Bioethanolanlage in Seal Sands, Teeside, UK [Bildquelle : Nick Bramhall, Flickr ]
Erneuerbare Energie aus Biomasse ist heute eine Schlüsselkomponente der Entwicklung erneuerbarer Energien weltweit. Der für diesen Prozess verwendete Brennstoff, sogenannte Rohstoffe, besteht aus Lignocellulose-Biomasse, dh Pflanzen mit einer komplexen Struktur, die Polymere aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin enthältTypischerweise sind dies 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 aForm 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 muss der Zucker über eine Reihe von aus dem Lignin freigesetzt werden. Vorbehandlungsprozesse . Diese Prozesse können durch integrierte Bioraffinerieprozesse auch verschiedene Nebenprodukte 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 unter Verwendung von hydrolysiert werden müssenSäure oder Enzyme, um sie in Zucker einfache Monosaccharide zu zerlegen, damit sie für Biokraftstoffe 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 derBiomasse, damit 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 in Bio-Pucks umgewandelt werden.Kohle oder Bioöl durch Wärme- und Druckbehandlung.
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. Dadurch wird die Faser zerstört, wodurch nachfolgende Vorbehandlungsprozesse ermöglicht werden. Andere Methoden, um das gleiche Ergebnis zu erzielen, umfassen Ammoniakfaserexplosion bei dem die Biomasse bei hoher Temperatur und hohem Druck mit flüssigem Ammoniak behandelt wird, und überkritische Kohlendioxidexplosion bei dem 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 pflanzlichem Zucker 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.geringerer Abbau des Zuckers und die Fähigkeit, viele der Ätzsalze wiederzugewinnen. Der lange erforderliche Zeitraum und die hohe Konzentration an Alkali sind jedoch die Hauptnachteile.
Low Temperature Steep Delignification LTSD ist ein von Bio-Process Innovation Inc das geringe Mengen ungiftiger Chemikalien verwendet. 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 erzeugen. 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. Dieses Verfahren wurde von der University of California und USA entwickeltlizenziert von CogniTek . Eine Firma namens MG Fuels wurde gegründet, um das Verfahren zu kommerzialisieren.
Organosolv verwendet organische Lösungsmittel wie Ethanol, Methanol, Butanol und Essigsäure, um Lignin und Hemicellulose löslich zu machen. Ein patentiertes Organosolv-Verfahren wurde entwickelt und patentiert von Amerikaner, Wissenschaft und Technologie AST obwohl dies derzeit nur im Pilotmaßstab erfolgt. 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.
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 in einer Reihe von Organisationen weltweit eingesetzt.sowie auf lokaler Ebene in Entwicklungsländern eingesetzt werden, um die Produktion von Biokraftstoffen im Gemeinschaftsmaßstab zu erreichen. Torrefaction ist eine mildere Form der Pyrolyse, bei der der thermochemische Prozess bei 200-350 ° C in Abwesenheit von Sauerstoff durchgeführt wird, der torrefizierte Biomasse oder Kohle erzeugt, die allgemein als „Biokohle“ bekannt ist.