VOORBEHANDELING

Lignocellulose rijke biomassaHan Vervaeren Bart Ryckaert

Voorbehandeling• Inleiding

•Enkele Technieken

•Besluit

Inleiding

+ -Opslag KostprijsTransportEnergie inhoudBetere conversie

Anaerobe vergisting sneller + vollediger

Wat gebeurt er?

Specifiek oppPorositeitdepolymerisatiegraad

Biodegradatie vs biobeschikbaar

Hoe evalueren?

Indeling…in literatuur en in praktijk

• Literatuur

Mechanisch en/of fysisch

Chemisch en/of fysico-chemisch

Biologisch

•Praktijk

Conventioneel Mechanisch Silage (biologisch) Thermo-(mechanisch)

Niet-conventioneel Chemisch Ultrasoon Thermisch Enzymatisch/biologisch Microgolven, etc.

Mechanische voorbehandelingen

Mechanische voorbehandeling

• Effect op biomassa• Verkleinen partikelgrootte• Vergroten aandeel VS• Vrijstellen celinhoud• Verlagen polymerisatiegraad

Mechanische voorbehandeling

• Effect tijdens vergistingsproces• Vergroten contactoppervlak• Versnellen vergistingsproces door

snellere hydrolyse• Verbetert toegankelijkheid biomassa

voor micro-organismen

a. Mix aardappelen – appels - wortelen:

stukken van 2 cm vermalen

b. Vlees: stukken van 2 cm vermalen

0

c. Zonnebloemkernen: kern zonder schaal 5 mm

vermalen

d. Hooi: stukken van 1.5 cm

vermalen

e. Denneloof: stukken van 2 cm vermalen

Effect op partikelgrootte en VS-aandeel in gras

(Linkmark et al.,2012)

Effect op vergistingsproces

(Linkmark et al.,2012)

Mechanische voorbehandeling

• Hydrolysatiegraad verhoogt:• 5-25%

• Verhoging biogasopbrengst:• 5-50%

• HRT verkort:• 23%-59%

• Elektrische efficiëntie• Gaand 8 keer meer output dan input tot

negatief

Hendriks et al., 2008, Lindmark et al., 2012

Mechanische voorbehandeling

Quickmix (vogelsang)Inclusief homogeniseren en mengen

SILAGE

HomofermClostridium

-CH3CHOHCOOH-CO2

Heteroferm

-CH3CHOHCOOH- CH3COOH- CH3CH2OH

- CO2

CO2

Gisten, schimmelsEnterobac

Enzymatische behandelingBiologische behandeling wit-rot schimmels (Wan & LI, 2012)

Verhoogt silage de methaan opbrengst?

• Van 11 – 17 % (Hermann et al., 2012, Vervaeren et al., 2010) (op mais, gierst, tarwe, rijst) in batch maar compensatie nodig voor :

▫ ODM verliezen▫ Wijziging samenstelling ODM na ensilering

Rond de 3- 7 % meerwaarde

Kunnen we met silage additieven dit verhogen?

•Mogelijks…. doch verder onderzoek nodig

Bonsilage

Silasi

l Energ

y

Sil-al

l 4 x

4

Microfer

m

Lalsil

Dry

Lalsil

Fresh

Aveve

enzym

mix0

2

4

6

8

10

12

Mee

rwaa

rde

Nm

3 CH

4/to

n O

DM ra

w

(Vervaeren et al., 2010)

Biologisch• + Goedkoop• + Eenvoudig• + weinig risico op inhibitoren

• - Lage meeropbrengst• - Lange tot zeer lange tijden nodig• - Werking niet altijd gegarandeerd• - Selectiviteit niet gegarandeerd

Silageadditieven – test praktijkvergister

Test inkuiladditieven pilootvergister Inagro• Inkuilen maïs met en zonder inkuiladditief• Basis periode van 40 dagen, testperiode

van 40 dagen

Test pilootvergister

basisperiode Proefperiode0

100

200

300

400

500

600Vergelijking gemiddelde bruto-

elektriciteitsproductie

Ele

ktr

icit

eit

spro

ducti

e (

kW

h/d

ag)

Thermo-mechanische voorbehandelingen

Types

• Extruder• Mbv vijzels wisselende drukken en

temperaturen creëren• Verkleine partikelgrootte• Scheuren cellen• Toegankelijker maken ligno-cellulose

door depolymerisatie• Stoomexplosie

• Injectie stoom onder hoge druk gevolgd door een snelle drukval

• Lyseren cellen• Toegankelijker maken ligno-cellulose

(Hjorth et. Al, 2011, Horn et. Al, 2011)

Extruder

Hjorth et. Al, 2011

Extruder – elektrische efficiëntie

Hjorth et. Al, 2011

Voor- en nadelen

• Voordelen• Geen chemische additieven• Simpele techniek• Sterke mechanisatie mogelijk

• Nadelen• Energie-efficientie: grote verschillen• Effect sterk afhankelijk type biomassa• Investeringskost

Pre-hygiënisatie : thermisch

Pre-hygiënisatie• Voor vergisting een hygiëniseringsstap

doorvoeren• 60 minuten aan 70°C• Thermische voorbehandeling

Hygiënisatie voor vergisting

• Test op mengsel mest + groentenafval

(Luste et al., 2011)

Prehygiënisatie

Ultrasone behandeling

Geen behandeling

Onbehandelde mest

Chemisch

• ZUREN

▫ H2SO4, HCL, HNO3 en H3PO4

▫ Geconcentreerde (30 – 70 %) of verdunde (0,5 – 2 %)▫ ! vorming H2S en NH3 alsmede aromatische aldehyden (furfural/HMF)▫ Vnl ingrijpend op hemicellulose (Monlau et al. 2012)

Zuren Voordelen NadelenGeconcentreerd • Lage temperaturen

• Hoge suikeropbrengsten• Hoog zuurverbruik• Corrosie• Moeilijke terugwinning• Toxisch• Condensatie en precipitatie lignine• Ongewenste bijproducten (adaptatie)• neutralisatie achteraf

Verdund • Laag zuurverbruik • Corrosie• Hoge temperaturen• Adaptatie voor bijproducten

• Alkalisch▫ NaOH > KOH > Mg(OH)2 > Ca(OH)2 > NH4OH (Chandra et al., 2012)▫ Verzeping van zure suikergroepen toegankelijker▫ Oplossen hemicellulose en (minder) lignine▫ Herbruikbaar▫ Biomassa verbruikt vrije alkaliën voor neutralisatie (+/- 3 % zonder meerwaarde)

• Oxidatief▫ Toedienen van H2O2 (Fe 2+), CH3COOOH (van 1 tot > 20 %), Cl2, O3, O2

▫ Zal naast cellulose vooral lignine aanvallen (inhibitie door oplossen aromaten)▫ Minder geschikt wegens ook cellulose oplossend en niet selectief

Bij alle drie▫ verhoogd watergebruik▫ uitspoeling opgeloste koolstof mogelijk▫ Vervluchtiging mogelijk van koolstof▫ neutralisatie nodig (zuren)▫ Alkalisch meestal betere resultaten▫ Haalbaarheid? praktische problemen !▫ Kristalliniteit van cellulose niet aangepakt

Wijze van toediening : NaOH bij maïs

Onderzoek Enbichem – Inagro - 2009

0 5 10 15 200

50

100

150

200

250

300

350

Onbehandeld gemiddelde Vernevelen gemiddelde Weken gemiddelde Dagen

Biogas (Nm³/ton vers)

18 %

Vernevelen : 30 % (350 ml/kg VM), weken : 4 % (2,6 L/kg VM)

Thermochemisch• Grote toename mogelijk (> 200 % (bv. rijsstro) ), maar optimalisatie noodzakelijk!

Ook sterke reductie in HRT mogelijk.

0 5 10 15 20 25 300

50

100

150

200

250

300

time (days)

Met

hane

yie

ld (

NL

CH

4 kg

--1

VS

-1 )

Onderzoek Enbichem 2012

(Lopez et al., to be submitted)

Thermochemisch (Monlau et al., 2012)

•Vb. op zonnebloemsteel (invloed van temperatuur)

4 %

10 %

Solventen en ionische vloeistoffen• Organosolvents (OS) of ionische vloeistoffen (IV)

▫ OS : Methanol, ethanol, ethylene glycol, etc.

▫ + herbruikbaar, efficient (50 – 80 % delignificatie)▫ + selectief cellulose//lignine//hemicellulose▫ + goed stuurbaar

▫ - noodzaak voor recovery (via E/C, water, alcoholen)▫ - (zeer toxisch), hygroscopisch▫ - in combinatie met hoge temperaturen▫ - zeer dure vloeistoffen, uitgebreide apparatuur, experimenteel▫ - Bio-ethanol industrie, bio - refenery

Andere…the list goes on..

• Vries-dooi• Sonicatie• Microgolven• Superkrtisch water/CO2• Verkoling, torrefecatie, pyrolyse,..• etc

Conclusies

• Soms groot potentieel , andere veel minder• Trade-off• Veel nog experimenteel• Complex gegeven• Opschaling weinig bekend

• Belangrijkst: m³ CH4/ton vers

• Bv. toevoeging van grote hoeveelheden water?• Opschaling: haalbaarheid, kost, onderhoudskost,

investeringskost,..• Bv. toevoeging van grote hoeveelheden NaOH

• Energie-input <-> energie-output• Bv. Hoge dosissen ultrasone trillingen