Energie en milieu

Van planten tot biobrandstof: een toelichting op de voorbehandeling van biomassa

Van planten tot biobrandstof: een toelichting op de voorbehandeling van biomassa

Bioethanolfabriek in Seal Sands, Teeside, VK [Afbeeldingsbron:Nick Bramhall, Flickr]

Hernieuwbare energie uit biomassa is nu een belangrijk onderdeel van de wereldwijde ontwikkeling van hernieuwbare energie. De brandstof die voor dit proces wordt gebruikt, de zogenaamde feedstocks, bestaat uit lignocellulosebiomassa, dat wil zeggen planten met een complexe structuur die polymeren van cellulose, hemicellulose en lignine bevatten. Dit zijn meestal materialen zoals stro, maïsstoof, switchgrass of houtafval, meestal gebruikt voor de productie van biobrandstoffen, zoals bio-ethanol, dat moet worden onderworpen aan een fermentatieproces waarbij de suikers veranderen in alcohol (ethanol is een vorm alcohol). De meeste voertuiggaranties accepteren een mengsel van maximaal 5 procent bio-ethanol / 95 procent benzine. Sterkere mengsels zijn mogelijk, maar meestal moet het voertuig worden aangepast om succesvol te zijn.

Voorafgaand aan het fermentatieproces moeten de suikers via een aantal voorbehandelingsprocessen uit de lignine worden vrijgemaakt. Deze processen kunnen ook verschillende bijproducten produceren via geïntegreerde bioraffinageprocessen.

De koolhydraatpolymeren cellulose en hemicellulose en het aromatische polymeer lignine bevatten koolstofsuikers die stevig aan het lignine zijn gebonden. Dat wil zeggen dat ze gevangen zitten in de lignocellulose. Dit betekent dat ze eerst van de lignine moeten worden losgekoppeld en vervolgens met zuur of enzymen moeten worden gehydrolyseerd om ze af te breken tot suikers (enkelvoudige monosachariden) zodat ze kunnen worden gebruikt voor biobrandstof.

De eerste stap in deze procedure is mechanisch. De planten moeten worden versnipperd en gemalen om hun grootte te verkleinen, de kristalliniteit te verminderen, de polymerisatie te verminderen en het effect van zuur- of enzymhydrolyse te vergroten. Dit verbetert ook de energiedichtheid van de biomassa, zodat deze gemakkelijker van veld naar punt naar gebruik kan worden getransporteerd. Meestal wordt de biomassa omgezet in pellets, blokjes of pucks (vergelijkbaar in grootte en vorm met een ijshockey puck). Ze kunnen ook worden omgezet in ‘biokool’ of ‘bio-olie’ door middel van warmte- en drukbehandeling.

Fractionering is het proces waarbij de biomassa wordt omgezet in lignine, cellulose en hemicellulose, die gemakkelijker verwerkt kunnen worden in een bioraffinage.

De volgende stap is stoomexplosie, waarbij de vezelachtige structuur van de biomassa met stoom onder hoge druk wordt afgebroken en vervolgens snel drukloos wordt gemaakt. Dit vernietigt de vezel, waardoor daaropvolgende voorbehandelingsprocessen mogelijk zijn. Andere methoden om hetzelfde resultaat te bereiken zijn onder meer een explosie van ammoniakvezels, waarbij de biomassa wordt behandeld met vloeibare ammoniak bij hoge temperatuur en druk, en een superkritische koolstofdioxide-explosie, waarbij de biomassa wordt behandeld met kooldioxide.

Wetenschappers van het Amerikaanse Department of Agriculture (USDA) Agricultural Research Service voegen een nieuwe giststam toe aan een maïskolfmengsel om de doeltreffendheid ervan te testen bij het fermenteren van ethanol uit plantensuikers [Afbeeldingsbron:US Department of Agriculture, Flickr]

Alkalische hydrolyse omvat de behandeling van de biomassa met een hoge alkalische concentratie bij lage temperatuur gedurende een lange periode. Stoffen die voor dit doel worden gebruikt, zijn onder meer natriumhydroxide, calciumhydroxide of ammoniak. De voordelen van dit proces zijn onder meer lagere temperaturen en drukken, minder afbraak van de suikers en het vermogen om veel van de bijtende zouten terug te winnen. De lange tijd die nodig is en de hoge alkalische concentratie zijn echter de belangrijkste nadelen.

Low Temperature Steep Delignification (LTSD) is een proces ontwikkeld door Bio-Process Innovation Inc dat kleine hoeveelheden niet-giftige chemicaliën gebruikt. Een proeffabriek van één ton werd gebouwd door het bedrijf in Indiana, VS, maar het proces is nu algemeen commercieel verkrijgbaar voor gebruik in bioraffinaderijen elders.

Co-solvent Enhanced Lignocellulosic Fractionation (CELF) gebruikt een organische verbinding genaamd tetrahydrofuran (THF) in combinatie met verdund zwavelzuur voor fractionering. Het kan een hoge suiker produceren voor fermentatie. Het kan ook een aantal nuttige organische verbindingen produceren, waaronder furfural (dat kan worden gebruikt als hulpmiddel bij de levering van landbouwherbiciden en als een chemisch oplosmiddel), 5-hydroxymethylfurfural en levulinezuur die katalytisch kunnen worden omgezet in chemicaliën of brandstof. Dit proces is ontwikkeld door de University of California en onder licentie van CogniTek. Een bedrijf genaamd MG Fuels is opgericht om het proces te commercialiseren.

Organosolv gebruikt organische oplosmiddelen zoals ethanol, methanol, butanol en azijnzuur om lignine en hemicellulose oplosbaar te maken. Een gepatenteerd organosolv-proces is ontwikkeld en gepatenteerd door American, Science and Technology AST, hoewel het momenteel alleen op proefschaal plaatsvindt. Het proces zet lignocellulose biomassa om in suikers, zuivere lignine, pulp en biochemische stoffen en omvat fractionering en hydrolyse om meer dan 95 procent opbrengst aan suikers te produceren.

Ozonolyse is de behandeling van biomassa met ozon voorafgaand aan enzymhydrolyse.

Pyrolyse is een van de meest bekende processen waarbij chemische ontleding door verhitting plaatsvindt. Flash-pyrolyse bereikt dit binnen 1-2 seconden bij temperaturen tot 500 ° C. Mobiele pyrolyse-eenheden zijn momenteel in gebruik bij een aantal organisaties over de hele wereld, en worden ook op lokaal niveau in ontwikkelingslanden ingezet om de productie van biobrandstoffen op gemeenschapsniveau te realiseren. Torrefactie is een mildere vorm van pyrolyse, waarbij het thermochemische proces wordt uitgevoerd bij 200-350 ° C in afwezigheid van zuurstof, waardoor getorrificeerde biomassa of houtskool ontstaat, beter bekend als ‘biokool’.


Bekijk de video: Briketpers Bio Warmte Nederland (Juli- 2021).