พลังงานและสิ่งแวดล้อม

จากพืชสู่เชื้อเพลิงชีวภาพ: คำอธิบายเกี่ยวกับการบำบัดก่อนชีวมวล

จากพืชสู่เชื้อเพลิงชีวภาพ: คำอธิบายเกี่ยวกับการบำบัดก่อนชีวมวล

โรงงานไบโอเอทานอลที่ Seal Sands, Teeside, UK [ที่มาของภาพ:Nick Bramhall, Flickr]

ปัจจุบันพลังงานทดแทนจากชีวมวลเป็นองค์ประกอบหลักของการพัฒนาพลังงานหมุนเวียนทั่วโลก เชื้อเพลิงที่ใช้สำหรับกระบวนการนี้เรียกว่า feedstocks ประกอบด้วยชีวมวลลิกโนเซลลูโลสกล่าวคือพืชที่มีโครงสร้างซับซ้อนประกอบด้วยโพลีเมอร์เซลลูโลสเฮมิเซลลูโลสและลิกนิน โดยปกติแล้ววัสดุเหล่านี้เป็นวัสดุเช่นฟางข้าวโพดสวิทซ์แกรสหรือเศษไม้ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพเช่นเอทานอลชีวภาพซึ่งต้องผ่านกระบวนการหมักซึ่งน้ำตาลจะเปลี่ยนเป็นแอลกอฮอล์ (เอทานอลเป็นรูปแบบ ของแอลกอฮอล์) การรับประกันรถยนต์ส่วนใหญ่ยอมรับการผสมไบโอเอทานอลสูงสุด 5 เปอร์เซ็นต์ / น้ำมันเบนซิน 95 เปอร์เซ็นต์ การผสมที่เข้มข้นขึ้นเป็นไปได้ แต่โดยปกติแล้วจะต้องมีการดัดแปลงรถเพื่อให้ประสบความสำเร็จ

ก่อนกระบวนการหมักน้ำตาลจะต้องถูกปล่อยออกจากลิกนินผ่านกระบวนการบำบัดหลายขั้นตอน กระบวนการเหล่านี้ยังสามารถผลิตผลพลอยได้ต่างๆผ่านกระบวนการทางชีวภาพแบบบูรณาการ

คาร์โบไฮเดรดโพลีเมอร์เซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลสและลิกนินพอลิเมอร์อะโรมาติกประกอบด้วยน้ำตาลคาร์บอนซึ่งจับกับลิกนินอย่างแน่นหนา กล่าวคือติดอยู่ภายในลิกโนเซลลูโลส ซึ่งหมายความว่าจะต้องตัดการเชื่อมต่อจากลิกนินก่อนแล้วจึงไฮโดรไลซ์โดยใช้กรดหรือเอนไซม์เพื่อที่จะแยกย่อยออกเป็นน้ำตาล (โมโนแซ็กคาไรด์ธรรมดา) จึงจะสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพได้

ขั้นตอนเริ่มต้นในขั้นตอนนี้เป็นขั้นตอนเชิงกล พืชต้องถูกหั่นและบดเพื่อลดขนาดลดความเป็นผลึกลดการเกิดโพลิเมอไรเซชันและเพิ่มผลของการย่อยสลายกรดหรือเอนไซม์ นอกจากนี้ยังช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของชีวมวลเพื่อให้ขนส่งจากสนามไปยังจุดหนึ่งไปใช้ได้ง่ายขึ้น โดยปกติชีวมวลจะถูกเปลี่ยนเป็นเม็ดก้อนหรือลูกแพก (มีขนาดและรูปร่างใกล้เคียงกับลูกฮ็อกกี้น้ำแข็ง) นอกจากนี้ยังสามารถเปลี่ยนเป็น "ถ่านหินชีวภาพ" หรือ "น้ำมันชีวภาพ" ผ่านการบำบัดความร้อนและความดัน

Fractionation คือกระบวนการที่ชีวมวลถูกเปลี่ยนเป็นลิกนินเซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลสซึ่งสามารถแปรรูปได้ง่ายกว่าในโรงกลั่นชีวภาพ

ขั้นตอนต่อไปคือการระเบิดของไอน้ำซึ่งโครงสร้างเส้นใยของชีวมวลจะถูกทำลายลงด้วยไอน้ำแรงดันสูงจากนั้นจึงถูกกดทับอย่างรวดเร็ว สิ่งนี้ทำลายเส้นใยจึงทำให้เกิดกระบวนการก่อนการบำบัดที่ตามมา วิธีการอื่น ๆ ในการบรรลุผลเช่นเดียวกัน ได้แก่ การระเบิดของเส้นใยแอมโมเนียซึ่งชีวมวลได้รับการบำบัดด้วยแอมโมเนียเหลวที่อุณหภูมิและความดันสูงและการระเบิดของคาร์บอนไดออกไซด์ที่วิกฤตยิ่งยวดซึ่งชีวมวลได้รับการบำบัดด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

นักวิทยาศาสตร์บริการวิจัยการเกษตรของกระทรวงเกษตรสหรัฐฯ (USDA) เพิ่มยีสต์สายพันธุ์ใหม่ลงในส่วนผสมซังข้าวโพดเพื่อทดสอบประสิทธิภาพในการหมักเอทานอลจากน้ำตาลจากพืช [ที่มาของภาพ:กระทรวงเกษตรของสหรัฐอเมริกา Flickr]

การไฮโดรไลซิสอัลคาไลน์เกี่ยวข้องกับการบำบัดชีวมวลด้วยอัลคาไลน์ที่มีความเข้มข้นสูงที่อุณหภูมิต่ำเป็นเวลานาน สารที่ใช้เพื่อการนี้ ได้แก่ โซเดียมไฮดรอกไซด์แคลเซียมไฮดรอกไซด์หรือแอมโมเนีย ข้อดีของกระบวนการนี้ ได้แก่ อุณหภูมิและความกดดันที่ต่ำลงการย่อยสลายน้ำตาลน้อยลงและความสามารถในการกู้คืนเกลือกัดกร่อนจำนวนมาก อย่างไรก็ตามระยะเวลาที่ยาวนานและความเข้มข้นของอัลคาไลน์สูงเป็นข้อเสียเปรียบหลัก

Low Temperature Steep Delignification (LTSD) เป็นกระบวนการที่พัฒนาโดย Bio-Process Innovation Inc ซึ่งใช้สารเคมีปลอดสารพิษในปริมาณเล็กน้อย โรงงานนำร่องขนาด 1 ตันถูกสร้างขึ้นโดย บริษัท ในรัฐอินเดียนาสหรัฐอเมริกา แต่ปัจจุบันกระบวนการดังกล่าวมีจำหน่ายทั่วไปเพื่อใช้ในโรงไฟฟ้าชีวภาพที่อื่น

ตัวทำละลายร่วม Enhanced Lignocellulosic Fractionation (CELF) ใช้สารประกอบอินทรีย์ที่เรียกว่า tetrahydrofuran (THF) ร่วมกับกรดซัลฟิวริกเจือจางสำหรับการแยกส่วน สามารถผลิตน้ำตาลสูงสำหรับการหมัก นอกจากนี้ยังสามารถผลิตสารประกอบอินทรีย์ที่มีประโยชน์จำนวนมากรวมถึงเฟอร์ฟูราล (ซึ่งสามารถใช้เป็นตัวช่วยในการจัดส่งสารเคมีกำจัดวัชพืชทางการเกษตรและเป็นตัวทำละลายทางเคมี), 5-hydroxymethylfurfural และกรด levulinic ซึ่งสามารถเปลี่ยนเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นสารเคมีหรือเชื้อเพลิงได้ กระบวนการนี้ได้รับการพัฒนาโดยมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียและได้รับอนุญาตจาก CogniTek บริษัท ที่เรียกว่า MG Fuels ได้รับการจัดตั้งขึ้นเพื่อดำเนินการเชิงพาณิชย์

Organosolv ใช้ตัวทำละลายอินทรีย์เช่นเอทานอลเมทานอลบิวทานอลและกรดอะซิติกเพื่อทำให้ลิกนินและเฮมิเซลลูโลสละลายน้ำได้ กระบวนการออร์กาโนซอลที่จดสิทธิบัตรได้รับการพัฒนาและจดสิทธิบัตรโดย American, Science and Technology AST แม้ว่าในปัจจุบันจะเป็นเพียงระดับนำร่องเท่านั้น กระบวนการนี้จะแปลงชีวมวลลิกโนเซลลูโลสเป็นน้ำตาลลิกนินบริสุทธิ์เยื่อกระดาษและชีวเคมีและเกี่ยวข้องกับการแยกส่วนและการย่อยสลายเพื่อให้ได้น้ำตาลมากกว่า 95 เปอร์เซ็นต์

Ozonolysis คือการบำบัดชีวมวลด้วยโอโซนก่อนการย่อยสลายด้วยเอนไซม์

ไพโรไลซิสเป็นกระบวนการที่รู้จักกันดีที่สุดกระบวนการหนึ่งซึ่งเกี่ยวข้องกับการสลายตัวทางเคมีโดยการให้ความร้อน แฟลชไพโรไลซิสทำได้ภายใน 1-2 วินาทีโดยใช้อุณหภูมิสูงถึง 500 ° C ปัจจุบันมีการใช้หน่วยไพโรไลซิสแบบเคลื่อนที่ในองค์กรหลายแห่งทั่วโลกและยังมีการนำไปใช้ในระดับท้องถิ่นในประเทศกำลังพัฒนาเพื่อให้สามารถผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพได้ในระดับชุมชน Torrefaction เป็นรูปแบบของไพโรไลซิสที่อ่อนกว่าซึ่งกระบวนการทางเทอร์โมเคมีจะดำเนินการที่อุณหภูมิ 200-350 ° C ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนซึ่งก่อให้เกิดชีวมวลหรือถ่านที่ทอร์รีไฟด์หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า "ถ่านหินชีวภาพ"


ดูวิดีโอ: กาซชวภาพจากพชพลงงาน (พฤศจิกายน 2021).