Биоконверсия биомассы в смешанное спиртовое топливо - Bioconversion of biomass to mixed alcohol fuels

В биоконверсия биомассы в смешанное спиртовое топливо может быть выполнено с использованием процесса MixAlco. Через биоконверсию биомасса к смешанному спиртовое топливо, больше энергии из биомассы превратится в жидкое топливо, чем при преобразовании биомассы в этиловый спирт к дрожжи ферментация.

Процесс включает в себя биологический / химический метод преобразования любых биоразлагаемый материал (например, городские отходы, такие как твердые бытовые отходы, биоразлагаемые отходы, и осадок сточных вод, сельскохозяйственные остатки, такие как кукурузная солома, сахарный тростник жмых, хлопкоочистительный мусор, навоз ) в полезные химические вещества, такие как карбоновые кислоты (например., уксусный, пропионовый, Масляная кислота ), кетоны (например, ацетон, метилэтилкетон, диэтилкетон ) и биотопливо, например, смесь первичных спиртов (например, этанол, пропанол, п-бутанол ) и / или смесь вторичных спиртов (например, изопропанол, 2-бутанол, 3-пентанол). Из-за множества продуктов, которые можно производить экономично, этот процесс является истинным биоперерабатывающий завод.[1][2][3]

Пилотный проект (College Station, Техас )

В процессе используется смешанная культура встречающихся в природе микроорганизмов, встречающихся в естественных средах обитания, таких как рубец крупного рогатого скота, термит кишки, морские и наземные болота, чтобы анаэробно переваривать биомассы в смесь карбоновых кислот, образующихся во время ацидогенный и ацетогенный этапы анаэробное пищеварение, однако с подавлением метаногенный Последняя стадия. Наиболее популярные методы производства этанола и целлюлозный этанол используйте ферменты, которые необходимо сначала выделить, чтобы добавить в биомассу и таким образом превратить крахмал или целлюлозу в простые сахара, а затем произвести ферментацию дрожжей в этанол. Этот процесс не требует добавления таких ферментов, поскольку эти микроорганизмы вырабатывают свои собственные.[4]

Поскольку микроорганизмы анаэробно переваривают биомассу и превращают ее в смесь карбоновых кислот, pH нужно контролировать. Это делается путем добавления буферный агент (например., бикарбонат аммония, карбонат кальция ), давая смесь карбоксилат соли. Метаногенез, являясь естественным завершающим этапом анаэробного пищеварения, ингибируется наличием аммоний ионов или добавлением ингибитора (например, йодоформ ). Полученный ферментационный бульон содержит образовавшиеся карбоксилатные соли, которые необходимо обезвоживать. Это эффективно достигается за счет парокомпрессионное испарение. Затем может происходить дальнейшая химическая очистка обезвоженного ферментационного бульона в зависимости от желаемого конечного химического продукта или биотоплива.

Конденсированная дистиллированная вода из парокомпрессионной испарительной системы возвращается обратно на ферментацию. С другой стороны, если неочищенные сточные воды или другие сточные воды с высоким BOD при необходимости очистки используется в качестве воды для ферментации, конденсированная дистиллированная вода после выпаривания может быть возвращена обратно в город или в исходный источник сточных вод с высоким БПК. Таким образом, этот процесс также может служить очистка воды объект, производящий ценные химические вещества или биотопливо.

Поскольку в системе используется смешанная культура микроорганизмов, ферментация не требует добавления каких-либо ферментов, а также не требует стерильности или асептических условий, что делает этот первый этап процесса более экономичным, чем в более популярных методах производства целлюлозного этанола. Эта экономия на начальном этапе процесса, когда объемы велики, обеспечивает гибкость для дальнейших химических превращений после обезвоживания, где объемы небольшие.

Карбоновые кислоты

Дальнейшая информация: Карбоновая кислота

Карбоновые кислоты могут быть регенерированы из солей карбоксилатов с использованием процесса, известного как «кислотное образование». В этом процессе используется высокомолекулярный третичный амин (например, триоктиламин), который переключается с помощью катион (например, аммоний или кальций). Затем полученный карбоксилат амина может быть термически разложен на сам амин, который рециркулирует, и соответствующий карбоновая кислота. Таким образом, теоретически на этом этапе не потребляются химические вещества и не образуются отходы.[5]

Кетоны

Дальнейшая информация: Кетон

Есть два метода получения кетонов. Первый заключается в термическом превращении солей карбоксилата кальция в соответствующие кетоны. Это был распространенный метод получения ацетона из ацетат кальция в течение Первая Мировая Война.[6] Другой метод получения кетонов состоит в превращении испаренных карбоновых кислот на каталитический слой из оксид циркония.[7]

Спирты

Дальнейшая информация: Алкоголь

Первичные спирты

Непереваренный остаток ферментации можно использовать в газификация сделать водород (ЧАС2). Это H2 затем можно использовать для гидрогенолиз то сложные эфиры над катализатором (например, хромитом меди),[8] которые получают путем этерификации солей карбоксилата аммония (например, ацетат аммония, пропионат, бутират) или карбоновые кислоты (например, уксусная, пропионовая, масляная кислота) с высокомолекулярным спиртом (например, гексанол, гептанол ).[9] Конечными продуктами гидрогенолиза являются высокомолекулярный спирт, который возвращается обратно в производство. этерификация и соответствующие первичные спирты (например, этанол, пропанол, бутанол).

Вторичные спирты

Вторичные спирты (например, изопропанол, 2-бутанол, 3-пентанол) получают путем гидрогенизация над катализатором (например, никелем Ренея) соответствующие кетоны (например, ацетон, метилэтилкетон, диэтилкетон).[10]

Прямое биотопливо

Первичные или вторичные спирты, полученные, как описано выше, могут подвергаться превращению в капельные. биотопливо, топлива, которые совместимы с существующей инфраструктурой ископаемого топлива, такой как биогазолин, зеленый дизель и биотопливо для реактивных двигателей. Это делается путем дегидратации спиртов с последующей олигомеризацией с использованием цеолитных катализаторов аналогично метанекс процесс, который использовался для производства бензина из метанол в Новой Зеландии.[11]

Уксусная кислота против этанола

Заводы по производству целлюлозы и этанола неизбежно будут чистыми экспортерами электроэнергии, потому что большая часть лигноцеллюлозная биомасса, а именно лигнин, остается непереваренным, и его необходимо сжигать, производя таким образом электроэнергию для завода и избыточную электроэнергию для сети. По мере роста рынка эта технология становится все более распространенной, объединяя жидкое топливо и рынки электроэнергии будет становиться все сложнее.[нужна цитата ]

Уксусная кислота, в отличие от этанола, биологически производится из простых сахаров без образования углекислый газ:

C6ЧАС12О6 → 2 канала3CH2ОН + 2 СО2
(Биологическое производство этанола)
C6ЧАС12О6 → 3 канала3COOH
(Биологическое производство уксусная кислота )

Из-за этого выходы по массе будут выше, чем при ферментации этанола. Если затем непереваренный остаток (в основном лигнин) использовать для производства водорода путем газификации, то можно гарантировать, что больше энергии из биомассы превратится в жидкое топливо, а не в избыточное тепло / электричество.[12]

3 канала3COOH + 6 H2 → 3 канала3CH2ОН + 3 Н2О
(Гидрирование уксусной кислоты)
C6ЧАС12О6 (из целлюлоза ) + 6 H2 (из лигнина) → 3 СН3CH2ОН + 3 Н2О
(Общая реакция)

Более полное описание экономики каждого вида топлива приведено на страницах. спиртовое топливо и этанол топливо, более подробную информацию об экономике различных систем можно найти на центральной странице биотопливо.

Стадия развития

Система находится в разработке с 1991 года, перейдя от лабораторного масштаба (10 г / день) к экспериментальному масштабу (200 фунтов / день) в 2001 году. Небольшая демонстрационная установка (5 тонн / день) была построена и сейчас находится в эксплуатации, а демонстрационная установка мощностью 220 тонн в сутки ожидается в 2012 году.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Усовершенствованный завод по переработке биомассы - третье поколение, 2007 г. (видео) В архиве 1 июля 2010 г. Wayback Machine
  2. ^ Презентация EPA о процессе[постоянная мертвая ссылка ]
  3. ^ Заявление
  4. ^ F.K. Агбогбо, М. Хольцаппле (23 августа 2005 г.). «Ферментация в неподвижном слое рисовой соломы и куриного помета с использованием смешанной культуры морских мезофильных микроорганизмов». Биоресурсные технологии. 98 (8): 1586–1595. Дои:10.1016 / j.biortech.2006.06.021. PMID  16962320.
  5. ^ Уильямсон, С.А. 2000. Превращение карбоксилатных солей в карбоновые кислоты посредством реактивной дистилляции. РС. Тезис
  6. ^ Yeh, H. 2002. Пиролитическое разложение карбоксилатных солей. РС. Тезис
  7. ^ Инграм, Д. 2002. Кетонизация уксусной кислоты. Б.С. отчет студента.
  8. ^ Брэдли М.В., Харрис Н., Тернер К. 1982. Способ гидрогенолиза сложных эфиров карбоновых кислот WO 82/03854, ноябрь 2011 г.
  9. ^ Получение сложных эфиров реакцией солей аммония со спиртами.
  10. ^ Олдретт-Ли, С. 2000. Каталитическое гидрирование жидких кетонов с акцентом на массоперенос газ-жидкость. Кандидатская диссертация
  11. ^ «Производство бензина из метанола» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 1 декабря 2012 г.. Получено 27 ноября 2010.
  12. ^ Эггеман, Т., Версер, Д., и Вебер, Э. (2005), Непрямой путь производства этанола Министерство энергетики США