Растителната биомаса представлява един от най-богатите и най-малко използвани биологични ресурси и е благоприятен източник на материали за горива и суровини.

Свързани термини:

  • Енергийно инженерство
  • Биомаса
  • Водород
  • Биоенергия
  • Биогорива
  • Суровини
  • Възобновяема енергия
  • Лигноцелулозна биомаса
  • Хемицелулози

Изтеглете като PDF

За тази страница

Clostridium thermocellum

Биотехнологичен интерес към Clostridium thermocellum

ИЗМЕРВАНЕ НА РАСТИТЕЛНА БИОМАСА И МРЕЖА ПЪРВИЧНО ПРОИЗВОДСТВО

1.1.1 Определения

Растителната биомаса (W) е теглото на живия растителен материал, съдържащ се над и под единица земна повърхност в даден момент от времето. Производството е биомасата или теглото на органичната материя, усвоена от общност или вид на единица земна площ за единица време. Производството от фотосинтетични организми, т.е. първичното производство, може да бъде изразено по два начина. Брутното първично производство (Pg) е общото количество усвоена органична материя (включително загубената при дишане). Нетното първично производство (Pn) е общото количество органично вещество, усвоено по-малко от загубеното поради дишане (уравнение 1.1), т.е. общото производство, което е достъпно за други трофични нива или това, което остава като съхранена химическа енергия. Въпреки че производството тук е изразено като сухо тегло на органично вещество, то може да бъде изразено като всяко запазено количество, напр. въглерод или енергия.

Малкомащабни подходи за оценка на биоконверсията на биомаса за горива и химикали

Джонатан Р. Миленц, в Биоенергия, 2015

Въведение

Ресурси от биомаса

Хавиер Санчес,. Хесус Фернандес, в Ролята на биоенергията в биоикономиката, 2019

2.2.1 Елементен състав

Растителната биомаса се състои предимно от три елемента: 42% -47% от въглерода (C), 40% -44% от кислорода (O) и 6% от водорода (H), всички проценти в сухото вещество. Този елементарен състав на биомасата е последван от така наречените макронутриенти, които са от съществено значение за производството на биомаса: азот (N), фосфор (P), калий (K), калций (Ca), магнезий (Mg) и сяра (S ). Освен това растенията се нуждаят и от някои допълнителни елементи в по-ниски количества, микроелементи и микроелементи, като натрий (Na), хлор (Cl), желязо (Fe), манган (Mn), мед (Cu), цинк (Zn), молибден (Mo), никел (Ni), селен (Se) и силиций (Si), обобщавайки всички заедно до 4%. Биомасата също така съдържа, а именно в пепелта, някои различни елементи като алуминий (Al), арсен (As), барий (Ba), кадмий (Cd), хром (Cr), живак (Hg), олово (Pb), антимон ( Sb), титан (Ti), талий (Tl), ванадий (V) и волфрам (W).

Фигура 2.4 показва средните стойности на елементарния състав на растителната биомаса.

растителна

Фигура 2.4. Елементен състав на растителната биомаса. Размерът на кутиите съответства на количеството на всеки елемент в състава на биомасата (%).

Въз основа на Lewandowski, I., Gaudet, N., Lask, J., Maier, J., Tchouga, B., Vargas-Carpintero, R., 2018. Bioeconomy. В: Левандовски (изд.), Оформяне на прехода към устойчива икономика на биологична основа I. Чам, Швейцария: Springer International Publishing AG.

Устойчиво производство на енергия: ключови материални изисквания

19.5 Въведение в биомасата и геотермалните енергии

Биомасата (растителен материал) е възобновяем енергиен източник, тъй като енергията, която съдържа, идва от слънцето. Чрез процеса на фотосинтеза растенията улавят слънчевата енергия. Когато растенията са изгорени, те освобождават слънчевата енергия, която съдържат. По този начин биомасата функционира като вид естествена батерия за съхранение на слънчева енергия (Pigott, 2009). Докато биомасата се произвежда по устойчив начин, като се използва само толкова, колкото се отглежда, „батерията“ ще продължи безкрайно (Съюз на загрижените учени, 2009). Като цяло има два основни подхода за използване на растения за производство на енергия: (1) отглеждане на растения специално за енергийна употреба и (2) използване на остатъците от растенията, които се използват за други стоки. Най-добрият подход варира от регион до регион в зависимост от климата, почвите и географията (Съюз на загрижените учени, 2009).

Джонсън и Линке-Хийп (2007) предполагат, че композитите на основата на юта ще се използват в енергийния източник на биомаса, което е една от по-младите технологии, които не са напреднали достатъчно за обсъждане; следователно тази енергийна техника няма да се обсъжда допълнително.

Геотермалната енергия идва от земните недра. Топлината се генерира в земното ядро ​​на около 4000 мили под земната повърхност и се просмуква през разломи и пукнатини на земната повърхност. Когато топлината достигне повърхността, тя се отделя естествено под формата на вулкани, горещи извори и гейзери. В зависимост от геологията е възможно достъп до тази топлина чрез пробиване в земната повърхност или подслушване в горещите извори. Най-активният обект на геотермална енергия е в Тихия океан в район, наречен Огненият пръстен.

По същия начин композитите ще се използват в инсталации, извършващи геотермална енергия, но това отново е една от младите технологии; следователно тази енергийна система няма да се обсъжда допълнително.

Експресия на гъбични хидролази в Saccharomyces cerevisiae

Резюме

Превръщането на растителната биомаса в етанол или други стоки чрез директно микробно преобразуване би могло да бъде икономически осъществимо, ако микробите, които имат оптимални свойства за преработка и образуване на продукти, могат да бъдат идентифицирани или проектирани. Дрождите Saccharomyces cerevisiae притежават няколко предимства пред другите организми-кандидати за това развитие, като стабилността на процеса, дългата индустриална история и генетичната ковкост. Тъй като тези дрожди не могат да използват полимерни захарни субстрати, хетероложното производство на хидролитичните дейности, необходими за разграждането на целулозните и хемицелулозните компоненти на растителната биомаса, е наложително. Няколко изследователи са се опитали да експресират гени, кодиращи лигноцелулолитични хидролази в S. cerevisiae през последните три десетилетия. Тази глава ще направи оценка на напредъка, постигнат в тази област и ще подчертае някои от успехите и бъдещите предизвикателства.

Биоенергия

19.3.2 Интегрирана газификация

Една инсталация за биомаса с интегрирана система за газификация може да има различни конфигурации, както е схематично представено на фиг. 19.2. Процесът започва с биомасата, доставена в бункера, който захранва газификатора, който обработва суровината, за да произведе газообразно гориво. След специално кондициониране в системата за обработка на газ, готов за изгаряне газ може да следва няколко пътя в зависимост от типа на инсталацията:

Фигура 19.2. Опростена технологична схема на интегрирани опции за газификация.

Биомасата се доставя в бункера, който захранва газификатора. Биогазът се обработва, за да отговаря на изискванията на една система за изгаряне: котел, газова турбина или газов двигател.

Газ може да се подава в котела и да се изгаря там, за да се генерира пара, която ще се използва в парна турбина. Тази конфигурация е подобна на тази, използвана на твърда биомаса.

Газ може да се подава към газови двигатели, например, бутални, които биха захранвали съответните генератори и захранвали електричество към мрежата. Обикновено такива машини имат размери от няколко мегавата и могат да работят много гъвкаво.

И накрая, газът може да се използва в газовата турбина, която обикновено е с модифицирана горивна система, тъй като биогазът или синтетичният газ могат да имат по-ниско съдържание на метан или много по-висок водород. Това може да бъде приложено допълнително или в прост цикъл, или дори в комбинирана конфигурация на цикъла, за да се увеличи ефективността.

Газификацията и обработката на газа са важна система, която превръща биомасата в синтетичен газ и я кондиционира според изискванията на горивната система на котела, газовия двигател или газовата турбина. Докато котелът обикновено е по-малко критичен за състава и свойствата на газа, газовите двигатели и особено газовите турбини са чувствителни към горивото и поради това изискват подходяща предварителна обработка преди постъпването на горивото в машината.

Съществуват различни видове газификатори, които могат да се използват за извършване на преобразуване на биомаса в синтетичен газ, например газификатор с фиксиран слой или газификатор с кипящ слой. Всички те обаче изпълняват процеса на газификация в няколко подобни стъпки, като винаги включват:

Пиролиза, която се осъществява при температури около 450 - 600 ∘ C, когато летливите компоненти се освобождават от биомасата и в резултат на реакцията се получава твърд остатък, наречен въглен;

Окисление, когато въглеродът реагира с пара, подавана към газификатора (или реактора) или е изгорен в присъствието на въздух или кислород, което води до отделяне на горими газове.

Полученият суров газ обикновено съдържа различни примеси, които могат да повлияят отрицателно на оборудването и да доведат до корозия, ерозия или повреди. Това обикновено са кондензируеми въглеводороди, различни частици, метални съединения, вода и т.н. Следователно газът трябва да претърпи процес на обработка, който може да включва охлаждане на газа до необходимата температура, филтриране на някои от ненужните твърди частици, пречистване, намаляване или увеличаване на налягане и др.

По-нататъшното използване на синтетичен газ зависи от наличната технология. Обикновено, поради размера на електроцентрала, работеща със синтетичен газ, се прилагат по-малки котелни единици. Същата логика се отнася и за газовите двигатели и газовите турбини, които обикновено са по-малки в сравнение с мащабните тежки газови турбини. В много случаи се използват газови двигатели, малки тежки газови турбини и аеродеривативни турбини. Последните са самолетни турбини, внедрени за приложения за производство на енергия и могат да бъдат до 100 MW на единица. Те обикновено се гордеят с висока гъвкавост, бърз старт и скорост на нарастване и мобилност (тези машини могат лесно да бъдат доставени в контейнерни модули).

Ефективността на производството на електроенергия може да достигне нивата от 40% за приложения с прост цикъл (напр. Задвижване с газова турбина), докато комбинираното производство на топлинна и електрическа енергия дори може да доведе до драматичните цифри от 90%.

Предварителна обработка на биомаса за консолидирана биопреработка (CBP)

8.4.2 Въглехидратни активни ензимни системи

За да използват растителната биомаса за растеж, микроорганизмите произвеждат множество ензими, които хидролизират целулозата, хемицелулозата и пектиновите полимери, открити в растителните клетъчни стени (Warren, 1996). Като клас тези въглехидратни активни ензими се наричат ​​гликозидни хидролази (GH). Извънклетъчните GHs могат да се секретират свободно в околната среда около клетката (некомплексни GH системи) или могат да бъдат свързани с клетки в големи ензимни комплекси (целулозоми). Гикозидните хидролази, които са специално насочени към целулозата, включват:

ендоглюканази (1,4 ß-d-глюкан-4-глюканохидролази), които разцепват произволни вътрешни аморфни места на целулозна верига, произвеждащи целулодекстрини с различна дължина и по този начин нови краища на веригата;

екзоглюканази (включително 1,4-ß-d -глюканохидролази или целодекстринази и 1,4-ß- г глюканцелобиохидролази, или просто целобиохидролаза), които действат процесивно върху редуциращите и нередуциращите краища на целулозните вериги, освобождаващи или d -глюкоза (глюканохидролаза) или d -целобиоза (целобиохидролаза) или по-къси целодекстрини; и

ß-глюкозидаза (ß-глюкозидни глюкохидролази), които хидролизират разтворими целодекстрини и целобиоза до глюкоза.

Способността на целулазите да хидролизират ß-1,4-гликозидни връзки между глюкозилови остатъци отличава целулазата от другите гликозидни хидролази (Lynd et al., 2002).

Стратегии за предварителна обработка за биохимично преобразуване на биомаса

3.2.1.3 Процес на естествено биохимично преобразуване на биомаса и неговите последици за процеса на изкуствено биохимично преобразуване

Естественото разлагане на биомасата е процес, който съчетава физически ефекти, химични ефекти, биологични ефекти и др. И може да бъде обобщен накратко на два етапа: предварителна обработка и ферментация в твърдо състояние. Естествената предварителна подготовка включва физически, химични и биологични процеси, тъй като ролята в процеса често не е просто класифицирана като лечебен ефект.

При продължителна еволюция в природата организмите са образували естествена бариерна структура, за да се противопоставят на разграждането на други организми; следователно разграждането на биомасата се нуждае от предварителна обработка, за да промени физическата структура или химичния състав, за да улесни разграждането на биомасата от микроорганизми. Естествените ефекти на предварителната обработка включват процес на разтваряне на разтворими съединения (излугване с вода) и процес на механично смилане на неразтворими съединения и вредните ефекти на микробния растеж и метаболизма. Естественото предварително кондициониране е важен фактор за получаване на въглерод и енергия от биомасата на микроорганизмите, променяйки наличността на биомасата чрез предварителна подготовка, частици, съдържащи се в биомасата, като повърхност, порьозност и др .; друга неразтворима хранителна трансформация се случва в разтворими вещества, като реакции на деполимеризация и хидролиза. Вземете за пример почвените животни: те механично разбиват биомасите и разкъсват част от по-големия обем от пълната пиролиза на биомасата на по-малки парчета, което увеличава ефективния размер на използването на биомаси. Междувременно почвените животни произвеждат микробни протеини и след това растежните фактори могат да се използват за насърчаване на растежа на микроорганизмите.

Естествената твърда ферментация по същество е смесен процес на ферментация. Взаимните промоции и инхибиции между самите гъбички и между гъбичките и микробите, дори между актиномиците, работят заедно, за да завършат катаболизма на биомасата. Микроорганизми с различни екологични навици по време на процеса на разлагане до последователност на сапрофитни паразитни взаимодействия. Микрофлората в хранителна органична матрица са взаимно зависими и взаимното инхибиране съставлява сапрофитна хранителна верига, състав на общността и показа значителен брой динамични промени.

Процесите на биохимично преобразуване на растителната биомаса при естествени условия имат следните условия за използването на биомаса:

Съхранението на растителна биомаса трябва да избягва извличането на вода и да се опита да запази растението непокътнато, за да предотврати микробна инвазия.

За различните етапи на разграждане са необходими различни микробни ензими, поради което за различните цели на биоконверсията на биомаса трябва да се избере подходящ ензим или микроорганизъм.

Разграждането и остатъците от растителна биомаса в различните местообитания са различни, следователно устойчивата бариера на растителната биомаса е относително определение.

Процесът на предварителна обработка на растителната биомаса представлява концентрация на естествения процес на разграждане, поради което може да се научи от физическата химия на биологичните процеси при различни местообитания.

Производство на енергия чрез технологии за газификация на биомаса

1.2 Upsift газификатор

В тази конфигурация инсталацията биомасата се загрява предварително с горещ въздух. Това е необходимо за реакциите на пиролиза и ендотермична газификация, докато в дъното има пепел, която е в състояние да подгрее окислителя (въздух или кислород). Този процес има висока енергийна ефективност, както и въглеродна ефективност, но синтезът е богат на катран, поради ниската температура на изхода на синтетичния газ, газификатора (Belgiorno et al., 2003; Midilli et al., 2001; Bridgewater, 2003).

Таблица 1 показва, че когато се използва конфигурация на възходящото течение, има и няколко недостатъка, свързани с високото съдържание на катран в синтетичния газ, както и предизвикателни и мостови явления.

Маса 1 . Предимства и недостатъци на възходящата технология