I det foreliggende projekt skulle afklares i hvilken grad og vha. hvilken metode effluenten fra biogasprocessen skuIle renses for at genanvende den som procesvand i MaxiFuels processen. Med omstrukturering af DTU Systembiologi gruppen på Risø DTU i forår 2008 manglede ansatte på projektet som kunne udføre forsøgene, derfor er omfanget af det udførte arbejde mindre end oprindelig planlagt.
Projektbeskrivelse
Igennem en årrække er der på DTU i sammenarbejde med Risø, Novozymes og Cambi Bioethanol blevet udviklet en ny proces til produktion af bioethanol som transportbrændstof fra lignocelluloseholdige materialer som for eksempel halm. Processen foregår i flere trin – forbehandling, enzymatisk hydrolyse, sukker fermentering og udnyttelse af potentiale i reststrømmen ved behandling i en biogasreaktor. Den såkaldte MAXIFuels proces skal muliggøre bioethanolproduktion fra biomasse til en konkurrencedygtig pris gennem tre forskellige principper: (1) at opnå et større sukkerfrigivelse gennem en ny forbehandlingsmetode samt en tilpasset enzymatisk hydrolyse. (2) at opnå en højere ethanoludbytte gennem brug af adapterede fermenterende mikroorganismer. (3) at omdanne alle restprodukter til biogas eller værdifulde biprodukter og. (4) produktion af en ren lignindel, som er velegnet til afbrænding. For at undgå brug af frisk vand til processen skal procesvandet tilbageføres til forbehandlingen og anvendes til fortynding af det rå substrat - halm. Der har tidligere været udført forsøg med vask af halmen inden forbrænding, men metoden har vist sig ikke at være rentabel. Omdannelse af halm til bioethanol og andre brændstoffer samt produktion af en ren ligninfraktion som kan anvendes til forbrænding giver derfor en række driftsmæssige fordele. Såfremt det i projektet kan dokumenteres, at saltene fra recirkulationsvandet kan omdannes til et gødningsprodukt, er der ligeledes udsigt til en miljømæssig gevinst i forhold til i dag, hvor flyveasken må deponeres. De enkelte procestrin af MAXIFuels er blevet afprøvet i laboratorieskala og den fulde MAXIFuels koncept bliver videreudviklet i 2006 på DTU i pilot-skala. På nuværende tidspunkt har vi ikke tilstrækkelig viden om sammensætning af procesvandet. Halm indeholder uorganiske salte, herunder 2-3% KCl, og der forventes at salte vil ophobes i recirkuleringskredsløbet ved kontinuert drift. Dette kan føre til hæmning af den enzymatisk hydrolyse, i de enkelte mikrobielle procestrin eller være årsag til tekniske problemer pga. forkalkning af tanke og rør. Der findes kun sparsom information i litteraturen om indholdet af salte i reststrømmer fra stivelseeller molasse baserede bioethanol processer, men ligeledes betragtes kalium at udgøre et problem. Med henblik på hæmning af mikrobielle processer med salte er effekten på de fermentative mikroorganismer anvendt i MAXIFuels konceptet ikke blevet undersøgt. Med hensyn til methanproduktion, findes der studier vedrørende Na+, Mg"2"+ og Ca"2"+ effekten på enten suspenderede renkulturer eller methanogene mikrobielle konsortier immobiliseret i granula. Dog er effekten af kalium ikke dokumenteret. Derudover skal lignin som udtages som en fast fraktion efter det første fermenteringstrin vurderes med hensyn til dets egnethed for en forbrændingsproces. Energi E2 har erfaring med halmindfyring på kraftværker og har rapporteret om en række driftstekniske udfordringer på grund af halmens høje indhold af især KCl, der medfører korrosionsproblemer og slaggedannelser i fyrrummet. Endvidere kan flyveasken fra halmforbrænding pt. ikke afsættes til jordforbedrende formål på grund af et højt indhold af cadmium (E2, Sander & Adrén, 1997). Det betyder at ligninbiproduktet fra MAXIFuels processen skal indeholde en mindre mængde af salte og acceptabel niveau af tungmetaller for at kunne håndteres uproblematisk. Der findes en sammenligning af forskellige teknologier til bortskaffelse og rensning af effluenter fra stivelse-baseret bioethanol produktion (se bilag), men disse kan ikke direkte overføres på effluenten af MAXIFuels processen der har udgangspunkt i en anden type af biomasse. Saltfjernelsen i MAXIFuels processen skal være effektiv, men også have et lavt energiforbrug. Inddampning, krystallisering (udfældning) og membranfiltrering er de mest anvendte processer til saltfjernelse. Formålet ved det foreliggende projekt er at afprøve disse forskellige processer til saltfjernelse i MAXIFuels procesvand og finde den optimale proces som har et højt effektivitet og et lav energiforbrug. Projektets formål skal opnås gennem følgende arbejdsopgaver: 1) Karakterisering af salte og koncentrationer i råvaren og i de forskellige trin af MAXIFuels processen. Der analyseres især for kationer som generelt betinger saltets toksicitet overfor mikroorganismer (BioCentrum-DTU). 2) Litteraturstudium vedr. udvaskning (BioGasol). 3) Modellering af saltkoncentrationer ved kontinuert drift og tilbageføring af recirkulationsvand (BioCentrum-DTU). 4) Toleranceforsøg af hydrolyse og fermentering ved forskellige saltkoncentrationer (BioCentrum-DTU). 5) Afprøvning af effektiviteten samt beregning af energibalance af følgende metoder til fjernelse af salte (BioCentrum-DTU, Kemiteknik-DTU): (a) Inddampning, (b) Krystallisering, (c) Membranfiltrering. 6) Evaluering af saltindhold i ligninbiproduktet til forbrænding samt gennemførelse af forbrændingsforsøg (BioGasol). 7) Optimering af saltfjernelse mht. effektiviteten, energibalance og kvaliteten af biproduktet som gødningsprodukt. (BioCentrum-DTU). 8) Beregning af økonomi i de forskellige løsningsforslag (BioGasol)
Resultater
EFP-projektet 'Videreudvikling af MaxiFuels konceptet med saltfjernelse og genvinding af et værdifuldt gødningsprodukt' er udført i sammenhæng med MaxiFuels projektet 'Afprøvning og videreudvikling i pilotskala af en fermenteringsplatform for maksimal produktion af bioenergi (ethanol, hydrogen og methan) fra biomasserestprodukter såsom halm'. MaxiFuels projektet har til formål at afprøve og videreudvikle konceptet til anden generations produktion af bioethanol fra lignocelluloseholdig biomasse med produktion af biogas og værdifulde biprodukter fra spildstrøm i pilot-skala. I det foreliggende projekt skulle afklares i hvilken grad og vha. hvilken metode effluenten fra biogasprocessen skuIle renses for at genanvende den som procesvand i MaxiFuels processen. Arbejdet er blevet gennemført gennem 4 opgaver: i) Analyser af saltkoncentrationer i de forskellige trin af MaxiFuels processen, ii) ModeIlering af saltkoncentrationer ved kontinuert drift og tilbageføring af recirkulationsvand, iii) Bestemmelse af højst tilladte saltkoncentrationer i de forskellige procestrin, iv) Egnethed, effektivitet og energiforbrug af forskellige saltfjernelsesprocesser. Saltanalyserne viste at Na+ udgør den største del af alle saltioner i procesvandet pga. tilsætning af NaOH til pH justering. Andre ioner i betydelige koncentrationer er K+, Cl-, Ca++ og P. Toleranceforsøg viste at delprocesserne i MaxiFuels konceptet tolererer en samlet saltkoncentration op til 30 g/L uden tegn pa hæmning, Testning af forskellige rensningsprocesser tyder på at elektrodialyse er den mest lovende metode til saltfjernelse af det pågældende procesvand. Firmaet E2 opsagde samarbejdet i løbet af projektet og firmaet BioGasol ApS overtog de fleste af E2's opgaver. Med omstrukturering af DTU Systembiologi gruppen på Risø DTU i forår 2008 manglede ansatte på projektet som kunne udføre forsøgene, derfor er omfanget af det udførte arbejde mindre end oprindelig planlagt.
