Sustainable energy carriers for renewable energy systems : exploring the potential of torrefied lignocellulosic biomass
Laen...
Kuupäev
2024
Kättesaadav alates
Autorid
Ajakirja pealkiri
Ajakirja ISSN
Köite pealkiri
Kirjastaja
Estonian University of Life Sciences
Abstrakt
ABSTRACT. The main aim of this research is to investigate torrefaction as a pre-treatment technique, with a particular emphasis on its use in the production of energy carriers. Specifically, the study will examine the utilization of torrefied biomass as a solid energy carrier and its further application in liquid energy carrier production, bioethanol. The main objective of this research is to investigate the impact of temperature and time of torrefaction on the properties of wood waste, namely its chemical composition, moisture content and absorption, elemental composition, and caloric value. The subsequent study mostly centers on the process of converting torrefied biomass into a liquid energy carrier known as bioethanol. The delignification step involves the use of a sodium hydroxide (NaOH) solution to diminish the lignin content. Following the delignification procedure, the chemical makeup and sugar composition were subjected to analysis. The process is further sustained by enzymatic hydrolysis. The hydrolyzate underwent examination to determine its sugar content and the composition of acetic acid inhibitors. The second stage entails the process of fermentation with dry yeast. The process of torrefaction is conducted on a wood waste mixture of spruce, birch, and pine. The torrefaction process was conducted at three different temperatures (225°C, 275°C, and 300°C) for two different durations (30 minutes and 60 minutes). Observations indicate that when the torrefaction temperature and duration increase, there is a decrease in the content of hemicellulose and cellulose, while on the other hand, the lignin content tends to increase. After the torrefaction process, there is a change in the nature of the biomass from hydrophilic to hydrophobic, which can be observed through a decrease in the biomass's ability to absorb moisture. The characteristics of biomass as a fuel also improve with an increase in calorific value, as well as being supported by carbon content and a decrease in oxygen content.
The torrefaction process is followed by delignification, enzymatic hydrolysis, and fermentation processes to produce bioethanol. Post-delignification results in a decrease in hemicellulose and lignin content, but cellulose content tends to increase. The composition of sugar also undergoes changes during the delignification process. The glucose content tends to increase with delignification, whereas the xylose content tends to decrease. This result is in line with sugar composition after enzymatic hydrolysis. The acetic acid content increases in tandem with the rise in torrefaction temperature, but the post-delignification acetic acid content is lower. The production of bioethanol from torrefied biomass, which undergoes a delignification process, exhibits an increase of over 30% in post-delignification.
Considering the results of this study, future research aims could concentrate on investigating methods to utilize biomass generated through torrefaction in a variety of sectors beyond the energy sector. The investigation and development of the production of biochemicals and biomaterials is a subject that necessitates additional research and refinement. The inclusion of studies that encompass not only cellulose but also other constituents such as lignin can contribute to the enhanced integration of torrefaction with additional pretreatment methods.
LÜHIKOKKUVÕTE. Töö peamine eesmärk oli uurida torrefitseerimist kui eeltöötlusmeetodit rõhuasetusega energia kandjate tootmisel. Eelkõige vaadeldi torrefitseeritud biomassi kasutusvõimalusi tahke energia kandjana ning selle edasise töötlemise võimalusi vedelaks energia kandjaks nagu bioetanool. Selleks uuriti torrefitseerimistemperatuuri ja reaktsiooniaja mõju jääkpuitmassi biokeemilisele koostisele, niiskuse sisaldusele, niiskuse absorbeeimisvõimele, elementkoostisele ja kalorsusele. Töö teine etapp keskendus peamiselt torrefitseeritud biomassi muundamisele vedelaks energia kandjaks, bioetanooliks. Selleks viidi esmalt läbi delignifitseerimine naatrium hüdroksiidi abil, et vähendada ligniini sisaldust torrefitseeritud jääkpuitmassis. Delignifitseerimise järgselt analüüsiti järelejäänud tahke massi algsuhkrute sisaldust. Seejärel viidi läbi ensümaatiline hüdrolüüs. Saadud hüdrolüsaadis määrati vabade suhkrute ja orgaaniliste hapete sisaldus. Järgmises etapis viidi läbi hüdrolüsaadi fermentatsioon kasutades selleks kuivpärmi Saccharomyces cerevisiae. Analoogset rada pidi uuriti erinevaid biomasse: jääkpuitmassi, kuusepuitu, kasepuitu ja männipuitu. Torrefitseerimisprotsess viidi läbi kolmel erineval temperatuuril (225°C, 275°C ja 300°C) kahe erineva reaktsiooniajaga (30 min ja 60 min). Tulemused näitasid, et torrefitseerimistemperatuuri kasvades ja reatktsiooni aja pikenedes hemitselluloosi ja tselluloosi sisaldus biomassis väheneb, samas kui ligniini sisaldus näitab kasvutrendi. Torrefitseerimisprotsessis muutub biomassi iseloom hüdrofiilsest hüdrofoobseks, mida on võimalik täheldada niiskuse absorptsiooni biomassis mõõtes. Biomassi kütuse karakteristikud paranevad samuti: biomassi kütteväärtus kasvab, kuna hapniku molekulid hulk selles väheneb ning süsiniku osakaal kasvab. Torrefitseeritud biomass suunati uurimuse teises osas delignifitseerimisse ning seejärel ensümaatilise hüdrolüüsi ja fermentatsiooni protsessidesse, et toota bioetanooli. Delignifitseerimine alandab selgelt ligniini sisaldust biomassis ning mõningal määral ka hemitselluloosi sisaldust, samas kui tselluloosi osakaal vastavalt kasvab. Ka struktuursete suhkrute sisaldus muutub delignifitseerimisprotsessis. Glükoosi osakaal kasvab, samas kui ksüloosi osakaal väheneb. Sarnast tendentsi võib täheldada ka ensümaatilise hüdrolüüsi järel. Inhibiitoritest äädikhappe sisaldus kasvab torrefitseerimistemperatuuri kasvades kuid delignifitseerimise järgselt on äädikhappe kontsentratsioon selgelt madalam. Bioetanooli saagised torrefitseeritud biomassist on delignifitseerimise järgselt enam kui 30% kõrgemad võrrelduna ilma delignifitseerimisprotsessita teostatud bioetanooli tootmisega. Käesoleva uurimuse tulemuste taustal peaks torrefitseeritud biomassi kasutamist väljaspool energiasektorit veelgi enam uurima. Torrefitseeritud biomass omab mitmeid eeliseid töötlemata jääkpuitmassi ees ning võiks olla potentsiaalseks toormeks erinevate biokemikaalide ja biomaterjalide tootmisel. Samuti peaks järgnevad uuringud vaatlema kogu biomassi efektiivset kasutamist, et väärindamist leiaksid ka biomassi teised koostisosad peale tselluloosi.
Publication of this dissertation is supported by the Estonian University of Life Sciences. This study has been supported by base financed EMU PM180260 TIBT base financed project, as well as the RESTA5 project titled "Development and optimization of thermochemical valorization and biorefining technologies for second and third generation biochemical production from lignocellulosic biomass." Also, Doctoral Studies and Internationalisation Programme DoRa, Dora Plus programme for PhD students which were carried out by Foundation Archimedes European Regional Development Fund-DoraPlus-Estonia, and Project "Cooperation between universities to promote doctoral studies" (co-funded by the European Union) carried out within the framework of the doctoral school.
LÜHIKOKKUVÕTE. Töö peamine eesmärk oli uurida torrefitseerimist kui eeltöötlusmeetodit rõhuasetusega energia kandjate tootmisel. Eelkõige vaadeldi torrefitseeritud biomassi kasutusvõimalusi tahke energia kandjana ning selle edasise töötlemise võimalusi vedelaks energia kandjaks nagu bioetanool. Selleks uuriti torrefitseerimistemperatuuri ja reaktsiooniaja mõju jääkpuitmassi biokeemilisele koostisele, niiskuse sisaldusele, niiskuse absorbeeimisvõimele, elementkoostisele ja kalorsusele. Töö teine etapp keskendus peamiselt torrefitseeritud biomassi muundamisele vedelaks energia kandjaks, bioetanooliks. Selleks viidi esmalt läbi delignifitseerimine naatrium hüdroksiidi abil, et vähendada ligniini sisaldust torrefitseeritud jääkpuitmassis. Delignifitseerimise järgselt analüüsiti järelejäänud tahke massi algsuhkrute sisaldust. Seejärel viidi läbi ensümaatiline hüdrolüüs. Saadud hüdrolüsaadis määrati vabade suhkrute ja orgaaniliste hapete sisaldus. Järgmises etapis viidi läbi hüdrolüsaadi fermentatsioon kasutades selleks kuivpärmi Saccharomyces cerevisiae. Analoogset rada pidi uuriti erinevaid biomasse: jääkpuitmassi, kuusepuitu, kasepuitu ja männipuitu. Torrefitseerimisprotsess viidi läbi kolmel erineval temperatuuril (225°C, 275°C ja 300°C) kahe erineva reaktsiooniajaga (30 min ja 60 min). Tulemused näitasid, et torrefitseerimistemperatuuri kasvades ja reatktsiooni aja pikenedes hemitselluloosi ja tselluloosi sisaldus biomassis väheneb, samas kui ligniini sisaldus näitab kasvutrendi. Torrefitseerimisprotsessis muutub biomassi iseloom hüdrofiilsest hüdrofoobseks, mida on võimalik täheldada niiskuse absorptsiooni biomassis mõõtes. Biomassi kütuse karakteristikud paranevad samuti: biomassi kütteväärtus kasvab, kuna hapniku molekulid hulk selles väheneb ning süsiniku osakaal kasvab. Torrefitseeritud biomass suunati uurimuse teises osas delignifitseerimisse ning seejärel ensümaatilise hüdrolüüsi ja fermentatsiooni protsessidesse, et toota bioetanooli. Delignifitseerimine alandab selgelt ligniini sisaldust biomassis ning mõningal määral ka hemitselluloosi sisaldust, samas kui tselluloosi osakaal vastavalt kasvab. Ka struktuursete suhkrute sisaldus muutub delignifitseerimisprotsessis. Glükoosi osakaal kasvab, samas kui ksüloosi osakaal väheneb. Sarnast tendentsi võib täheldada ka ensümaatilise hüdrolüüsi järel. Inhibiitoritest äädikhappe sisaldus kasvab torrefitseerimistemperatuuri kasvades kuid delignifitseerimise järgselt on äädikhappe kontsentratsioon selgelt madalam. Bioetanooli saagised torrefitseeritud biomassist on delignifitseerimise järgselt enam kui 30% kõrgemad võrrelduna ilma delignifitseerimisprotsessita teostatud bioetanooli tootmisega. Käesoleva uurimuse tulemuste taustal peaks torrefitseeritud biomassi kasutamist väljaspool energiasektorit veelgi enam uurima. Torrefitseeritud biomass omab mitmeid eeliseid töötlemata jääkpuitmassi ees ning võiks olla potentsiaalseks toormeks erinevate biokemikaalide ja biomaterjalide tootmisel. Samuti peaks järgnevad uuringud vaatlema kogu biomassi efektiivset kasutamist, et väärindamist leiaksid ka biomassi teised koostisosad peale tselluloosi.
Publication of this dissertation is supported by the Estonian University of Life Sciences. This study has been supported by base financed EMU PM180260 TIBT base financed project, as well as the RESTA5 project titled "Development and optimization of thermochemical valorization and biorefining technologies for second and third generation biochemical production from lignocellulosic biomass." Also, Doctoral Studies and Internationalisation Programme DoRa, Dora Plus programme for PhD students which were carried out by Foundation Archimedes European Regional Development Fund-DoraPlus-Estonia, and Project "Cooperation between universities to promote doctoral studies" (co-funded by the European Union) carried out within the framework of the doctoral school.
Kirjeldus
A Thesis for applying for the degree of Doctor of Philosophy in Engineering Sciences.
Väitekiri filosoofiadoktori kraadi taotlemiseks tehnikateaduse erialal.
Väitekiri filosoofiadoktori kraadi taotlemiseks tehnikateaduse erialal.
Märksõnad
dissertations, renewable energy sources, biomass energy, bioethanol, torrefaction, delignification