Использование анаэробного сбраживания биомассы для производства водорода и биотоплива

В течение многих лет водород рассматривался как альтернатива ископаемому топливу. Теперь ученые стремятся разработать экологически чистый метод производства водорода из биомассы путем оптимизации систем анаэробного сбраживания. 1

Изменение климата, истощающиеся топливные ресурсы и цены на энергоносители привели к активным усилиям по выявлению и оптимизации альтернативных видов топлива. В качестве топлива с нулевым уровнем выбросов водород часто считается основным источником энергии, но, несмотря на этот факт, производство водорода может быть вредным для окружающей среды из-за энергоемкости современных методов производства водорода.

Анаэробное сбраживание недавно было признано экологически безопасным методом производства водорода из пищевых продуктов и отходов животноводства. В этом процессе микроорганизмы разлагают биомассу в отсутствие кислорода. Благодаря анаэробному сбраживанию пищевые и животные отходы перерабатываются для производства газообразного водорода, который при необходимости может быть впоследствии преобразован в метан или биогаз. 1,2,3

Наука об анаэробном пищеварении

Анаэробное пищеварение представляет собой сложный процесс, который включает четыре основных этапа. Гидролиз — это первая стадия, на которой крупные органические полимеры, присутствующие в биомассе, расщепляются до более мелких молекул, таких как простые сахара. После этого оставшиеся компоненты расщепляются путем ацидогенеза с образованием летучих жирных кислот и других побочных продуктов.

Ацетогенез — это третья стадия, на которой простые молекулы сахара (образующиеся в процессе гидролиза) перевариваются с образованием водорода, уксусной кислоты и углекислого газа. Метаногенез — завершающая стадия, на которой все продукты предыдущих стадий превращаются в метан, воду и углекислый газ. В то время как один реактор может использоваться для выполнения всех стадий, двухступенчатая система сбраживания, в которой метаногенез осуществляется в отдельном втором реакторе, показала себя более стабильной, а также повышает скорость производства биогаза. 4,5

Использование анаэробного сбраживания для производства водорода из биомассы

В связи с этим британские исследователи работают над улучшением анаэробного сбраживания для непрерывного производства метана и водорода из сахаров, полученных из биомассы, в двухэтапном процессе. Для производства водорода из сахара, полученного из биомассы, группа использовала реактор с мешалкой непрерывного действия, заполненный анаэробно переваренным осадком сточных вод. Полученный водород впоследствии использовали для получения метана в аэробном фильтре с восходящим потоком. 1

Хорошо известно, что энергетические потребности анаэробного сбраживания уменьшаются с увеличением концентрации субстрата, но по мере увеличения концентрации субстрата необходимо добавлять щелочь, чтобы поддерживать кислотообразующий реактор для производства водорода при идеальном значении pH для производства газообразного водорода. Поэтому исследовательская группа исследовала влияние добавления щелочи и концентрации субстрата на выходы метана и водорода в двухстадийном процессе и смогла улучшить условия для максимального производства водорода и метана. 1

Использование измерений газа для оптимизации систем анаэробного сбраживания

Точные измерения газов, образующихся в реакторах, необходимы для оптимизации и отслеживания любого нового или существующего процесса анаэробного сбраживания. Кроме того, производство таких газов, как CH₄ и CO₂ следует контролировать, чтобы отслеживать влияние различных условий на скорость ацетогенеза, ацидогенеза и метаногенеза во время ферментации, что в конечном итоге приводит к образованию продуктов реакции. CH₄ и CO₂ Содержание газового потока продукта часто измеряется системами управления процессом анаэробного сбраживания, чтобы оценить процесс и указать на наличие каких-либо проблем в системе. 1,6

Британские исследователи использовали CH₄ и CO₂ датчики от Edinburgh Sensors в своем исследовании по отслеживанию и оптимизации процесса. Это та же команда, которая сообщила о двухступенчатой ​​системе анаэробного сбраживания для одновременного производства метана и водорода.

Как клиентоориентированный поставщик высококачественных СН₄ и CO₂ Компания Edinburgh Sensors поставляет датчики газа исследователям и биогазовым сообществам с 1980-х годов. 1,6

Решения для измерения газа от Edinburgh Sensors

Edinburgh Sensors предлагает надежные и высокопроизводительные решения для измерения биогаза, включая Guardian NG, Gascard NG и Guardian NG DC. Эти системы обеспечивают измерение концентрации газа с помощью инфракрасного обнаружения.

GasCard NG от Edinburgh Sensors

Датчик GasCard NG обеспечивает точное, качественное и надежное измерение CH.₄, СО и СО₂ концентрации газа и может быть легко интегрирован с различными системами обнаружения газа. Guardian NG и Guardian NG DC от Edinburgh Sensors — это автономные продукты, которые просты в установке и требуют минимальной настройки. Эти датчики обеспечивают непрерывные измерения CH с качеством, близким к анализатору.₄, СО и СО₂ концентрации газа.

Система мониторинга газа Guardian NG DC работает от низковольтного источника питания постоянного тока. Gascard NG, Guardian NG и Guardian NG DC могут работать при температуре 0-45 °C и влажности 0-95%, что делает их идеальными для мониторинга процессов анаэробного сбраживания. 6

Выводы

Анаэробное сбраживание представляет собой сложный процесс, который широко используется для производства биогаза и переработки отходов. Одним из экологически безопасных способов производства водорода из биомассы является оптимизация процессов анаэробного сбраживания.

Точный и надежный ЦЗ ₄ и CO ₂ датчики необходимы для оптимизации и мониторинга процессов анаэробного сбраживания. Edinburgh Sensors предлагает множество отличных вариантов для инженеров и исследователей, которым требуется CH ₄ и CO ₂ измерительные системы для их систем анаэробного сбраживания.

1. Kyazze G, Dinsdale R, Guwy AJ, Hawkes FR, Premier GC, Hawkes DL «Эксплуатационные характеристики двухступенчатой ​​темной ферментационной системы, непрерывно производящей водород и метан» Biotechnology and Bioengineering 97(4):759-770, 2007.
2. Kim S, Choi K, Kim JO, Chung J, «Производство биологического водорода путем анаэробного сбраживания пищевых отходов и осадков сточных вод, обработанных с использованием различных технологий предварительной обработки». Biodegradation 24(6):753-764, 2013.
3. Антонопулу Г., Гавала Х.Н., Скиадас И.В., Ангелопулос К., Либератос Г., «Производство биотоплива из сладкого сорго: ферментативное производство водорода и анаэробное сбраживание оставшейся биомассы» Bioresource Technology 99(1):110-119, 2008.
4. Giard M Palacios JH, Belzile M, Godbout S, Pelletier F, «Биодеградация в управлении навозом животных» в «Биодеградация – техника и технология», 2013.
5. Амья О.М., Сертуча Барраган М.Т., Альмендарис Тапиа Ф.Р., «Микробная биомасса в периодической и непрерывной системе» в книге «Биомасса сейчас – устойчивый рост и использование», 2013.
6. https://edinburghsensors.com/industries/biogas/ По состоянию на 10 сентября 2017 г.