A Solid State (UASS) Reator Anaeróbio romance foi utilizado para a produção de biogás a partir de matéria-prima fibrosa. Digestores de UASS reator foi hidrotermal carbonizada em HTC biochar em um reator de batelada pressurizado. A integração dos dois conceitos de bioenergia foi aplicado neste estudo para aumentar a produção global de bioenergia.
A biomassa lignocelulósica é uma das fontes de energia renováveis mais abundantes ainda subutilizados. Ambos digestão anaeróbica (AD) e carbonização hidrotérmica (HTC) são promissoras tecnologias para a produção de bioenergia a partir de biomassa em termos de biogás e biochar HTC, respectivamente. Neste estudo, a combinação de AD e HTC é proposto para aumentar a produção global de bioenergia. Palha de trigo foi digerido anaerobicamente em um romance reator anaeróbio de estado sólido (UASS) em ambos (55 ° C) condições mesofílicas (37 ° C) e termofílicas. Wet digerido do AD termofílicas foi carbonizada hidrotermal a 230 ° C durante 6 horas para a produção HTC biochar. À temperatura termofílica, o sistema UASS produz uma média de 165 L CH4 / kg VS (VS: sólidos voláteis) e 121 L CH4 / kg VS no AD mesófilos sobre a operação contínua de 200 dias. Enquanto isso, 43,4 g de biochar HTC com 29,6 MJ / kg dry_biochar foi obtained da HTC de 1kg de digestores (base seca) de AD mesófilos. A combinação de AD e HTC, neste conjunto particular de experiência deu 13,2 MJ de energia por cada 1 kg de palha de trigo seco, que é pelo menos 20% maior do que o HTC sozinho e 60,2% mais elevado do que apenas AD.
Encontrando fontes de energia renováveis e sustentáveis são as principais preocupações do setor de energia do mundo. Recentemente, a Organização das Nações Unidas informou que até 77% da energia do mundo em 2050 se espera a partir de fontes renováveis 1. A biomassa lignocelulósica, como palha, capim, casca de arroz, sabugo de milho não têm conflitos com a questão alimentos versus combustível. Além disso, a biomassa é, provavelmente, a única fonte de energia renovável com carbono estrutural, em comparação com outras fontes de energia renováveis, como eólica, solar e de água 2. No entanto, a manipulação características, baixa densidade, elevado teor de cinzas, e menor teor de energia dificultam o uso de biomassa lignocelulósica para produção de energia 2.
A digestão anaeróbia (DA) é um dos principais exemplos de produção de bioenergia a partir de resíduos de biomassa 3 Em geral., Há quatro passos de degradação envolve a digestão anaeróbia, como mostrado na Figura 1 4 </sup>. Nas primeiras três etapas consecutivas, os polissacáridos de biomassa são convertidos em ácidos orgânicos. Na etapa final, os organismos metanogênicos produzir biometano. AD Tradicional é um tempo e um processo que consomem energia elétrica. A agitação contínua reduz a economia global da AD, especialmente para a AD de biomassa lignocelulósica. A novel Anaeróbio de estado sólido (UASS) reactor tem o potencial para ultrapassar os inconvenientes indicados (Figura 2) 4. Separações sólido-líquido espontânea é uma das vantagens significativas do UASS, uma vez que o concebido facilita bolhas de biogás para levantar os resíduos sólidos que não reagiram para cima 5. Isto elimina o uso de um agitador e, por conseguinte, reduz o consumo de energia no local. Além disso, a circulação do líquido assegura a distribuição de microrganismos e metabólitos ao longo do reactor, bem 5. Em comparação com os biocombustíveis sólidos, biogás é mais fácil de manusear, e deixa pouco ou nenhum resíduo. De facto, a densidade de energia específicado biogás é várias vezes maior biomassa matéria-4. No entanto, o AD favorece polissacáridos simples como amido, ácidos gordos, e hemicelulose 1. Como resultado, a celulose e lignina, grande parte da biomassa lignocelulósica fibrosos como palha de trigo, permanece como um sólido digerido após dC 5. Embora, a produção de biogás varia de a matéria-prima, tipo de microrganismos, temperatura de reacção, e tempo de reacção, uma quantidade enorme de digestores é normalmente produzido.
Enquanto o biogás é utilizado para a energia, digestates (até 90% de água) são normalmente armazenados em uma fermentação do resíduo de depósito para recolher restantes emissões de metano. Posteriormente estas são secas e espalhar sobre a área plantada para melhorar a fertilidade do solo ea capacidade de retenção de água. Conteúdo inorgânico alta muitas vezes dificultam digestores diretamente para o combustível, como grandes quantidades de escória pode corroer o equipamento 6. Carbonização hidrotérmica (HTC) é um processo de tratamento termoquímico especialmente concebido para molhado. matéria-prima, onde a biomassa (com 80-90% de água) é aquecido até 200-260 ° C, à pressão de saturação de água e manter durante 0,5-6 h (Figura 3) 7,8 Subcritical água tem o produto iónico no máximo 200 – 260 ° C, o que significa que a água sob estas condições é reactivo e comporta-se como um ácido fraco e uma base fraca, simultaneamente 9. A hemicelulose, em conjunto com outros produtos extractáveis, degradam em torno de 180-200 ° C, enquanto que a celulose reage em torno de 220-230 ° C, e a lignina reage à temperatura relativamente mais elevada (> 250 ° C), mas muito mais lento do que a celulose e hemicelulose 10. Devido à desidratação significativa e descarboxilação, os resultados HTC produto sólido chamado biocarvão HTC, com produção de massa (HTC seco biochar / ração seca) de 40-80%, licor contendo ácidos carboxílicos, derivados de furano, substâncias fenólicas, e monômeros de açúcar e 5 – 10% de CO 2 rico produto gasoso 11. Durante HTC, substâncias voláteis contendo oxigénio são significativamentereduzido e, assim, deixar um sólido rico em carbono. Biochar HTC também é estável, hidrofóbico, e friável comparar a raw 12,13 matéria-prima úmida. Devido às suas características hidrofóbicas, dewateribility de HTC biochar aumenta várias vezes em comparação com digestores cru ou mesmo biomassa crua. 14-18 Além disso, biochar HTC tem valores de combustível similares à lenhite carvão 16,17. No entanto, a celulose e lenhina parcialmente degradam no ambiente HTC 18.
Agora hemicelulose e celulose na biomassa contribuir para biogás durante AD, enquanto a celulose e lignina contribuir principalmente para biochar HTC sólida 4,5. Assim, a combinação de AD-HTC pode potencialmente aumentar o rendimento global de bioenergia. Hoffmann et al. Simulado uma combinação semelhante, mas usando AD e HTL (hidrotermal liquefação) em vez de AD-19 HTC. HTL é um método comum de liquefacção fracção de biomassa e produto líquido tem um valor alto de combustível [43,1 MJ / kg]. No entanto, HTL requires muito alta pressão (250 bar) comparar a HTC (10-50 bar), o que implica a instalação de alta e os custos de operação do HTC. Mais uma vez, a seqüência de combinação de AD e HTC pode ser questionada como Wirth et al. AD informou recentemente do processo HTC líquido 20. No entanto, um anúncio eficaz depende da concentração de açúcar nas matérias-primas. Açúcares em líquido de processo HTC, produzidos durante a hidrólise, muitas vezes degradar rapidamente sob água subcrítica. É por isso que antes de AD HTC é mais favorável em termos de bioenergia. No entanto, o AD de líquido de processo pode produzir bioenergia HTC adicional, em cujo caso, a sequência de combinação seria AD-HTC-AD.
O objetivo do trabalho foi avaliar a integração dos processos de AD e HTC para a produção de bioenergia (Figura 3). O potencial de produção de biogás para AD termofílica e mesofílica de UASS reator foi avaliada em uma operação contínua de mais de 200 dias. Posteriormente, a produção HTC biochar from digerido foi também estudada. A massa e energia equilíbrio da cascata AD-HTC foi realizada e comparada com os processos individuais.
Reatores UASs são capazes de atenuar as deficiências discutidas na introdução. No entanto, há muito espaço para melhorias. Sistema de alimentação e digestores retirar ainda são manuais. O sistema UASS enfrenta problemas em lidar com matérias-primas maiores do que 60 mm. O sistema funciona melhor com matérias-primas fibrosas enquanto flutuam em todo o líquido, mas outras matérias-primas, como o estrume animal e lodo pode não favorecer o sistema UASS. O sistema UASS é concebido de tal forma que o licor de processo circula a partir do reactor de AF para o reactor de novo. No entanto, mesmo 2-5% de sólidos no líquido circulando foi provado ser problemática, uma vez que depositar no AF ou bloquear a entrada do tubo e impedir a circulação de líquido. A análise química do líquido de processo é importante, pois a produção de ácidos graxos livres e nitrogênio pode mudar o sistema microbiano resultando na produção de biogás incaracterístico. O sistema UASS é robusto, e pode executar mais de 200 dias sem mostrar qualquer significant problemas. Os tubos de ligação a partir de bombas de reatores para o AFS precisam ser substituídos a cada mês alternativo. O nível da água no banho-maria deve ser verificado semanalmente e recarregados, se necessário.
HTC de digestores molhado é muito eficaz para o tratamento de resíduos, bem como a produção de biocombustível sólido. O dewateribility do produto sólido será igualmente facilitada pelo processo HTC como mostrado na Figura 7. No entanto, HTC de digestores precisa ser realizado o mais rapidamente possível, de preferência no mesmo dia que o digerido é removido. Caso contrário, o digerido começa degradar biologicamente, o que não é favorável para a HTC. Como HTC é uma temperatura elevada (200-260 ° C) e elevada pressão (20-50 bar) processo, tomando as precauções necessárias durante o procedimento HTC é muito importante. Todas as ligações são verificados pelo menos uma vez por mês para se certificar de que eles são à prova de gás. Líquido processo HTC tem uma maior concentração de furfural, 5-HMF, e co fenólicompounds, que são classificados como tóxicos. Assim, recomenda-se usar uma máscara de face e luvas durante o manuseio de líquidos processo HTC, especialmente quando o processo HTC licor é drenada do vaso do reator para outro recipiente. Embora HTC tem muitas vantagens para o tratamento de matéria-prima húmida como digestores, é ainda um processo descontínuo. Em uma avaliação econômica, processo em lote HTC vai ser difícil de justificar. Mais pesquisas são, portanto, necessárias para facilitar o funcionamento contínuo da HTC.
Análise elementar é um método eficaz para substratos sólidos homogêneos, mas não para substratos heterogêneos. Como biocombustível sólido é geralmente heterogênea e elementar analisador só permite 5-10 mg do tamanho da amostra, recomenda-se realizar pelo menos três repetições e uso médio. Outra limitação da análise elementar é medir substratos sólidos com elevado teor de cinzas. Analisadores elementares só medir Chon, e nenhum outro inorgânicos. Assim, a análise elementar de substratos sólidos alta cinzas não pode reveal as concentrações reais Chon. A preparação das amostras em análise elementar é vital, como amostra tem de ser embrulhado com precisão, caso contrário, haverá uma inconsistência nas análises. Valor do combustível do combustível sólido pode ser calculada a partir Chon, mas recomenda-se a utilização de um calorímetro de bomba para a determinação exacta do valor do combustível.
Sobre 92-161 L de metano foi produzido por quilo de sólidos voláteis na alimentação. O total sólidos ou orgânicos voláteis sólida da palha de trigo seca foi de 86,9%. Digestores a seco tem menor concentração atômica de oxigênio e hidrogênio, que é outra indicação de degradação de polissacarídeos e degradação simples de açúcar durante a digestão anaeróbia 22,23. Além disso, a menor H, e O concentrações aumentar o HHV do digestores 24. HHV de digestores seco é 22% maior do que matéria-prima crua seca. Os resultados semelhantes são obtidos com uma análise estatística detalhada por Pohl et al 23.
Digestates de digestão anaeróbia contém 80-90% de água 6. Estes são hidrofílicos e água é parcialmente ligada nas células microbianas ou vegetais. Como resultado de desidratação ou secagem de digestates é pesado e muita energia. Por exemplo, 2 kg de digestores seca liga 8 kg de água (80% molhado), o que requer 20,7 MJ de calor para secar digestores. Além disso, ele tende a bio-degrade de forma relativamente rápida, em condições ambientais, perde nutrientes para as plantas, e libera as emissões de GEE (gases de efeito estufa), como N 2 O e CH 4. Assim, apesar de maior potencial energético, digestores fresco não pode ser usado diretamente como combustível sólido. Terá que ser secas imediatamente após a digestão de 20.
A partir da Tabela 1, pode ser mostrado que o digerido seco tem um teor de carbono atómico semelhante como palha crua, e que são visualmente semelhante antes e após a digestão anaeróbica (Figura 6). Isto sugere que a lignina e celulose incrustado de ligninaestão principalmente não reagiu. No entanto, a produção de massa de 63% observado, ou seja, palha processado é 37% mais leve do que a palha crua seca. Concentração de carbono elementar Similar não significa nenhuma carbonização ocorreu durante a digestão anaeróbia 22. Como mostrado na Figura 7, o biochar HTC de digestores (termófila) é muito estável e suave. Devido ao aumento significativo na hidrofobicidade, ele pode literalmente submergir em água por meses sem a sua estrutura física e química sendo afetados 12,25. A hidrofobicidade também aumenta a desidratação da HTC biochar 14. Estrutura da palha não é perceptível na biocarvão HTC mais, o que significa que a celulose podem ter sido reagido. Uma carbonização significativa é observada em biocarvão HTC, juntamente com a redução do oxigénio atómico. Esta é mais uma indicação de celulose a ser feito reagir, em vez de lignina. A concentração de carbono atómico em lignina é muito mais elevada do que a da celulose 24-29. Como resultado, a HTC bioqAR tem uma HHV de 29,6 MJ / kg, que são 61% mais elevada do que a palha em bruto e 32% maior do que o digerido seca, respectivamente.
HHV de HTC palha processada é de 28,8 MJ / kg, o que também é semelhante à da HTC digerido palhas (29,6 MJ / kg). No entanto, a produção em massa é 40,7% maior em HTC palha do que a de digestores HTC com comparação com matéria-prima bruta. Como resultado, se 1 kg de palha crua (18,4 MJ) é hidrotérmico carbonizada, HTC biochar palha terá o potencial de 11,0 MJ. Caso contrário, se a mesma quantidade é aplicada a AD e HTC, um total de bioenergia 13,2 MJ, em formas de biometano (5,2 MJ) e biocarvão HTC de digestores (8,0 MJ), pode ser produzido (Figura 8). Além disso, a fase líquida do processo UASS é um potencial fertilizante líquido. Além disso, HTC biochar pode ter maior potencial de alto valor de uso material ou usar como correção do solo. Para o seqüestro de carbono ou ciclo do carbono ponto de vista, o uso de material de HTC biochar é mais viável que a produção de energia. </ P>
A digestão anaeróbia combinada com carbonização hidrotérmica pode render mais de bioenergia do que os processos individuais. No entanto, um projeto em cascata é necessário para uma melhor eficiência. O balanço de energia global, seguido de uma avaliação económica, é necessário para validar o processo. Pesquisas futuras devem incluir o uso de bebidas alcoólicas HTC e pós-tratamento (químico ou biológico) da HTC biochar. Além disso, será necessária a automação de ambos UASS e sistemas HTC. Este estudo foi realizado em laboratório utilizando um UASS escala e reator HTC, mas scale-up do processo seria necessário se o processo está 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 |