Βιολογικοί πόροι: Σύσταση, Προκατεργασίες

Βιολογικοί πόροι: Σύσταση, Προκατεργασίες Koukios Emmanouel NTUA Professor School of Chemical Engineering koukios@chemeng.ntua.gr

Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

Βιολογικοί Πόροι/Βιομάζα Από οικοσυστήματα: Χερσαία Υδατικά (μικροφύκη, μακροφύκη, κτλ...)

Βιολογικοί Πόροι/Βιομάζα Προέλευση (χερσαία): Φυτική Ζωική Υπάρχον υπόλειμμα: γεωργία, δάση, (αγρο)βιομηχανικό,... Φυτό ενεργειακής καλλιέργειας

Χερσαία Φυτική Βιομάζα Προέλευση: Δασική Αγροτική Αστική Βιομηχανική Άλλη Σύσταση (οργανική): Σακχαρούχα Αμυλούχα Λιγνινοκυτταρινούχα Ελαιούχα Πρωτεϊνούχα Άλλα (π.χ. πηκτίνες) Νερό Τέφρα (ανόργανη)...

So Raw materials categories: a) Simple Sugars, b) Starch c) Lignocellulosics Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts, Foggia, June-July 2014

Examples: Sugar beet, sugar cane and industrial residues, etc. potato, potato residues etc., i.e. agro-industrial residues straw (wheat, barley, corn, etc) stems, residues, not the food crop! and Energy crops i.e. sweet sorghum Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts, Foggia, June-July 2014

Glucose Wikipedia

Σακχαρόζη - Sucrose Glucose Fructose Wikipedia

Wikipedia Άμυλο (starch)

Άμυλο Υδατάνθρακας (6 C) Γραμμικό πολυμερές (α-γλυκοζιτικός δεσμός) Εύπεπτο από τον άνθρωπο (τρόφιμο!!!!) (οξέα στομάχου, ένζυμα-αμυλάσες) Αλεύρι!!

Κυτταρίνη Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts, Foggia, June-July 2014

Κυτταρίνη Υδατάνθρακας (πολυσακχαρίτης, 6 C) Γραμμικό πολυμερές (β-γλυκοζιτικός δεσμός) Πολύ μακρύ μόριο (μεγάλος βαθμός πολυμερισμού) Μη εύπεπτο από τον άνθρωπο (ανεπαρκείς συνθήκες με οξέα στομάχου, έλλειψη ενζύμων-κυτταρινάσες) Βαμβάκι!! Φύση: αντίσταση Γενικά αδρανής σε βάσεις, προσβάλλεται από οξέα 3

Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts, Foggia, June-July 4 2014

Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts, Foggia, June-July 5 2014

Ημικυτταρίνη Υδατάνθρακας (5 C ή 6 C) Πολυμερές, κυρίως γραμμικές αλυσίδες με διακλαδώσεις Μικρότερου μήκους αλυσίδες απ ότι της κυτταρίνης (βαθμός πολυμερισμού) Όχι μόνο ενός είδους το μονομερές σάκχαρο 6

Ημικυτταρίνη Wikipedia 7

Λιγνίνη Υδρογονάνθρακας 3-διάστατος Συμπολυμερές μονάδων φαινυλο-προπανίου Με επιπλέον δεσμούς σε διατιθέμενα ενεργά κέντρα Συνδετική κόλλα (... Μπετόν αρμέ) Φύση: περαιτέρω αντίσταση Γενικά αδρανής σε οξέα, προσβάλλεται από βάσεις 8

Λιγνίνη - Lignin Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts, Foggia, June-July 9 2014

Thermal Analysis of Lignin Cellulose Chem. Technol., 40 (9-10), 719-725 (2006) και δίκτυο EUROLIGNIN 10

LHC complex Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts, Foggia, 11 June-July 2014

Βιόμαζα = O κύβος του Rubik Wikipedia 12

Αξιοποιείται τμήμα της α ύλης Πολυπλοκότητες και ρίσκα (τεχνικά, οικονομικά, περιβαλλοντικά/οικολογικά, κοινωνικά/ηθικά) Κάποιο(α) συστατικό(ά) της μετατρέπονται σε βιοκαύσιμο ή βιοενέργεια... Ενδιαφέρουν υδατάνθρακες (απλοί ή πολυμερή) και ενίοτε η λιγνίνη 13

Don t forget physico-chemistry of the raw material: Structure (order cellulose crystallinity) Specific surface area (SSA) -pores Ligno-cellulose-hemicellulose (LCH) complex (sugars surrounded) Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts, Foggia, 14 June-July 2014

Upstream needs?: YES! Any pretreatment enhancing accessibility Particle size reduction/ssa increase (milling, grinding) Disordering (crystallinity index decrease) Get rid of unnecessary or harmful components (e.g. lignin, i.e. delignification) Others. Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts, Foggia, 15 June-July 2014

ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ!!!!!!! 16

Λιγνοκυτταρινούχα!! Άχυρα! 17

18

Άλεση 1 Μείωση μεγέθους σωματιδίων Αύξηση επιφάνειας Κρυσταλλικότητα ~ σταθερή 19

Role of SSA 272 Enzyme Microb. Technol., 1991, vol. 13, March 20

Άλεση 2 Μείωση μεγέθους σωματιδίων Αύξηση επιφάνειας Κρυσταλλικότητα ελαττώνεται 21

Size-SSA-Crystallinity SS A CI 272 Enzyme Microb. Technol., 1991, vol. 13, March 22

Απομάκρυνση λιγνίνης Βαθμός Απολιγνίνωσης: Με χημικά!!!!!!! 23

24

25

26

27

Bioresource Technology 35 (1991) 297-300 28

29

Α ύλη Σακχαρούχα 30

Wikipedia 31

Σακχαρούχο Σόργο (Γλυκό) 32

Ο Ρόλος της Εποχικότητας Χ Χ+1 Χ+1 Process Biochemistry Vol. 31, No. 4, pp. 377-381, 1996 33

Πολτός σακχαρότευτλου 34

Component Chemical composition (%) Cellulose 24.6±0.4 Hemicellulose 27.9±0.3 Lignin 2.6±0.2 Ash 3.5±0.2 Crude fibres 23.5±0.2 Fat 1.5±0.3 Total insoluble sugars 65.0±0.5 Total pectines 10.5±0.3 Total proteins (N 2 x6.25) 9.6±0.2 Sugar Beet Pulp Chemical composition of untreated sugar beet pulp (SBP) in % dry weight basis (Average of 4 replications ±SD) Moisture content = 10% already mechanically pretreated! Δ. Οικονόμου et al., Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum, 35 ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007

Straw prepyrolysis (torrefaction) 36

Μπορεί να συνιστά προκατεργασία με εκροή αναβαθμισμένο βιοκαύσιμο, ή Μπορεί να θεωρηθεί ως η κυρίως (θερμοχημική) μετατροπή Θέρμανση αχύρου σε χαμηλές θερμοκρασίες με/χωρίς πίεση και πιθανόν με Ν (περιορισμένη αποικοδόμηση, μικρές απώλειες) 37

Biomass and Bioenergy Vol. I, No. 4, pp. 199-206, 1991 38

Biomass and Bioenergy Vol. I, No. 4, pp. 199-206, 1991 39

Biomass and Bioenergy Vol. I, No. 4, pp. 199-206, 1991 40

Biomass and Bioenergy Vol. I, No. 4, pp. 199-206, 1991 41

Biomass and Bioenergy Vol. I, No. 4, pp. 199-206, 1991 42

hermochemical densification of LHC Θερμοχημική δράση σε συνδυασμό με μηχανική πίεση προκατεργασία (παραγωγή αναβαθμισμένου στερού καυσίμου), ή η κυρίως (θερμοχημική) μετατροπή 43

Progress in Thermochemical, Solid-state refining of Biofuels From Research to Commercialization, in Int l Conf. Proc. Advances in Thermochemical Conversion, 11-15/5/1992, 44 Interlaken, Switzerland, pp 1678-1692 (ed. A.V. Bridgwater, 1993)

Progress in Thermochemical, Solid-state refining of Biofuels From Research to Commercialization, in Int l Conf. Proc. Advances in Thermochemical Conversion, 11-15/5/1992, 45 Interlaken, Switzerland, pp 1678-1692 (ed. A.V. Bridgwater, 1993)

Progress in Thermochemical, Solid-state refining of Biofuels From Research to Commercialization, in Int l Conf. Proc. Advances in Thermochemical Conversion, 46 11-15/5/1992, Interlaken, Switzerland, pp 1678-1692 (ed. A.V. Bridgwater, 1993)

47

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: Βιόμαζα σε Η 2 Α: Α1, Α2, Α3, Α4 Β:??? Γ: Υδρογόνο Carb = % υδατάνθρακες/σάκχαρα (Carbohydrates), DM = % περιεκτικότητα σε στερεά/ξηρασία (Dry Matter) 48

Alternative Biomass-to-Hydrogen Pathways High Carb Low DM: (Α1) (Α2) High Carb High DM: Biomass ->... -> BioH2 Biomass ->...-> H2 Low Carb Low DM: (Α3) Biomass ->... -> H2 Low Carb High DM: (Α4) Biomass ->... -> H2 49

Alternative Biomass-to-Hydrogen High Carb Low DM: Pathways High Carb High DM: Biomass -----> BioH2 (HYVOLUTION) Low Carb Low DM: Biomass -> Bioethanol -> Reforming -> H2 Low Carb High DM: Biomass -> Biogas -> Reforming -> H2 Biomass -> Thermochemical Gasification -> H2 50

Εσείς!! Miscanthus ΑΧΥΡΑ ΣΙΤΗΡΩΝ ΣΤΕΛΕΧΗ ΒΑΜΒΑΚΙΑΣ ΕΛΑΙΟ-ΠΥΡΗΝΟΞΥΛΟ ΔΑΣΙΚΑ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΑ ΚΤΗΝΟΤΡΟΦΙΚΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΑΣΤΙΚΑ ΑΠΟΡΡΙΜΜΑΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΦΥΤΟ: ΣΟΡΓΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΦΥΤΟ: ΚΑΛΑΜΙΑ ΛΚ ΛΚ ΛΚ ΛΚ ΛΚ ΛΚ & ΣΚΧ ΛΚ 51

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.