Table of Contents
כימיקלים חדשים מביומסה: A Process Design Blueprint
תעשיית הכימיה העולמית נמצאת תחת לחץ גובר להפחית את התלות שלה על מאגרי מזון מאובנים ותחתית טביעת הרגל פחמן שלה.ביומסה - חומר אורגני הנגזר מצמחים, בעלי חיים ומיקרואורגניזמים - מציעה אלטרנטיבה משכנעת לייצור מגוון רחב של כימיקלים כי כיום מקורם בעיקר משינוי נפט.המעבר מעקרונות אנרגיה מתחדשת המבוססים על מאובנים לכלכלה כימית מבוססת ביולוגית דורש עיצובים חזקים, מדרגיים שיכולים להמיר ביעילות תרכובות ביולוגית מורכבות לאסטרטגיות מתקדמות, וטכנולוגיות של חומרים כימיים ומוצרים מתקדמים, וטכנולוגיות של חומרים כימיים.
הבנת ביומסה כמזון
ביומסה כוללת מגוון רחב של חומרים אורגניים, כל אחד עם יצירות כימיות ייחודיות המשפיעות על החלטות עיצוב תהליכים.
- (FLT:0) הביומסה הביומסה של ליגנולוסית (FLT:1) - שאריות חקלאיות (הנרים הבלוטים, קש חיטה, שק סוכר), שאריות יער ( שבבי עץ, אבק, ברנק), ויבולי אנרגיה ייעודיים (מדומים, ערפל, ערפל קאנטלר) חומרים אלה מורכבים מתאים (300%), hemiosedustulose, bark), ו יבולי אנרגיה ייעודי (55%) עם שפכים (55%) ו-5%) ו-5%) עם שפכים (פחות (אונקמיים) ו-5%- 25%).
- (FLT:0) , 000 000 עשירי ביומסה 1 (FLT:1) - גרגר תירס, קזאווה, תפוחי אדמה ויבולים אחרים עם תוכן גבוה עמילן (60–80%) הם יותר מוצפים לסוכרים מותסים אבל להתחרות עם ייצור מזון.
- (FLT:0) ,Emomass עשירי סוכר (FLT:1) - סוכר, דבורים סוכר, ו sorghum מתוק, המכיל סוכרים מותס ישירות (sucrose, גלוקוז, פרוקטוז).
- (ב) [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
- (FLT:0Waste biomassFLT:1) - פסולת מוצקה עירונית (שבריר אורגנית), ממחה חיה, פסולת עיבוד מזון, ו שפכים ביוב לעתים קרובות יש ההרכב משתנה ודורש טיפול חזק.
הבחירה של biomass הזנה תהליך כימי תלוי כמה גורמים: זמינות מקומית ועונה, עלות ולוגיסטיקה, התאמת הרכב עבור מסלול ההמרה המטרה, והשלכות קיימות רחבות יותר. ליגנולוסיות ביולוגית היא אטרקטיבית במיוחד עבור ייצור כימי בקנה מידה גדול מתחדש כי הוא בשפע, מבוזר נרחב, ואינו להתחרות ישירות עם ייצור מזון.
תהליכים כימיים מרכזיים בביומסה
המרה של הביומסה לכימיקלים מתחדשים כוללת רצף של שינויים כימיים וביולוגיים.בחירה של תהליך תלויה בכימיקל היעד, בהרכב ההזנה, וטוהר המוצר הרצוי.
Pyrolysis
Pyrolysis הוא הפירוק התרמית של biomass בהיעדר חמצן בטמפרטורות בדרך כלל החל מ 400 עד 600 מעלות צלזיוס.התהליך מניב שלושה זרמי מוצר עיקריים: שבריר נוזלי (ביו-שמן), שבריר משנית מוצקה (biochar), ומעט מאוד דלק לא קבוע (סנגוע) חום חלקיקי חומצה נוזלית (ס) במהירות ספוגה ל- 000 ירכיים) ו-75 שניות (בטווח קצר)
הידרוליטיזה
הידרוג'ר מפסיק את הפחמימות המורכבות (תאים, hemicellulose, Starch) לתוך סוכרים מותסים (Ricfurable) יש שתי גישות עיקריות: הידרוליזה האנזימטית הידרוליזה הידרוליטיזה (Vicollysis), בעוד ש-Hycellulas (התעכבות של דלקות חומצה glycosidicbat בטמפרטורות קלות-55 מעלות) ו-netralu, ו- 24 שעות לאחר מכן הם זקוקים להפחתה מהירה יותר של סוכר.
התקוממות
(הפצה משתמשת במיקרואורגניזמים - חיידקים, צוענים או פטריות - כדי להמיר סוכרים למוצרים כימיים. Ethanol תסיסה על ידי FLT:0saccharomyces cerevisiaeFLT:1 הוא הדוגמה הבוגרת ביותר, אבל הנדסה מטבולית מודרנית הרחיבה את הפחתת התפוקה עקבית של חומצה קדחתנית, חומצה succinic, 1,3-properiolreperic, אך היא בעלת רמות סוכר, אך היא יעילה, אך היא יעילה, אך היא בעלת טווח;
סטיות קטליטיות
המרה הקטליטית כוללת מגוון רחב של שינויים כימיים באמצעות זרזים heterogeneous או הומוגניים להמיר ביניים biomass-derived לתוך כימיקלים מטרה.
- (FLT:0) הינדרדה אוקסגנס (HDO): הסרת חמצן:1 ממולקולות מוגזמות בנפט או סוכר באמצעות מימן וזרז מתכת (NiMo, CoMo, Pt, Ru) לייצר פחמימנים לדלקים וכימיקלים.
- עיבוד (APP):0 (App): פיזור סוכר במים על זרזים דו-תפקודיים (Pt-Re, Ru/C) לייצר אלקנס, מימן וחמצן.
- (FLT:0)Dehydration:FLT:1 הסרת מים מסוכרים כדי ליצור פרוות (fural מ xylose, HMF מ גלוקוז /fructose) על זרזי חומצה (zeolites, sunated resins) Furfural ו HMF הם פלטפורמה לייצור פולימרים, פותרים, דלקים.
- (FLT:0)Oxidation:FLT:1 oxidation סלקטיבי של סוכרים ופרוסים לחמצות הקרקוקסיאלי (חומצה רעילה, חומצה פרוונדקטורקסילית) על זרזי מתכת אציליים (Pt, Au, Pd).
- (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ 1:1 , גינוי של טריגליצרידים משמן ושומן עם מלנוול לייצר ביודיוזל (רקמות חומצה שומנית) וגליצרול.
עיצוב Catalyst הוא מרכזי:סלקטיביות, פעילות, יציבות, והתחדשות חייב להיות מותאם עבור מוצרי הזנה ספציפיים ומוצר היעד. תהליכי עיצוב שיקולים כוללים סוג כור (שטח פגום, נפיחות, סלורי), טמפרטורה ובקרת לחץ, בחירה ממוקדת, בחירה, ניהול מימן, וזרז הפרדה ומיחזור.
עיצוב תהליך כימי
עיצוב תהליכים עבור המרה ביומסה עוקב אחר עקרונות הנדסה כימית מבוססים אך חייב להתאים את המאפיינים הייחודיים של ביומסה: טיפול מוצק, הרכב משתנה, תוכן חמצן גבוה, ואת נוכחות מעכבים. מתודולוגיה עיצוב שיטתית כוללת את השלבים הבאים.
בחירת האכלה וטיפול
ניתוח Feedstock (proximate, האולטימטיבי, וקומפוזיציהal) מודיע בחירת קדם-טיפול. Forgnocellulosic biomass, preטיפול חיוני כדי לשבש את המטריקס lignin-carbohydrate, להפחית גבישי צלולוז, ולהגדיל את דרישות טיפול תרופתי (שימושי חירום) כולל מניעת הידרוליטיקה נוזלית (hemulose הסרת סוכר ו), שחרור סידר (מדומים), חומצה פולינזית), אשר להפחית את הפחתת דרישות טיפול אורגני (דלקת).
הנדסה ואופטימיזציה
תנאי בחירה והפעלה נקבעים על ידי קינטיקה תגובה, מגבלות העברת המונים ותפקוד שלב.עבור תגובות מוצקות-קשודות (hydrolysis, תסיסה), כורים-tank או תצורה רציפה של תקע-זרימה הם נפוצים.עבור תגובות זרז-סולידי גז (preidances-solid) אופטימיזציה של זמן, אופטימיזציה), מיטות נוזליות מציעות חום מעולה ומשלוח מסה.
הפרדה וטיהור
הפרדה למטה הזרם מהווה חלק משמעותי של עלות תהליך כוללת (לעיתים קרובות 40–70%) רכבת ההפרדה תלויה במוצר ובתערובת התגובה. עבור מוצרים תסיסה, זיקוק (תנול, butanol), מיצוי נוזלי (חומצה אורגנית), סינון לחות (חומצה אורגנית), סינון membrane filtration (שמירת תאים, הסרת מוצר), וגביגמנטליזציה (חומצה פסיכוטית), חומצה ללקטית) מועסקים בזיהומים, סגסוגת, סגסוגת של דלק, סגסוגת, סגסוגת, סגסוגת, סגסוגת דלקית, סגסוגת, סגסוגת דלקית דלקית, סגסוגת, סגסוגת, סגסוגת, סגסוגת דלקית דלקית דלקית, סגסוגת, סגסוגת דלקית דלקית, סגסוגת, סגסוגת דלקיתולציה, סגסוגת דלקיתול, סגסוגת דלקיתול, סגסוגת סגסוגת דלקית דלקית, סגסוגת, סגסוגת דלקית, סגסוגת סגסוגת סגסוגת סגסוגת דלקית, סגסוגת יעילה, סגסוגת סגסוגת סגסוגת סגסוגת דלקית, סגסוגת סגסוגת סגסוגת דלקית.
תהליך Flow Optimization
תרשים תהליך מעוצב היטב של זרימת תהליכים (PFD) עוקב אחר המסע מביומסה גולמית למוצר הסופי, זיהוי כל פעולות יחידה, זרמי מחזור, אינטגרציה חום וטיפול תהליך מודרני מדגיש את התהליך תוך העצמת תהליך - שילוב פעולות מרובות ליחידה אחת (למשל, דיסלקציה מחדש, פיזור מטבולי, אינטגרציה חום ושילוב באמצעות ניתוח כדי להפחית את צריכת האנרגיה המקבילה, או להקטין את תהליכי ייצור אנרגיה דומים.
שיקולים סביבתיים וכלכליים
תכנון תהליכים בר קיימא דורש הערכה מחזור חיים (LCA) כדי לכמת השפעות סביבתיות: פליטות גזי החממה, צריכת אנרגיה מאובנים, שימוש במים, שימוש בקרקע, רעילות, ופוטנציאל ההנעה של ביומסה-דרדריבי בדרך כלל יש טביעות פחמן נמוכות יותר מאשר עלויות ייצור נמוכות של דלק (% - 40% בהתאם לעלויות ייצור פחמן וחיסכון בצריכת פחמן), אך ייצור ביומסה עצמו יש נטל סביבתי - שימוש בצריכת מים מינימלי (0%)
כיוונים עתידיים בייצור כימי מבוסס ביולוגי
כמה מגמות מתעוררות נועדו לשפר את התחרותיות של ייצור כימי מתחדש:
- (FLT:0) תכנון זרז מתקדם: FLT:1 פיתוח של זרזים סלקטיביים, יציבים, וסבירים להמרות ישירה של ביומסה ללא טיפול מוקדם או לשלב שלבים מרובים בכור יחיד (קטאליזה אקדמית).
- (FLT:0) מיטאאבי הנדסה וביולוגיה סינתטית: אבולוציה 1: אורגניזמים הנדסיים לייצר כימיקלים בעלי ערך גבוה (למשל, 1,4-butanediol, acrylates, חומצות שומן, bioplastics) ב titer גבוה, תשואה, ופרודוקטיביות, וכדי לסבול מעכבים נוכחים הידרוליטיס גסים.
- (FLT:0) חשמלרוקטליטי והדמיוכימי המרה: קיד:1 (השתמש בחשמל מתחדש כדי להניע את המרה הביומסה בתנאים קלים, צמצום הצורך בתהליכים תרמיים בעלי טמפרטורה גבוהה ומאפשר שילוב ישיר עם כוח מתחדש.
- (FLT:0) דרישות העצמת ומערכות מודולריות:FLT 1 1 בקנה מידה קטן, נייד, או יחידות המרת מכולה שניתן לפרוס בנקודות של פיזור הזנות, צמצום עלויות ההובלה ומאפשר מודלים ביו-אקונומיה מבוזרים.
- (FLT:0)Lignin valorization: Lignin הוא המקור המתחדש הגדול ביותר של תרכובות ארומטיות. שיטות קטליטיות תרמיות חדשות (למשל, שבריר קטליטית מופחתת) מפותחים לייצר מונומרים, oligomers, וכימיקלים פונקציונליים מ lignin.
- (FLT:0) גידול עם biorefineries: OVAFLT:1) ייצור משותף של מוצרים מרובים - כימיקלים, דלקים, כוח וחומרים - מזרם יחיד של מזון, למקסם את הערך ללכוד ולשפר את הכלכלה של התהליך הכולל.
המשך מחקר ופיתוח, בשילוב עם מסגרות מדיניות תומך וביקוש בשוק לגידול מוצרים בר קיימא, יזרז את פריסת תהליכים כימיים המבוססים על ביומסה בקנה מידה עולמי.
מסקנה
(העיצוב תהליכים כימיים לייצור כימיקלים מתחדשים מביומסה הוא אתגר הנדסי מורכב מערכות המשלבת בחירה של הזנות, טיפול מוקדם, טכנולוגיית המרה, הפרדה והערכה קיימות.התקדמות בקטאליזה, הנדסה מטבולית, ושילוב תהליכים הם שיפור מתמיד הביצועים הכלכליים והסביבתיים של תהליכים אלה.עם המשך חדשנות והשקעה, כימיקלים מתודרים ביולוגית יכולים להפוך לעמוד קבוע של טכנולוגיות גלובליות, צמצום של אנרגיה וטכנולוגיות מיקרו-FD2, וטכנולוגיות דיגיטליות נוספות.