新規な上向流嫌気性ソリッドステート(のUAS)反応器は、繊維原料からのバイオガスの生産のために使用した。のUAS反応器からの消化物は、水熱加圧バッチ反応器内のHTCバイオ炭に炭化した。 2バイオ概念の統合は、全体的なバイオエネルギー生産を増加させるために、本研究で適用した。
リグノセルロース系バイオマスは、最も豊富な、まだ十分に活用されていない再生可能なエネルギー資源の一つである。嫌気性消化(AD)水熱炭化(HTC)の両方が、それぞれ、バイオガスとHTCバイオ炭の観点からバイオマスからのバイオエネルギー生産のための技術として有望である。本研究では、ADおよびHTCの組み合わせは、全体的なバイオエネルギー生産を増加させることが提案されている。麦わらは、嫌気的に中温(37℃)、(55℃)条件熱性の両方で新たな上昇流嫌気性固体リアクタ(のUAS)で消化した。好熱性のADから消化湿った熱水のHTCバイオ炭の生産のための6時間、230℃で炭化した。 200日の連続運転上の中温広告をし、121のL CH4 / kgのVS:好熱性温度で、のUASシステムは165のL CH4 / kgで、VS(揮発性固体VS)の平均が得られます。一方、29.6 MJ / kgのdry_biocharとHTCのバイオ炭の43.4グラムは、OBTた中温性のADから1キロの消化物(乾燥ベース)のHTCからained。実験のこの特定のセットのADとHTCの組み合わせは、単独のHTCより少なくとも20%高いだけ、ADよりも60.2%高いと乾燥麦わらの1キロ当たりのエネルギー13.2 MJをもたらす。
再生可能で持続可能なエネルギー源を見つけることは、世界のエネルギー部門における主要な関心事である。最近では、国連は2050年の世界のエネルギーの最大77パーセントを再生可能エネルギー源1から予想されることを報告した。このようなわらなどのセルロース系バイオマス、草、もみ殻、トウモロコシの穂軸は、燃料の問題に対する食料との競合がありません。また、バイオマスは、例えば、風力、太陽光、水2のような他の再生可能エネルギー源と比較して、おそらく構造的な炭素のみで再生可能なエネルギー源である。しかしながら、取扱い特性、低いかさ密度、高い灰分及び低エネルギー含量は、エネルギー産生のための2リグノセルロース系バイオマスの使用を妨げる。
嫌気性消化(AD)は、廃棄物系バイオマスからのバイオエネルギーを生産する代表例の一つである。 図1 4に示すように一般的には3、4、分解ステップがある嫌気性消化に関与</suP>。最初の3つの連続した段階では、バイオマスの多糖類を有機酸に変換されます。最後のステップでは、メタン生成生物はバイオメタンを生成する。伝統的なADは、時間とエネルギー消費プロセスである。連続的に攪拌し、特にリグノセルロース系バイオマスの広告のために、ADの全体的な経済性を低減します。小説上向流嫌気性固体(のUAS)原子炉は述べ欠点( 図2)4 を克服する可能性を秘めている。デザインは、未反応の固体残渣上向き5を持ち上げるためにバイオガスの気泡を容易にするため、自発的な固液分離は、のUASの重要な利点の一つである。これは攪拌機の使用を排除するため、オンサイト電力の消費を削減します。また、液体の循環がよく5として反応器を通して微生物および代謝物の分布を保証します。固体バイオ燃料と比較して、バイオガスは、取り扱いが容易であり、ほとんど、あるいはまったく残留物を残す。実際には、特定のエネルギー密度バイオガスの数倍高い生のバイオマス4です。しかし、ADは、デンプン、脂肪酸、およびヘミセルロース1のような単純な多糖類を好む。その結果、セルロース及びリグニンのように、麦わらのような繊維状リグノセルロース系バイオマスの大部分は、AD 5後の固形消化物として残る。バイオガスの生産は原料、微生物の種類、反応温度、反応時間の変化が、消化物の膨大な量は、通常、製造される。
バイオガスは、エネルギーのために使用されているが、(90%水まで)digestatesは、通常、残りのメタン排出を収集するために、発酵残渣デポーに格納される。その後、これらを乾燥し、土壌の肥沃度や水分保持能力を向上させるために耕作地に広がっている。高い無機コンテンツは、多くの場合、スラグの高い量は、機器6を腐食可能性があるため、燃料に直接消化物を妨げる。熱水炭化(HTC)は、特に、ウェット用に設計された熱化学処理プロセスである(80〜90%の水を含む)バイオマスを水飽和圧力で200〜260℃まで加熱し、0.5〜6時間( 図3)7.8分間保持される原料は、亜臨界水は200で、最大のイオン積が-これらの条件下で水を意味260°Cは、反応性であり、穏やかな酸と同時に9弱塩基として動作します。セルロースは、約220〜230°Cが反応し、リグニンは、比較的高い温度(> 250 度C)で反応するが、セルロースやヘミセルロース10よりはるかに遅く、一方ヘミセルロースは、他の抽出物と一緒に、周りの180〜200°Cを低下させる。により大幅な脱水および脱炭酸し、HTCの40〜80%の質量収率(乾燥のHTCバイオ炭/ドライ飼料)、カルボン酸、フラン誘導体、フェノール性物質、および糖モノマー、および5を含む液で、HTCのバイオ炭という名前の固体生成結果 – 10%のCO 2の豊富なガス生成物11。 HTCの中に、酸素を含む揮発性物質が大幅にある減少し、したがって、炭素が豊富な固体のままにしておきます。 HTCのバイオ炭はまた、生湿った原料12,13と比較し、安定した疎水性、およびもろいです。原因その疎水特性上、HTCのバイオ炭のdewateribilityは、生の消化物、さらには生のバイオマスに比べて数倍向上します。14〜18また、HTCのバイオ炭、石炭16,17亜炭に似燃料の値を持っています。しかし、セルロースとリグニンが部分的にHTCの環境18で分解する。
セルロースとリグニンは主に固体のHTCバイオ炭4,5に貢献しながら、今バイオマス中のヘミセルロースとセルロースは、ADの中にバイオガスに貢献しています。従って、AD-HTCの組み合わせは、潜在的に全体的なバイオエネルギー収率を増加させることができる。ホフマンらは、同様の組み合わせをシミュレートするのではなくAD-HTC 19よりもADとHTL(水熱液化)を用いて。 HTLは、バイオマス画分を液化するための一般的な方法であり、液体生成物は、高い燃料値を有する[43.1 MJ / kg]で。しかし、HTLのrequIRES非常に高い圧力(250バール)は、HTCよりも高く設置と運用コストを意味し、HTC(10〜50小節)、と比較。この場合も、ADとHTCの組み合わせシーケンスはワースらとして問われることができる。最近のHTC処理液20のADを報告した。しかし、効果的なADは原料油中の糖濃度に依存する。加水分解中に生成HTC処理液中の糖は、多くの場合、亜臨界水の下で急速に分解する。 HTCの前にADはバイオエネルギーの面でより有利である理由です。しかしながら、HTC処理液のADは、その場合には、組み合わせ配列はAD-HTC-ADであるように、付加的なバイオエネルギーを生成することができる。
研究の目的は、バイオエネルギー生産のためのADとHTCプロセスの統合( 図3)を評価することであった。のUAS反応器からの好熱性および中温性ADのバイオガス生産能力は200日以上の連続運転で評価した。その後、HTCのバイオ炭の生産FROMの消化物も検討した。カスケード接続されたAD-HTCの質量とエネルギーバランスを行い、個々のプロセスと比較した。
のUAS反応器は、冒頭で述べた欠点を軽減するためにすることが可能である。しかし、改善の余地があります。求供給システム及び消化物は、まだマニュアルです。のUASシステムが60ミリメートルを超える供給原料を処理する問題に直面している。彼らは液全体に浮くようなシステムは、繊維の原料とのより良い動作しますが、動物のふん尿や汚泥などの他の原料はのUASシステムを支持しない可能性があります。のUASシステムは、処理液が再び反応器からのAFの反応器に循環するように設計されている。しかしながら、循環液中の固体であっても2〜5%は、それらがAFに沈着またはパイプの入口をブロックし、液循環を妨げるように、問題があることが証明された。遊離脂肪酸および窒素の産生が特徴的でないバイオガス産生をもたらす微生物系を変更することができるように、処理液の化学的分析は、重要である。のUASシステムは堅牢であり、任意のsignificaを表示せずに200日以上を実行することができます問題をntの。のAFに原子炉にポンプから接続するチューブは、すべての代替ヶ月交換する必要があります。水浴中の水位は毎週チェックし、必要に応じて補充される必要がある。
湿った消化物のHTCは、廃棄物処理などの固形バイオ燃料を製造するための非常に有効である。 図7に示すように、固体生成物dewateribilityはまた、HTCプロセスによって容易にするが、消化物のHTCが消化物が除去され、好ましくは、同じ日に、できるだけ速やかに行う必要がある。それ以外の場合は、消化物は、HTCに有利されていない、生物学的に分解する開始します。 HTCは、高温(200〜260℃)および高圧(20から50バール)プロセス、HTCの手順では、必要な予防措置を取っているように非常に重要です。すべての接続は、それらが気密であることを確認するには、少なくとも月に一度チェックされます。 HTC処理液は、高濃度のフルフラール、5-HMF、およびフェノールを有する共毒物として評価されていmpounds、。だから、それはHTCのプロセス液を原子炉容器から別の容器に排出される場合は特に、HTCの処理液を処理しながら、フェイスマスクと手袋を使用することをお勧めします。 HTCの消化物のような湿潤原料を処理するための多くの利点を有するが、それでもバッチプロセスである。経済的評価では、HTCのバッチ処理は、正当化するのは難しいでしょう。多くの研究は、このようにHTCの連続動作を容易にするために必要とされる。
元素分析は、均質な固体基質に対してではなく、異種の基板のための有効な方法である。固体バイオ燃料は、通常、異種元素分析器が唯一のサンプルサイズの5〜10mgのを可能にするように、少なくとも3回の反復を行い、平均値を使用することをお勧めします。元素分析のもう1つの制限は、高灰分含有量を有する固体基板を測定している。元素分析装置はCHONSし、他の無機物を測定します。だから、高灰分固体基板の元素分析はRではないかもしれない実際CHONS濃度をeveal。サンプルはそれ以外の場合は、解析において矛盾があるでしょう、正確にラップする必要があるため、元素分析におけるサンプル調製は、極めて重要である。固体燃料の燃料値はCHONSから推定することができますが、正確な燃料の値の決定のためのボンベ熱量計を使用することをお勧めします。
メタンの約92から161 Lは、飼料中の揮発性固体のキログラム当たり製造した。ドライ麦わらの固体揮発性固体または有機の合計は86.9%だった。乾燥した消化物は、嫌気性消化22,23の間に多糖類の分解と単糖分解の別の指標である低い原子酸素および水素濃度を有する。また、下側のHとOの濃度は、消化物24のHHVを高める。乾燥消化物のHHVは、乾燥原料の原料が22%高い。同様の結果は、ポールら 23による詳細な統計分析を用いて得られる。
嫌気性消化からDigestatesは80〜90%の水6が含まれています。これらは親水性であり、水は微生物や植物細胞内で部分的にバインドされています。その結果、脱水やdigestatesの乾燥面倒で非常にエネルギー集約的である。例えば、乾燥消化物の2キロは、消化物を乾燥させるために熱の20.7 MJを必要とする水の8キロ(80%湿潤)に結合する。さらに、それは、周囲条件下で比較的迅速にバイオ劣化する傾向がある植物栄養素を失い、例えばN 2 OとCH 4等のGHG(温室効果ガス)の排出量を放出する。したがって、より高いエネルギーポテンシャルにもかかわらず、新鮮な消化物は、固体燃料として直接使用することはできない。まさに消化20後に乾燥する必要があります。
表1から、( 図6)、ドライ消化物は、生わらと同様の原子炭素含有量を有することを示すことができ、それらは、嫌気性消化の前後で、視覚的に類似している。これは、リグニン及びリグニンを散りばめたセルロースを示唆している主に未反応である。しかし、処理されたわらを意味する観察63パーセントの質量収率は、乾燥原料わらよりも37%軽い。類似した元素状炭素濃度は炭化が嫌気性消化22中に発生しないことを意味します。 図7に示すように、消化物(好)からHTCの炭は非常に安定しており、柔らかい。なぜなら、疎水性の有意な増加が、それは文字通り12,25の影響を受けてその物理的および化学的構造を持たないか月の水中に沈めることができる。疎水性はまた、HTCのバイオ炭14の脱水を強化します。わらの構造は、セルロースが反応した可能性があることを意味し、これ以上のHTCバイオ炭において識別可能ではありません。かなりの炭化は、原子酸素の還元に伴って、HTCのバイオ炭で観察される。これはかなりのリグニンよりも反応するセルロースの別の指標である。リグニン中の原子炭素濃度は、セルロース24〜29のそれよりもはるかに高い。その結果、HTC biochなどArはそれぞれ、生わらよりも61パーセント高く、乾燥消化物よりも32%高くなっている29.6 MJ / kgで、HHVを持っています。
HTCの処理されたわらのHHVもHTCの処理されたわらの消化物(29.6 MJ / kg)での場合と同様である28.8 MJ / kgで、ある。しかし、質量収率は未加工原料と比較して、HTCの消化物のそれよりもHTCのわら40.7%高い。生わら(18.4 MJ)の1キロは水熱炭化する場合、結果として、HTCのわらバイオ炭は11.0 MJの可能性を持つことになります。同量の消化物(8.0 MJ)からバイオメタン(5.2 MJ)およびHTC炭の形で、ADおよびHTC、合計13.2 MJバイオエネルギーに適用した場合に、それ以外の場合は、( 図8)を製造することができる。また、処理のUASの液相は、潜在的な液体肥料である。また、HTCのバイオ炭は、高付加価値素材使用で、より高い潜在能力を持っているか、土壌改良として使用する場合があります。ビューの炭素隔離や炭素循環の点については、HTCのバイオ炭の材料使用は、より実現可能であること、エネルギー生産。</ pの>
水熱炭化と組み合わせた嫌気性消化は、個々のプロセスよりも多くのバイオエネルギーを得ることができる。しかし、カスケード接続されたデザイン、効率をよくするために必要とされる。経済的評価に続いて、全体的なエネルギーバランスが、このプロセスを検証するために必要とされている。今後の研究では、HTCのバイオ炭のHTCの酒と治療後(化学的または生物学)の使用を含むべきである。また、のUASとHTCシステムの両方の自動化が必要となります。この研究は、実験室規模のUASとHTCリアクターを使用して実施されたが、そのプロセスを商業化しようとする場合、プロセスのスケールアップが必要となる。
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 |