Transcript Han Vervaeren - Biogas

VOORBEHANDELING
Lignocellulose rijke biomassa
Han Vervaeren
Bart Ryckaert
Voorbehandeling
• Inleiding
• Enkele Technieken
• Besluit
Inleiding
+
Opslag
Transport
Energie inhoud
Betere conversie
Kostprijs
Anaerobe vergisting  sneller + vollediger
Wat gebeurt er?
Biodegradatie vs biobeschikbaar
Specifiek opp
Porositeit
depolymerisatiegraad
Hoe evalueren?
Indeling…in literatuur en in praktijk
• Literatuur
 Mechanisch en/of fysisch
 Chemisch en/of fysico-chemisch
 Biologisch
• Praktijk
 Conventioneel
 Mechanisch
 Silage (biologisch)
 Thermo-(mechanisch)
 Niet-conventioneel
 Chemisch
 Ultrasoon
 Thermisch
 Enzymatisch/biologisch
 Microgolven, etc.
Mechanische voorbehandelingen
Mechanische voorbehandeling
• Effect op biomassa
• Verkleinen partikelgrootte
• Vergroten aandeel VS
• Vrijstellen celinhoud
• Verlagen polymerisatiegraad
Mechanische voorbehandeling
• Effect tijdens vergistingsproces
• Vergroten contactoppervlak
• Versnellen vergistingsproces door
snellere hydrolyse
• Verbetert toegankelijkheid biomassa
voor micro-organismen
a. Mix aardappelen – appels wortelen:
stukken van 2 cm 
vermalen
b. Vlees:
stukken van 2 cm 
vermalen 0
c.
Zonnebloemkernen:
kern zonder schaal 5 mm 
vermalen
d.
Hooi:
stukken van 1.5 cm 
vermalen
e. Denneloof:
stukken van 2 cm 
vermalen
Effect op partikelgrootte en
VS-aandeel in gras
(Linkmark et al.,2012)
Effect op vergistingsproces
(Linkmark et al.,2012)
Mechanische voorbehandeling
• Hydrolysatiegraad verhoogt:
• 5-25%
• Verhoging biogasopbrengst:
• 5-50%
• HRT verkort:
• 23%-59%
• Elektrische efficiëntie
• Gaand 8 keer meer output dan input
tot negatief
Hendriks et al., 2008, Lindmark et al., 2012
Mechanische voorbehandeling
Quickmix (vogelsang)
Inclusief homogeniseren en mengen
SILAGE
CO2
-CH3CHOHCOOH
-CO2
-CH3CHOHCOOH
-CH3COOH
-CH3CH2OH
-CO2
Gisten,
schimmels
Enterobac
Homoferm
Clostridium
Heteroferm
Enzymatische behandeling
Biologische behandeling  wit-rot schimmels (Wan & LI, 2012)
Verhoogt silage de methaan opbrengst?
• Van 11 – 17 % (Hermann et al., 2012, Vervaeren et al., 2010) (op mais, gierst,
tarwe, rijst) in batch maar compensatie nodig voor :
▫ ODM verliezen
▫ Wijziging samenstelling ODM na ensilering
Rond de 3- 7 % meerwaarde
Kunnen we met silage additieven dit verhogen?
Meerwaarde Nm3 CH4/ton
ODM raw
• Mogelijks…. doch verder onderzoek nodig
140
120
100
80
60
40
20
0
(Vervaeren et al., 2010)
Biologisch
• + Goedkoop
• + Eenvoudig
• + weinig risico op inhibitoren
•
•
•
•
- Lage meeropbrengst
- Lange tot zeer lange tijden nodig
- Werking niet altijd gegarandeerd
- Selectiviteit niet gegarandeerd
Silageadditieven – test praktijkvergister
Test inkuiladditieven
pilootvergister Inagro
• Inkuilen maïs met en zonder inkuiladditief
• Basis periode van 40 dagen, testperiode
van 40 dagen
Test pilootvergister
Elektriciteitsproductie (kWh/dag)
600
Vergelijking gemiddelde brutoelektriciteitsproductie
500
400
300
200
100
0
basisperiode
Proefperiode
Thermo-mechanische voorbehandelingen
Types
• Extruder
• Mbv vijzels wisselende drukken en
temperaturen creëren
• Verkleine partikelgrootte
• Scheuren cellen
• Toegankelijker maken ligno-cellulose
door depolymerisatie
• Stoomexplosie
• Injectie stoom onder hoge druk
gevolgd door een snelle drukval
• Lyseren cellen
• Toegankelijker maken ligno-cellulose
(Hjorth et. Al, 2011, Horn et. Al, 2011)
Extruder
Hjorth et. Al, 2011
Extruder – elektrische efficiëntie
Hjorth et. Al, 2011
Voor- en nadelen
• Voordelen
• Geen chemische additieven
• Simpele techniek
• Sterke mechanisatie mogelijk
• Nadelen
• Energie-efficientie: grote verschillen
• Effect sterk afhankelijk type biomassa
• Investeringskost
Pre-hygiënisatie : thermisch
Pre-hygiënisatie
• Voor vergisting een hygiëniseringsstap
doorvoeren
• 60 minuten aan 70°C
• Thermische voorbehandeling
Hygiënisatie voor vergisting
• Test op mengsel mest + groentenafval
Prehygiënisatie
Ultrasone
behandeling
Geen
behandeling
Onbehandelde
mest
(Luste et al., 2011)
Chemisch
• ZUREN
▫
▫
▫
▫
H2SO4, HCL, HNO3 en H3PO4
Geconcentreerde (30 – 70 %) of verdunde (0,5 – 2 %)
! vorming H2S en NH3 alsmede aromatische aldehyden (furfural/HMF)
Vnl ingrijpend op hemicellulose (Monlau et al. 2012)
Zuren
Voordelen
Nadelen
Geconcentreerd
• Lage temperaturen
• Hoge suikeropbrengsten
• Hoog zuurverbruik
• Corrosie
• Moeilijke terugwinning
• Toxisch
• Condensatie en precipitatie lignine
• Ongewenste bijproducten (adaptatie)
• neutralisatie achteraf
Verdund
• Laag zuurverbruik
• Corrosie
• Hoge temperaturen
• Adaptatie voor bijproducten
• Alkalisch
▫
▫
▫
▫
▫
NaOH > KOH > Mg(OH)2 > Ca(OH)2 > NH4OH (Chandra et al., 2012)
Verzeping van zure suikergroepen  toegankelijker
Oplossen hemicellulose en (minder) lignine
Herbruikbaar
Biomassa verbruikt vrije alkaliën voor neutralisatie (+/- 3 % zonder meerwaarde)
• Oxidatief
▫ Toedienen van H2O2 (Fe 2+), CH3COOOH (van 1 tot > 20 %), Cl2, O3, O2
▫ Zal naast cellulose vooral lignine aanvallen (inhibitie door oplossen aromaten)
▫ Minder geschikt wegens ook cellulose oplossend en niet selectief
Bij alle drie
▫
▫
▫
▫
▫
▫
▫
verhoogd watergebruik
uitspoeling opgeloste koolstof mogelijk
Vervluchtiging mogelijk van koolstof
neutralisatie nodig (zuren)
Alkalisch meestal betere resultaten
Haalbaarheid?  praktische problemen !
Kristalliniteit van cellulose niet aangepakt
Wijze van toediening : NaOH bij maïs
Vernevelen : 30 % (350 ml/kg VM), weken : 4 % (2,6 L/kg VM)
Biogas
(Nm³/ton vers)
350
18 %
300
250
200
150
100
50
0
0
5
Onbehandeld gemiddelde
Onderzoek Enbichem – Inagro - 2009
10
Vernevelen gemiddelde
15
20
Weken gemiddelde
Dagen
Thermochemisch
Methane yield ( NLCH4 kg--1 VS -1 )
• Grote toename mogelijk (> 200 % (bv. rijsstro) ), maar optimalisatie noodzakelijk!
Ook sterke reductie in HRT mogelijk.
300
250
200
150
100
50
0
0
5
10
15
time (days)
20
25
30
(Lopez et al., to be submitted)
Onderzoek Enbichem 2012
Thermochemisch (Monlau et al., 2012)
• Vb. op zonnebloemsteel (invloed van temperatuur)
10 %
4%
Solventen en ionische vloeistoffen
• Organosolvents (OS) of ionische vloeistoffen (IV)
▫ OS : Methanol, ethanol, ethylene glycol, etc.
▫ + herbruikbaar, efficient (50 – 80 % delignificatie)
▫ + selectief cellulose//lignine//hemicellulose
▫ + goed stuurbaar
▫
▫
▫
▫
▫
- noodzaak voor recovery (via E/C, water, alcoholen)
- (zeer toxisch), hygroscopisch
- in combinatie met hoge temperaturen
- zeer dure vloeistoffen, uitgebreide apparatuur, experimenteel
- Bio-ethanol industrie, bio - refenery
Andere…the list goes on..
•
•
•
•
•
•
Vries-dooi
Sonicatie
Microgolven
Superkrtisch water/CO2
Verkoling, torrefecatie, pyrolyse,..
etc
Conclusies
•
•
•
•
•
Soms groot potentieel , andere veel minder
Trade-off
Veel nog experimenteel
Complex gegeven
Opschaling weinig bekend
•
Belangrijkst: m³ CH4/ton vers
• Bv. toevoeging van grote hoeveelheden water?
Opschaling: haalbaarheid, kost, onderhoudskost,
investeringskost,..
• Bv. toevoeging van grote hoeveelheden NaOH
Energie-input <-> energie-output
• Bv. Hoge dosissen ultrasone trillingen
•
•