Биоконверсия биомассы в смешанные спиртовые топлива

Биоконверсия биомассы в смешанные спиртовые топлива может быть выполнена с использованием процесса MixAlco. Благодаря биоконверсии биомассы к смешанному спиртовому топливу большая часть энергии из биомассы будет в виде жидкого топлива, а не превращения биомассы в этанол путем ферментации дрожжей.

Этот процесс включает биологический / химический метод для превращения любого биодеградируемого материала (например, городских отходов, таких как муниципальные твердые отходы, биологически разлагаемые отходы и осадки сточных вод, сельскохозяйственные отходы, такие как кукуруза, сахарный тростник, хлопчатобумажный хмель, навоз) в полезные химические вещества, такие как карбоновые кислоты (например, уксусная, пропионовая, масляная кислота), кетоны (например, ацетон, метилэтилкетон, диэтилкетон) и биотопливо, такие как смесь первичных спиртов (например, этанол, пропанол, н-бутанол ) и / или смесь вторичных спиртов (например, изопропанол, 2-бутанол, 3-пентанол).Из-за многих продуктов, которые могут быть экономически произведены, этот процесс является настоящим биоресурсом.

Этот процесс использует смешанную культуру встречающихся в природе микроорганизмов, встречающихся в естественных средах обитания, таких как рум крупного рогатого скота, термитовые кишки и морские и наземные болота, для анаэробного переваривания биомассы в смесь карбоновых кислот, образующихся на кислой и ацетогенных стадиях анаэробного сбраживания, однако с торможением метаногенной конечной стадии. Более популярные методы получения этанола и целлюлозного этанола используют ферменты, которые должны быть выделены сначала для добавления в биомассу и, таким образом, превратить крахмал или целлюлозу в простые сахара, а затем путем ферментации дрожжей в этанол. Этот процесс не требует добавления таких ферментов, как эти микроорганизмы.

Поскольку микроорганизмы анаэробно переваривают биомассу и превращают ее в смесь карбоновых кислот, необходимо контролировать рН. Это делается путем добавления буферного агента (например, бикарбоната аммония, карбоната кальция), таким образом получая смесь карбоксилатных солей. Метаногенез, являющийся естественной конечной стадией анаэробного расщепления, ингибируется присутствием ионов аммония или добавлением ингибитора (например, йодом). Полученный ферментационный бульон содержит полученные карбоксилатные соли, которые необходимо обезвоживать. Это достигается эффективным путем испарения паром. Дальнейшее химическое рафинирование обезвоженного ферментационного бульона может затем происходить в зависимости от желаемого конечного химического или биотопливного продукта.

Конденсированную дистиллированную воду из испарительной системы парового сжатия возвращают обратно в ферментацию. С другой стороны, если в качестве воды для ферментации используются неочищенные сточные воды или другие сточные воды с высоким БПК, нуждающиеся в обработке, конденсированная дистиллированная вода из испарения может быть возвращена обратно в город или в исходный источник высокого -BOD сточные воды. Таким образом, этот процесс может также служить средством для очистки воды, одновременно производя ценные химические вещества или биотопливо.

Поскольку система использует смешанную культуру микроорганизмов, кроме того, что не требует добавления фермента, ферментация не требует стерильности или асептических условий, делая эту переднюю стадию в процессе более экономичной, чем в более популярных способах получения целлюлозного этанола. Эти сбережения в передней части процесса, где объемы являются большими, обеспечивают гибкость для дальнейших химических преобразований после обезвоживания, где объемы малы.

Карбоновые кислоты
Карбоновые кислоты могут быть регенерированы из карбоксилатных солей с использованием процесса, известного как «кислотный родник». Этот процесс использует высокомолекулярный третичный амин (например, триоктиламин), который переключается с катионом (например, аммонием или кальцием). Полученный аминкарбоксилат может затем термически разлагаться на сам амин, который рециркулируют, и соответствующую карбоновую кислоту. Таким образом, теоретически, никакие химические вещества не потребляются или не образуются на этой стадии.

Кетоны
Существует два метода получения кетонов. Первый состоит в термическом превращении солей карбоксилата кальция в соответствующие кетоны. Это был распространенный способ получения ацетона из ацетата кальция во время Первой мировой войны. Другой способ получения кетонов заключается в превращении испаренных карбоновых кислот в каталитический слой оксида циркония.

Спирты
Первичные спирты
Непереваренный остаток ферментации можно использовать для газификации с образованием водорода (H2). Затем этот H2 может быть использован для гидрогенизации сложных эфиров над катализатором (например, хромитом меди), которые получают путем этерификации либо карбоксилатных солей аммония (например, ацетата аммония, пропионата, бутирата), либо карбоновых кислот (например, уксусной, пропионовой , масляная кислота) с высокомолекулярным спиртом (например, гексанолом, гептанолом). Из гидрогенолиза конечные продукты представляют собой высокомолекулярный спирт, который рециркулируют обратно в этерификацию и соответствующие первичные спирты (например, этанол, пропанол, бутанол).

Вторичные спирты
Вторичные спирты (например, изопропанол, 2-бутанол, 3-пентанол) получают гидрированием на катализаторе (например, никелем Ренея) соответствующими кетонами (например, ацетоном, метилэтилкетоном, диэтилкетоном).

Падение биотоплива
Первичные или вторичные спирты, полученные, как описано выше, могут подвергаться конверсии в упаковочные биотоплива, топлива, которые совместимы с существующей инфраструктурой ископаемого топлива, такой как биогазолин, зеленый дизель и биотопливо.Это осуществляется путем дегидратации спиртов с последующей олигомеризацией с использованием цеолитных катализаторов способом, подобным методу метана, который используется для получения бензина из метанола в Новой Зеландии.

Уксусная кислота против этанола
Целлюлозно-этанольные заводы должны быть чистыми экспортерами электроэнергии, потому что большая часть лигноцеллюлозной биомассы, а именно лигнина, остается непереваренной и ее необходимо сжигать, производя таким образом электричество для завода и избыточное электричество для сети. По мере роста рынка, и эта технология становится все более распространенной, объединение жидкого топлива и рынков электроэнергии станет все труднее.

Уксусная кислота, в отличие от этанола, биологически производится из простых сахаров без образования двуокиси углерода:

6 H 12 O 6 → 2 CH 3 CH 2 OH + 2 CO 2
(Биологическое производство этанола)

6 H 12 O 6 → 3 CH 3 COOH
(Биологическое производство уксусной кислоты)

Из-за этого на массовой основе урожайность будет выше, чем при брожении этанола. Если тогда непереваренный остаток (в основном лигнин) используется для получения водорода путем газификации, то обеспечивается, что больше энергии из биомассы будет в конечном итоге в виде жидкого топлива, а не избыточного тепла / электричества.

3 CH 3 COOH + 6 H 2 → 3 CH 3 CH 2 OH + 3 H 2 O
(Гидрирование уксусной кислоты)

6 H 12 O 6 (из целлюлозы) + 6 H 2 (из лигнина) → 3 CH 3 CH 2 OH + 3 H 2 O
(Общая реакция)
Более подробное описание экономики каждого из видов топлива приведено на страницах спиртового топлива и этанолового топлива, дополнительную информацию об экономике различных систем можно найти на центральной странице биотоплива.

Этап разработки
Система развивается с 1991 года, переходя от лабораторной шкалы (10 г / день) к экспериментальной шкале (200 фунтов / день) в 2001 году. Была построена небольшая демонстрационная установка (5 тонн в день) и и в 2012 году ожидается демонстрационный завод мощностью 220 тонн в сутки.