Zrównoważony rozwój biorafinerii został poprawiony dzięki nowemu procesowi oczyszczania ścieków

Ścieki z biorafinerii, które przetwarzają rośliny na paliwo, są pełne materii organicznej, której nie można skutecznie oczyścić przy użyciu konwencjonalnych systemów kanalizacyjnych, co sprawia, że ​​zarządzanie nimi jest drogie i energochłonne.

Jednak ten bogaty materiał organiczny jest niewykorzystanym źródłem energii chemicznej, którą można odzyskać jako cenne produkty, w tym biogaz, odnawialne paliwo o czystym spalaniu.

Badanie przeprowadzone przez naukowców z Centrum Zaawansowanej Bioenergii i Innowacji Bioproduktów (CABBI) Departamentu Energii wykazało, że odzyskiwanie zasobów ze ścieków może znacząco poprawić zrównoważenie ekonomiczne i środowiskowe biorafinerii drugiej generacji, wspierając przejście na zrównoważone biopaliwa pochodzenia roślinnego . i przemysłu bioproduktów. Zespół CABBI zaprojektował proces oczyszczania ścieków i odzyskiwania energii z biogazu, który może generować dochody dla biorafinerii – przy jednoczesnym obniżeniu kosztów i emisji gazów cieplarnianych w porównaniu z konwencjonalnymi systemami oczyszczania.

Praca, opublikowana w ACS Sustainable Chemistry and Engineering, zjednoczyła naukowców ze wszystkich trzech tematów CABBI – produkcji surowców, konwersji i zrównoważonego rozwoju – którzy opracowują oparte na roślinach alternatywy dla ropy naftowej dla paliw i produktów chemicznych. Dzięki modelowi „rośliny jako fabryki” mają na celu produkcję biopaliw, substancji biochemicznych i cząsteczek podstawowych bezpośrednio w liściach i łodygach roślin; Opracuj unikalne narzędzia, drożdże i metody przetwarzania, aby przekształcić je w bioprodukty o wysokiej wartości, takie jak biodiesel, kwasy organiczne, smary i alkohole; oraz ocena ekonomicznego i środowiskowego zrównoważenia surowców CABBI, biopaliw i bioproduktów, od pól do biorafinerii po biogospodarkę.

Badanie ścieków było prowadzone przez dwóch badaczy zrównoważonego rozwoju CABBI z University of Illinois w Urbana-Champaign: Jeremy Guest, adiunkt inżynierii lądowej i środowiskowej (CEE); oraz naukowiec Yalin Lee z Instytutu Zrównoważonego Rozwoju, Energii i Środowiska (iSEE). Wśród autorów CABBI znalazł się Vijay Singh, badacz konwersji, zastępca dyrektora ds. nauki i technologii oraz profesor inżynierii rolniczej i biologicznej (ABE) w Illinois. oraz badacz produkcji surowców Fredy Altpeter, profesor inżynierii rolniczej w Instytucie Nauk o Żywności i Rolnictwie Uniwersytetu Florydy.

Biorafinerie drugiej generacji, które przetwarzają faiza, słomę kukurydzianą lub inne surowce niespożywcze, mają potencjał do produkcji biopaliw i bioproduktów o znacznie mniejszym wpływie na środowisko niż te wytwarzane przez paliwa kopalne lub biorafinerie pierwszej generacji, które wykorzystują kukurydzę i inne opłacalne uprawy jeść. Ale te biorafinerie drugiej generacji wciąż napotykają przeszkody finansowe, które uniemożliwiają ich pomyślne wdrożenie w prawdziwym świecie.

Jeśli nie są odpowiednio zarządzane, biorafinerie mogą wymagać wygórowanych ilości wody i generować duży strumień ścieków. Do produkcji paliw i cennych substancji biochemicznych z biomasy roślinnej biorafinerie mogą zużywać do 10 litrów wody na każdy litr wyprodukowanego biopaliwa, na podstawie wcześniejszych badań CABBI. Powstałe ścieki zawierają wysokie stężenie materii organicznej — cukrów, pozostałości produktów fermentacji, produktów ubocznych procesu lub innych chemikaliów — co utrudnia ich ponowne wykorzystanie.

Ale te wcześniejsze analizy często opierają się na tanich konwencjonalnych technologiach oczyszczania ścieków, które są drogie, zużywają znaczne ilości energii i wymagają ogromnej powierzchni fizycznej, która w zależności od wielkości oczyszczalni może odpowiadać powierzchni 30 boisk piłkarskich lub więcej . . Konwencjonalne, niedrogie systemy oczyszczania wykorzystują duże reaktory tlenowe, które zużywają duże ilości energii elektrycznej do napowietrzania i przekształcają materię organiczną ze ścieków w dwutlenek węgla bez wytwarzania cennych produktów.

Zespół CABBI zaprojektował szybki beztlenowy proces oczyszczania ścieków, który w znacznym stopniu eliminuje napowietrzanie, oszczędza energię elektryczną, a zamiast tego zastosował nowe technologie, w tym bioreaktory z wewnętrznym obiegiem i beztlenowe bioreaktory membranowe, aby odzyskać energię zawartą w materii organicznej w postaci biogazu. Do swojego projektu wykorzystali dane eksperymentalne ze ścieków z przetwarzania trzciny cukrowej i trzciny olejowej uprawianej przez grupę Altpeter w projekcie CABBI Feedstocks-to-Fuels Project. Proces polega na ekstrakcji olejów roślinnych, a następnie wytwarzaniu etanolu z cukrów roślinnych poprzez fermentację drożdży. Grupa Singha dostarczyła zużyty bulion fermentacyjny po ekstrakcji etanolu, a współpracownicy z Pontificia Universidad Católica de Chile określili ilość metanu, którą można wyprodukować z rzeczywistych próbek.

Korzystając z otwartego oprogramowania BioSTEAM, naukowcy przeprowadzili następnie symulację integracji nowego procesu oczyszczania ścieków w siedmiu projektach biorafinerii, obejmujących szeroką gamę surowców i biopaliw/bioproduktów. Poprzez techniczną analizę ekonomiczną i ocenę cyklu życia (TEA-LCA) umożliwioną przez BioSTEAM, odkryli, że nowy proces może znacznie obniżyć koszty kapitałowe i zużycie energii przez biorafinerie, poprawić ich rentowność finansową i zmniejszyć ich wpływ na środowisko.

Proces może skutecznie przekształcać zanieczyszczenia organiczne w ściekach biorafinacyjnych w biogaz i realizować jednoczesne odzyskiwanie energii i oczyszczanie ścieków. Zmniejszy zużycie energii, koszty operacyjne i emisje gazów cieplarnianych w porównaniu z konwencjonalnymi systemami oczyszczania.

„Dzięki odpowiednim procesom zarządzania ścieki mogą być potencjalnym źródłem dochodów dla biorafinerii, jednocześnie poprawiając zrównoważenie środowiskowe biopaliw i bioproduktów” – powiedział Lee.

Proces oczyszczania ścieków zaprojektowany w tym badaniu może znacznie poprawić rentowność finansową biorafinerii drugiej generacji, jednocześnie zmniejszając ich wpływ na środowisko, przyczyniając się w ten sposób do przejścia społeczeństwa na biogospodarkę o obiegu zamkniętym – oraz misję CABBI polegającą na wspieraniu rentownego i zrównoważonego lokalnego przemysłu biopaliw i bioproduktów wykorzystującego rośliny biomasa.

odniesienie: Li Y, Kontos GA, Cabrera DV i in. Projekt procesu wysokosprawnego oczyszczania ścieków w celu odzysku energii i wody w biorafinerii. ACS Sustainable Chemistry inż. 2023; 11 (9): 3861-3872. doi:10.1021/acssuschemeng.2c07139

Ten artykuł został ponownie opublikowany z następującego Materiał. Uwaga: artykuł mógł zostać zredagowany pod względem długości i treści. Aby uzyskać więcej informacji, skontaktuj się ze wspomnianym zasobem.