HTC potenzialmente in grado di aumentare il rendimento globale delle bioenergie. Hoffmann et al. Simulato una combinazione simile, ma con AD e HTL (idrotermale liquefazione) anziché AD-HTC 19. HTL è un metodo comune di liquefazione frazione di biomassa e di prodotto liquido ha un elevato valore di carburante [43,1 MJ / kg]. Tuttavia, HTL requires ad altissima pressione (250 bar) confronta con HTC (10-50 bar), che implica un elevato costi di installazione e di funzionamento di HTC. Anche in questo caso, la sequenza combinazione di AD e HTC può essere messa in discussione come Wirth et al. Recentemente riportato AD del processo di HTC liquido 20. Tuttavia, un AD efficace dipende dalla concentrazione di zucchero nelle materie prime. Zuccheri nel processo di HTC liquidi, prodotti durante l'idrolisi, spesso degradano rapidamente sotto l'acqua subcritical. Ecco perché dC prima che HTC è più favorevole in termini di bioenergia. Tuttavia, AD di processo HTC liquido può produrre bioenergia supplementare, in questo caso, la sequenza combinazione sarebbe AD-HTC-AD.
Lo scopo del lavoro era di valutare l'integrazione dei processi AD e HTC alla produzione di energia (Figura 3). Il potenziale di produzione di biogas per AD termofili e mesofili dal reattore UASs è stata valutata in un continuo funzionamento di più di 200 giorni. Successivamente, la produzione HTC biochar from digestato è stato anche studiato. Il bilancio di massa e l'energia del AD-HTC cascata è stata effettuata e confrontato con i singoli processi.
UASs reattori sono in grado di mitigare le carenze discussi nell'introduzione. Tuttavia, c'è molto spazio di miglioramento. Sistema di alimentazione e il digestato revoca sono ancora manuale. Il sistema UASs affronta problemi di movimentazione materie prime di dimensioni superiori a 60 mm. Il sistema funziona meglio con materie prime fibrose che fluttuano attraverso il liquido, ma altre materie prime come il concime animale e fanghi potrebbe non favorire il sistema UASs. Il sistema UASs è progettato in modo tale che il liquido di processo circola dal reattore per Af al reattore di nuovo. Tuttavia, anche 2-5% solido nel liquido circolante è stato dimostrato di essere problematico, come si depositano nella AF o bloccare l'ingresso del tubo e ostacolano la circolazione del liquido. L'analisi chimica del liquido di processo è importante, come la produzione di acidi grassi liberi e azoto può cambiare il sistema microbica con conseguente produzione di biogas insolito. Il sistema UASs è robusto, e può essere eseguito più di 200 giorni senza mostrare alcuna significazionent problemi. I tubi di collegamento dalle pompe ai reattori ad AFS devono essere sostituiti ogni mese alternativa. Il livello dell'acqua nella vasca deve essere controllato su base settimanale e riempito, se necessario.
HTC del digestato surf è molto efficace per il trattamento dei rifiuti, nonché la produzione di biocombustibili solidi. Il dewateribility del prodotto solido sarà inoltre agevolata dal processo HTC come mostrato nella Figura 7. Tuttavia, HTC di digestato deve essere eseguita appena possibile, preferibilmente lo stesso giorno in cui il digestato viene rimosso. In caso contrario, il digestato inizia a degradare biologicamente, che non è favorevole per HTC. Come HTC è una temperatura elevata (200-260 ° C) e ad alta pressione (20-50 bar) processo, con tutte le precauzioni necessarie per tutta la procedura HTC è molto importante. Tutti i collegamenti sono controllati almeno una volta al mese per assicurarsi che siano a tenuta di gas. Liquido di processo HTC ha una maggiore concentrazione di furfurolo, 5-HMF e fenolica compounds, che sono classificati come sostanze tossiche. Quindi, si consiglia di utilizzare una mascherina e guanti durante la manipolazione di processo HTC liquido, soprattutto quando il processo HTC liquore viene drenata dal reattore in un altro contenitore. Anche se HTC ha molti vantaggi per la movimentazione di materie prime bagnato come digestato, è ancora un processo batch. In una valutazione economica, processo batch HTC sarà difficile da giustificare. Più ricerca è quindi tenuto a facilitare il funzionamento continuo di HTC.
Analisi elementare è un metodo efficace per substrati solidi omogenei, ma non per substrati eterogenei. Biocombustibili solidi di solito è eterogenea ed elementare analizzatore consente solo il 5-10 mg di dimensione del campione, si raccomanda di effettuare almeno tre repliche e l'uso medio. Un altro limite di analisi elementare è misurare substrati solidi con alto contenuto di ceneri. Analizzatori elementari misurano solo Chons, e non altre sostanze inorganiche. Quindi, analisi elementare di substrati solidi ad alta cenere potrebbe non reveal concentrazioni Chons reali. La preparazione del campione in analisi elementare è vitale, come campione deve essere avvolto con precisione, altrimenti, ci sarà una contraddizione nelle analisi. Valore del combustibile del combustibile solido può essere stimata Chons, ma si consiglia di utilizzare un calorimetro a bomba per una precisa determinazione del valore del carburante.
Circa 92-161 L di metano è stato prodotto per chilogrammo di volatili solido nel mangime. Il totale solido o organico volatile solida della paglia di grano secca è stata 86,9%. Digestato secco ha ossigeno e idrogeno minore concentrazione atomico, che è un'altra indicazione di degradazione di polisaccaridi e semplice degradazione zucchero durante la digestione anaerobica 22,23. Inoltre, minore H e O concentrazioni aumentano la HHV del digestato 24. HHV del digestato secco è del 22% superiore a quello asciutto materia prima grezza. I risultati simili si ottengono con una dettagliata analisi statistica da Pohl et al 23.
Digestato da digestione anaerobica contiene 80-90% di acqua 6. Questi sono idrofili e l'acqua è parzialmente vincolati in cellule microbiche o vegetali. Di conseguenza disidratazione o essiccazione del digestato è ingombrante e molto alta intensità energetica. Ad esempio, 2 kg di digestato secca lega 8 kg di acqua (80% umido), che richiede 20,7 MJ di calore per asciugare digestato. Inoltre, si tende a bio-degrado in tempi relativamente brevi in condizioni ambientali, perde nutrienti vegetali, e rilascia emissioni di GHG (gas serra) come N 2 O e CH 4. Quindi, nonostante la crescita potenziale energetico, digestato fresco non può essere utilizzato direttamente come combustibile solido. Esso dovrebbe essere asciugato subito dopo la digestione 20.
Dalla tabella 1, si può essere dimostrato che il digestato secco ha un simile tenore di carbonio atomico come la paglia grezza, e sono visivamente simili, prima e dopo la digestione anaerobica (Figura 6). Questo suggerisce che la lignina e la cellulosa lignina incrostatosono per lo più non reagito. Tuttavia, una resa di massa del 63% osservata, il che significa paglia elaborati è il 37% più leggero di paglia grezza a secco. Simile concentrazione di carbonio elementare non significa di carbonizzazione si è verificato durante la digestione anaerobica 22. Come mostrato in figura 7, biochar HTC da digestato (termofili) è molto stabile e morbida. A causa del significativo aumento della idrofobicità, può letteralmente immergere in acqua per mesi senza la sua struttura fisica e chimica essere colpiti 12,25. L'idrofobicità migliora anche la disidratazione dei HTC biochar 14. Struttura della paglia non è percepibile nel biochar HTC più, il che significa che la cellulosa potrebbe essere stato reagito. Un carbonizzazione significativo si osserva in HTC biochar insieme alla riduzione dell'ossigeno atomico. Questa è un'altra indicazione di cellulosa essere fatto reagire anziché lignina. Concentrazione di carbonio atomico in lignina è molto superiore a quella della cellulosa 24-29. Come risultato, HTC Biochar ha un HHV di 29,6 MJ / kg, che è 61% superiore paglia crudo e 32% rispetto digestato asciutta, rispettivamente.
HHV di HTC paglie trasformati è 28,8 MJ / kg, che è anche simile a quella di HTC digestato paglie trasformati (29,6 MJ / kg). Tuttavia, la resa di massa è più alto in paglia HTC 40,7% rispetto a quello di HTC digestato con il confronto di materia prima grezza. Di conseguenza, se 1 kg di paglia grezza (18,4 MJ) è idrotermicamente carbonizzato, biochar paglia HTC avrà il potenziale di 11,0 MJ. Altrimenti, se stessa quantità viene applicato AD e HTC, un totale bioenergetico 13,2 MJ, in forme di biometano (5.2 MJ) e biochar HTC da digestato (8,0 MJ), può essere prodotto (Figura 8). Inoltre, fase liquida del processo UASs è un potenziale fertilizzante liquido. Inoltre, HTC biochar potrebbe avere maggiore potenziale elevato valore d'uso di materiale o usare come ammendante. Per il sequestro del carbonio o il ciclo del carbonio punto di vista, l'uso di materiali di HTC biochar è più fattibile che la produzione di energia. </ P>
La digestione anaerobica combinata con carbonizzazione idrotermale può produrre bioenergia più rispetto ai singoli processi. Tuttavia, un disegno in cascata è necessario per una migliore efficienza. Il bilancio energetico complessivo, seguito da una valutazione economica, è necessaria per convalidare questo processo. La ricerca futura dovrebbe includere l'uso di HTC liquori e di post-trattamento (chimico o biologico) di HTC biochar. Inoltre, sarà necessaria automazione sia UASs e sistemi HTC. Questo studio è stato condotto utilizzando un UASs scala di laboratorio e reattore HTC, ma scale-up del processo sarebbe necessario se il processo deve essere commercializzato.
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 |