Növényi biomassza

A növényi biomassza az egyik legelterjedtebb és legkevésbé kihasznált biológiai erőforrás, és kedvező anyagforrás az üzemanyagok és nyersanyagok számára.

Kapcsolódó kifejezések:

Energetika
Biomassza
Hidrogén
Bioenergia
Bioüzemanyagok
Alapanyagok
Megújuló energia
Lignocellulóz biomassza
Hemicellulózok

Letöltés PDF formátumban

Erről az oldalról

Clostridium thermocellum

Biotechnológiai érdeklődés a Clostridium thermocellum iránt

A NÖVÉNY BIOMASSÁNAK ÉS NETTÓ ELSŐDLEGES TERMELÉS MÉRÉSE

1.1.1 Fogalommeghatározások

A növényi biomassza (W) az élő növényi anyagok súlya, amelyek a talajfelszín egysége felett és alatt találhatók egy adott időpontban. A termelés az a biomassza vagy szerves anyag tömege, amelyet egy közösség vagy faj asszimilál, földterület egységenként és időegységenként. A fotoszintetikus organizmusok általi termelés, vagyis az elsődleges termelés kétféleképpen fejezhető ki. A bruttó elsődleges termelés (Pg) az asszimilált szerves anyagok teljes mennyisége (beleértve a légzésben elveszett mennyiséget is). A nettó elsődleges termelés (Pn) az összes asszimilált szerves anyag mennyisége, kevesebb, mint a légzés miatt elveszett veszteség (1.1. Egyenlet), vagyis az a teljes termelés, amely más trofikus szintek számára elérhető, vagy amely tárolt kémiai energiaként megmarad. Bár a termelést itt a szerves anyag száraz tömegében fejezzük ki, bármilyen konzervált mennyiségként, pl. szén vagy energia.

Kis léptékű megközelítések az üzemanyagok és vegyi anyagok biomassza-biokonverziójának értékeléséhez

Jonathan R. Mielenz, Bioenergia, 2015

Bevezetés

Biomassza források

Javier Sánchez,. Jesús Fernández, A bioenergia szerepe a biogazdaságban, 2019

2.2.1 Elemi összetétel

A növényi biomassza többnyire három elemből áll: 42–47% szén (C), 40–44% oxigén (O) és 6% hidrogén (H), a szárazanyag összes százaléka. A biomassza ezen elemi összetételét követik az úgynevezett makrotápanyagok, amelyek elengedhetetlenek a biomassza-termeléshez: nitrogén (N), foszfor (P), kálium (K), kalcium (Ca), magnézium (Mg) és kén (S) ). Ezenkívül a növényeknek szükségük van néhány további elemre kisebb mennyiségben, mikroelemekre és nyomelemekre, például nátriumra (Na), klórra (Cl), vasra (Fe), mangánra (Mn), rézre (Cu), cinkre (Zn), molibdén (Mo), nikkel (Ni), szelén (Se) és szilícium (Si), összesítve 4% -ig. A biomassza, nevezetesen a hamuban, tartalmaz még néhány különféle elemet, mint például alumínium (Al), arzén (As), bárium (Ba), kadmium (Cd), króm (Cr), higany (Hg), ólom (Pb), antimon ( Sb), titán (Ti), tallium (Tl), vanádium (V) és volfrám (W).

A 2.4. Ábra a növényi biomassza elemi összetételének átlagos értékeit mutatja.

2.4. Ábra A növényi biomassza elemi összetétele. A dobozok mérete megegyezik az egyes elemek mennyiségével a biomassza összetételében (%).

Lewandowski, I., Gaudet, N., Lask, J., Maier, J., Tchouga, B., Vargas-Carpintero, R., 2018. Bioeconomy. Alapján. In: Lewandowski (Szerk.), A fenntartható, biobázisú gazdaságra való áttérés kialakítása I. Cham, Svájc: Springer International Publishing AG.

Fenntartható energiatermelés: legfontosabb anyagigények

19.5 Bevezetés a biomasszába és a geotermikus energiákba

A biomassza (növényi anyag) megújuló energiaforrás, mert a benne lévő energia a napból származik. A fotoszintézis folyamata révén a növények megfogják a nap energiáját. A növények megégésekor felszabadítják a bennük lévő nap energiáját. Ily módon a biomassza egyfajta természetes elemként funkcionál a napenergia tárolására (Pigott, 2009). Amíg a biomasszát fenntartható módon állítják elő, és csak annyit használnak fel, amennyit megtermelnek, addig az „akkumulátor” korlátlan ideig tart (Union of Concerned Scientists, 2009). A növények energiatermelésre történő felhasználására általában két fő megközelítés létezik: (1) növények termesztése kifejezetten energiafelhasználás céljából, és (2) a növényekből származó maradékok felhasználása más árukhoz. A legjobb megközelítés régiónként változik éghajlat, talaj és földrajz szerint (Union of Concerned Scientists, 2009).

Johnson és Linke-Heep (2007) azt javasolta, hogy a jutából készült kompozitok kerüljenek felhasználásra a biomassza energiaforrásban, amely a fiatalabb technológiák egyike, és amelyek nem eléggé fejlődtek a megbeszélésekhez; ezért ezt az energiatechnikát nem tárgyaljuk tovább.

A geotermikus energia a föld belsejéből származik. A hő a föld magjában keletkezik, mintegy 4000 mérföldnyire a föld felszíne alatt, és a föld felszínén található hibákon és repedéseken keresztül felszívódik. Amikor a hő eljut a felszínre, természetesen felszabadul vulkánok, forró források és gejzírek formájában. A geológiától függően úgy lehet hozzáférni ehhez a hőhöz, hogy a föld felszínébe fúrunk, vagy a meleg forrásokba csapolunk. A geotermikus energia legaktívabb helye a Csendes-óceánon található, a Tűzgyűrű nevű területen.

Hasonlóképpen, a kompozitokat geotermikus energia megkötését végző üzemekben is felhasználják, de ez is a fiatal technológiák egyike; következésképpen ezt az energiarendszert nem tárgyaljuk tovább.

Gombahidrolázok expressziója Saccharomyces cerevisiae-ben

Absztrakt

A növényi biomassza etanollá vagy más árucikkekké történő átalakítása közvetlen mikrobiális átalakítással gazdaságilag megvalósítható lehet, ha azonosítani vagy módosítani lehet az optimális feldolgozási és termékképzési tulajdonságokkal rendelkező mikrobákat. A Saccharomyces cerevisiae élesztő számos előnnyel rendelkezik a többi jelölt organizmussal szemben ebben a fejlődésben, például a folyamat robusztussága, a hosszú ipari múlt és a genetikai alakíthatóság. Mivel ez az élesztő nem használhat polimer cukorszubsztrátumokat, elengedhetetlen a növényi biomassza cellulóz- és hemicellulóz-komponenseinek lebontásához szükséges hidrolitikus aktivitások heterológ előállítása. Több kutató megkísérelte a lignocellulolitikus hidrolázokat kódoló gének kifejeződését az S. cerevisiae-ben az elmúlt három évtizedben. Ez a fejezet felméri az ezen a területen elért haladást, és kiemeli a sikerek és a jövőbeni kihívások egy részét.

Bioenergia

19.3.2 Integrált gázosítás

Az integrált gázosító rendszerrel rendelkező biomassza-üzem különböző konfigurációkkal rendelkezhet, amint azt a 19.2. Ábra sematikusan bemutatja. A folyamat a garatba juttatott biomasszával kezdődik, amely táplálja az alapanyagot kezelő gázosítót gáznemű üzemanyag előállításához. A gázkezelő rendszeren belüli speciális kondicionálás után az égésre kész gáz többféle utat is követhet az üzem típusától függően:

19.2. Ábra Az integrált gázosítási lehetőségek egyszerűsített folyamatdiagramja.

A biomasszát a gázosítót tápláló garatba szállítják. A biogázt úgy kezelik, hogy megfeleljen az égetési rendszer követelményeinek: kazán, gázturbina vagy gázmotor.

A gázt be lehet vezetni a kazánba, és ott elégetve gőzt lehet képezni, amelyet gőzturbinában használnak fel. Ez a konfiguráció hasonló a szilárd biomasszán üzemeltetett konfigurációhoz.

A gázt benzinmotorokba lehet táplálni, például oda-vissza, amelyek a megfelelő generátorokat táplálnák és áramot táplálnának a hálózatba. Általában az ilyen gépek mérete több megawatt, és nagyon rugalmasan működhetnek.

Végül a gáz felhasználható a közüzemi méretű gázturbinákban, általában módosított égési rendszerrel, mivel a biogáz vagy a szinegáz alacsonyabb metántartalommal vagy sokkal magasabb hidrogénnel rendelkezik. Ezt tovább lehet hajtani akár egyszerű ciklusban, akár kombinált ciklusú konfigurációban a hatékonyság növelése érdekében.

A gázosítás és a gázkezelés olyan fontos rendszer, amely átalakítja a biomasszát szintézisgázzá és kondicionálja azt a kazán, a gázmotor vagy a gázturbina égési rendszerének követelményei szerint. Míg a kazán általában kevésbé kritikus a gázösszetétel és tulajdonságok szempontjából, a gázmotorok és különösen a gázturbinák érzékenyek az üzemanyagra, ezért megfelelő előkezelést igényelnek, mielőtt az üzemanyag bejutna a gépbe.

Különböző típusú gázosítók használhatók a biomassza szinagázzá történő átalakítására, például rögzített ágyas vagy fluid ágyas gázosítók. Azonban mindegyik több hasonló lépésben futtatja a gázosítási folyamatot, mindig a következőket tartalmazza:

A pirolízis, amely 450-600 ∘C körüli hőmérsékleten megy végbe, amikor illékony komponensek szabadulnak fel a biomasszából, és a reakció során szilárd maradékot képeznek;

Oxidáció, amikor a szén reagál a gázosítóba (vagy reaktorba) juttatott gőzzel, vagy ha levegő vagy oxigén jelenlétében elégetik, ami éghető gázok felszabadulását eredményezi.

A kapott nyers gáz általában különféle szennyeződéseket tartalmaz, amelyek negatívan befolyásolhatják a berendezést, és korrózióhoz, erózióhoz vagy károsodáshoz vezethetnek. Ezek általában kondenzálható szénhidrogének, különféle részecskék, fémvegyületek, víz, stb. Ezért a gáznak olyan kezelési folyamaton kell átesnie, amely magában foglalhatja a gáz hűtését a kívánt hőmérsékletre, a felesleges szilárd részecskék egy részének szűrését, súrolását, csökkentését vagy növelését. nyomás stb.

A szinagázok további felhasználása a rendelkezésre álló technológiától függ. Általában a szintetikus gázzal működő erőmű mérete miatt kisebb kazánegységeket valósítanak meg. Ugyanez a logika érvényes a gázmotorokra és a gázturbinákra is, amelyek általában kisebbek, mint a nagyméretű nagy teljesítményű gázturbinák. Sok esetben gázmotorokat, kicsi nagy teherbírású gázturbinákat és aeroderivatív turbinákat használnak. Ez utóbbiak repülőgép-turbinák, amelyeket villamosenergia-termelési alkalmazásokra hajtanak végre, és egységenként akár 100 MW is lehet. Rendszerint nagy rugalmassággal, gyors indítási és felpattanási sebességgel és mobilitással büszkélkedhetnek (ezek a gépek könnyen szállíthatók konténermodulokban).

Az áramtermelés hatékonysága elérheti a 40% -os szintet egyszerű ciklusú alkalmazásoknál (pl. Gázturbina meghajtású), míg a kombinált hő- és villamosenergia-termelés akár drámai 90% -hoz is vezethet.

Biomassza előkezelés a konszolidált bioprocesszor (CBP) számára

8.4.2 Szénhidrát aktív enzim rendszerek

A növényi biomassza növekedéshez való felhasználásához a mikroorganizmusok több enzimet termelnek, amelyek hidrolizálják a növény sejtfalaiban található cellulóz-, hemicellulóz- és pektinpolimereket (Warren, 1996). Osztályként ezeket a szénhidrát aktív enzimeket glikozid-hidrolázoknak (GH) nevezik. Az extracelluláris GH-k szabadon szekretálódhatnak a sejtet körülvevő környezetbe (nem komplex GH rendszerek), vagy nagy enzim komplexekben (celluloszómákban) asszociálódhatnak. A glikozid-hidrolázok, amelyek kifejezetten a cellulózt célozzák meg, a következők:

endoglükanázok (1,4 ß-d-glükán-4-glükánhidrolázok), amelyek hasítják a cellulózlánc véletlenszerű belső amorf helyeit, és különböző hosszúságú cellulodextrineket hoznak létre, ezáltal új láncvégeket;

exoglükanázok (ideértve az 1,4-ß-d-glükánhidrolázokat vagy a cellodextrinázokat és az 1,4-ß-d glükancellobiohidrolázokat, vagy egyszerűen a cellobiohidrolázt), amelyek processzív módon hatnak a cellulózláncok redukáló és nem redukáló végein, felszabadítva a d -glükóz (glükánhidroláz) vagy d-cellulobióz (cellobiohidroláz) vagy rövidebb cellodextrinek; és

ß-glükozidáz (ß-glükozid-glükohidrolázok), amelyek hidrolizálják az oldható cellodextrineket és a cellobiózt glükózzá.

A cellulázok képessége a glükozilcsoportok közötti ß-1,4-glikozidos kötések hidrolizálására megkülönbözteti a cellulázt a többi glikozid hidroláztól (Lynd et al., 2002).

A biomassza biokémiai átalakításának előkezelési stratégiái

3.2.1.3 A biomassza természetes biokémiai átalakítási folyamata és annak következményei a mesterséges biokémiai átalakítási folyamatra

A biomassza természetes lebontása olyan folyamat, amely egyesíti a fizikai hatásokat, a kémiai hatásokat, a biológiai hatásokat stb., És röviden összefoglalható két szakaszban: előkezelés és szilárdtest-fermentáció. A természetes előkezelés magában foglalja a fizikai, kémiai és biológiai folyamatokat, mivel a folyamatban betöltött szerepet gyakran nem egyszerűen kezelési hatásnak minősítik.

A természet hosszú távú evolúciójában az organizmusok természetes gátstruktúrát képeztek, hogy ellenálljanak más szervezetek lebomlásának; ezért a biomassza lebomlásához előkezelésre van szükség a fizikai szerkezet vagy kémiai összetétel megváltoztatásához, hogy megkönnyítsék a biomassza lebontását a mikroorganizmusok által. A természetes előkezelési hatások magukban foglalják az oldható vegyületek (vízzel kimosódó) oldódási folyamatát, az oldhatatlan vegyületek mechanikus őrlési folyamatát, valamint a mikrobák növekedésének és anyagcseréjének káros hatásait. A természetes előkezelés fontos tényező a mikroorganizmusok biomasszájából származó szén és energia előállításához, amely előkondicionálás révén megváltoztatja a biomassza elérhetőségét, a biomasszában található részecskék, például felület, porozitás stb .; oldhatatlan anyagokban más oldhatatlan tápanyag-átalakulás következik be, például depolimerizációs és hidrolízisreakciók. Vegyünk példát a talajállatokra: mechanikusan lebontják a biomasszákat, és a biomassza teljes pirolízisének nagyobb mennyiségét kisebb részekre szakítják, ami növeli a biomasszák felhasználásának hatékony méretét. Eközben a talajállatok mikrobiális fehérjéket termelnek, és ezután növekedési faktorokat lehet felhasználni a mikroorganizmusok növekedésének elősegítésére.

A természetes szilárdtest fermentáció lényegében vegyes fermentációs folyamat. Kölcsönös promóciók és gátlások maguk a gombák, valamint a gombák és a csírák között, még az aktinomycesek között is együtt dolgoznak a biomassza katabolizmusának befejezéséért. Különböző ökológiai szokásokkal rendelkező mikroorganizmusok a bomlási folyamat során a szaprofita parazita kölcsönhatások szukcessziós sorrendjéig. A táplálkozás szerves mátrixában található mikroflóra kölcsönösen függ egymástól és kölcsönös gátlás képezi a szaprofita táplálékláncot, a közösség összetételét, és jelentős számú dinamikus változást mutatott.

A növényi biomassza természetes körülmények közötti biokémiai átalakulási folyamatai a következő feltételekkel rendelkeznek a biomassza felhasználására:

A növényi biomassza tárolásának el kell kerülnie a víz kimosódását, és meg kell próbálnia a növényt érintetlenül tartani a mikrobiális invázió megelőzése érdekében.

Különböző mikrobiális enzimekre van szükség a lebontás különböző szakaszaihoz, ezért a biomassza biokonverzió különböző céljaihoz megfelelő enzimet vagy mikroorganizmust kell választani.

A növényi biomassza lebomlása és maradványai a különböző élőhelyeken eltérőek, ezért a növényi biomassza rezisztens gátja relatív meghatározás.

A növényi biomassza előkezelési folyamata a természetes lebomlási folyamat koncentrációja, ezért megismerhető a különböző élőhelyek alatti biológiai folyamatok fizikai kémiájából.

Energiatermelés a biomassza gázosítási technológiák segítségével

1.2 Updraft gázosító

Ebben a konfigurációs üzemben a biomasszát meleg levegővel melegítik fel. Erre a pirolízishez és az endoterm gázosítási reakciókhoz van szükség, míg az alján találhatóak a hamvak, amelyek képesek előmelegíteni az oxidálószert (levegőt vagy oxigént). Ennek a folyamatnak magas az energiahatékonysága, valamint a szén-dioxid-hatékonysága, de a szintagáz kátrányban gazdag, a szintetikus gáz kimenetének, a gázosító alacsony hőmérsékletének köszönhetően (Belgiorno et al., 2003; Midilli et al., 2001; Bridgewater, 2003).

Az 1. táblázat bizonyítja, hogy a frissítés konfigurációjának használata során számos hátránya van a szintagáz magas kátránytartalmának, valamint a kihívást jelentő és áthidaló jelenségeknek.

Asztal 1 . A frissítési technológia előnyei és hátrányai