الإيثانول الحيوي: تحسين المعالجة المسبقة للأخشاب لتحقيق إنتاج مربح

تتيح العمليات المعقدة المختلفة إطلاق السكريات الموجودة في الخشب، والتي تستخدم بشكل خاص لإنتاج الإيثانول الحيوي من الجيل الثاني. حدد علماء من INRAE ​​وجامعة ريمس شامباني أردين وشركة Européenne de Biomasse نطاقات من المقايضة التكنولوجية (درجة الحرارة ووقت المعالجة المسبقة) التي تمكن من استعادة بقايا البلوط والحور مع تقليل الاستثمار الاقتصادي. ونشرت النتائج في 3 ديسمبر في مجلة الطاقة التطبيقية.

تمثل بقايا الخشب موردًا متجددًا للحصول على المواد الحيوية أو الجزيئات الحيوية ذات الأهمية التي يمكن استخدامها لتصنيع مجموعة واسعة من المنتجات مثل الوقود والمذيبات والمواد الخافضة للتوتر السطحي. تتمتع هذه الكتلة الحيوية المتبقية بميزة عدم التنافس مع الطعام أو الأعلاف. لكن التركيب المعقد للخشب غني بالسليلوز والهيمسيلولوز [1] واللجنين، يجعل من الصعب التفكيك باستخدام المحفزات الأنزيمية من أجل الوصول إلى الجزيئات محل الاهتمام، وبالتالي يتطلب مرحلة ما قبل المعالجة.

المعالجة المسبقة عن طريق انفجار البخار

يتكون انفجار البخار من تسخين عينة الخشب بعد تشريبها مسبقًا بالماء، يليه انخفاض سريع في الضغط مما يؤدي إلى تدمير المادة. تعمل طريقة المعالجة المسبقة هذه على تحويل الخشب إلى شكل ليفي هوائي. يمكن بعد ذلك تشكيل الخشب المعالج مسبقًا لصنع كريات للتدفئة (السوق الحالي لـ الكتلة الحيوية الأوروبية) أو مجزأة لتحرير السكر (جزيئات الجلوكوز)، والتي يمكن استخدامها لإنتاج الإيثانول على سبيل المثال.

لقد أثبتت المعالجة المسبقة بواسطة انفجار البخار فعاليتها في مختلف القطاعات الصناعية، ولكنها تظل مكلفة للغاية بالنسبة لإنتاج الجيل الثاني من الإيثانول الحيوي: فهي تمثل 30 إلى 50% من تكاليف المعدات لعملية إنتاج الإيثانول الحيوي بأكملها و20 إلى 25% من تكلفة المعدات. التكاليف التشغيلية.

أخذ علماء من INRAE ​​وجامعة ريمس شامباني أردين وجامعة ريمس شامبانيا أردين هذه المشكلة كنقطة انطلاق لهم. الكتلة الحيوية الأوروبية تهدف إلى تعظيم إنتاج الإيثانول مع الحد في نفس الوقت من تكلفة المعالجة المسبقة.

ولإجراء اختبارات على 3 أنواع من الأخشاب (البلوط والحور والتنوب)، حصل العلماء على الإمدادات مباشرة من الكتلة الحيوية الأوروبية مصنع يقع في منطقة غراند إست في فرنسا، يعمل على استعادة بقايا الأخشاب من غابات المنطقة لصناعة كريات التدفئة. تمت معالجة رقائق الخشب التي تم جمعها مسبقًا عن طريق انفجار البخار، واستكشاف نطاقات مختلفة من درجات الحرارة والمدة (10 ظروف متناقضة).

سمحت النتائج التي تم الحصول عليها بتحديد الظروف المثلى للمعالجة المسبقة لأنواع الأخشاب الثلاثة، وأظهرت أن إنتاج الإيثانول يزداد مع شدة المعالجة المسبقة حتى ظروف الشدة المتوسطة ثم يصبح مستقرًا، مما يدل على أن الظروف الأكثر قسوة ليست هي الظروف الأكثر خطورة. الأكثر ملاءمة للتطبيق. وبناءً على هذه البيانات، ومع الأخذ بعين الاعتبار نطاقات الإنتاج المحددة لعملية التفجير البخاري التي يتم تشغيلها الكتلة الحيوية الأوروبيةلقد نجح العلماء في وضع سيناريوهات للبلوط والحور فقط، من أجل تحسين مرحلة ما قبل المعالجة وبالتالي تحقيق أقصى قدر من إنتاج الإيثانول الحيوي، وكل ذلك مع كونه مجديًا اقتصاديًا.

تحسين إنتاجية الإيثانول الحيوي من البلوط والحور

تم تحديد معايير اختيار الأنواع بحد أدنى لإنتاج الإيثانول الحيوي بنسبة 85% من القيمة المثلى وحد أعلى للاستثمار الاقتصادي بنسبة +25% مقارنة بالمعالجة المسبقة الأقل كثافة.

أفضل مقايضة للبلوط هي حوالي 15 دقيقة من المعالجة المسبقة عند 198 درجة مئوية، مع إنتاج من الإيثانول الحيوي يبلغ 129 ملغم / جم من المادة الجافة وزيادة بنسبة 22٪ في الاستثمار الاقتصادي. بالنسبة لأشجار الحور، فإن ذلك يتوافق مع حوالي 10 دقائق من المعالجة المسبقة عند 205 درجة مئوية، مع إنتاجية تبلغ 111 ملجم/جم من المادة الجافة وزيادة قدرها 16% في الاستثمار. بالمقارنة مع العائدات المثلى المحسوبة دون أي معايير اقتصادية، فإن هذا يمثل انخفاضًا معتدلًا للغاية بنسبة 9% و4% للبلوط والحور على التوالي، بينما تنخفض تكاليف المعالجة المسبقة بنسبة 25 إلى 50%.

توضح هذه الدراسة إمكانية تحسين المعالجة المسبقة وتحويل الكتلة الحيوية النباتية، وتكييفها مع الظروف الصناعية للشركة من حيث معايير الاستثمار المادي والتشغيلي، باستخدام مثال الإيثانول الحيوي. وبالتالي يمكن نقل هذه الطريقة بسهولة إلى إنتاج منتجات أخرى ذات أهمية مشتقة من الجلوكوز، مثل البلاستيك الحيوي أو المذيبات الحيوية.

وحددت الدول الأعضاء في الاتحاد الأوروبي حصة الطاقات المتجددة التي سيتم استخدامها بحلول عام 2030 بنسبة 42.5%، مع حصة 5.5% للوقود الحيوي المتقدم والغاز الحيوي وأنواع الوقود المتجددة ذات الأصل غير البيولوجي في قطاع النقل. https://www.europarl.europa.eu/factsheets/en/sheet/70/renewable-energy

مرجع

أوديبيرت إي، فلوريت جيه، كوينتيرو. وآخرون. (2024). تحديد المفاضلات بين عوائد إنتاج الإيثانول الحيوي 2G وتكاليف المعالجة المسبقة للكتلة الحيوية الخشبية المنفجرة بالبخار الصناعي. الطاقة التطبيقية, دوى: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.125028