Biokonversion von Biomasse zu Alkoholgemischen

Die Biokonversion von Biomasse zu Alkoholgemischen kann mit dem MixAlco-Verfahren erfolgen.Durch Biokonversion von Biomasse zu einem gemischten Alkoholbrennstoff wird mehr Energie aus der Biomasse als flüssige Brennstoffe enden als bei der Umwandlung von Biomasse in Ethanol durch Hefefermentation.

Das Verfahren umfasst ein biologisch / chemisches Verfahren zum Umwandeln von jeglichem biologisch abbaubarem Material (z. B. städtischen Abfällen, wie z. B. städtischem Abfall, biologisch abbaubarem Abfall und Klärschlamm, landwirtschaftlichen Rückständen wie Maisstroh, Zuckerrohrbagasse, Baumwoll-Gin-Abfall, Mist) B. Carbonsäuren (z. B. Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure), Ketone (z. B. Aceton, Methylethylketon, Diethylketon) und Biokraftstoffe, wie z. B. eine Mischung primärer Alkohole (z. B. Ethanol, Propanol, n-Butanol) ) und / oder eine Mischung von sekundären Alkoholen (zB Isopropanol, 2-Butanol, 3-Pentanol). Aufgrund der vielen Produkte, die wirtschaftlich hergestellt werden können, ist dieses Verfahren eine echte Bioraffinerie.

Das Verfahren verwendet eine gemischte Kultur von natürlich vorkommenden Mikroorganismen, die in natürlichen Lebensräumen wie dem Pansen von Rindern, Termiteninnereien und marinen und terrestrischen Sümpfen gefunden werden, um Biomasse in einer Mischung von Carbonsäuren, die während der acidogenen und acetogenen Stufen der anaeroben Verdauung produziert werden, anaerob zu verdauen. jedoch mit der Hemmung der methanogenen Endstufe. Die populäreren Verfahren zur Herstellung von Ethanol und Celluloseethanol verwenden Enzyme, die zuerst isoliert werden müssen, um zu der Biomasse hinzugefügt zu werden und somit die Stärke oder Cellulose in einfache Zucker umzuwandeln, gefolgt von einer Hefefermentation in Ethanol. Dieser Prozess erfordert nicht den Zusatz solcher Enzyme, wie diese Mikroorganismen ihre eigenen machen.

Da die Mikroorganismen die Biomasse anaerob verdauen und in eine Mischung aus Carbonsäuren umwandeln, muss der pH-Wert kontrolliert werden. Dies erfolgt durch Zugabe eines Puffermittels (z. B. Ammoniumbicarbonat, Calciumcarbonat), wodurch eine Mischung von Carboxylatsalzen erhalten wird. Die Methanogenese, die das natürliche Endstadium der anaeroben Verdauung darstellt, wird durch die Anwesenheit der Ammoniumionen oder durch die Zugabe eines Inhibitors (z. B. Jodoform) inhibiert. Die resultierende Fermentationsbrühe enthält die erzeugten Carboxylatsalze, die entwässert werden müssen. Dies wird effizient durch Dampfkompressionsverdampfung erreicht.Eine weitere chemische Reinigung der entwässerten Fermentationsbrühe kann dann in Abhängigkeit von dem gewünschten chemischen oder biologischen Endprodukt stattfinden.

Das kondensierte destillierte Wasser aus dem Dampfkompressions-Verdampfungssystem wird in die Fermentation zurückgeführt. Wenn andererseits Rohabwasser oder anderes Abwasser mit hohem BSB, das einer Behandlung bedarf, als Wasser für die Fermentation verwendet wird, kann das kondensierte destillierte Wasser aus der Verdampfung in die Stadt oder zu der ursprünglichen Quelle des Hochofens zurückgeführt werden -BOD Abwasser. Somit kann dieser Prozess auch als Wasseraufbereitungsanlage dienen und gleichzeitig wertvolle Chemikalien oder Biokraftstoffe produzieren.

Da das System eine gemischte Kultur von Mikroorganismen verwendet, erfordert die Fermentation keine sterile oder aseptische Bedingungen, da sie keine Enzymzugabe benötigt, was diesen ersten Schritt in dem Verfahren wirtschaftlicher macht als bei populäreren Verfahren zur Herstellung von Zellulose-Ethanol. Diese Einsparungen am vorderen Ende des Prozesses, bei denen die Volumina groß sind, ermöglichen eine Flexibilität für weitere chemische Umwandlungen nach der Entwässerung, wenn die Volumina klein sind.

Carbonsäuren
Carbonsäuren können aus den Carboxylatsalzen unter Verwendung eines als „Säurefrühling“ bekannten Verfahrens regeneriert werden. Bei diesem Verfahren wird ein tertiäres Amin mit hohem Molekulargewicht (z. B. Trioctylamin) verwendet, das mit dem Kation (z. B. Ammonium oder Calcium) ausgetauscht wird. Das resultierende Amincarboxylat kann dann thermisch in das Amin selbst, das recycliert wird, und die entsprechende Carbonsäure zersetzt werden. Auf diese Weise werden theoretisch bei diesem Schritt keine Chemikalien verbraucht oder Abfälle erzeugt.

Ketone
Es gibt zwei Methoden zur Herstellung von Ketonen. Die erste besteht in der thermischen Umwandlung von Calciumcarboxylatsalzen in die entsprechenden Ketone. Dies war eine übliche Methode zur Herstellung von Aceton aus Calciumacetat während des Ersten Weltkriegs. Die andere Methode zur Herstellung von Ketonen besteht darin, die verdampften Carbonsäuren auf einem katalytischen Bett aus Zirkoniumoxid umzuwandeln.

Alkohole
Primäre Alkohole
Der unverdaute Rückstand aus der Fermentation kann bei der Vergasung zur Herstellung von Wasserstoff (H2) verwendet werden. Dieses H & sub2; kann dann zur Hydrogenolyse der Ester an einem Katalysator (z. B. Kupferchromit) verwendet werden, die durch Veresterung entweder der Ammoniumcarboxylatsalze (z. B. Ammoniumacetat, Propionat, Butyrat) oder der Carbonsäuren (z. B. Essigsäure, Propionsäure) hergestellt werden Buttersäure) mit einem hochmolekularen Alkohol (z. B. Hexanol, Heptanol). Aus der Hydrogenolyse sind die Endprodukte der hochmolekulare Alkohol, der in die Veresterung zurückgeführt wird, und die entsprechenden primären Alkohole (z. B. Ethanol, Propanol, Butanol).

Sekundäre Alkohole
Die sekundären Alkohole (z. B. Isopropanol, 2-Butanol, 3-Pentanol) werden durch Hydrierung der entsprechenden Ketone (z. B. Aceton, Methylethylketon, Diethylketon) an einem Katalysator (z. B. Raney-Nickel) erhalten.

Drop-in-Biokraftstoffe
Die primären oder sekundären Alkohole, die wie oben beschrieben erhalten werden, können einer Umwandlung in Drop-in-Biokraftstoffe unterzogen werden, Brennstoffe, die mit der derzeitigen Infrastruktur für fossile Brennstoffe wie Biogasolin, grünem Diesel und Biojet-Kraftstoff kompatibel sind. Dies wird durchgeführt, indem die Alkohole einer Dehydratisierung unterzogen werden, gefolgt von einer Oligomerisierung unter Verwendung von Zeolithkatalysatoren auf ähnliche Weise wie beim Methanex-Verfahren, das zur Herstellung von Benzin aus Methanol in Neuseeland verwendet wurde.

Essigsäure gegen Ethanol
Anlagen zur Produktion von Zellulose-Ethanol sind zwangsläufig Nettoexporteure von Elektrizität, da ein großer Teil der lignocellulosen Biomasse, Lignin, unverdaut bleibt und verbrannt werden muss, um Strom für die Anlage und überschüssigen Strom für das Netz zu produzieren. Wenn der Markt wächst und sich diese Technologie verbreitet, wird die Kopplung der Märkte für Flüssigbrennstoff und Elektrizität immer schwieriger werden.

Essigsäure wird im Gegensatz zu Ethanol biologisch aus einfachen Zuckern ohne die Produktion von Kohlendioxid hergestellt:

6 H 12 O 6 → 2 CH 3 CH 2 OH + 2 CO 2
(Biologische Produktion von Ethanol)

6 H 12 O 6 → 3 CH 3 COOH
(Biologische Produktion von Essigsäure)

Aus diesem Grund werden die Erträge auf einer Massenbasis höher sein als bei der Ethanol-Fermentation. Wenn dann der unverdaute Rückstand (hauptsächlich Lignin) verwendet wird, um Wasserstoff durch Vergasung zu erzeugen, wird sichergestellt, dass mehr Energie aus der Biomasse als flüssige Brennstoffe als überschüssige Wärme / Elektrizität anfällt.

3 CH 3 COOH + 6 H 2 → 3 CH 3 CH 2 OH + 3 H 2 O
(Hydrierung von Essigsäure)

6 H 12 O 6 (aus Cellulose) + 6 H 2 (aus Lignin) → 3 CH 3 CH 2 OH + 3 H 2 O
(Gesamtreaktion)
Eine umfassendere Beschreibung der Wirtschaftlichkeit von jedem der Kraftstoffe ist auf den Seiten Alkohol Kraftstoff und Ethanol Kraftstoff gegeben, weitere Informationen über die Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Systeme finden Sie auf der zentralen Seite Biokraftstoff.

Entwicklungsstufe
Das System wurde seit 1991 entwickelt und hat sich 2001 vom Labormaßstab (10 g / Tag) auf den Pilotmaßstab (200 lb / Tag) verschoben. Eine kleine Demonstrationsanlage (5 t / Tag) wurde gebaut und ist in Betrieb und eine Demonstrationsanlage mit 220 Tonnen / Tag wird im Jahr 2012 erwartet.