Energie & Umwelt

Von Pflanzen zu Biokraftstoffen: Eine Erklärung für die Vorbehandlung von Biomasse

Von Pflanzen zu Biokraftstoffen: Eine Erklärung für die Vorbehandlung von Biomasse


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Bioethanolanlage bei Seal Sands, Teeside, UK [Bildquelle:Nick Bramhall, Flickr]

Erneuerbare Energien aus Biomasse sind heute eine Schlüsselkomponente der weltweiten Entwicklung erneuerbarer Energien. Der für dieses Verfahren verwendete Brennstoff, bekannt als Ausgangsmaterialien, besteht aus Lignocellulose-Biomasse, dh Pflanzen mit einer komplexen Struktur, die Polymere aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin enthält. Typischerweise handelt es sich dabei um Materialien wie Stroh, Maiskolben, Switchgrass oder Holzabfälle, die hauptsächlich zur Herstellung von Biokraftstoffen wie Bioethanol verwendet werden und einem Fermentationsprozess unterzogen werden müssen, bei dem der Zucker zu Alkohol wird (Ethanol ist eine Form) von Alkohol). Die meisten Fahrzeuggarantien akzeptieren maximal 5 Prozent Bioethanol / 95 Prozent Benzinmischung. Stärkere Mischungen sind möglich, erfordern jedoch normalerweise eine Modifikation des Fahrzeugs, um erfolgreich zu sein.

Vor dem Fermentationsprozess müssen die Zucker über eine Reihe von Vorbehandlungsprozessen aus dem Lignin freigesetzt werden. Diese Prozesse können auch verschiedene Nebenprodukte durch integrierte Bioraffinerieprozesse erzeugen.

Die Kohlenhydratpolymere Cellulose und Hemicellulose sowie das aromatische Polymer Lignin enthalten Kohlenstoffzucker, die fest an das Lignin gebunden sind. Das heißt, sie sind in der Lignocellulose eingeschlossen. Dies bedeutet, dass sie zuerst vom Lignin getrennt und dann mit Säure oder Enzymen hydrolysiert werden müssen, um sie in Zucker (einfache Monosaccharide) zu zerlegen, damit sie als Biokraftstoff verwendet werden können.

Der erste Schritt bei diesem Verfahren ist ein mechanischer. Die Pflanzen müssen zerkleinert und gemahlen werden, um ihre Größe zu verringern, die Kristallinität zu verringern, die Polymerisation zu verringern und die Wirkung der Säure- oder Enzymhydrolyse zu erhöhen. Dies verbessert auch die Energiedichte der Biomasse, so dass sie leichter vom Feld zum Einsatzort transportiert werden kann. Typischerweise wird die Biomasse in Pellets, Würfel oder Pucks umgewandelt (ähnlich in Größe und Form wie ein Eishockey-Puck). Sie können auch durch Wärme- und Druckbehandlung in „Bio-Kohle“ oder „Bio-Öl“ umgewandelt werden.

Die Fraktionierung ist der Prozess, bei dem die Biomasse in Lignin, Cellulose und Hemicellulose umgewandelt wird, die in einer Bioraffinerie leichter verarbeitet werden können.

Der nächste Schritt ist die Dampfexplosion, bei der die Faserstruktur der Biomasse mit Hochdruckdampf abgebaut und dann schnell drucklos gemacht wird. Dies zerstört die Faser und ermöglicht dadurch nachfolgende Vorbehandlungsprozesse. Andere Verfahren zum Erreichen des gleichen Ergebnisses umfassen eine Ammoniakfaserexplosion, bei der die Biomasse bei hoher Temperatur und hohem Druck mit flüssigem Ammoniak behandelt wird, und eine überkritische Kohlendioxidexplosion, bei der die Biomasse mit Kohlendioxid behandelt wird.

Wissenschaftler des Agrarforschungsdienstes des US-Landwirtschaftsministeriums (USDA) fügen einer Maiskolbenmischung einen neuen Hefestamm hinzu, um ihre Wirksamkeit bei der Fermentation von Ethanol aus Pflanzenzucker zu testen [Bildquelle:US-Landwirtschaftsministerium, Flickr]

Bei der alkalischen Hydrolyse wird die Biomasse über einen langen Zeitraum mit einer hohen Konzentration an Alkali bei niedriger Temperatur behandelt. Zu diesem Zweck verwendete Substanzen umfassen Natriumhydroxid, Calciumhydroxid oder Ammoniak. Die Vorteile dieses Verfahrens umfassen niedrigere Temperaturen und Drücke, einen geringeren Abbau der Zucker und die Fähigkeit, viele der Ätzsalze wiederzugewinnen. Die erforderliche lange Zeitdauer und die hohe Konzentration an Alkali sind jedoch die Hauptnachteile.

Low Temperature Steep Delignification (LTSD) ist ein von Bio-Process Innovation Inc entwickeltes Verfahren, bei dem geringe Mengen ungiftiger Chemikalien verwendet werden. Eine 1-Tonnen-Pilotanlage wurde von der Firma in Indiana, USA, gebaut, aber das Verfahren ist jetzt für den Einsatz in Bioraffinerien an anderer Stelle im Handel erhältlich.

Co-Solvent Enhanced Lignocellulosic Fractionation (CELF) verwendet eine organische Verbindung namens Tetrahydrofuran (THF) in Kombination mit verdünnter Schwefelsäure zur Fraktionierung. Es kann einen hohen Zuckergehalt für die Fermentation produzieren. Es kann auch eine Reihe nützlicher organischer Verbindungen produzieren, einschließlich Furfural (das als Hilfsmittel für die Abgabe landwirtschaftlicher Herbizide und als chemisches Lösungsmittel verwendet werden kann), 5-Hydroxymethylfurfural und Levulinsäure, die katalytisch in Chemikalien oder Kraftstoff umgewandelt werden können. Dieser Prozess wurde von der University of California entwickelt und von CogniTek lizenziert. Zur Kommerzialisierung des Verfahrens wurde eine Firma namens MG Fuels gegründet.

Organosolv verwendet organische Lösungsmittel wie Ethanol, Methanol, Butanol und Essigsäure, um Lignin und Hemicellulose löslich zu machen. Ein patentiertes Organosolv-Verfahren wurde von American, Science and Technology AST entwickelt und patentiert, obwohl es derzeit nur im Pilotmaßstab durchgeführt wird. Das Verfahren wandelt Lignocellulose-Biomasse in Zucker, reines Lignin, Zellstoff und biochemische Stoffe um und umfasst Fraktionierung und Hydrolyse, um eine Zuckerausbeute von mehr als 95 Prozent zu erzielen.

Ozonolyse ist die Behandlung von Biomasse mit Ozon vor der Enzymhydrolyse.

Die Pyrolyse ist eines der bekanntesten Verfahren, bei dem die chemische Zersetzung durch Erhitzen erfolgt. Die Flash-Pyrolyse erreicht dies innerhalb von 1-2 Sekunden bei Temperaturen von bis zu 500 ° C. Mobile Pyrolyseeinheiten werden derzeit von einer Reihe von Organisationen weltweit eingesetzt und auf lokaler Ebene in Entwicklungsländern eingesetzt, um die Produktion von Biokraftstoffen im Gemeinschaftsmaßstab zu erreichen. Die Torrefektion ist eine mildere Form der Pyrolyse, bei der der thermochemische Prozess bei 200 bis 350 ° C in Abwesenheit von Sauerstoff durchgeführt wird, wodurch torrefizierte Biomasse oder Kohle erzeugt wird, die allgemein als „Biokohle“ bekannt ist.


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