Integroidut bioenergia- ja biotuotealustat ovat muuntautuva lähestymistapa polttoaineiden, kemikaalien ja materiaalien tuottamiseen uusiutuvasta biomassasta. Yhdistämällä useita biologisia ja kemiallisia konversiovaiheita yhden prosessiketjun sisällä näillä alustoilla pyritään maksimoimaan hiilitehokkuus, minimoimaan jätteet ja parantamaan biojalostamon yleistä taloudellista tilannetta. Kun globaali kysyntä fossiilisille tuotteille kasvaa, näiden integroitujen järjestelmien suunnittelusta, toiminnasta ja optimoinnista tulee tutkijoiden, teollisuuden ammattilaisten ja poliittisten päättäjien kannalta olennaisen tärkeää.

Mitkä ovat integroidut bioenergia- ja biotuotealustat?

Integroitu bioenergia- ja biotuotealusta on prosessijärjestelmä, jossa yhdistyvät useita konversioteknologioita.Näin voidaan muuntaa biomassa tuotteiksi esimerkiksi mikrobien käymisen, entsymaattisen hydrolyysin ja lämpökemiallisen parantamisen avulla. Integroitu alusta tuottaa useita eri virtoja: biopolttoaineita, biomuovia, biokemikaaleja, eläinten rehua ja jopa tehoa. Tämä lähestymistapa heijastaa öljynjalostamon rakennetta, jossa raakaöljy jaotellaan kymmeniksi arvokkaiksi tuotteiksi, mutta toimii uusiutuviin raaka-aineisiin ja tukeutuu biologisiin katalyytteihin ja vihreään kemiaan.

Ydinprosessiketju

Tyypillinen integroitu alusta seuraa sarja vaiheita:

  • Biomassan hankinta ja käsittely[ . Rehuvarastot, kuten maissivarasto, sokeriruokopussi, puujäännökset, levät ja orgaaninen yhdyskuntajäte kerätään, kootaan ja varastoidaan.
  • Esikäsittely[ ... Fysikaaliset, kemialliset tai biologiset menetelmät häiritsevät lignocelloluosista matriisia, jolloin selluloosa ja hemiselluloosa pääsevät entsyymien ulottuville.
  • Entsymaattinen hydrolyysi ... sellulatit ja hemikellulat pilkkovat polysakkaridit käymiskykyisiksi sokereiksi (glukoosi, ksyloosi, arabinoosi).
  • Fermentaatio[ . Mikro-organismit (hiiva, bakteerit, sienet) muuntavat sokerit kohdetuotteiksi: etanoli, butanoli, maitohappo, suksihappo tai polyhydroksialkanoaatit (PHA).
  • Tuotteen talteenotto ja puhdistus .
  • Jäätelövoiristelu[ . ... ligniinejä, stabilointiaineita ja muita sivutuotteita käytetään lämmön ja sähkön tuottamiseen tai parannellaan aromaattisiksi kemikaaleiksi, hiilikuiduiksi tai biopohjaisiksi liimoiksi.

Rehuvarastojen monimuotoisuus

Integroitujen alustojen tärkein etu on niiden kyky käsitellä monenlaisia raaka-aineita usein samassa laitoksessa. Lignocelleluosin biomassa (maatalousjäämät, energiakasvit, metsän harvennukset) on runsain ja kallein. Levät ja syanobakteerit tarjoavat runsaasti biopolttoaineiden ja pähkinänkuoreen rasvapitoisuutta ja kasvunopeutta. Orgaaniset jätevirrat.Ravintojätevirrat, eläinten lantaa, jätevesiliete.Tuottaa edullisimman raaka-aineen, joka myös vähentää kaatopaikkojen metaanipäästöjä. Joustavuus auttaa puskuria hintavaihteluita ja toimitushäiriöitä vastaan.

Tiede prosessin yhdentämisen taustalla

Integraatio ei ole vain yksikön toimintojen yhdistämisen kysymys, vaan se edellyttää reaktioolosuhteiden, virtausnopeuden ja välitteisten toleranssejen huolellista yhteensovittamista. Esikäsittelyn vakavuuden muutos vaikuttaa entsyymin suorituskykyyn; käymisen sivutuotteet voivat estää entsymaattisen jatkovaiheen vaiheita. Onnistunut integrointi perustuu järjestelmätason optimointiin ja prosessin tehostamiseen.

Esikäsittelyteknologiat

Esikäsittely on edelleen yksi kriittisimmistä ja pääomaintensiivisimmistä vaiheista. Laimennettu happo, höyryräjähdys, ammoniakkikuitujen laajeneminen (AFEX) ja organosolv tutkitaan laajasti. Jokainen tuottaa ainutlaatuisen biomassarakenteen ja tuottaa erilaisia estäjiä (furfuraali, HMF, etikkahappo), jotka mikrobien on poistettava tai siedettävä. Ioninesteiden ja syvien eutektisten liuottimien viimeaikaiset edistysaskeleet osoittavat lupaavan selluloosan, hemiselluloosan ja ligniininin valikoivamman jakotislauksen, vaikka kustannukset ja kierrätettävyys ovat edelleen haasteita. [NREL.Sel....] antaa arvokasta tietoa esikäsittelyteknologioiden tutkimuksesta[.

Entsymaattinen hydrolyysi Optimointi

Entsyymisekoitukset on räätälöitävä tiettyyn substraattiin ja esikäsittelymenetelmään. Korkea kiintoaineskuormitus (20.30% kuiva-ainetta) vähentää veden käyttöä ja pääomakustannuksia, mutta lisää viskositeettia ja massasiirtorajoituksia. Strategiat, kuten syötetyn pallon lisääminen, pinta-aktiivisten aineiden lisääminen ja entsyymin kierrätys, voivat parantaa satoa. Ala on siirtymässä kohti konsolidoitua bioprosessointia (CMP), jossa yksi organismi tai yhteenliittymä tuottaa entsyymejä ja suorittaa käymisen samanaikaisesti, poistaa erillisten hydrolyysireaktoreiden tarpeen ja vähentää kustannuksia merkittävästi.

Käynti- ja yhteisviljelyjärjestelmät

Perinteinen käyminen käyttää puhtaita viljelmiä, mutta integroidut alustat hyötyvät usein yhteisviljelyistä tai mikrobikonsortioista, jotka voivat samanaikaisesti käyttää useita sokereita ja tuottaa erilaisia tuotteita. Esimerkiksi hiiva, joka on suunniteltu kuluttamaan ksyloosia glukoosin rinnalla, voi lisätä etanolin tuottoa lignocellolosic hydrolysideista. Vaihtoehtoisesti bakteerien yhteisviljely []Clostridium thermocellum[] ja []Clostridium beijerinckii[] voivat suoraan muuntaa selluloosan butaaniksi. Metabolinen suunnittelu ja synteettinen biologia laajentavat yhdisteiden valikoimaa, joka voidaan tuottaa korkealla tittereillä, mukaan lukien suihkupolttoaineen lähtöaineet, biomuovien monomeerejä ja erikoiskemikaaleja.

Jatkokäsittely ja tuotteiden hyödyntäminen

Vähähappamien tuotteiden hyödyntäminen aiheuttaa usein 30.50% kokonaistuotantokustannuksista. Integrointistrategioita, kuten [, in situ -tuotepoisto[ (esim. etanolin kaasunpoisto, butaanin läpäisevyys) pitävät pitoisuudet alhaisina ja vähentävät mikrobien myrkyllisyyttä. Membraanisuodatusta, elektrodialyysiä ja simuloitua liikkuvaa vuodekromatografiaa mukautetaan jatkuvaan, energiatehokkaaseen erotteluun. Ligniini, luonnossa runsas aromaattisin polymeeri, on yhä enemmän valorisoitu pyrolyysin, vetylyysin tai entsymaattisen polymerisaation avulla fenoliksi, vanilliiniksi ja hiilikuiduiksi.

Kotouttamisen edut

Integroinnin ensisijainen taloudellinen tekijä on -tulojen monipuolistaminen[. Tuottamalla arvokkaita kemikaaleja perushyödykebiopolttoaineiden ohella prosessista tulee koko prosessille kestävämpi markkinoiden vaihteluille. Esimerkiksi etanolia, suksihappoa ja ligniiniin perustuvaa sideainetta valmistava laitos voi pysyä kannattavana, vaikka etanolin hinnat laskisivat. Ympäristöhyötyihin kuuluvat kasvihuonekaasupäästöjen vähentäminen fossiilisiin vaihtoehtoihin verrattuna, veden kulutuksen vähentäminen tuoteyksikköä kohti (kierrätyksen vuoksi) ja jätteiden tuotannon vähäisyys.

Integraatio tukee myös kiertobiotalouden periaatteita. Kasvien fotosynteesin aikana vahvistamaa ilmakehästä peräisin olevaa hiiltä on eristetty tuotteisiin (esim. muovit, rakennusmateriaalit) tai vapautettu hiilidioksidina, joka voidaan kaapata ja käyttää uudelleen. Prosessissa käytettyä energiaa voidaan toimittaa polttamalla jäännösbiomassaa, jolloin laitos on omavarainen.

Kaupallistamisen haasteet ja esteet

Lupauksesta huolimatta vain harvat integroidut alustat ovat saavuttaneet kaupallisen mittakaavan. Teknisiä, taloudellisia ja logistisia esteitä on edelleen.

Tekniset piirteet

  • Inhibiittorien häiriöt[ . ... ...................................................................................................................................................................................................................................
  • Mass and Energy Balances[ .........................................................................................................................................................................................................................................
  • Mikrobiaalinen vakaus[ . Pitkäaikainen jatkuva käyminen ei-steriileissä olosuhteissa on altis saastumiselle. Sekalaiset viljelmät ja vahvat kannat auttavat, mutta prosessin hallinta on vaativaa.

Taloudellinen elinkelpoisuus

Biojalostamon pääomakustannukset ovat huomattavat, ja sadat miljoonat dollarit ovat herkkiä raaka-aineen hinnoille, entsyymin lastaukselle ja tuotoille. Valtion tuet ja hiililuotot voivat parantaa tasapainoa, mutta monet hankkeet kamppailevat edelleen edullisen öljyn kanssa. DOE.s Bioenergiatekniikan toimisto [ tarjoaa rahoitusta ja teknotaloudellista analyysia, jotta nämä investoinnit voidaan vähentää.

Skalpellitus

Siirtyminen pilotti (1...10 tonnia/päivä) esittelyyn (50...200 tonnia/päivä) ja kaupalliseen mittakaavaan (500 tonnia/päivä) paljastaa poikkeuksetta odottamattomia haasteita sekoittamisessa, lämmönsiirrossa ja kiinteiden aineiden käsittelyssä. Jokainen askel vaatii laajaa teknistä mukautumista ja kestää usein useita vuosia.

Kehittyvät suuntaukset ja innovaatiot

Tutkimus on kiihtymässä moniin suuntiin, mikä voisi vapauttaa integroitujen alustojen koko potentiaalin.

Lignin-arvo

Ligniini poltetaan usein lämmön vuoksi, mutta sen aromaattinen rakenne on kemikaalien aarrearkku. Uudet katalyyttiset menetelmät voivat muuntaa ligniinin BTX:ksi (bentseeni, tolueeni, ksyleeni), fenoliksi ja sykloheksaaniksi. []A 2020-tarkastelu [:n biotekniikan trendeistä[] korosti poltetun sijasta reittejä, jotka voisivat kaksinkertaistaa biojalostamon tulot.

Konsolidoitu bioprosessointi

CBP:n tavoitteena on yhdistää entsyymituotanto, hydrolyysi ja käyminen yhdessä vaiheessa käyttäen yhtä mikro-organismia tai konsortiota. Organisaatiot kuten []Clostridium thermocellum[] luonnollisesti tekevät näin, mutta tuotot ovat pieniä. Synteettinen biologia on engineering Saccharomyces cerevisiae[ ja []] Escherichia coli[] ilmentää soluja ja kuljettaa oligosakkarideja solunsisäisesti. Onnistuminen voi vähentää pääomakustannuksia 40% ja yksinkertaistaa toimintaa.

Sähköbiopolttoaineet

Mikro-organismien yhdistäminen sähkökatalyysiin ja uusiutuvaan sähköön tarjoaa reitin varastoida jaksottaista energiaa nestemäisinä polttoaineina. Tässä lähestymistavassa mikro-organismit kuluttavat elektroneja (elektrodien kautta) ja hiilidioksidia tuottaakseen asetaattia, joka sitten on toisen organismin paranneltu etanoliksi tai butanoliksi. Vaikka se on alkuvaiheessa, se edustaa bioprosessointi- ja teho-X-teknologioiden radikaalia integrointia.

Tulevaisuuden näkymät ja tutkimuksen ohjeet

Ensi vuosikymmenellä on todennäköisesti ensimmäiset kaupalliset integroidut biojalostamot, jotka tuottavat biopolttoaineiden ja biotuotteiden yhdistelmää.

  • Kehittää vankkoja, inhibiittoreita sietäviä mikrobeja, joilla on korkea tuotto ja titteri.
  • Moduulien suunnittelu, liikkuvat esikäsittelyyksiköt, joita voidaan käyttää lähellä raaka-ainelähteitä.
  • Jatkuvan käsittelyn ja reaaliaikaisen seurannan edistäminen käyttämällä []koneoppimista mukautuvassa ohjauksessa.
  • Tutkitaan vaihtoehtoisia raaka-aineita, kuten muovijätettä ja hiilidioksidia, biomassan täydentämiseksi.

Yhteistyö eri tieteenalojen välillä molekyylibiologiasta prosessien suunnitteluun taloustieteeseen on välttämätöntä. Julkisen ja yksityisen sektorin kumppanuudet, kuten Yhteinen BioEnergy Institute (JBEI)[], osoittavat, miten koordinoitu tutkimus nopeuttaa teknologiavalmiutta. Koska politiikat edistävät hiilipäästöjen vähentämistä ja energian toimitusvarmuutta, integroidut bioenergia- ja biotuotealustat ovat keskeisessä asemassa kestävässä tulevaisuudessa.

Viime kädessä näiden alustojen menestys riippuu kyvystämme ajatella kokonaisvaltaisesti koko arvoketjua ... auringonvalosta ja maaperästä kuluttajatuotteeseen ja insinöörijärjestelmiin, jotka eivät ole ainoastaan tuottavia vaan myös kestäviä. Polku on haastava, mutta mahdollinen palkkio on suljettu biotalous, joka sovittaa yhteen talouskasvun ja maapallon rajat.