Technologie zpracování alternativních surovin pro výrobu bioplynu

Kód výsledku v IS VaVaI

<a href="https://www.isvavai.cz/riv?ss=detail&h=RIV%2F00027031%3A_____%2F23%3AN0000005" target="_blank" >RIV/00027031:_____/23:N0000005 - isvavai.cz</a>

Výsledek na webu

<a href="http://www.vuzt.cz" target="_blank" >http://www.vuzt.cz</a>

DOI - Digital Object Identifier

—

Jazyk výsledku

čeština

Název v původním jazyce

Technologie zpracování alternativních surovin pro výrobu bioplynu

Popis výsledku v původním jazyce

Odpadní lignocelulózové materiály představují energeticky bohatou a v mnoha případech nevyužitou obnovitelnou surovinu pro výrobu alternativních zdrojů energií nebo pro chemický průmysl. Jednou z možných cest zpracování těchto odpadů je jejich anaerobní fermentace. Tato metoda biochemické transformace lignocelulózových odpadů v přirozeném stavu však vykazuje díky jejich kompozitní struktuře velmi nízkou účinnosti. Předúprava takovýchto odpadů patří mezi klíčové kroky k dosažení maximální účinnosti transformace odpadních materiálů, které jsou složeny z celulózy, hemicelulózy, ligninu a dalších organických a anorganických sloučenin. Celulóza a hemicelulóza představují potenciální zdroje sacharidů, které lze transformovat na monosacharidy a následně na biopalivo. Pro tyto odpady je typická tzv. lignocelulózová struktura, na kterou lze nahlížet jako na kompozitní materiál. Vlákna, zajišťující nosnost materiálu, jsou tvořena celulózou. Tato vlákna jsou po celé délce obtáčena rozvětvenými řetězci hemicelulóz a zbytek struktury je vyplněn ligninem, který zde působí jako pojivo. Přirozené vlastnosti lignocelulózových odpadů limitují jejich intenzivní termochemické či biochemické zpracování. Termochemické zpracování odpadů v přirozeném stavu je velmi pomalé, proto jsou při termochemických procesech zpracování z důvodu maximální účinnosti procesu na vstupu do technologie vyžadovány jemné částice s velikostí 100 mm a nejlépe suché s vlhkostí do 40 % hm. Nezbytným krokem ke zvýšení účinnosti procesu dalšího zpracování je předúprava lignocelulózových materiálů drcením na stanovenou velikost frakce. Jedná se o narušení kompozitní struktury suroviny s nejvyšší možnou mírou zpřístupnění celulózy a hemicelulózy. Zatímco celulosové a lignocelulosové materiály jsou ve standardní bioplynové stanici téměř nezpracovatelné, v případě jejich předúpravy vhodným procesem subkritické hydrolýzy na jednoduší molekuly (oligosacharady, monosacharidy, popř. fenoly), lze dosáhnout 30 – 60 % hm. přeměny na fermentovatelné složky. Také biochemický rozklad odpadní rostlinné biomasy v přirozeném stavu je velmi pomalý a konverze celkového množství organických látek na biopaliva často nepřesahuje 10–20 %, proto i zde předúprava těchto materiálů navyšuje jejich fermentovatelnost v bioplynových stanicích. V případě subkritické hydrolýzy katalyzované oxidem uhličitým je možné ještě tuto konverzi na fermentovatelé cukry zvýšit, u celulosy dokonce až o 56 % hm. Po této úpravě by mělo dojít k maximalizaci využití suroviny, zvýšení účinnosti procesu přepracování na vhodné biopalivo, zvýšení množství produkce bioplynu a k minimální tvorbě finálních odpadů po přepracování. Využití CO2 jako kyselého katalyzátoru nebylo dosud z hlediska ligninu a jeho depolymerace, objektivně evaluováno, proto je v rámci technologie zpracování alternativních surovin pro výrobu bioplynu tento faktor primárně ověřován. Využití odpadních celulosových nebo lignocelulózových materiálů jako potenciálních zdrojů sacharidů je jednou z možností rozšíření portfolia zpracovatelných materiálů pro výrobu bioplynu. Jedná se především o odpady z dřevozpracujícího průmyslu, odpady z biopaliv 1. generace (řepková nebo pšeničná sláma, odpaní seno, zbytky po údržbě zeleně apod.), nebo odpadní papíry a obalové papírové materiály a jejich recykláty, nebo obalové odpady z potravinářských výrob, restaurací a veřejných stravovacích kapacit, které již nelze z důvodu jejich znečištění dále použít a jsou považovány za odpady (výmětový papír z třídících linek). Původní myšlenka řešení spočívá ve dvoufázové předúpravě výše zmíněných alternativních druhů surovin jako potenciálních zdrojů sacharidů pro rozšíření portfolia zpracovatelných materiálů při výrobě bioplynu a k tomu návazných operací, které zajistí energeticky výhodné zpracování lignocelulózových a odpadních materiálů při zvyšování účinnosti procesu přepracování na vhodné biopalivo.

Název v anglickém jazyce

Processing technology of alternative raw materials for biogas production

Popis výsledku anglicky

Waste lignocellulosic materials represent an energy-rich and in many cases untapped renewable raw material for the production of alternative energy sources or for the chemical industry. One possible way of processing these wastes is anaerobic digestion. However, this method of biochemical transformation of lignocellulosic wastes in their natural state shows very low efficiency due to their composite structure. Pretreatment of such wastes is one of the key steps to achieve maximum efficiency in the transformation of waste materials that are composed of cellulose, hemicellulose, lignin and other organic and inorganic compounds. Cellulose and hemicellulose represent potential sources of carbohydrates that can be transformed into monosaccharides and subsequently into biofuel. These wastes are characterised by the so-called lignocellulosic structure, which can be viewed as a composite material. The fibres that provide the load-bearing capacity of the material are made up of cellulose. These fibres are wrapped along their length by branched chains of hemicelluloses and the rest of the structure is filled with lignin, which acts as a binder. The natural properties of lignocellulosic waste limit its intensive thermochemical or biochemical processing. Thermochemical treatment of waste in its natural state is very slow, therefore, for maximum process efficiency, thermochemical treatment processes require fine particles of 100 mm in size and preferably dry with a moisture content of up to 40 % w/w. A necessary step to increase the efficiency of the further processing process is the pretreatment of lignocellulosic materials by crushing to a specified fraction size. This involves disturbing the composite structure of the raw material with the highest possible degree of access to cellulose and hemicellulose. While cellulosic and lignocellulosic materials are almost unprocessable in a standard biogas plant, in the case of their pretreatment by a suitable subcritical hydrolysis process into simpler molecules (oligosaccharides, monosaccharides, or phenols), a 30-60 wt.% conversion into fermentable components can be achieved. Also, the biochemical degradation of waste plant biomass in its natural state is very slow and the conversion of total organic matter to biofuels often does not exceed 10-20 %, so here too the pretreatment of these materials increases their fermentability in biogas plants. In the case of carbon dioxide-catalysed subcritical hydrolysis, this conversion to fermentable sugars can be further increased, even by up to 56 % w/w for cellulose. This treatment should maximize the recovery of the raw material, increase the efficiency of the reprocessing process into a suitable biofuel, increase the amount of biogas production and minimize the generation of final waste after reprocessing. The use of CO2 as an acid catalyst has not yet been objectively evaluated in terms of lignin and its depolymerisation, therefore this factor is primarily verified within the technology of processing alternative feedstocks for biogas production. The use of waste cellulosic or lignocellulosic materials as potential sources of carbohydrates is one of the possibilities to expand the portfolio of processable materials for biogas production. These are mainly wastes from the wood processing industry, wastes from 1st generation biofuels (rapeseed or wheat straw, hay straw, green maintenance residues, etc.), or waste paper and packaging paper materials and their recyclates, or packaging waste from food production, restaurants and catering facilities that cannot be used any more due to contamination and are considered as waste (waste paper from sorting lines). The original idea of the solution consists in a two-step pre-treatment of the above-mentioned alternative feedstock types as potential sources of carbohydrates to expand the portfolio of processable materials in biogas production and related operations, which will ensure energy-efficient processing of lignocellulosic and waste materials while increasing the efficiency of the reprocessing process into suitable biofuel.

Druh

Z_tech - Ověřená technologie

CEP obor

—

OECD FORD obor

20402 - Chemical process engineering

Projekt

<a href="/cs/project/EG20_321%2F0024372" target="_blank" >EG20_321/0024372: Využití alternativních surovin pro výrobu bioplynu</a><br>

Návaznosti

P - Projekt vyzkumu a vyvoje financovany z verejnych zdroju (s odkazem do CEP)

Rok uplatnění

2023

Kód důvěrnosti údajů

S - Úplné a pravdivé údaje o projektu nepodléhají ochraně podle zvláštních právních předpisů

Interní identifikační kód produktu

VÚZT/EG20_321/0024372/2023/1

Číselná identifikace

—

Technické parametry

Pokud srovnáme lignocelulózové materiály s klasickými zemědělskými substráty, které jsou hojně využívány v bioplynových stanicích, produkují lignocelulózové materiály méně bioplynu a dosahují nižší koncentrace metanu. Přimícháním těchto materiálů do směsi je možno nedostatky do jisté míry napravit. Další možností je úprava hydrolýzním procesem, což může opět zlepšit jejich fermentační vlastnosti. Hydrolýzní předúprava takovýchto odpadů proto patří mezi klíčové kroky k dosažení maximální účinnosti transformace odpadních materiálů. Například kukuřičné a slamnaté zbytky, odpady ze zpracování cukrové třtiny, rýžová sláma a další vedlejší produkty ze zemědělského sektoru jsou nejdostupnější odpadní lignocelulózovou surovinou, jsou zpravidla využívány přímo ke zkrmování nebo zůstávají na polích za účelem zaorání a zvýšení podílu uhlíku v půdě, v dalších případech jsou například spalovány bez další úpravy.

Ekonomické parametry

Společnost SMS CZ s.r.o. plánuje komplexní systém předúpravy lignocelulózových materiálů pro výrobu bioplynu dle výše uvedené ověřené technologie zařadit do svého výrobního portfolia nabízených produktů pro odpadové hospodářství, zpracovatelský a chemický průmysl. Technická podpora řešení formou laboratorní podpory dalšího rozvoje alternativního portfolia surovin pro danou technologii přepracování bude realizována ve spolupráci s VÚZT, v.v.i. Společnost SMS CZ s.r.o. má v plánu do 5 let od uvedení první komercionalizované technologie na předúpravu surovin pro výrobu bioplynu dodávat na trh minimálně 1 instalaci každé dva roky. Zařízení lze využívat i samostatně pro předúpravu formou dezintegrace jiných druhů materiálů, hydrolýzní reaktor může být využit i pro další materiály jako například odpadní bavlna, keratinové vlákno apod. pro jiná odvětví průmyslu. Zavedení výsledků z předložené ověřené technologie do výrobního programu společnosti SMS CZ s.r.o. může přinést navýšení ročního zisku společnosti až o 3 %.

Kategorie aplik. výsledku dle nákladů

—

IČO vlastníka výsledku

48360830; 00027031

Název vlastníka

SMS CZ s.r.o., Výzkumný ústav zemědělské techniky, v. v. i.

Stát vlastníka

CZ - Česká republika

Druh možnosti využití

A - K využití výsledku jiným subjektem je vždy nutné nabytí licence

Požadavek na licenční poplatek

A - Poskytovatel licence na výsledek požaduje licenční poplatek

Adresa www stránky s výsledkem

www.vuzt.cz